原油预热器的设计课程设计

JINJINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY荆楚理工学院课程设计成果学院:化工与药学院班级13过控（2）班学生姓名:黄超学号:设计地点（单位）A2204设计题目:原油预热器的设计完成日期：2014年12月11日指导教师评语:_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________成绩(五级记分制):教师签名:荆楚理工学院课程设计任务书设计题目：原油预热器的设计设计内容及要求设计内容某炼油厂需用柴油预热原油。要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。估算换热器的传热面积。计算换热器的主要工艺结构尺寸。对换热器进行核算。绘制原油预热器工艺流程图。绘制换热器工艺条件图。设计要求：方案和流程的选择要阐明理由；设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计算过程；设计结束后要对计算结果进行汇总；说明书要采用统一封面和A4纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成册上交。3.设计参数两侧的阻力损失均不超过Pa。所设计的列管式换热器为非标准式。柴油和原油的有关参数如下表：物料温度℃质量流量(×104kg/h)密度(kg/m3)粘度(×10-3Pa.s)比热(kJ/kg.K)导热系数(W/m.K)入口出口原油701104.28153.02.20.128柴油175T23.37150.642.480.133进度要求2014.12.8搜集查阅资料，确定设计方案2014.12.9完成换热器工艺计算及主要结构尺寸设计2014.12.10换热器校核、绘图2014.12.11编写设计说明书2014.12.11装订、上交课程设计报告参考资料马江权，冷一欣.化工原理课程设计.第四版.北京：中国石化出版社，2009王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，2010张洪流，张茂润.化工单元操作设备设计.华东理工大学出版社，2011匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，2008化工工艺设计手册（第四版）上册.北京：化学工业出版社，2014说明本表应在每次实施前一周有负责教师填写二分，教研室审批后交学院备案，一份由负责教师留用。若填写内容较多可另纸附后。一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。指导教师：郝修丽 教研室主任：郝修丽 2014年12月1日原油预热器的设计第第页目录1.列管式换热器综述述31.1列管式换热器基本简介31.2列管式换热器种类介绍31.2.1管板式换热器31.2.2浮头式换热器41.2.3填料函式换热器41.2.4U型管式换热器51.3设计规范52.设计条件及设计任务63.确定设计方案73.1选择换热器的类型73.2流动空间及流速的确定74.确定物性参数75.计算总传热系数85.1热负荷85.2平均传热温差85.3总传热系数86.计算传热面积97.工艺结构尺寸的计算107.1管径和管内流速107.2管程数和传热管数107.3平均传热温差校正及壳层数107.4传热管排列和分程方法107.5壳体内经117.6折流板117.7接管127.8拉杆的确定128.换热器核算128.1热量核算128.1.2管程对流传热系数138.1.3传热系数K148.1.4传热面积148.2换热器的内流体的流动阻力158.2.1管程流动阻力158.2.2壳层阻力158.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果16设计评述1810.工艺流程图1911.工艺条件图1912.布管图2013.符号说明21致谢22参考文献23列管式换热器综述1.1列管式换热器基本简介列管式换热器列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。1.2列管式换热器种类介绍1.2.1固定管板式换热器图1固定管板式换热器列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。1.2.2浮头式换热器图2浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。1.2.3填料函式换热器图3填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。1.2.4U型管式换热器图4U型管式换热器U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。1.3设计规范本换热器的设计是按照管壳式换热器GB151-1999标准执行，并遵照《钢质石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》。2.设计条件及设计任务设计题目：原油预热器的设计设计内容及要求1.设计内容某炼油厂需用柴油预热原油。要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。估算换热器的传热面积。计算换热器的主要工艺结构尺寸。对换热器进行核算。绘制原油预热器工艺流程图。绘制换热器工艺条件图。2.设计要求：方案和流程的选择要阐明理由；设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计算过程；设计结束后要对计算结果进行汇总；说明书要采用统一封面和A4纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成册上交。3.设计参数两侧的阻力损失均不超过Pa。所设计的列管式换热器为非标准式。柴油和原油的有关参数如下表：物料温度℃质量流量(×104kg/h)密度(kg/m3)粘度(×10-3Pa.s)比热(kJ/kg.K)导热系数(W/m.K)入口出口原油701104.28153.02.20.128柴油175T23.37150.642.480.1333.确定设计方案3.1选择换热器的类型（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P1424-36）两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度175℃，出口温度129.8℃；冷流体（原油）进口温度70℃，出口温度110℃。该换热器用柴油预热原油，原油容易结垢，且换热器的管壁温度和壳体壁温度之差较大，同时为了便于拆卸清理，因此确定选用浮头式换热器。3.2流动空间及流速的确定由于原油的容易结垢，且粘度大，在装有者流挡板的壳层中流动有利于提高湍流，增大传热系数，柴油温度高，且为了减少热损失和充分利用柴油的热量，以及清洗方便，流程采用柴油走管程，原油走壳程。选用Φ25×2.5mm的无缝碳钢管，管内流速初步取u1=1.0m/s。4.确定物性参数已知定性温度下，原油、柴油的物性参数如下：5.计算总传热系数5.1热负荷（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P1424-35）5.2平均传热温差（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P1444-40）5.3总传热系数管程传热系数：（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P28）（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P1324-19）壳程传热系数假设壳程的传热系数污垢热阻管壁的导热系数（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P642-14）6.计算传热面积（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P622-5）考虑15%的面积裕度S=S’×1.15=65.5×1.15=75.36m27.工艺结构尺寸的计算7.1管径和管内流速选用Φ25mm×2.5mm传热管(碳钢),取管内流速u1=1.0m/s。