柴油原油换热器设计说明书

化工原理课程设计柴油加热器设计说明书设计者：班级：化工 084 班组长：张婷成员：刘安东 钱生来 林斌 张权 日期 ：2011 年 6 月 20 日指导教师 邢进 设计成绩 日期 齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 1 页 共 24 页目录一设计说明书3 二设计条件及主要物性的确定31定性温度的确定32流体有关物性3三. 确定设计方案41 选择换热器的类型42流程安排4四估算传热面积41. 传热器的热负荷42. 平均传热温差43. 传热面积估算4五工程结构尺寸41. 管径和管内流速42. 管程数和传热管数43. 平均传热温差校正和壳程数54. 传热管排列和分程方法55. 壳程内径66. 折流板67. 其他附件68. 接管6六换热器核算71.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（3）污垢热阻和管壁热阻8（4）传热系数K8（5）传热面积裕度8 2.壁温核算93.换热器内流体的流动阻力齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 3 页 共 24 页9（1）管程流动阻力9（2）壳程流动阻力10七换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表11八设备参考数计算111.壳体11（1）壳体内经11（2）壳体壁厚12（3）壳体质量122.管板12（1）管板参数12（2）管板与壳体的连接12（3）管子在管板上的固定方式123.拉杆134.分程隔板135.折流板136.封头及管箱13（1）封头13（2）管箱13（3）管箱法兰及筒体法兰147.接管及其法兰148.排气排液口149.浮头1510.支座设计15（1）支座的设计选型15（2）支座承载能力校核15九设计计算结果汇总表17十设计总结18十一.主要符号说明19十二.参考文献20齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 5 页 共 24 页一、设计说明书1.设计任务书和设计条件原油 44000kg/h 由 70C 被加热到 110C 与柴油换热，柴油流量 34000kg/h，柴油入口温度 175C，已知两则污垢热阻为 0.0002C/W,管程与壳程两则降压小于或等于0.3at，热阻损失 5%，初设 k=250w/ m2C。二、设计条件及主要物性参数2.1 设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：类型体积流量（标准 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 - 1.1 1.2原油（管外） 44000 70 110 0.3 0.4注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，必须使设计压力比最大操作压力略大，本参 数设计的设计压力比最大操作压力大 0.1MPa。2.2 确定主要物性数据2.2.1 定性温度的确定根据流体力学（上） P177，公式（4-109） ，热流量为Qc = Wc Cpc(T1T 2) 1.05 =440002.2（14842）1.05=1.13106kJ/h = 1.13106 W 柴油出口温度：Q h = Qc = Wh Cph (t1t 2)1.13106=340002.48（175t 2）t2=127 可取流体进出口温度的平均值。管程柴油的定性温度为157T壳程原油的定性温度为 902t2.2.2 流体有关物性数据根据由上面两个定性温度数据，查阅参考书可得原油和柴油的物理性质。运用内插法（公式为 ）,可得壳程和管程流体的有关物性数据。()/(bababavgbyytt原油在 90，1.2MPa 下的有关物性数据如下：物性 密度 i（kg/m 3） 定压 比热容 cpi kJ/(kg) 粘度 i（Pas） 导热系数 i（Wm -1 -1）原油 815 2.2 6.6510-3 0.128 柴油在 151的物性数据如下：物性 密度 o（kg/m 3） 定压 比热容 cpo kJ/(kg) 粘度 o（Pas） 导热系数 o（Wm -1 -1）柴油 715 2.48 0.6410-3 0.133三、确定设计方案3.1 选择换热器的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 系列的浮头式列管换热器为宜。采用折流挡板，可使作为被冷却的原油易形成湍流，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，走壳程在较低的 Re 数时即可达到齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 7 页 共 24 页湍流，有利于提高其传热膜系数。四、估算传热面积4.1 热流量 WQ6103.4.2 平均传热温差根据传热传质过程设备设计P15，公式 1-11，= = (0,1atm)=61mt2)()(11tTt2)701()75(4.3 传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设 Ki=250 Wm-2 -1。