化工原理设计(换热器设计).doc

广东石油化工学院
化工原理课程设计
说明书
题 目： 柴油预热原油的管壳式换热器
学生班级：
学生姓名：
学生学号： 18
指导教师： 李燕
化学化工学院

年 月 日

化工原理课程设计任务书
一、 设计题目：列管式换热器设计
二、设计任务及操作条件
某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表, 两侧的污垢热阻均可取1.72×10-4m2.K/W，要求两侧的阻力损失均不超过0.5×105Pa。试选用一台适当型号的列管式换热器。(x:学号)
三、设计要求
提交设计结果，完成设计说明书。
设计说明书包括：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、参考文献及设计自评表、换热器装配图等。（设计说明书及图纸均须手工完成）

四、定性温度下流体物性数据
物料
温 度 ℃
质量流量
kg/h
比 热
kJ/kg.℃
密 度
kg/m3
导热系数
W/m.℃
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
175
T2
34220
2.48
715
0.133
0.64×10-3
原油
70
110
44330
2.20
815
0.128
3.0×10-3
推荐总K=45~280 W/m.℃
注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8
五、参考书目:
1、 姚玉英 . 化工原理 ,上册,1版.天津:天津大学出版社,1999
2、 柴诚敬.化工原理课程设计. 1版.天津:天津大学出版社,1994
3、匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1版.北京:化学工业出版社,2002
4、李功祥.常用化工单元设备设计.1版.广州:华南理工大学出版社,2003

2
1

目 录

1.设计任务书 1

2.概述 2

3.设计条件及物性参数表 2

4.方案设计和拟定 3

5.设计计算 6

6.热量核算 11

7. 参考文献 16

8.心得体会 17

3
1

1．设计任务书
1.1设计题目
用柴油预热原油的管壳式换热器
1.2设计任务
1.查阅文献资料，了解换热设备的相关知识，熟悉换热器设计的方法和步骤；
2.根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺设计及计算；
3.根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计；
4.以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结果，绘制换热器装配图；
5.编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。
1.3操作条件
物料
温 度 ℃
质量流量
kg/h
比 热
kJ/kg.℃
密 度
kg/m3
导热系数
W/m.℃
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
170
T2
35080
2.48
715
0.133
0.64×10-3
原油
60
105
41104
2.20
815
0.128
3.0×10-3

2. 概述
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体,一种流体温度较高,放出热量;另一种流体则温度较低,吸收热量
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器,它们也是这些行业的通用设备,并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
3.设计条件及物性参数表
3.1操作条件
原油：入口温度60℃ 出口温度105℃ 质量流量：41104 kg/h
加热介质柴油：入口温度170℃ 出口温度T2 质量流量：(35080)kg/h
允许压降：不超过0.3×105Pa
4.方案设计和拟订
根据任务书给定的冷热流体的温度，来选择设计列管式换热器中的浮头式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，柴油走管程，原油走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为6m，算出传热管程，传热管总根数等等。再来就校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。

4.1列管式换热器种类选取
根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。U形管式特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是油，易结垢，再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。

4.2管程与壳程的选取
根据以下原则：
1. 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子
2. 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，且管子也便于清洗和检修
3.压强高的流体宜走管内，以免壳体受压
4.饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大
5.被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
6.需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
7.粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间

因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数，我们选择柴油走管程，原油走壳程。

4.3流体流速的选择
增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速

4.4管子的规格和排列方法选择
选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。在这里，选择 φ25×2.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择4m。
　　管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；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；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。
　　管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.3～1.5)d，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25d

4.5管程和管壳数的确定
当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。根据计算，管程为6程，壳程为单程。

4.6折流挡板
安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)B为外壳内径D的(0.2～1)倍。系列标准中采用的B值为:固定管板式的有150、300和600mm三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。
　　换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。

5．设计计算
5.1确定设计方案
5.1.1 选择换热器的类型
因为，
所以，
=

得到=123.2256
两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度170℃，出口温度123.2256℃；冷流体（原油）进口温度60℃，出口温度105℃。该换热器用柴油预热原油，为易结垢的流体。该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。

5.1.2 流动空间及流速的测定
为减少热损失和充分利用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳程。选用φ25×2.5mm的碳钢管，根据表三—管内流速取u i=1.0m/s。　.
5.2确定物性数据
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
柴油的有关物性数据如下：
密度
定压比热容）
导热系数
黏度

原油的物性数据：
密度
定压比热容）
导热系数
黏度 　

5.3计算总传热系数
5.3.1 热流量

5.3.2 平均传热温差

5.3.3 总传热系数 K
管程传热系数

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

5.4计算传热面积

考虑15%的面积裕度，
5.5工艺结构尺寸
5.5.1 管径和管内流速
选用传热管(碳钢),取管内流速
5.5.2 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

