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1、 化工原理课程设计 柴油换热器设计阐明书 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 ：9月4日 指引教师：佟白 目录 一．设计阐明书································································3二．设计条件及重要物性拟定···················································3 1．定性温度拟定·······
2、··················································3 2．流体关于物性···························································3 三. 拟定设计方案······························································4 1． 选取换热器类型······················································4 2．流程安排··························
3、·····································4 四． 估算传热面积·····························································4 1. 传热器热负荷·······················································4 2. 平均传热温差·························································4 3. 传热面积估算··········································
4、···············4 五． 工程构造尺寸·····························································5 1. 管径和管内流速························································5 2. 管程数和传热管数······················································5 3. 平均传热温差校正和壳程数··············································5 4. 传热管排列
5、和分程办法··················································5 5. 壳程内径······························································6 6. 折流板································································6 7. 其她附件······························································6 8. 接管····················
6、··············································6 六．换热器核算·································································7 1.热流量核算·······························································7 （1）壳程表面传热系数···················································7 （2）管程表面传热系数··············
7、·····································7 （3）污垢热阻和管壁热阻·················································8 （4）传热系数K·························································8 （5）传热面积裕度·······················································8 2.壁温核算·······································
8、··························9 3.换热器内流体流动阻力···················································9 （1）管程流动阻力························································9 （2）壳程流动阻力·······················································10 七．换热器重要工艺构造尺寸和计算成果表·······································11 八．设
9、备参照数计算···························································12 1.壳体壁厚·······························································12 2.接管法兰·······························································12 3.设备法兰·······························································12 4.封头管箱···
10、····························································12 5.设备法兰垫片（橡胶石棉板）··············································12 6.管法兰用垫片···························································13 7.管板····································································13 8.支垫（鞍式支座）···········
11、···············································13 9.设备参数总表···························································13 九．设计总结·································································15 十.重要符号阐明 ····························································16 十一.参照文献····················