7.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P71）按单程管计算，所需的传热管长度为（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P71）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L=6m，则该换热器管程数位传热管总根数N=41×4=164根7.3平均传热温差校正及壳层数平均传热温差校正系数：按单壳程,4管程结构,温差校正系数应查附图—对数平均温差校正系数可得：=0.92符合的要求平均传热温差7.4传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角排列,隔板两恻采用正方形排列.取管心距,则横过管束中心线的管数（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P592-3）7.5壳体内经采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为：（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P592-3）圆整可取D=600mm7.6折流板采用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=0.25×600=150mm取折流板间距，则B=300可取B为300mm。折流板数折流板圆缺面水平装配。7.7拉杆的确定本换热器传热管外径为25mm，拉杆数量与直径查《化工单元操作设备设计》张洪流版表2-9、2-10,其拉杆直径为16mm，共有4根拉杆。7.8接管壳程流体进、出口接管:取接管内流速为，则接管内径为取标准管径为Φ159mm×4.5mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为取标准管径为Φ140mm×4.5mm。8.换热器核算8.1热量核算8.1.1壳层对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P65表2-7）当量直径，由正三角形排列得：壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P131）普兰特准数：（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理P131）粘度校正8.1.2管程对流传热系数（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P65表2-7）管程流通截面积管程流体流速：普朗特准数8.1.3传热系数K8.1.4传热面积该换热器的实际传热面积：该换热器的面积裕度为：传热面积裕度够大，该换热器能够完成生产任务.8.2换热器的内流体的流动阻力8.2.1管程流动阻力（以下公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P67）,,,由，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005查图—摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得流速，，所以：管程流动阻力在允许范围之内。8.2.2壳层阻力（以下公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计P67）流体流经管束的阻力，流体流过折流板缺口的阻力,总阻力壳程流动阻力也比较适宜。8.2.3换热器主要结构尺寸和计算结果换热器主要结构尺寸和计算结果见表1表1换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式:浮头式换热器换热面积/㎡ 69.5工艺参数名称管程壳程物料名称柴油原油阻力损失/Pa26110.5624770操作温度/℃175/129.870/110流量/(kg/h)33×10³42×10³进、出口接管内径Φ140mm×4.5mmΦ159mm×4.5mm流体密度/(kg/m³）715815流速/(m/s)0.9940.55传热量/kw1026.7总传热系数/(w/㎡·℃)295传热系数/(w/㎡·℃)1047.5734.5污垢系数/(㎡·℃/w)0.0003440.000344程数41推荐使用材料碳钢碳钢壳体内径/mm600管子规格Ф25×2.5mm管数164管长6000mm管间距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距/mm间距/mm300折流板数目19切去圆缺高度/mm150拉杆直径/mm16拉杆数目4设计评述一个星期的课程设计结束了，这次设计的是原油预热器，虽然时间不长，但是我收获颇多。这次课程设计，我是一步一步往下算的，弄懂每一步的步骤，搞清楚为什么要这么做。课程设计的这几天，我为了完成好课程设计，每天不是在电脑上查资料，就是去图书馆查资料，在换热器核算的时候，算了两次都不合格，我得从头开始一步一步的往下计算，检查哪里有错误，虽然很麻烦，但是当算正确的时候，心里也是感到蛮开心的。这次设计一个换热器，虽说不全是我自己弄的，前面的综述有些是在网上摘抄的，但是后面的，都是我自己一个公式一个字的敲出来的，每计算一步，我都要验算一下，怕自己因为失误而计算错了，包括画表格，在电脑上用cad画工艺条件图和布管图。通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力等等。最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常小心，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错。这是设计中的禁忌。这次课程设计让我们自己动手设计了一个换热器，真正的算是把课本上的知识用在现实生后生产中了，在此，感谢学院给我们提供了这么一个学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，感谢郝老师给我们耐心的指导，让我们的设计得以顺利完成，让我明白什么是严谨的科学态度，也感谢我的同组同学，在我有问题的时候，他们给我细心的解答，解决不了的，我们大家一起来讨论解决。10.工艺流程图图5浮头式换热器1--管板隔层2--壳层隔板3--浮头4--柴油入口5--柴油出口6--原油入口7--原油出口11.工艺条件图图6工艺条件图12.布管图图6分程图图7布管图13.符号说明B——折流板间距，mRe——雷诺准数S——传热面积，㎡d——管径，mT——冷流体温度，℃D——换热器外壳内径，ma——管心距，mf——摩擦系数T——热流体温度，℃F——系数u——流速，m/sh——圆缺高度，mqm——质量流量，kg/sK——总传热系数，(w/㎡·℃)L——管长，mm——程数n——指数、管数、程数N——管数、程数NB——折流板数P——压力，PaPr——普兰特准数q——热通量，W/㎡Q——热负荷，WR——热阻，㎡·℃/W希腊字母：α——对流传热系数，w/㎡·℃ Δ——有限差值λ——导热系数，w/㎡·℃ μ——粘度，Pa·sρ——密度，kg/m³Ψ——校正系数下标：1——热流体，管内2——冷流体，管外s——污垢m——平均致谢感谢学校给我们这次机会，自己动手设计一个换热器，让我们真正的用课本上的知识在现实中应用。感谢郝老师耐心的给我们指导，细心的为我们解答。感谢同组的同学给我的帮助。祝老师工作顺利、万事如意。 参考文献1.马江权，冷一欣.化工原理课程设计.第四版.北京：中国石化出版社，20092.王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，20103.张洪流，张茂润.化工单元操作设备设计.华东理工大学出版社，20114.匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20085.贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计).天津大学出版社，2002基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发HYPERLINK"/detail.htm?38