柴油原油换热器设计说明书

1、柴油原油换热器设计说明书齐齐哈尔大学化工原理课程设计柴油换热器化工原理课程设计柴油换热器设计说明书设计者：班级：过控132组长：吴世杰成员：刘云杰李亚芳郑仕业刁昌东王宇学生姓名：吴世杰日期：2015年9月4日指导教师：佟白第1页共17页目录一设计说明书3二.设计条件及主要物性的确定31 .定性定32 流体有关物性33 确定设计方案41 .选择换热器的类型42 流程安排44 估算传热面积41. 传热器的热负荷42. 平均传热温差43. 传热面积估的舁45 工程结构尺51. 管径和管内流速52. 管程数和传热管数5齐齐哈尔大学化工原理课程设计柴油换热器3. 平均传热温差校正和壳程数54. 传热管排

2、列和分程方法55. 壳程内径66. 折流板67. 其他附件68. 接目66 换热器核的舁71. 热流量核的舁7（1） 壳程表面传热系数7（2） 管程表面传热系数7（3） 污垢热阻和管壁热阻8（4） 传热系数K8（5） 传热面积裕度82. 壁温核的舁93. 换热器内流体的流动阻力9（1） 管程流动阻力9（2） 壳程流动阻力107 换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表-118 设备参考数计的舁121. 壳体壁厚122. 接管法123. 设备法124. 封头管箱125. 设备法兰垫片（橡胶石棉板）126. 管法兰用垫片137. 管板138. 支垫（鞍式支座）139. 设备参数总表139 设计总结15十

3、.主要符号说明16十一.参考文献17第 5 页 共 17 页齐齐哈尔大学化工原理课程设计一一柴油换热器一、设计说明书1 .设计任务书和设计条件原油44000kg/h由70°C被加热到110°C与柴油换热，柴油流量34000kg/h,柴油入口温度175°C,出口温度127。已知两则污垢热阻为0.0002m2-C/W,管程与壳程两则降压小于或等于0.3at,热阻损失5%初设k=250w/mb°C。二、设计条件及主要物性参数2.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：类型体积流里(标准kg/h)进口温度(C)出口温度()操作压力(Mpa)设计压力(Mpa)柴

4、油(管内)340001751271.11.2原油(管外)44000701100.30.4注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全,必须使设计压力比最大操作压力略大，本设计的设计压力比最大操作压力大0.1MP&2 .2确定主要物性数据2.1.1 定性温度的确定根据流体力学(上)P177,公式(4-109),热流量为Qc=wee-T2)xi.05=44000X2.2X(14842)X1.05=1.13X106kJ/h=1.13X106W管程柴油的定性温度为175127T151C2壳程原油的定性温度为70 11090 C2.2.2流体有关物性数据根据由上面两个定性温度数据，查阅参考书可得原油

5、和柴油的物理性质。运用内插法(公式为yVb(yayb)/(tatb)tavgtb),可得壳程和管程流体的有关物性数据。原油在90C,1.2MPa下的有关物性数据如下:物性密度Pi(kg/m3)定压比热容CpikJ/(kgC)粘度以i(Pas)导热系数入i-1(W-m1.c-1)原油8152.26.65X,-3100.128柴油在151c的物性数据如下:物性密度Po(kg/m3)定压比热容CpokJ/(kgC)粘度以。(Pas)导热系数入。-1(W-m1.c-1)柴油7152.480.64x10-30.133三、确定设计方案3.1 选择换热器的类型由于温差较大和要便于清洗壳程污垢，对于油品换热器

6、，以采用Fe系列的浮头式列管换热器为宜。采用折流挡板，可使作为被冷却的原油易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。3.2 流程安排柴油温度高，走管程课减少热损失，原油黏度较大，走壳程在较低的Re数时即可达到湍流，有利于提高其传热膜系数。四、估算传热面积4.1 热流量Q1.13106W4.2 平均传热温差(工 t2)(丁2 G)2(175 110) (127 70)2(0C,1atm)=61C4.3 传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设K=250Wm2C-1。根据化工单元过程及设备课程设计P44,公式3-8,则估算的传热面积为A估200674.1m2Kit

7、m25061五.工程结构尺寸5.1 管径和管内流速选用©25x2.5mmB勺传热管（碳钢管）；由传热传质过程设备设计P7表13得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，可设空气流速Ui=1m/s,用ui计算传热膜系数，然后进行校核。5.2 管程数和传热管数依化工单元过程及设备课程设计P46,公式3-9可依据传热管内径和流速确定单程传执管数八、口nsVi-di2Ui434000/(715 3600)0.785 0.022 142(根)按单程管计算，所需的传热管长度为LS-74122.5mdins3.140.02542按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 数为1= 7 m

8、 ,则该换热器管程N=L/l=22.5/7=4(管N = 42 X4= 168 (根)。程）传热管总根数5.3 平均传热温差校正及壳程数依化工单元过程及设备课程设计P46,公式3-13a和3-13b,平均传热温差校正系数R=3"5*=1.2t2t111070P=0!_2°=0.381T1t117570依传热传质过程设备设计P16,公式3-13,温度校正系数为第27页共17页in1PR1n2P(1RR21)1.21in2P(1R0.381、R21)11.20.381ln20.381(11.2J1.221)0.9220.381(11.2.1.221)依传热传质过程设备设计P16