12、············································17 一、设计阐明书 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0.0002㎡·C/W,管程与壳程两则降压不大于或等于0.3at，热阻损失5%，初设k=250w/ m2·°C。 二、设计条件及重要物性参数 2.1设计条件 由设计任务书可得设计条件如下表： 数 参 类
13、型 体积流量 （原则kg/h） 进口温度 （℃） 出口温度 （℃） 操作压力 （Mpa） 设计压力 （Mpa） 柴 油（管内） 34000 175 127 1.1 1.2 原油（管外） 44000 70 110 0.3 0.4 注：规定设计冷却器在规定压力下操作安全，必要使设计压力比最大操作压力略大，本设计设计压力比最大操作压力大0.1MPa。 2.2拟定重要物性数据 2.2.1定性温度拟定 依照《流体力学（上）》P177，公式（4-109），热流量为 Qc = Wc Cpc(T1－T2) ×1.05 =44000×2.2×（14
14、8－42）×1.05 =1.13×106kJ/h = 1.13×106 W 管程柴油定性温度为 ℃ 壳程原油定性温度为 ℃ 2.2.2流体关于物性数据 依照由上面两个定性温度数据，查阅参照书可得原油和柴油物理性质。运用内插法（公式为 ）,可得壳程和管程流体关于物性数据。 原油在90℃，1.2MPa下关于物性数据如下： 物性 密度ρi （kg/m3） 定压比热容cpi [kJ/(kg℃)] 粘度μi （Pa·s） 导热系数λi （W·m-1·℃-1） 原油 815 2.2 6.65×10-3 0.128 柴油在151℃物性数据
15、如下： 物性 密度ρo （kg/m3） 定压比热容cpo [kJ/(kg℃)] 粘度μo （Pa·s） 导热系数λo （W·m-1·℃-1） 柴油 715 2.48 0.64×10-3 0.133 三、拟定设计方案 3.1 选取换热器类型 由于温差较大和要便于清洗壳程污垢，对于油品换热器，以采用 Fe系列浮头式列管换热器为宜。 采用折流挡板，可使作为被冷却原油易形成湍流，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Re数时即可达到湍流，有助于提高其传热膜系数。
16、 四、估算传热面积 4.1热流量 4.2平均传热温差 == (0℃,1atm)=61℃ 4.3传热面积 由于管程气体压力较高，故可选较大总传热系数。初步设定设Ki‘=250 W·m-2·℃-1。依照《化工单元过程及设备课程设计》P44，公式3-8，则估算传热面积为 m2 五．工程构造尺寸 5.1管径和管内流速 选用φ25×2.5mm传热管(碳钢管)；由《传热传质过程设备设计》P7表1－3得管壳式换热器中惯用流速范畴数据，可设空气流速ui＝1m/s，用u i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
17、过程及设备课程设计》P46，公式3-9可根据传热管内径和流速拟定单程传热管数 (根) 按单程管计算，所需传热管长度为 m 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程构造。现取传热管长 l= 7 m ，则该换热器管程数为 Np=L / l=22.5/7≈4（管程） 传热管总根数 N = 42×4= 168 （根）。 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＝＝1.2 P＝＝0.381 依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-13， 温度校正系数为 ≈0.92 依《传
18、热传质过程设备设计》P16，公式3-14， 平均传热差校正为 △tm=×△tm’ =61×0.92=56.12( ℃ ) 由于平均传热温差校正系数不不大于0.8，同步壳程流体流量较大，故取单壳程适当。∈ 5.4 传热管排列和分程办法 采用组合排列法，即每程内均按旋转45°正四边形排列，其长处为管板强度高，流体走短路机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相似壳程内可排列更多管子。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=32 mm 。 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
19、其近来一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22 mm 取各程相邻管管心距为44mm。 5.5 壳体内径 采用多管程构造，取管板运用率η=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 Di =1.05t=1.05×32×=520 mm ， 圆整后取Di =600mm。 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25%，则切去圆缺高度为h=0.25×600=150 mm ，故可取h=150 mm。 取折流板间距B=0.3Di，则B=0.3×600=180 mm。 折流板数 NB=－1=－1≈38 块 折
20、流板圆缺面水平装配。 5.7其她附件 直径为12mm拉杆4根。 5.8接管 （1）壳程流体进出口接管 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, 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 ho = 其中： ② 粘度校正为=1.05 ②当量直径
21、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，公式3-23a得 de＝＝0.027 m ③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(1－)=0.18×0.6×（1－）＝0.023625 m2 ④壳程冷却水流速及其雷诺数分别为 uo＝ =＝0.635 m/s Reo＝＝＝1556 ⑤普朗特准数（<传热传质过程设备设计>P26，公式1-43） Pr＝ ==114.29 因而，壳程水传热膜系数ho为 ho = =668 W/(m2·℃) 6.1.2管程表面流传热系数 由《化工单元过程及设备课程设计》P5
22、5，公式3-22，3-33,得 hi = 0.023Re0.8Pr0.3 其中： ①管程流通截面积 Si ===0.02637 m2 ②管程空气流速及其雷诺数分别为 ui＝ =＝0.5 m/s Re＝＝＝11172>10000 ③普兰特准数 Pr＝ ==11.93 因而，管程空气传热膜系数hi为 hi=0.023×111720.8×11.930.3×=557.3W/(m2·℃) 6.1.3污垢热阻和管壁热阻 l 冷却水侧热阻Rso＝0.0002m2·℃·W-1 l 热空气侧热阻Rsi＝0.0002m2·℃·W-1 l 碳钢导热系数λ＝50W·m-1·℃-1 6.