根据传热传质过程设备设计P14，公式 1-2，则估算的传热面积为m24.7612503.tm iKQA估五工程结构尺寸5.1 管径和管内流速选用 252.5mm 的传热管(碳钢管)；由传热传质过程设备设计P7 表 13 得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，可设空气流速 ui1m/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过程及设备课程设计P62，公式 3-9 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数(根)4210.785.36/(3422 iisudVn按单程管计算，所需的传热管长度为m5.240.13sindSL按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l= 3 m ，则该换热器管程数为Np=L / l=22.5/74（管程）传热管总根数 N = 424= 168 （根） 。单根传热管质量 785073.140.02250.0025=9.705kg0mld钢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P63，公式 3-13a 和 3-13b，平均传热温差校正系数R 1.27012521tTP 0.381 1t依传热传质过程设备设计P16，公式3-13，温度校正系数为t12R12.)1(lnl2RP 0.92)121(38.02ln.l依传热传质过程设备设计P16，公式 3-14，平均传热差校正为t m= t m =610.92=56.12( )t由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。5.4 传热管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按旋转 45正四边形排列，其优点为管板强度高，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，相同的壳程内可排列更多的管子。查热交换器原理与设计P46，表 2-3 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P67，公式 3-16，隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22 mm取各程相邻管的管心距为 44mm。5.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，由流体力学与传热P206，公式 4-115，得壳体内径为Di =1.05t =1.0532 =520 mm , /n7.0/168查阅化工原理（上） P275，附录二十三：热交换器，取 Di =600mm。5.6 折流板齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 9 页 共 24 页采用弓形折流板，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h=0.25600=150 mm ，故可取 h=150 mm。取折流板间距 B=0.6Di，则 B=0.6600=360 mm。取板间距 H150mm，则：折流板数 N B= 1= 1=18.4419 块折 流 板 间 距传 热 管 长 3607折流板圆缺面水平装配。5.7 其他附件直径为 12mm 的拉杆 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)5.0143)86/(411 uvD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, )(129.014.3)756/(0422 muvD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。由流体力学与传热P164，公式 4-60、4-61，得ho = 14.03/15.0)(PrRe36. wood其中：粘度校正为 =0.9214.0)(wo当量直径，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P72，公式 3-22 得de 0.027 motdp)4(2壳程流通截面积，由流体力学与传热P164，公式 4-62，得So = BD(1 )=0.360.6（1 ）0.04725 m 2to0.253壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo = 0.317 m/sV04735.)86/(Reo 777ed 31.2.普朗特准数（P26，公式 1-43）Pr = =114.29opc28.065.33因此，壳程水的传热膜系数 ho为ho = 9.14702.13635.0=291 W/(m2)6.1.2 管程表面流传热系数由流体力学与传热P158，公式 4-52a、4-52b，得hi = 0.023Re0.8Pr0.4 id其中：管程流通截面积Si = = =0.02637 m224idn21680.785.管程空气的流速及其雷诺数分别为ui = 0.5 m/siSV0637.)