1、化工原理課程設計題目:原油加熱器一一固定式換熱器指導教師:李先生院士職 稱:國家特級院士班級：高分子材料與工程系學 號:學生姓名:目錄一.緒論3二、設計條件及主要物性參數(shù) 41、設計條件42、定性溫度的確定4三.確定設計方案 51、選擇換熱器的類型52、流程安排5四. 估算傳熱面積 51、熱流量52、平均傳熱溫差 53、傳熱面積 5五.工程結構尺寸 61、管徑和管內流速 62、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 63、平均傳熱溫差校正及殼數(shù) 64、傳熱管的排列和分程方法75、折流板76 、接管7六、換熱器核算81、殼程傳熱系數(shù)82、管程傳熱系數(shù)83、污垢熱阻和管壁熱阻94、總傳熱系數(shù) K 105、傳熱面積裕度

2、107、管程流動阻力118、殼程流動阻力11七、設計計算結果匯總12一、緒論1 .加熱器簡介1.1. 固定管板式固 定管 板式 換熱 器 的兩 端管 板和 殼體 制 成一 體， 當兩 流體 的 溫度 差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。特點：結構簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。1.2. U 形管式U 形管式換熱器每根管子均彎成U 形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。特點：結構簡單，質量輕，適用于高溫

3、和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。1.3. 浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。本實驗采用的是浮頭式加熱器，包括輸油管，輸油管上套有密閉的外殼，外殼 的一段管道上設有加熱體，該加熱體用固定卡固定在外殼表面上，所述外殼的外表 面上包覆有保溫層。本實用新型具有傳熱速度快、均溫性好的特點，避免了在輸送 過程中熱損失大而導致油品凝固難以輸送的問題。2 .設計目的培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關選修課程基礎理論和基礎知識完成某項

4、單 元操作設備設計的實踐操作能力。設計的設備必學在技術上是可行的，經濟上是合 理的，操作上是安全的，環(huán)境上是友好的 。:、設計條件及主要物性參數(shù)2.1. 設計條件由設計任務書可得設計條件如下表:體積流量(標準t/h)進口溫度(C)出口溫度(C)設計壓力(Kpa)柴油3417580原油337011080項目密度 K kg/m3)比熱Cp(kJ/kg?C)導熱系數(shù)九(W/m2?C)黏度 11 (Pa?s)柴油7152.480.13330.64 父 10原油8152.20.128工6.65 父 102.2. .定性溫度的確定WC：原油流量(kg/h) Wh：柴油流量(kg/h)Cpc：原油比熱容Cp

5、h：柴油比熱容tl, t2：原油的出、進口溫度T1、T2:柴油的進、出口溫度根據(jù)夏清陳常貴化工原理(上)P225,公式(4-33),熱流量為Qc= Wc Cpc(tl t2)=33000 2.2 X(11070)/3.6=806667 W柴油出 口溫度：Qh = Qc = Wh Cph (Ti T2)806667=34000 >2.48 乂(175 T2) /3.6T2=140.5 c可取流體進出口溫度的平均值。管程柴油的定性溫度T= ( 175+140.5 ) / 2=157.5 C殼程原油的定性溫度為t=(70+110) / 2=90 C三、確定設計方案3.1 選擇換熱器的類型由設計

6、任務選擇固定管板式換熱器。3.2 流程安排柴油溫度高，走管程可減少熱損失，原油黏度較大，走殼程在較低的Re數(shù)時即可達到湍流，有利于提高其傳熱膜系數(shù)。四、估算傳熱面積4.1 熱流量4.2 平均傳熱溫差根據(jù)化工原理課程設計P47,公式（3-9），m=-3（T2 -=（175-110） （14。5-70） =67.8C224.3傳熱面積根據(jù)夏清 陳常貴 化工原理（上）P356表，初步設定K=160W m-2 ：C-1。根據(jù)化工原理課程設計P47,公式（3-5）五.工程結構尺寸5.1 管徑和管內流速選用（|）25X 2.5mmfi傳熱管（碳鋼管）。5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)估算的傳熱面積，然后查 J

7、B1145-73得：公稱直徑 D（mm）管程數(shù)管數(shù)管長(mm)管程流通面積（m2 ）500216860000.0264傳熱面積A=77.9 m2外徑D=500mm管程N=2單程傳熱管數(shù)n=168管程流通面積Si=0.0264m2該換熱器型號為G500 n -2.5-805.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)根據(jù)化工原理課程設計P47,公式（3-12）平均傳熱溫差校正系數(shù)R= j = 175 一140.5 =0.86t2 -t1110 -70P="381根據(jù)夏清陳常貴化工原理（上）P231,公式（4-46）平均傳熱差校正為 tm = cp&XA tm =67.8 便95=64.4(

8、C )由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8,同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。5.4 傳熱管的排列和分程方法采用正三角形排列法，則管間距t=32mm5.5 折流板采用弓形折流板,取折流板間距B=400 mm。七二、武如將M 傳熱官長 d 6000小折流板數(shù) Nb=正三記f 1 =1=14塊折流板間距400折流板圓缺面水平裝配。5.6 接管（1）殼程流體進出口接管取接管內液體流速u1=1.0m/s,c 4v 4 33000/(3600 815)D1=119.2mm.二 Ui ,3.14 1圓整后取管內直徑為 120mm.(2)管程流體進出口接管取接管內液體流速 U2=1.5m/s,圓整后取管

