柴油-原油换热器工艺设计

2010 化工学院化工原理课程设计说明书 设计题目 设计题目 柴油柴油 原油原油换热器工艺设计换热器工艺设计 1 1 设计任务书 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 72 10 4m2 K W 要求两侧的阻力损失均不超过Pa 5 103 0 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 195T2700002 487150 1330 64 10 3 原油 3075800002 208150 1283 0 10 3 1 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 目目 录录 1 概述 3 2 设计标准 4 3 方案设计和拟定 5 4 设计计算 8 4 1确定设计方案 8 4 1 1 选择换热器的类型 8 4 1 2 流动空间及流速的测定 9 4 2确定物性数据 9 4 3计算总传热系数 9 4 3 1 热流量 9 4 3 2 平均传热温差 10 4 3 3总传热系数K 10 4 4计算传热面积 11 4 5工艺结构尺寸 11 4 5 1管径和管内流速 11 4 5 2管程数和传热管数 11 4 5 3平均传热温差校正及壳程数 11 4 5 4传热管排列和分程方法 12 4 5 5壳体内径 12 2 4 5 6折流板 12 4 5 7接管 13 4 6换热器核算 13 4 6 1热量核算 13 4 6 1 1壳程对流传热系数 13 4 6 1 2管程对流传热系数 14 4 6 1 3传热系数K 15 4 6 1 4传热面积S 15 4 6 2换热器内流体的流动阻力 16 4 6 2 1 管程流动阻力 16 4 6 2 2 壳程阻力 16 4 6 2 3 换热器主要结构尺寸和计算结果 17 5 参考文献 18 6 附录 18 7 设计小结 25 8 CAD图 27 3 1 1 概述概述 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 4 2 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 5 2 2 设计标准设计标准 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 3 方案设计和拟订方案设计和拟订 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 Re 100 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 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 25 2 5mm及 19 mm两种规格的管子 在这 里 选择 25 2 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4 6 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 3 1 5 d2 且相邻两管外壁间距不应小于 6mm 即t d 6 焊接法取t 1 25d2 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10 40 一般取20 25 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 2 1 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 4 设计计算设计计算 4 1确定设计方案 4 1 1 选择换热器的类型 因为 21 QQ 所以 1 1 1 TCq pm 2 2 2 TCq pm 3075 10 20 2 3600 80000 195 10 48 2 3600 7000 3 2 3 T 4 1492 T 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 9 4 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热量 采用柴油走管程 原油走壳程 选用 25 2 5mm的碳钢管 根据表三 管内流速取 iu 1 0m s 4 2确定物性数据 根据定性温度 分别查取壳程和管程流体的有关物性数据 柴油的有关物性数据如下 密度 3 1 715mkg 定压比热容 kgkJcp 48 2 1 导热系数 mW 133 0 1 黏度 sPa 3 1 1064 0 原油的物性数据 密度 3 2 815mkg 定压比热容 kgkJcp 20 2 2 导热系数 mW 128 0 2 黏度 W sPa 3 2 100 3 4 3计算总传热系数 4 3 1 热流量 4 149195 10 48 2 3600 70000 3 Q 1 1 1 TCq pm W 10 2 2 6 10 4 3 2 平均传热温差 2 1 21 ln t t tt tm 76 119 4 119 120 ln 4 119120 4 3 3 总传热系数 K 管程传热系数 4 4 1 111 1023 2 104 6 7150 102 0 Re ud mW c ud d p 2 4 0 43 8 0 4 4 0 1 1 8 0 1 111 1 1 1 970 133 0 104 61048 2 1023 2 