/(Re 11916id 314.52普兰特准数Pr = =11.93ipc3.068.3齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 11 页 共 24 页因此，管程空气的传热膜系数 hi为hi=0.023119160.811.930.4 =751.8 W/(m2)02.136.1.3 污垢热阻和管壁热阻查阅化工原理（上） P365，附录 22，得 冷却水侧的热阻 Rso0.00002m 2W -1 热空气侧的热阻 Rsi0.00002m 2W -1 碳钢的导热系数 50Wm -1 -16.1.4 总传热系数 Ki因此，依化工单元过程及设备课程设计P71，公式 3-21 R so 1ohmodbiosidh 777 295.20.205196 8.751解得： 244.8 W/ (m 2)oK6.1.5 传热面积裕度依化工单元过程及设备课程设计P75，公式 3-35：Q i Sit m得：KSiQ i/( t m) 75.67 m 2iK618.2403该换热器的实际传热面积 SpSp= =3.140.057168=92.316 m2TolNd依化工单元过程及设备课程设计P76，公式 3-36该换热器的面积裕度为= =21.9%10ipSH67.53926.2 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，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是按式 3-42 有 hcmwtTt/1式中，液体的平均温度 tm和气体的平均温度 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=0.4175+0.6127=146Tm=0.470+0.6110=94hc = ho = 291 W/ (m2)hh = hi = 751.8W/ (m2)传热管平均壁温=131.482918.75/46./9t壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 T=90 壳体壁温和传热管壁温之差为t=131.4890 =41.48 6.3 换热器内流体的流动阻力(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196eR 038.iu=0.05m/s, 3/75mkg(pa)68.125.07.08. ip(pa)132ur总压降：p i（p 1+p 2）F t Ns Np（1188.68+268.125）1.5148740Pa 9800 Pa（符合设计要求）其中， F t为结垢校正系数，取 1.5；Ns为串联壳程数，取 1；N p为管程数，取 4。6.3.2 壳程流动阻力：由传热力学与传热P209，公式 4-121、4-122，得：流体横过管束的压降： 2)1(oBtcouNFfp其中：F=0.4fo=5.0777-0.228=1.096 62.418915.05.0TTCNB=19uo=0.317 m/s pO=0.41.09624.62(19+1)(8150.3172)/2 15808 Pa齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 13 页 共 24 页 pIN B（3.5 ）D22ou19（3.5 ）(8150.317 2)/21789Pa6.03总压降：p o（ p1 p2）Fs Ns（158081789）1.15120236.55Pa其中，Fs 为壳程压强降的校正系数，对于液体取 1.15；Ns 为串联的壳程数，取 4。七. 换热器主要结构尺寸和计算结果表参数 管程 壳程流量，kg/h 34000 44000操作温度， 175/127 70/110定性温度， 151 90流体密度，kg/m3715 815物性定压比热容，kj/(kg.k)2.48 2.2黏度，pa.s 31064.31065.传热系数，W/（m 2）0.133 0.128普朗特数 11.93 114.2形式 浮头式 台数 1壳体内径，mm 600 壳程数 1管径，mm 5.2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 19传热面积， 2m92.316 折流板间距，mm 360设备结构参数管程数 4 材质 碳钢主要计算结果 管程 壳程流速，m/s 0.5 0.317表面传热系数，W/（m 2） 751.8 291污垢系数，m 2K/W 0.0002 0.0002阻力降，Pa 0.0087 0.0202热流量， kw 1130传热温差，k 44.46传热系数，W/（m 2） 244.8裕度 21.9八、设备参数计算8.1 壳体8.1.1 壳内直径根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径 Di600 mm。查阅结构与零部件（上） P123，表 1-1-86 的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为 DN6000mm8mm 的壳体，则 Do616mm，D i=600mm。8.1.2 壳体壁厚 查阅化工设备机械基础P126，表 9-3，采用 Q235-A.F 钢板(GB3274)，其中钢密度7850kgm 3由 Po0.6 MPa， Di600mm，再查阅化工设备机械基础P124，表 9-6,对壳体与管板采用单面焊，焊接接头系数 0.65,腐蚀裕度 C=3+0.5=3.5mm.查阅化工设备机械基础P124，表 9-4 碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t=113MPa ， s235MPa齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 15 页 共 24 页+C +3.5 5.96 (mm)otiPD26.05132.圆整后取 8mm 8.1.3 壳体质量壳体长度=7m质量=785073.14（0.616 20.600 2）/4=829.24kg注：个别数据来源于后续步骤。详见附图。