9、內直徑為 130mm六.換熱器核算6.1 總傳熱系數(shù)核算6.1.1 殼程傳熱系數(shù)根據(jù)夏清陳常貴化工原理(上)P253,公式94-77a) 得_ c 入0。0.55 c 1/3 Mo 0.14：- 0 = 0.36 Re Pr () d eM w其中：粘度校正為(9)°.14=0.92 M w當量直徑，管子為正方形旋轉 45°形排列時，根據(jù)化工原理(上)P253,公式(4-78)自4(t2 -d2o) 4M 卜32 M0 )2-34(0.0251de=4=-4=0.027二 do3.14 0.025殼程流通截面積，根據(jù)化工原理(上)P253,公式(4-80),得Ao = BD

10、(1 逅)=0.400 %500 X( 1 "25) = 0.044m2t0.032式中B一兩擋板間距離，mD一換熱器間的外殼內徑，m殼程原油的流速及其雷諾數(shù)分別為Vo33000/(3600 815)Uo= =0.26 m/sAo0.044Reo =pouode _ 815 M 0.26 m 0.0276.65 10-二 860普朗特準數(shù)（ 傳熱傳質過程設備設計P26,公式1-43）cp。2.2 103 6.65 10Pr= =114.30.128因此，殼程水的傳熱膜系數(shù)口。為a 0 = 0.36Re0.55Pr1/3(3)0.14 0d eM w1=0.36父一父8600.55 父

11、114.3與父0.92 =308W/(m2 )0.0276.1.2管程傳熱系數(shù)根據(jù)夏清陳常貴化工原理（上）P248 ,公式（4-70a）得a i = 0.023R°.8Pr0.4其中：di管程流通截面積Si =0.0264m2管程柴油的流速及其雷諾數(shù)分別為Ui = & =34000/(3600父715)=0.5 m/sSi0.0264DPiUidiRe=0.02 0.5 7150.64 10，= 11172cpi JiPr=普蘭特準數(shù)0.1332.48 103 0.64 10 飛 =11.93因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù)&i為C CCC ,“-7C080 4 0.133

12、2a i = 0.023 M1172 . X11.93 . X=714W/（m - ）0.026.1.3 污垢熱阻和管壁熱阻查閱夏清 陳常貴 化工原理（上）P354,附錄表20,得 原油側的熱阻Rso= 0.00034m2 C W-1 柴油側的熱阻Rsi= 0.00034m2 W-1查閱化工原理（上）P354,附錄表13,得碳鋼的導熱系數(shù) 入=50W -m-1 -C-16.1.4 總傳熱系數(shù)K因此，查夏清 陳常貴化工原理（上）P227,公式（4-40）+ Rso+ 也 + Rsi+旦aodmdiaidi1308+ 0.00034+0.0025 0.02550 0.0225+ 0.000340.

13、0250.020+0.025714 0.02解得：K = 172W/ (m2 -C)b:管壁的厚度d0：管的外徑dm:管的平均直徑 di:管的內徑6.1.5 傳熱面積裕度根據(jù)化工原理課程設計P47,公式(3-5) _806667 2Si = Qi/( Ki tm)= 69.2m2172 67.8該換熱器的實際傳熱面積 Sp2Sp=ndolN t=3.14 0.025 BX68=79.1m依化工單元過程及設備課程設計P76,公式3-36該換熱器的面積裕度為SpSi100% =79.1 -69.269.2=14.3%傳熱面積裕度合適。該換熱器能夠完成生產任務6.2換熱器內流體的流動阻力（壓降）6.

14、2.1 管程流動阻力由Re=11172,傳熱管相對粗超度為0 =0.01 mm ,內徑di = 20mm流速 u=0.5m/s,相對粗糙度 一=% =0.0005 di 20查夏清 陳常貴 化工原理（上）P54莫狄圖得 =0.0346715 0.5,、.：pi =0.034 =912 (pa)0.0222 _ _ 2.：u c 715 0.5-Pr = = 3 = 268 (pa)22總壓降:EApi= (pi+zp2)Ft Ns Np= (912+268) X1.4 XX2= 3.3KPa < 80KPa (符合設計要求)其中，F(xiàn)t為結垢校正系數(shù)，取1.4;Ns為串聯(lián)殼程數(shù)，取1; N

15、p為管程數(shù)，取2。6.2.2克程流動阻力：根據(jù)化工原理(上)P284,公式(4-124)、(4-125)得流體橫過管束的壓降：其中：F=0.4fo=5.0 *60°228=1.07Nb=14uo=0.26m/s p1=0.4 X.07 1614+1) (815 8.262)/2 =2823Pa2 P2=nb (3.5 2B)弩,2 0 400、2=14 X(3.5.)X(815 >0.26 )/2= 733 Pa0.500總壓降：12A po= ( p1+ p2) Fs Ns=(2823+ 733) X.1 M = 3.91Kpa < 80Kpa其中，F(xiàn)s為殼程壓強降的校正系數(shù)，對于液體取 1.1;Ns為串聯(lián)的殼程數(shù)，取1。設計計算結果匯總表換熱器的工藝計算及結構設計的主要結果和主要尺寸匯總于下表質量流量/(kg/h)3400033000進/出口溫度/C175/140.5110/70操作壓力/kPa定性溫度