020 0 133 0 023 0 023 0 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 mW 2 2 540 污垢热阻 W mRR dd 1072 1 24 21 管壁的导热系数 mW 45 2 2 2 1 2 1 11 2 1 1 d m d R d bd d d R d d K 540 1 1072 1 0225 0 45 025 0 0025 0 020 0 025 0 1072 1 020 0 970 025 0 1 44 mW 2 6 278 11 4 4计算传热面积 m mtK Q S 2 6 2 66 76 1196 278 2 2 10 考虑15 的面积裕度 m SS 2 7615 1 4 5工艺结构尺寸 4 5 1 管径和管内流速 选用传热管 碳钢 取管内流速 5 225 smu 0 1 1 4 5 2 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 u d V ns 1 2 4 根8699 85 0 1 02 0 785 0 360071570000 2 按单程管计算 所需的传热管长度为 sn d S L 2 m12257 11 86025 0 14 3 76 按单程管设计 传热管过程 宜采用多管程结构 现取传热管长 ml6 则该换热器管程程数为 l L Np2 6 12 传热管总根数 psNnN根172286 4 5 3平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 01 1 3075 4 149195 R 12 27 0 30195 3075 P 按单壳程 4管程结构 温差校正系数应查附图六 对数平均温度校正系数 t 可得 98 0 t 平均传热温差 m tmtt 87 11626 11998 0 4 5 4 传热管排列和分程方法 采用组合排列法 即每程内均按正三角排列 隔板两恻采用正方形排列 取管 心距 则 2 25 1 dt mmt3225 312525 1 管间距 mm t s226 2 横过管束中心线的管数 根16 6 1517219 1 19 1 Nnc 4 5 5 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 则壳体内径为6 0 NtD05 1 mm600 9 5686 01723205 1 圆整可取 mmD600 4 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 13 mmh15060025 0 取折流板间距B 0 5D 则 mmB3006005 0 折流板数 1 折流板间距 传热管长 BN 块191 300 6000 折流板圆缺面水平装配 4 5 7 接管 壳程流体进出口接管 取接管内流速为 则接管内径为 smu 0 1 m u V d186 0 0 114 3 81536008000044 取标准管径为200mm 管程流体进出口接管 取接管内循环水流速 则接管内径为 smu 1 m u V d186 0 0 114 3 71536007000044 取标准管径为200mm 4 6换热器核算 4 6 1 热量核算 4 6 1 1 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板 可采用克恩公式 14 0 23155 0 2 2 2 PrRe36 0 we d 当量直径 由正方形排列得 14 027 0 025 014 3 025 0 785 0 032 0 44 4 22 2 2 2 2 m d dt de 壳程流通截面积 m t d BDS020 0 032 0 025 0 160 015 0 1 2 0 壳程流体流速及其雷诺数分别为 smu7 0 039 0 815360080000 2 3135 003 0 8157 0027 0 Re0 普兰特准数 56 51 128 0 1031020 2 Pr 33 粘度校正05 1 14 0 w mW 23155 0 3 2 62605 1 56 51 1096 3 027 0 128 0 36 0 4 6 1 2 管程对流传热系数 3 08 0 1 1 1 PrRe023 0 d 管程流通截面积 m S 22 1027 0 2 172 02 0 785 0 管程流体流速及其雷诺数分别为 007 1 027 0 715360070000 1 u 10 25 2 00064 0 715007 1 020 0 R 4 e 15 普兰特准数 9 11 133 0 1064 0 1048 2 Pr 33 mW 23 08 04 1 980 9 11 1026 2 02 0 133 0 023 0 4 6 1 3 传热系数 K 2 2 2 1 2 1 11 2 1 1 d m d R d bd d d R d d K 626 1 000172 0 0225 0 45 025 0 0025 0 020 0 025 0 000172 0 020 0 980 025 0 1 mW 2 303 4 6 1 4 传热面积 S m mtK Q S 2 6 2 66 87 116303 10 2 2 该换热器的实际传热面积 p S m 2 5 73161726025 0 14 3 cpnNLdS2 该换热器的面积裕度为 100 S SS H p 100 2 66 2 66 5 73 5 18 传热面积裕度大 符合要求15 20 该换热器能够完成生产任务 