8.2 管板8.2.1 管板参数根据壳体内径尺寸，查阅换热器设计手册P161，表 1-6-9 管板尺寸表，由于没有适合本次设计的标准管板，根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表：管板参数（管板按非标准设计）参数名称 参数值管板直径 Da/mm 600管板外径 D/mm 647管板厚度 ba/mm 32管孔直径 d1/mm 25管孔数/个 192换热管外伸长度/mm 5管板质量/kg 56.3单块管板质量：m=0.00717785046.39kg8.2.2 管板与壳体的连接管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，8.2.3 管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子。根据换热器设计手册P172，表 1-6-20，管子伸出长度约为 5mm。8.3 拉杆本换热器壳体内径为 600mm，查阅化工单元过程及设备课程设计P135，表 4-7 和表 4-8 得：拉杆螺纹公称直径： =16mmnd拉杆长：L 1=6.840m L2=6.480m前螺纹长 La=20mm 后螺纹长 Lb=60mm拉杆数：4 根拉杆质量：m=7850（26.840+26.480）3.140.016 2/4=64.7 kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L 1=6.65 m，L 2=6.300m。粗略计算定距管质量m=7850（26.65+26.3）3.14(0.025 20.02 2)/4=35.4 kg8.4 分程隔板查阅化工单元过程及设备课程设计P127，表 4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=600mm ，对于碳钢，得隔板厚度为：b10mm 。分程隔板长 L1=150+40+400+5-10=585mm，L2=200+5-10=190mm 其中 10mm 为管箱嵌入法兰深度，5mm 为隔板嵌入管板深度。管箱分程隔板质量以长方体板粗略估计：m1=0.60000.5850.01078502=55.1kg浮头分成隔板质量以半圆板粗略估算：m2=3.140.50.1900.0107850=23.4kg隔板总质量 m=55.1+23.4=78.51kg8.5 折流板前面已算出：折流板数 N B=19 块圆缺高度 h150 mm板间距 B360mm查阅换热器设计手册P182，表 1-6-26 和表 1-6-33，得：折流板直径 D a(6003.50.5)mm=596mm折流板厚度 C5 mm。折流板的管孔，按 GB151 规定 I 级换热器，管孔直径=19+0.4=19.4mm折流板质量：m=190.0004187850=62.35 kg8.6 封头及管箱8.6.1 封头查阅材料与零部件P332，表 2-1-9，本换热器采用椭圆型封头(JB115473)一个，材料采用高合金钢，公称直径 Dg600mm（以内径为公称直径） ，曲面高度 h1150mm，直边高度 h240mm，厚度8mm,重量=16.6kg。焊接于管箱。8.6.2 管箱管箱长 L=400mm，管箱内径=6000mm（按非标准设计） ，壁厚=8mm管箱质量：m=3.140.6000.4000.0087850=47.32 kg。8.6.3 筒体法兰及管箱法兰查阅材料与零部件（上）P386，表 2-2-22，采用凹法兰，在公称压力1.01.6MPa 范围内，选取的法兰参数为 D=730mm，公称直径=600mm，孔间距D1=690mm，D 2=655mm。孔直径25mm，厚度 b=32mm ，法兰重量=35.1kg 。所用螺栓规格M2090mm，螺栓数目：28。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在筒体，与后管板连接。8.7 接管及其法兰根据流体力学与传热P207，接管直径公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的 1.21.4 倍。齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 17 页 共 24 页壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为 u i= 0.5m/s，则接管内径为= =0.195 miuVD415.0143)86/(取标准管径为 200 mm查表材料与零部件（上）P655 表 2-8-1，取管的内径200mm，管厚6mm，伸出高度150mm。接管质量=3.140.20.0040.157850=2.957kg原油进口采用凸法兰，原油出口采用凹法兰，查阅材料与零部件P380，表 2-2-19，取法兰直径340 mm，厚度 b=26mm，螺栓孔间距 D1295mm，D 2=219mm，螺栓孔直径22mm。法兰重量：凹法兰1.54kg，凸法兰=2.42kg，螺栓规格：M20，螺栓数量为 8。由于 iui2=8150.52=203.72200 kg/(ms 2)，故不需防冲板。管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 u o= 1 m/s，则接管内径为= = 0.129mouVD424.3)7560/(1取标准管径为 150 mm查表材料与零部件P132 无缝钢管（YB231-70），取管的外径159mm，管厚4.5mm ，查阅材料与零部件（上P655 表 2-8-1，伸出高度150mm。接管质量=3.140.15450.00450.157850=2.57kg柴油进口采用凹法兰，柴油出口采用凸法兰。查阅材料与零件P380，表 2-2-19，法兰的直径260mm，厚度 b=12mm，螺栓孔间距 D1225mm，D 2=202mm，螺栓孔直径18mm。