原油预热器的设计课程设计教材

1、 JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 课程设计成果 学院:化工与药学院 班 级 13 过控（ 2）班 学生姓名 : 黄超 学 号: 设计地点（单位） A2204 设计题目 :原油预热器的设计 完成日期： 2014 年 12 月 11 日 指导教师评语 : 成绩（五级记分制 ）: 教师签名 : 荆楚理工学院课程设计任务书 设计题目：原油预热器的设计 设计内容及要求 1. 设计内容 某炼油厂需用柴油预热原油。要求设计一台列管式换热器，完成该生产 任务。 1) 确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 2) 估算换热器的传热面积。 3) 计算换热器的主要

2、工艺结构尺寸。 4) 对换热器进行核算。 5) 绘制原油预热器工艺流程图。 6) 绘制换热器工艺条件图。 2. 设计要求： 1) 方案和流程的选择要阐明理由； 2) 设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计 算过程； 3) 设计结束后要对计算结果进行汇总； 4) 说明书要采用统一封面和 A4 纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成 册上交。 3. 设计参数 1) 两侧的阻力损失均不超过 0.3 105 Pa。 2) 所设计的列管式换热器为非标准式。 3) 柴油和原油的有关参数如下表： 物料 温度 质量流量 4 ( 104kg/h) 密度 3 (kg/m 3 ) 粘度 -3

3、( 10 Pa.s) 比热 (kJ/kg.K) 导热系数 (W/m.K) 入口 出口 原油 70 110 4.2 815 3.0 2.2 0.128 柴油 175 T2 3.3 715 0.64 2.48 0.133 4. 进度要求 1) 2014.12.8 搜集查阅资料，确定设计方案 2) 2014.12.9 完成换热器工艺计算及主要结构尺寸设计 3) 2014.12.10 换热器校核、绘图 4) 2014.12.11 编写设计说明书 5) 2014.12.11 装订、上交课程设计报告 5. 参考资料 1) 马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 .第四版. 北京：中国石化出版社，2009 2)

4、 王志魁，刘丽英，刘伟 .化工原理 .北京：化学工业出版社， 2010 3) 张洪流，张茂润 .化工单元操作设备设计 .华东理工大学出版社， 2011 4) 匡国柱，史启才 .化工单元过程及设备课程设计 .北京：化学工业出版社， 2008 5) 化工工艺设计手册(第四版)上册 .北京：化学工业出版社， 2014 6. 说明 1) 本表应在每次实施前一周有负责教师填写二分，教研室审批后交学院备 案，一份由负责教师留用。 2) 若填写内容较多可另纸附后。 指导教师：郝修丽 3) 一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。 教研室主任：郝修丽 2014年 12月 1 日 原油预热器

5、的设计 目录 1. 列管式换热器综述述 3 1.1 列管式换热器基本简介 3 1.2 列管式换热器种类介绍 3 1.2.1 管板式换热器 3 1.2.2 浮头式换热器 4 1.2.3 填料函式换热器 4 1.2.4 U 型管式换热器 5 1.3 设计规范 5 2. 设计条件及设计任务 6 3. 确定设计方案 7 3.1 选择换热器的类型 7 3.2 流动空间及流速的确定 7 4. 确定物性参数 7 5. 计算总传热系数 8 5.1 热负荷 8 5.2 平均传热温差 8 5.3 总传热系数 8 6. 计算传热面积 9 7. 工艺结构尺寸的计算 10 7.1 管径和管内流速 10 7.2 管程数和

6、传热管数 10 7.3 平均传热温差校正及壳层数 10 7.4 传热管排列和分程方法 10 7.5 壳体内经 11 7.6 折流板 11 7.7 接管 12 7.8 拉杆的确定 12 8. 换热器核算 12 8.1 热量核算 12 8.1.2 管程对流传热系数 13 8.1.3 传热系数 K14 第1 页 原油预热器的设计 8.1.4 传热面积 14 8.2 换热器的内流体的流动阻力 15 8.2.1 管程流动阻力 15 8.2.2 壳层阻力 15 8.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果 16 9. 设计评述 18 10. 工艺流程图 19 11. 工艺条件图 19 12. 布管图 20 1

7、3. 符号说明 21 致谢22 参考文献 23 第2 页 原油预热器的设计 1. 列管式换热器综述 1.1 列管式换热器基本简介 列管式换热器列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一 种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需 材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种 流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这 称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出， 这称为壳程列管式换热器。 为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的 折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫

8、使流体按 规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的折流挡板有圆 缺形和圆盘形两种，前者更为常用。列管式换热器必须从结构上考虑热膨 胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差 补偿措施。 第3 页 原油预热器的设计 1.2 列管式换热器种类介绍 1.2.1 固定管板式换热器 图 1 固定管板式换热器 列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清 洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连 接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直 于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是 两种不

9、同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨 胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱， 甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与 壳壁温度相差 50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补 偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于 60 70和壳程流体压强 不高的情况。一般壳程压强超过 0.6Mpa 时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失 去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 1.2.2 浮头式换热器 图 2 浮头式换热器 第4 页 原油预热器的设计 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接， 以使管子受热或冷却

10、时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称 之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以 拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温 差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为 结构复杂，造价高。 1.2.3 填料函式换热器 图3 填料函式换热器 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮 头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易 爆和有毒的介质。 1.2.4 U型管式换热器 图 4 U 型管式换热器 U 形管式换热器， 每根管子都弯成 U 形，两端固定在同一块管板上， 每根管子皆可自

11、由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可 以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换 第5 页 原油预热器的设计 困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压 条件。 1.3 设计规范 本换热器的设计是按照管壳式换热器 GB 151-1999标准执行，并遵照 钢质石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定。 2. 设计条件及设计任务 设计题目：原油预热器的设计 设计内容及要求 1. 设计内容 某炼油厂需用柴油预热原油。要求设计一台列管式换热器，完成该生产 任务。 1) 确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 2) 估

12、算换热器的传热面积。 3) 计算换热器的主要工艺结构尺寸。 4) 对换热器进行核算。 5) 绘制原油预热器工艺流程图。 6) 绘制换热器工艺条件图。 2. 设计要求： 1) 方案和流程的选择要阐明理由； 2) 设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计 算过程； 3) 设计结束后要对计算结果进行汇总； 4) 说明书要采用统一封面和 A4 纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成 册上交。 第6 页 原油预热器的设计 3. 设计参数 4） 两侧的阻力损失均不超过 0.3 105 Pa。 所设计的列管式换热器为非标准式。 5）柴油和原油的有关参数如下表： 物料 温度 质量流量 4

13、( 104kg/h) 密度 3 (kg/m 3 ) 粘度 -3 ( 10-3Pa.s) 比热 (kJ/kg.K) 导热系数 （W/m.K） 入口 出口 原油 70 110 4.2 815 3.0 2.2 0.128 柴油 175 T2 3.3 715 0.64 2.48 0.133 3. 确定设计方案 3.1 选择换热器的类型 Q1 Q2 且 Q1 qm1c p1 (T1 T2 ) 2 qm2cp2(t2 t1 ) 42000 2.2 (110 70) 3696000kJ/h 1026.7kw Q2 qm1c p1 3696000 175 33000 2.48 129.8 C （公式来自王志魁

14、，刘丽英，刘伟 .化工原理 P142 4-36） 两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度 175，出口温度 129.8； 冷流体（原油）进口温度 70，出口温度 110。该换热器用柴油预热原 油，原油容易结垢，且换热器的管壁温度和壳体壁温度之差较大，同时为 第7 页 原油预热器的设计 了便于拆卸清理，因此确定选用浮头式换热器 3.2 流动空间及流速的确定 由于原油的容易结垢，且粘度大，在装有者流挡板的壳层中流动有利 于提高湍流，增大传热系数，柴油温度高，且为了减少热损失和充分利用 柴油的热量，以及清洗方便，流程采用柴油走管程，原油走壳程。 选用 25 2.5mm的无缝碳钢管，管内流速初步取

15、 u1=1.0m/s 。 4. 确定物性参数 已知定性温度下，原油、柴油的物性参数如下： 原油： 密度 粘度 比热 导热 系 数 柴油： 密度 粘度 比热 导热 系 数 5. 计算总传热系数 5.1 热负荷 2 815 kg/m 2 3.0 10 Pa s c p2 2 .2 kJ/kg k 2 0.128 w/m k 3 1 715 kg/m 3 1 0.64 10 3 Pa s c p1 2.48 kJ/kg k 1 0.133 w / mk Q2 qm2cp2(t2 t1) 42000 2.2 (110 70) 36 9 6 0 0h0 k1J0/2 6 .7 k 公式来自王志魁，刘丽英

16、，刘伟 .化工原理 P142 4-35) 5.2平均传热温差 第8 页 原油预热器的设计 t t1 t2 ln tt12 175 110）（129.8 70） 62.3 C 175 110 62.3 C ln 129.8 70 公式来自王志魁，刘丽英，刘伟 .化工原理 P144 4-40) 5.3 总传热系数 管程传热系数： Re d1u1 1 0.02 1.0 715 6.4 10 4 2.23 104 公式来自王志魁，刘丽英， 刘伟 .化工原理 P28) 1 0.023 1 1d1 d1u1 1 1 0.8 0.4 cp 1 0.023 0.133 2.23 104 0.020 0.8 2

