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1、 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
2、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
3、 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,200
4、3 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
5、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
6、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
7、/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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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％，
14、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
15、 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
16、 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
17、 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
18、 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
19、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
20、 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
21、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
22、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 其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。 二．培训的及要求培训目的 安全生产目标责任书 为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标： 一、目标值： 1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。 2、现金安全保管，不发生盗窃事故。 3、每月足额提取安
23、全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。 4、安全培训合格率为100%。 二、本单位安全工作上必须做到以下内容： 1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。 2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。 3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。 4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情
24、况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。 5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。 6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。 7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。 8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥； 9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。 10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育； 11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。 三、 安全奖惩： 1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。 2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落 16 1
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