4 6 2 换热器内流体的流动阻力 4 6 2 1 管程流动阻力 pst NNFPPP 211 16 2 pN 1 s N4 1 t F 2 2 11 u d l P 2 2 2 u P 由 10 25 2 R 4 e 传热管相对粗糙度 查图 摩擦系数与雷 005 0 20 01 0 诺准数及相对粗糙度的关系得 mW030 0 1 流速 smu007 1 1 3 715mkg 所以 pap3301 2 715 007 1 02 0 6 030 0 2 1 pa u p1100 2 007 1 715 3 2 2 1 2 2 pap 103 0 4 1232424 111003301 5 1 管程流动阻力在允许范围之内 4 6 2 2 壳程阻力 stN FPPP 212 1 s N15 1 t F 流体流经管束的阻力 2 1 2 2 1 o Bc u NnFfP 4 0 F 7128 0 5135 5 228 0 2 f 16 cn 19 BN 7 02 u pap17307 2 7 0 815 16197128 04 0 2 1 17 流体流过折流板缺口的阻力 2 2 5 3 2 2 2 u D B NP B B 0 3m D 0 60m pap9484 2 7 0 815 6 0 3 02 5 319 2 2 总阻力 papap 10 3 02945315 1 948417307 5 2 壳程流动阻力也比较适宜 4 6 2 3 换热器主要结构尺寸和计算结果 表表 1 1 冷热流体物性数据表冷热流体物性数据表 物料名 称 操作压操作温度污垢系数导热系数比热流体密度粘度 柴油 0 03195 149 4 4 0 0001720 133 2 48 7150 00064 原油 0 03 30 750 0001720 1282 208150 00300 表表 2 2 工艺设备尺寸表工艺设备尺寸表 换热器 型式 换热 面积 管子规格管数管长管间距排列 方式 折流 板型 式 间 距 切口 高度 壳体内径 浮头式 式 76172600022 正方 形 上下 300150600 表表 3 3 管口表管口表 符号尺寸用途连接 aDN150 柴油入口凹凸面 18 bDN150 柴油出口凹凸面 cDN150 原油入口凹凸面 dDN150 原油出口凹凸面 5 5 参考文献参考文献 1 柴诚敬 张国亮等 化工流体流动与传热 M 北京 化学工业出版社 2 余国琮等 化工容器及设备 M 北京 化学工业出版社 1980 3 匡国柱 史启才 化工单元过程及设备课程设计 M 北京 化学工业出版社 2002 4 化工设备技术全书编委会 换热器设计 M 上海 上海科学技术出版社 1988 5 徐中全译 尾花英郎著 热交换器设计手册 M 北京 石油工业出版社 1982 6 卓震主 化工容器及设备 M 北京 中国石化出版社 1998 7 潘继红等 管壳式换热器的分析与计算 M 北京 科学出版社 1996 8 朱聘冠 换热原理及计算 M 北京 清华大学出版社 1987 9 大连理工大学 化工原理 上册 M 大连 大连理工大学出版社 1993 10 兰州石油机械研究所 换热器 上册 M 北京 中国石化出版社 1992 11 时均等 化学工程手册 第二版 上卷 M 北京 化学工业出版社 1996 6 6 附录附录 表一 流体的污垢热阻 19 表二 流体的污垢热阻 表三 换热器常用流速范围 表四 合理压降的选取 20 图五 对数平均温差校正系数 图六 对数平均温差校正系数 21 表七 流体相变对流传热系数 图八 莫狄图 22 表九 液体无相变对流传热系数 23 24 符号说明 英文字母 Cp 定压比热容 kJ kg 热容量流率比 m q d 管径 m D 换热器壳径 m f 摩擦因数 F 系数 g 重力加速度 m s2 B 挡板间距 m K 总传热系数 W m2 长度 ml L 长度 m n 管数 N 程数 p 压强 Pa q 热通量 W m2 Q 传热速率或热负荷 W r 汽化热或冷凝热 kJ kg R 热阻 m2 W S 传热面积 m2 t 流体温度 T 流体温度 u 流速 m s 希腊字母 对流传热系数 W m2 导热系数 W m2 传热系数 25 黏度 Pa s 密度 kg m3 校正系数 下标 2 管外 e 当量 1 管内 s 污垢 t 传热 m 平均 7 7 设计小结设计小结 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 列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器 这 种换热器结构较简单 操作可靠 可用各种结构材料 主要是金属材料 制造 能 在高温 高压下使用 是目前应用最广的类型 由壳体 传热管束 管板 折流 板 挡板 和管箱等部件组成 壳体多为圆筒形 内部装有管束 管束两端固定在 管板上 进行换热的冷热两种流体 一种在管内流动 称为管程流体 另一种在管 外流动 称为壳程流体 为提高管外流体的传热分系数 通常在壳体内安装若干挡 板 挡板可提高壳程流体速度 迫使流体按规定路程多次横向通过管束 增强流体 湍流程度 换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列 等边三角形排列较紧凑 管外流体湍动程度高 传热分系数大 正方形排列则管外清洗方便 适用于易结垢 的流体 26 流体每通过管束一次称为一个管程 每通过壳体一次称为一个壳程 为提高管 内流体速 度 可在两端管箱内设置隔板 将全部管子均分成若干组 这样流体 每次只通过部分管子