23、1.4总传热系数Ki 因而，依《化工单元过程及设备课程设计》P53，公式3-21 ＝＋Rso＋＋＋ ＝＋0.0002＋＋ ＋ 解得：＝236 W/ (m2·℃) 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：Qi＝Si△tm得： Si＝Qi/(△tm)＝＝78.49 m2 该换热器实际传热面积Sp Sp==3.14×0.05×7×168=92.316 m2 依《化工单元过程及设备课程设计》P56，公式3-36 该换热器面积裕度为 ==17.6% 6.2 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
24、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，减少了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差也许较大。计算中，应按最不利操作条件考虑。因而，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是按式3-42有 式中，冷流体平均温度tm和热流体平均温度Tm分别按《化工单元过程及设备课程设计》P77，公式3-44、3-45计算 Tm=0.4×175+0.6×125=146℃ tm=0.4×110+0.6×70=86℃ hc = ho = 668 W/ (m2·℃) h
25、h = hi = 557W/ (m2·℃) 传热管平均壁温 =113.6℃ 壳体壁温，可近似取为壳程流体平均温度，即T=90 ℃ 壳体壁温和传热管壁温之差为 △t=113.6－90 =23.6 ℃ 该温差不大，不需要建立温度补偿装置。 6.3换热器内流体流动阻力(压降) 6.3.1管程流动阻力 由，传热管相对粗超度为0.01，查莫狄图得，流速u=0.05m/s, (pa) (pa) 总压降：∑△pi＝（△p1+△p2）Ft Ns Np＝（1188.68+268.125）×1.5×1×4 ＝8740Pa < 9800 Pa（符合设计
26、规定） 其中， Ft为结垢校正系数，取1.5； Ns为串联壳程数，取1；Np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： 流体横过管束压降： 其中：F=0.4 fo=5.0×1556-0.228=0.9358 NB=38 uo=0.635 m/s △’pO=0.4×0.9358×15.42×(38+1)×(815×0.6352)/2 ＝36989 Pa △’pI＝NB（3.5－） ＝38×（3.5－）×(815×0.6352)/2＝18107Pa 总压降：∑△po＝（△’
27、p1＋△’p2）Fs Ns ＝（36989+18107）×1.15×1 ＝63360.4Pa 其中，Fs为壳程压强降校正系数，对于液体取1.15； Ns为串联壳程数，取1。 七.换热器重要构造尺寸和计算成果表 参数 管程 壳程 流量，kg/h 34000 44000 物 性 操作温度，℃ 175/127 70/110 定性温度，℃ 151 90 流体密度，kg/m3 715 815 定压比热容，kj/(kg.k) 2.48 2.2 黏度，pa.s 传热系数，W/（m2·℃） 0.133
28、 0.128 普朗特数 11.93 114.2 设备结 构参数 形式 浮头式 台数 1 壳体内径，mm 600 壳程数 1 管径，mm 管心距，mm 32 管长，mm 7000 管子排列 正方形旋转45° 管数目，根 168 折流板数 38 传热面积， 92.316 折流板间距，mm 180 管程数 4 材质 碳钢 重要计算成果 管程 壳程 流速，m/s 0.5 0.634 表面传热系数，W/（m2·℃） 668 557.3 污垢系数，m2·K/W 0.0002 0.0002 阻力降，Pa 0.00
29、87 0.0633 热流量，kw 1130 传热温差，k 23.6 传热系数，W/（m2·℃） 236 裕度 17.6 八、设备参数计算 1.壳体壁厚 由Po＝1.6 MPa， Di＝600mm，对壳体与管板采用单面焊，焊接接头系数＝0.9,腐蚀裕度C=1mm， []t=112MPa +C＝+1=5.8mm 圆整后取8mm 2. 接管法兰 Dg 管子 平焊法兰 螺栓 焊缝 dH S D D1 D2 f b d 重量（kg） 数量 直径 K H 100
30、108 4 215 180 158 3 26 18 4.8 8 M16 5 6 3.设备法兰 Dg 管子 平焊法兰 螺栓 焊缝 dH S D D1 D2 f b d 重量（kg） 数量 直径 K H 600 630 9 840 770 720 5 50 41 80.3 20 M36 10 11 4.封头管箱 封头：以外径为公称直径椭圆形封头 公称直径Dg 曲面高度h1 直边高度h2 内表面积F 容积v（m3） 600 150 40 0.464 0.396
