柴油原油换热器设计说明书.doc

齐齐哈尔大学 化工原理课程设计柴油换热器 化工原理课程设计柴油热器设计说明书设计者：班级：过控班组长：成员：日期 ：2010年9月7日 指导教师 设计成绩 日期 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3 2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 （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11 1.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%。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：数参类型体积流量（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）34000175 -1.11.2原油（管外）4400070110 0.30.4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(T1T2) 1.05 =440002.2（14842）1.05=1.13106kJ/h = 1.13106 W 柴油出口温度：Qh = Qc = Wh Cph (t1t2)-* 1.13106=340002.48（175t2） 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 壳程原油的定性温度为 2.2.2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。原油在90，1.2MPa下的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）定压比热容cpi kJ/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）原油 8152.26.6510-3 0.128 柴油在151的物性数据如下：物性密度o（kg/m3）定压比热容cpo kJ/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）柴油715 2.480.6410-30.133三、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)=614.3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 m2五工程结构尺寸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)按单程管计算，所需的传热管长度为m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=9.705kg5.3 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R1.2P0.381 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依传热传质过程设备设计P16，公式3-14，平均传热差校正为tm=tm =610.92=56.12( )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 , 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 NB=1=1=18.4419 块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=1.8m/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。由流体力学与传热P164，公式4-60、4-61，得ho = 其中：粘度校正为=0.92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de0.027 m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 m2壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo =0.317 m/sReo777普朗特准数（P26，公式1-43）Pr =114.29因此，壳程水的传热膜系数ho为ho = =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其中：管程流通截面积Si =0.02637 m2管程空气的流速及其雷诺数分别为ui =0.5 m/sRe11916普兰特准数Pr =11.93因此，管程空气的传热膜系数hi为hi=0.023119160.811.930.4=751.8 W/(m2)6.1.3污垢热阻和管壁热阻查阅化工原理（上）P365，附录22，得l 冷却水侧的热阻Rso0.00002m2W-1l 热空气侧的热阻Rsi0.00002m2W-1l 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 Rso 777解得：244.8 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P75，公式3-35：QiSitm得：SiQi/(tm)75.67 m2该换热器的实际传热面积SpSp=3.140.057168=92.316 m2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%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=94 hc = ho = 291 W/ (m2) hh = hi = 751.8W/ (m2)传热管平均壁温=131.48 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u=0.05m/s, (pa)(pa)总压降：pi（p1+p2）Ft Ns Np（1188.68+268.125）1.5148740Pa 9800 Pa（符合设计要求） 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：由传热力学与传热P209，公式4-121、4-122，得： 流体横过管束的压降：其中：F=0.4fo=5.0777-0.228=1.096NB=19uo=0.317 m/spO=0.41.09624.62(19+1)(8150.3172)/2 15808 PapINB（3.5）19（3.5）(8150.3172)/21789Pa总压降：po（p1p2）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/h3400044000物性操作温度，175/12770/110定性温度，15190流体密度，kg/m3715815定压比热容，kj/(kg.k)2.482.2黏度，pa.s传热系数，W/（m2）0.1330.128普朗特数11.93114.2设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径，mm600壳程数1管径，mm管心距，mm32管长，mm7000管子排列正方形旋转45管数目，根168折流板数19传热面积，92.316折流板间距，mm360管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s0.50.317表面传热系数，W/（m2）751.8291污垢系数，m2K/W0.00020.0002阻力降，Pa0.00870.0202热流量，kw1130传热温差，k44.46传热系数，W/（m2）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，Di=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7850kgm3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+C+3.55.96 (mm)圆整后取8mm 8.1.3壳体质量壳体长度=7m质量=785073.14（0.61620.6002）/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/mm600管板外径D/mm647管板厚度ba/mm32管孔直径d1/mm25管孔数/个192换热管外伸长度/mm5管板质量/kg56.3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：=16mm拉杆长：L1=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）3.140.0162/4=64.7 kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=6.65 m，L2=6.300m。粗略计算定距管质量 m=7850（26.65+26.3）3.14(0.02520.022)/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 NB=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 Da(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，D2=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。壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为 ui= 0.5m/s，则接管内径为=0.195 m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，D2=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/(ms2)，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 uo= 1 m/s，则接管内径为= 0.129m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，D2=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浮头法兰沟圈外径布管限定圈直径外盖内直径浮头管板直径8.10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）829.24829.242管板246.3992.783壳程接管21.913.824壳程接管法兰2凹3.08/凸4.847.925管程接管22.575.146管程接管法兰2凹4.36/凸5.59.867隔板320.8462.568封头116.6016.609封头法兰117.8017.8012传热管1684.42742.5613拉杆2/29.24 / 8.7836.0414定距管L127.6815.09L227.4115折流板192.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法兰117.8017.8018浮头132.5132.51换热器总重量/kg1961.56（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）27.001.978m3 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。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（3）壳体刚度校核已知公式： 和 换热器的受力可简化为如图：AAL 弯矩图为：L=9.390m，=1961.56kg，g=9.81N/kg。校正为2000kg。取A=0.21L=0.219.3901.9719(m)，此时=0.025gL=0.02520009.819.390=4605.79Nm抗弯截面模量：=0.00229=4605.79/0.00229=2.011MPat=133MPa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)3400044000进/出口温度/175/127110/70操作压力/MPa1.10.3 物性参数定性温度/15190密度/(kg/m3)715815定压比热熔/kJ/(kgK)2.482.2粘度/(Pas)0.6410-36.6510-3热导率/W/(mK)0.1330.128工艺主要计算结果流速/(m/s)0.50.317污垢热阻/m2K/ W0.000020.00002阻力（压降）/MPa874020236.5对流传热系数/W/(m2K)751.8291总传热系数/W/(m2K)244.8平均传热温差/41.48热流量/kW1130传热面积裕度/%21.9 设备结构设计程数41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/mm600传热面积/m292.316管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根168折流板数/个19管 长/mm7000折流板间距/mm350管子排列方式切口高度/mm150管间距/mm32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-原油换热器设计”，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，加上这学期正好学习了过程设备设计。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。我在确定传热面积的时候，因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍，可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。二