9、,公式3-14,平均传热差校正为tm=tXAtm=61X0.92=56.12(C)由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。W5.4 传热管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按旋转45。正四边形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查化工单元过程及设备课程设计P50,表3-7管间距，取管间距：t=1.25d=1.25x25=32mm。由化工单元过程及设备课程设计P50,公式3-16,隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22mm取各程相邻管的管心距为4

10、4mm5.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n=0.7,由化工单元过程及设备课程设计P51,公式3-20,得壳体内径为D=1.05t而=1.05X32X168/0.7=520mm,圆整后取D=600mm5.6 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度为h=0.25X600=150mm,故可取h=150mm取折流板间距B=0.3D,贝UB=0.3X600=180mm折流板数N B=传热管长折流板间距1 = 7000 1 38180块折流板圆缺面水平装配5.7 其他附件直径为12mm勺拉杆4根5.8 接管(1)壳程流体进出口接管D14 44000/(360

11、0 815)3.14 0.5取接管内液体流速u1=0.5m/s,=0.195(m)圆整后取管内直径为200mm.（2）管程流体进出口接管取接管内液体流速u2=1m/s,D20.129(m)4v434000/(3600715)u2:3.141圆整后取管内直径为150mm六.换热器核算6.1 热量核算6.1.1 壳程表面流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由化工单元过程及设备课程设计P53,公式3-22,得1一c入0-0.551/3/%、0.14ho=0.36一RePr（一）deMw其中：粘度校正为（%。14=1.05Mw当量直径，管子为四边形角形排列时，依化工单元过程及设备课程设计P53

12、,公式3-23a得22,4(t2-do)de=4=0.027mdo壳程流通截面积，由化工单元过程及设备课程设计P54,公式3-25,得So=BD(19)=0.18X0.6X(1器)=0.023625m2壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为Uo = Vo = 44000/(3600 815) = 0 535So0.0236251.05cpo o由化工单元过程及设备课程设计P55,m/sRa=PoUode=8150.6350.02=1556%6.65103普朗特准数(传热传质过程设备设计P26,公式1-43)Pr=2.21036.65103=114290.128.因此，壳程水的传热膜系数ho为1ho=

13、0.36081556055114号0.0272.=668W/(m-C)6.1.2 管程表面流传热系数公式3-22,3-33,得Re =PUdi山0.02 0.5 7150.64 10 3hi=0.023Re0.8P心其中：管程流通截面积,2S=d?n=0.7850.022竺8=0.026374222m管程空气的流速及其雷诺数分别为0.026376U=乂=34000/(3600715)=05m/s11172>10000普兰特准数Pr =Cpii2.483100.64 100.133=11.93因此，管程空气的传热膜系数hi为hi=0.023X111720.8X11.930.3X"

14、3=557.3W/(m2C)0.026.1.3 污垢热阻和管壁热阻冷却水侧的热阻Ro=0.0002m2CW热空气侧的热阻R=0.0002m2碳钢的导热系数5=50W,m1-c-16.1.4 总传热系数K因此，依化工单元过程及设备课程设计P53,公式3-21)=: + %+詈 +R* +看焉 十 0.0002 + 0.000050.0002 2520解得:2= 236 W/ (m - C)6.1.5传热面积裕度依化工单元过程及设备课程设计P56,公式 3-35 : QiSAm得:S=Q/( «")=零*78.49该换热器的实际传热面积&Sp=doiNT=3.14X0.

15、05X7X2168=92.316m2依化工单元过程及设备课程设计P56,公式3-36该换热器的面积裕度为h100%=丝9=17.6%§78.496.2壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按化工单元过程及设备课程设计P77,公式3-42计算。由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是按式3-42有Tm -RchctmhhRh1/hc1/hhRcRh式中，冷流体的平均温度tm和热流体的平均温度Tm分别按化工单

16、元过程及设备课程设计P77,公式3-44、3-45计算Tm=0.4X175+0.6X125=146Ctm=0.4X110+0.6X70=86C2.hc=ho=668W/(m-C)hh=hi=557W/(m2-C)传热管平均壁温1460.0002860.0002=113.66685571/6681/5570.00020.0002壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=90壳体壁温和传热管壁温之差为t=113.690=23.6C该温差不大，不需要建立温度补偿装置。6.3换热器内流体的流动阻力（压降）6.3.1 管程流动阻力由Re11172,传热管相对粗超度为0.01,查莫狄图得i0.038,

17、流速u=0.05m/s,715kg/m3Pi7 0.038 -0.022715 0.521188.68 (pa)Pru2715 0.523 22268.125(pa)总压降：E Api =(A P1+A P2) Ft N N =(1188.68+268.125 )X 1.5 X1X4=8740Pa<9800Pa(符合设计要求）其中，Ft为结垢校正系数，取1.5;N为串联壳程数，取1;N为管程数,取4。6.3.2 壳程流动阻力：由化工单元过程及设备课程设计P58,公式3-51,3-52,得：流体横过管束的压降：2uoPoFfoNtc(NB1)o2其中：F=0.4fo=5.0X1556-0.

