柴油原油换热器工艺设计说明书

2010 化工学院化工原理课程设计说明书设计题目：柴油-原油换热器工艺设计1设计任务书1.1设计题目列管式换热器(原油预热器)的设计1.2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 1.7210-4m2.K/W，要求两侧的阻力损失均不超过 Pa。5103.温 度 物料 入口 出口质量流量kg/h比 热kJ/kg.密 度kg/m3导热系数W/m.粘度Pa.s柴油 195 T2 70000 2.48 715 0.133 0.6410-3原油 30 75 80000 2.20 815 0.128 3.010-31.3设计要求及内容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目 录1.概述 .32.设计标准 .43.方案设计和拟定 .54.设计计算 .84.1确定设计方案.84.1.1 选择换热器的类型.84.1.2 流动空间及流速的测定.94.2确定物性数据.94.3计算总传热系数.94.3.1 热流量.94.3.2 平均传热温差.104.3.3总传热系数K.104.4计算传热面积.114.5工艺结构尺寸.114.5.1管径和管内流速.114.5.2管程数和传热管数.114.5.3平均传热温差校正及壳程数.114.5.4传热管排列和分程方法.124.5.5壳体内径.1224.5.6折流板.124.5.7接管.134.6换热器核算.134.6.1热量核算.134.6.1.1壳程对流传热系数.134.6.1.2管程对流传热系数.144.6.1.3传热系数K.154.6.1.4传热面积S.154.6.2换热器内流体的流动阻力.164.6.2.1 管程流动阻力.164.6.2.2 壳程阻力.164.6.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果.175.参考文献 .186.附录 .187.设计小结 .258CAD图 .2731.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。列管式换热器有以下几种：1）固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈， （或膨胀节） 。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 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。42）U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 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。3) 浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 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。52.设计标准（1）JB1145-73列管式固定管板热交换器（2）JB1146-73立式热虹吸式重沸器（3）中华人民共和国国家标准.GB151-89钢制管壳式换热器.国家技术监督局发布，1989（4） 钢制石油化工压力容器设计规定（5）JBT4715-1992固定管板式换热器型式与基本参数（6）HGT20701.8-2000容器、换热器专业设备简图设计规定（7）HG20519-92全套化工工艺设计施工图内容和深度统一规定（8）中华人民共和国国家标准 JB4732-95 钢制压力容器分析设计标准（9）中华人民共和国国家标准 JB4710-92 钢制塔式容器（10）中华人民共和国国家标准 GB16749-1997 压力容器波形膨胀节3.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。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6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。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，而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(Re100)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。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 。smu/0.1管子的规格和排列方法：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252.5mm及19mm两种规格的管子。在这里，选择 252.5mm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46(对直径小的换热7器可大些)。在这次设计中，管长选择6m。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。在这里选择正方形错列排列。 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=(1.31.5)d 2，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 2。管程和壳程数的确定 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。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1040，一般取2025，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(0.21)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。主要构件的选用： （1）封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，8圆形用于大直径 的壳体。（2）缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓（3）导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。 (4）放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。 （5）接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径由计算得出。最后材料选用：列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前,常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。4设计计算4.1确定设计方案4.1.1 选择换热器的类型因为， 21Q所以， =1TCqpm22Tqpm307510.36895048.367 323 .12两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度195，出口温度149.4；冷流体（原油）进口温度30，出口温度75。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。94.1.2 流动空间及流速的测定为减少热损失和充分利用柴油的