按单程管计算,所需的传热管长度为

按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。现取传热管长，
则该换热器管程程数为

传热管总根数
5.5.3平均传热温差校正及壳程数
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一——对数平均温度校正系数。
可得

平均传热温差

5.5.4 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

5.5.5 壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为

圆整可取
5.5.6 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

取折流板间距，
则
可取B为200mm。
折流板数

折流板圆缺面水平装配。
5.5.7 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150mm。
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150mm。
5.6热量核算
5.6.1.1 壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用凯恩公式

当量直径,由正方形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正

5.6.1.2 管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

5.6.1.3 传热系数 K

5.6.1.4 传热面积 S

该换热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度为

传热面积裕度大,该换热器能够完成生产任务
5.6.2 核算压力降
5.6.2.1 管程压力降

, ,
,
由，传热管相对粗糙度，查附图二——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速，，
所以

管程压降在允许范围之内。
5.6.2.2 壳程压力降

流体流经管束的压降

，
1

流体流过折流板缺口的压降

，

总压降

壳程压降也比较适宜。
7.参考文献
［1］柴诚敬,张国亮等．化工流体流动与传热[M]．北京：化学工业出版社
［2]马江权，冷一欣等。化工原理课程设计。北京：中国石化出版社，2009
［3］匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002
［4］夏清，贾绍义。化工原理（上册）。 天津：天津大学出版社，2013
[5]刘积文主编，石油化工设备制造概论，哈尔滨；哈尔滨船舶工程学院出版社，1989

3、通过活动，使学生养成博览群书的好习惯。
B比率分析法和比较分析法不能测算出各因素的影响程度。√
C采用约当产量比例法，分配原材料费用与分配加工费用所用的完工率都是一致的。Ｘ
C采用直接分配法分配辅助生产费用时，应考虑各辅助生产车间之间相互提供产品或劳务的情况。错
C产品的实际生产成本包括废品损失和停工损失。√
C成本报表是对外报告的会计报表。×
C成本分析的首要程序是发现问题、分析原因。×
C成本会计的对象是指成本核算。×
C成本计算的辅助方法一般应与基本方法结合使用而不单独使用。√
C成本计算方法中的最基本的方法是分步法。X
D当车间生产多种产品时，“废品损失”、“停工损失”的借方余额，月末均直接记入该产品的产品成本
中。×
D定额法是为了简化成本计算而采用的一种成本计算方法。×
F“废品损失”账户月末没有余额。√
F废品损失是指在生产过程中发现和入库后发现的不可修复废品的生产成本和可修复废品的修复费用。Ｘ
F分步法的一个重要特点是各步骤之间要进行成本结转。(√)
G各月末在产品数量变化不大的产品，可不计算月末在产品成本。错
G工资费用就是成本项目。(×)
G归集在基本生产车间的制造费用最后均应分配计入产品成本中。对
J计算计时工资费用，应以考勤记录中的工作时间记录为依据。(√)
J简化的分批法就是不计算在产品成本的分批法。(×)
J简化分批法是不分批计算在产品成本的方法。对
J加班加点工资既可能是直接计人费用，又可能是间接计人费用。√
J接生产工艺过程的特点，工业企业的生产可分为大量生产、成批生产和单件生产三种，X
K可修复废品是指技术上可以修复使用的废品。错
K可修复废品是指经过修理可以使用，而不管修复费用在经济上是否合算的废品。Ｘ
P品种法只适用于大量大批的单步骤生产的企业。×
Q企业的制造费用一定要通过“制造费用”科目核算。Ｘ
Q企业职工的医药费、医务部门、职工浴室等部门职工的工资，均应通过“应付工资”科目核算。Ｘ
S生产车间耗用的材料，全部计入“直接材料”成本项目。Ｘ
S适应生产特点和管理要求，采用适当的成本计算方法，是成本核算的基础工作。(×)
W完工产品费用等于月初在产品费用加本月生产费用减月末在产品费用。对
Y“预提费用”可能出现借方余额，其性质属于资产，实际上是待摊费用。对
Y引起资产和负债同时减少的支出是费用性支出。X
Y以应付票据去偿付购买材料的费用，是成本性支出。X
Y原材料分工序一次投入与原材料在每道工序陆续投入，其完工率的计算方法是完全一致的。Ｘ
Y运用连环替代法进行分析，即使随意改变各构成因素的替换顺序，各因素的影响结果加总后仍等于指标的总差异，因此更换各因索替换顺序，不会影响分析的结果。(×)
Z在产品品种规格繁多的情况下，应该采用分类法计算产品成本。对
Z直接生产费用就是直接计人费用。X
Z逐步结转分步法也称为计列半成品分步法。√

A按年度计划分配率分配制造费用，“制造费用”账户月末(可能有月末余额/可能有借方余额/可能有贷方余额/可能无月末余额)。
A按年度计划分配率分配制造费用的方法适用于(季节性生产企业)

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