31、 5.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D 600 615 16 655 6.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16MnR。 8. 支垫（鞍式支座） 公称直径Dg 每个支座容许负荷t b1 L B l K1 b m 重量（kg） 600 36.8 180 550 120 260
32、420 90 220 26.3 9. 设备参数总表 序号 图号原则 名称 数量 材料 单重（kg） 总量（kg） 1 LNQ-001-3 前瑞管箱 1 组合件 84.5 2 HG20592 法兰PL100-1.0 RF 2 Q235-B 2.62 5.24 3 GB8163-87 接管Φ108X5 L=160 2 Q235-B 4 LNQ-001-2 折流板 29 Q235-A 7.5 217.5 5 筒体DN127X4.5 1 Q235-B 278 6 LNQ-001-2 拉杆
33、 4 Q235-B 4.2 16.8 7 GB/T6170 螺母M16 8 4级 0.04 0.32 8 LNQ-001-3 法兰 1 20II 87 9 垫片Φ642/Φ600 S=3 4 石棉橡胶板 0.3 10 JB/T4701- 法兰-FM600-1.0 1 Q235-B 40.8 11 筒体DN600X8 L=140 1 Q235-B 16.8 12 JB/T 4746- 封头EHA 600X5 1 Q235-B 17 13 GB/T14976 换热管Φ25X2.5，L=60
34、00 156 0Cr18Ni9 3.4 530.4 14 JB/T4712-92 支座 500-S 2 Q235-A/Q235-B 26.3 15 JB/4701- 法兰-FM500-1.0 1 Q235-B 29.5 16 SYJ11-65 垫片 2 橡胶板 0.15 0.3 17 LNQ-001-3 防松吊耳 2 Q235-B 0.08 0.16 18 LNQ-001-2 管板 1 16MnR 65 19 GB/T6170 螺母 M20 128 6级 0.064 8.2 20 JB/T47
35、07 螺栓M20x150-A 62 6.8级 0.33 20.46 九、设计总结 两周化工原理课程设计即将结束，咱们小组设计是柴油原油换热器，虽然时间不长，但咱们却从中学到了诸多知识。加深和巩固了上学期所学化工原理这 虽然刚开始会感到无从下手，诸多所学知识也有些生疏。但通过佟白教师细心解说，咱们人们共同合伙，一起讨论研究，通过一周翻阅资料,查找公式,设计计算,使我对换热器有了进一步理解,对传热详细过程有了深刻结识.特别是从最初无从下手到当前可依照传热不同而选取不同换热器.此外,我对于换热器用途也
36、有了更多结识.。最后咱们顺利完毕了整个设计。 在佟白教师细心解说和指引下独立完毕了本次课程设计，通过这次锻炼,为我此后学习工作做了良好开端.这次课程设计对我此后生活产生巨大影响也会终身难忘. 通过这初次课程设计使咱们深刻理解了化工原理这门课重要内容以及对将来工作深远影响。 在此，感谢学院为咱们提供了一种锻炼自我，学习与历练机会，感谢佟白教师耐心，认真辅导，使咱们设计得以顺利完毕。 十、 重要符号阐明 原油定性温度 T 柴油定性温度 t 原油密度 ρo 柴油密度 ρi 原油定压比热容 cpo 柴油定
37、压比热容 cpi 原油导热系数 λo 柴油导热系数 λi 原油黏度 μo 柴油黏度 μi 原油热流量 Wo 柴油流量 热负荷 Qo 平均传热温差 总传热系数 管程雷诺数 温差校正系数 管程、壳程传热系数 初算初始传热面积 A估 传热管数 初算实际传热面积 A 管程数 壳体内径 D 横过中心线管数 折流板间距 B 管心距 t 折流板数 NB 接管内径 管程压力降 当量直径 壳程压力降 面积裕度 H 十一、参照文献
38、 【1】申迎华，郝晓刚.《化工原理课程设计》.北京，化学工业出版社， 【2】姚玉英等.《化工原理（上）》.天津，天津大学出版社， 【3】任晓光.《化工原理课程设计指引》.北京，化学工业出版社， 【4】贾绍义.柴诚敬.《化工原理课程设计》.天津，天津大学出版社， 【5】袁文.刘岩.《化工制图》.哈尔滨，哈尔滨工程大学出版社， 【6】钟理，伍钦，马四朋. 《化工原理（上）》. 北京，化学工业出版社，.8. 【7】《材料与零部件（上）》. 上海科学技术出版社. 1982.7. 【8】钱颂文. 《换热器设计手册》，北京，化学工业出版社，.8 【9】匡国柱. 《化工单元过程及设备课程设计》. 北京，化学工业出版社， 【10】陈锦昌. 《计算机工程制图》. 广州，华南理工大学出版社，.8. 【11】郑津洋，董其伍，桑芝富. 《过程设备设计》. 北京，化学工业出版社，.1. 【12】赵军. 《化工设备机械基本》. 北京，化学工业出版社. .
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