18、228=0.9358NTC1.19N；51.191680.515.42ICI，二38Uo=0.635m/spo=0.4X0.9358X15.42X(38+1)X(815X0.6352)/2=36989Pa2pi=K(3.5初)上D'2=38X(3.5)X(815X0.6352)/2=18107Pa总压降：EApo=(P1+AP2)FsNs=(36989+18107)X1.15XI=63360.4Pa其中，Fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取1.15;Ns为串联的壳程数，取1。七.换热器主要结构尺寸和计算结果表参数1TW壳程a#,kg/h3400044000物性操作温度，C175/12

19、770/110定性温度，C15190流体密度，kg/m3715815定压比热容，kj/(kg.k)2.482.2黏度，pa.s30.641036.6510传热系数，W/(mtC)0.1330.128普朗特数11.93114.2设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径，mm600壳程数1管径，252.5管心距，32mmmm管长，mm7000管子排列正方形旋转45°管数目，根168折流板数38传热面积，m292.316折流板间距，mm180管程数4材质碳钢主要计算结果1知;壳程流速，m/s0.50.634表面传热系数，W/(m2-C)668557.3污垢系数，m2-K/W0.00020.00

20、02阻力降，Pa0.00870.0633热流量，kw1130传热温差，k23.6传热系数，W/(mbC)236裕度17.61.壳体壁厚八、设备参数计算由 Po= 1.6 MPaDi=600mm对壳体与管板采用单面焊，焊接接头系数+C0.9,腐蚀裕度C=1mmt=112MPaPoDi2tPo1.6600+1=5.8mm21120.91.6圆整后取8mm2.接管法兰Dg管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd重量(kg)数量直径KH1001084215180158326184.88M16563.设备法兰DgI管子平焊法兰螺栓焊缝dHSDD1D2fbd重量(kg)数量直径KH60063098407

21、707205504180.320M36110114.封头管箱封头：以外径为公称直径的椭圆形封头公称直径Dg曲间图度hi直边高度h2内表回积F容积v(m3)600150400.4640.3965.设备法兰垫片（橡胶石棉板）公称直径Dg垫片内径d公称压力F（m2）垫片外径D600615166556.管法兰用垫片法兰公称压力Mpa介质温度密封面型式垫片名称材料油品<1.6<200光滑式耐油橡胶石棉垫片耐油橡胶石棉板7.管板管板厚度35mm,长度300mm,材料为16MnR8.支垫（鞍式支座）公称直径Dg每个支座允许负荷tb1LBlK1bm重量(kg)60036.8180550120260

22、4209022026.39.设备参数总表序号图号标准名称数量材料单重（kg）总量（kg）1LNQ-001-3前瑞管箱1组合件84.52HG20592法兰PL100-1.0RF2Q235-B2.625.243GB8163-87接管108X5L=1602Q235-B4LNQ-001-2折流板29Q235-A7.5217.55筒体DN127X4.51Q235-B2786LNQ-001-2拉杆4Q235-B4.216.87GB/T6170螺母M1684级0.040.328LNQ-001-3法兰120II879垫片642/600S=34石棉橡胶板0.310JB/T4701-2000法兰-FM600-1.

23、01Q235-B40.811筒体DN600X8L=1401Q235-B16.812JB/T4746-2002封头EHA600X51Q235-B1713GB/T14976换热管25X2.5,L=60001560Cr18Ni93.4530.414JB/T4712-92支座500-S2Q235-A/Q235-B26.315JB/4701-2000法兰-FM500-1.01Q235-B29.516SYJ11-65垫片2橡胶板0.150.317LNQ-001-3防松吊耳2Q235-B0.080.1618LNQ-001-2管板116MnR6519GB/T6170M201286级0.0648.220JB/T

24、4707螺栓M20X150-A626.8级0.3320.46齐齐哈尔大学化工原理课程设计一一柴油换热器九、设计总结两周的化工原理课程设计即将结束，我们小组设计的是柴油原油换热器，虽然时间不长，但我们却从中学到了很多知识。加深和巩固了上学期所学的化工原理这虽然刚开始会感到无从下手，很多所学的知识也有些生疏。但通过佟白老师的细心讲解，我们大家共同合作，一起讨论研究，通过一周的翻阅资料,查找公式,设计计算,使我对换热器有了进一步的了解对传热的具体过程有了深刻的认识.尤其是从最初的无从下手到现在的可根据传热的不同而选择不同的换热器.另外,我对于换热器的用途也有了更多的认识.。最后我们顺利的完成了整个设计。在佟白老师的细心讲解和指导下独立完成了本次课程设计，通过这次的锻炼,为我今后的学习工作做了良好的开端.这次的课程设计对我今