法兰重量：凹法兰2.18kg，凸法兰=2.75kg，螺栓规格：M16，数量为 8。8.8 排气、排液管查表材料与零部件P123 无缝钢管（YB231-70），取排气液管：外径45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。质量=78503.140.0450.00350.08=0.29kg。选用螺塞 M272。8.9 浮头浮头法兰沟圈内径 mblDnifi 584)106()2(浮头法兰沟圈外径布管限定圈直径 bliL 613)45.3(2650)(2mIfo680外盖内直径 mDiL701浮头管板直径 blio6428.10 支座设计8.10.1 支座的设计选型查材料与零部件（上） P559，表 2-7-1 鞍式支座尺寸，当公称直径600mm 时，b1=180mm , L=550mm , B=120mm， b=90mm，m=220mm，质量=26.3kg，A0.27=1.4m，支座间距70002521400=4190mm。8.10.2 支座承载能力校核（1）换热器的质量统计于下表：序号 各零部件 数量 单件重量/kg 重量/kg1 壳体 （YB231-70） 829.24 829.242 管板 2 46.39 92.783 壳程接管 2 1.91 3.824 壳程接管法兰 2 凹 3.08/凸 4.84 7.925 管程接管 2 2.57 5.146 管程接管法兰 2 凹 4.36/凸 5.5 9.867 隔板 3 20.84 62.568 封头 1 16.60 16.609 封头法兰 1 17.80 17.8012 传热管 168 4.42 742.5613 拉杆 2/2 9.24 / 8.78 36.04L1 2 7.6814 定距管L2 2 7.4115.0915 折流板 19 2.48 47.1316 管箱 1 23.07 23.0717 管箱法兰 1 17.80 17.8018 浮头 1 32.51 32.51换热器总重量/kg 1961.56（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为：V23.14（0.025/2） 27170=0.583m3壳体体积为：V13.14（0.600/2） 27.001.978m 3忽略隔板体积，原油充满整个换热器时的总重为：= 1961.56+（1.978-0.583）815.03098.48kg。M总小于该鞍式支座的最大载荷 14 吨。齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 19 页 共 24 页（3）壳体刚度校核已知公式：和 ()2qxALQxL 222()() )(qxALMxLqxx换热器的受力可简化为如图：弯矩图为：L=9.390m， =1961.56kg，g=9.81N/kg。 校正为 2000kg。M总 M总取 A=0.21L=0.219.390 1.9719(m)，此时= =0.025 gL=0.02520009.819.390=4605.79Nmmax2qLA8总抗弯截面模量： = = =0.00229ZWoiD32)(461.032)(.443m=4605.79/0.00229=2.011MPa t=133MPamaxaxzM故此壳体适用。九、设计计算结果汇总表换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：工艺参数 管程 壳程质量流量/(kg/h) 34000 44000进/出口温度/ 175/127 110/70操作压力/MPa 1.1 0.3定性温度/ 151 90密度/(kg/m 3) 715 815物性 定压比热熔 2.48 2.2A AL 2qLA8/kJ/(kgK)粘度/(Pas) 0.6410-3 6.6510-3参数热导率/W/(mK) 0.133 0.128流速/(m/s) 0.5 0.317污垢热阻/m 2K/ W 0.00002 0.00002阻力（压降）/MPa 8740 20236.5对流传热系数/W/(m2K)751.8 291总传热系数/W/(m2K)244.8平均传热温差/ 41.48热流量/kW 1130工艺主要计算结果传热面积裕度/% 21.9程数 4 1推荐使用材料 碳钢 碳钢换热器型式 浮头管板式 台数 1壳体内径/mm 600 传热面积/m 2 92.316管 径/mm 252.5 折流板型式 上下管 数/根 168 折流板数/个 19管 长/mm 7000 折流板间距/mm 350管子排列方式 切口高度/mm 150管间距/mm 32 封头1 个 Do=600封头法兰 dH=600mm 隔板 b=10mm拉杆 4 根 d=16mm 支座 (JB1167-81)A 型管箱（非标准） Do=600mm 管箱法兰 dH=730mm定距管 252 管板 请参阅说明书 P12壳程接管 1506 壳程接管法兰 dH265mm设备结构设计管程接管 2006 管程接管法兰 dH=340mm备注 设备总重约为 1961.59kg十、设计总结此次化工原理课程设计题目是“柴油-原油加器设计” ，因为上学期老师对传热与换热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，另外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。一、 数据计算这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油加热器第 21 页 共 24 页到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算