17、.48 10 3 6.4 10 4 0.133 0.4 970W / m2 公式来自王志魁，刘丽英，刘伟 .化工原理 P132 4-19） 2 540W / m 2 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 污垢热阻 42 Rd1 Rd2 3.44 10 4 m2 /W 管壁的导热系数45W / m 第9 页 原油预热器的设计 0.025 970 0.020 3.44 10 4 0.025 0.0025 0.025 0.020 45 0.0225 3.44 10 4 1 540 K d2d2bd21 2Rd1 22Rd2 dm 1d1d1 d1dmd22 251.5W / m2 （本公式来自马江权，冷

18、一欣 .化工原理课程设计 P64 2-14） 6. 计算传热面积 3 S Q K tm 1026.7 1032 65.5m2 251.5 62.3 本公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P62 2-5） 考虑 15%的面积裕度 S=S 1.15=65.5 1.15=75.36m 7. 工艺结构尺寸的计算 7.1 管径和管内流速 选用 25mm2.5mm传热管 （碳钢）, 取管内流速 u1=1.0m/s 。 7.2 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 ns V 33000/(715 3600) 40.8 41根 2 0.785 0.022 1.0 d1 u 41 本公

19、式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P71） 按单程管计算，所需的传热管长度为 23.4m L S 75 .36 d 2ns 3.14 0.025 41 本公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P71） 第 10 页 原油预热器的设计 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=6m， 则该换热器管程数位NP L 23.4 3.9 4 管程 P l 6 传热管总根数 N=41 4=164 根 7.3 平均传热温差校正及壳层数 平均传热温差校正系数： 175 129.8 110 70 1.13 110 70 175 70 0.38 按单壳程 , 4 管程结构 ,温

20、差校正系数应查附图对数平均温差校正系 数t 可得： t =0.92 符合 t 0.8 的要求 平均传热温差 tmt tm 0.92 62.3 57.316 7.4 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 a 1.25d2 , 则 a 1.25 25 31.25 32mm 横过管束中心线的管数 nc 1.19 N 1.19 164 1（5 根） c 本公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P59 2-3） 第 11 页 原油预热器的设计 7.5 壳体内经 采用多管程结构，取管板利用率0.6 ，则壳体内径为： D 1.05a 1

21、.05 32 164 0.6 555 .5 本公式来自马 江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P59 2-3） 圆整可取 D=600mm 7.6 折流板 采用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 =0.25 600=150mm 取折流板间距 B 0.5D ， 则B=300 可取B为300mm。 折流板数 N B 折传流热板管间长距1 6000 1 19（块） B 折流板间距 300 折流板圆缺面水平装配。 7.7 拉杆的确定 本换热器传热管外径为 25mm，拉杆数量与直径查化工单元操作设备 设计张洪流版表 2-9 、2-10, 其拉杆直径为 16mm，共有 4根拉杆。

22、7.8 接管 壳程流体进、 出口接管 : 取接管内流速为 u 0.8m / s ，则接管内径为 4V 4 42000 3600 8150.15（1 m） 3.14 0.8 取标准管径为 159mm4.5mm。 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u 1.0m / s，则接管内径 第 12 页 原油预热器的设计 本公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P65 表2-7) d 4 33000 /( 3600 715 ) 0.128 3.14 1.0 取标准管径为 140mm4.5mm。 8. 换热器核算 8.1 热量核算 8.1.1 壳层对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式： 0

23、.55 1/30.14 de 2 0.36 Re00.55 Pr1/3()0.14 当量直径，由正三角形排列得： de 4( 23a2 4 d22) 4( 23 0.032 2 4 0.0252) 0.02m d2 3.14 0.025 壳程流通截面积： S2 BD(1 da2 ) 0.2 0.(61 00.003225) 0.02625 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 42000(/ 3600 815) u20.55 2 0.02625 Re2 deu2 2 2 0.02 0.55 815 0.003 2988 公式来自王志魁，刘丽英，刘伟 .化工原理 P131) 普兰特准数： 第 13 页

24、 Pr Cp2 2 原油预热器的设计 公式来自王志魁， 刘丽英， 粘度校正 0.14 2.2 103 3 10 3 51.6 刘伟 1.05 0.128 .化工原理 P131) 2 0.36 0.128 29880.55 2 0.02 2 管程流通截面积 S1 0.785 0.022 164 0.0129 4 51.61/ 3 1.05 734.5W / m2 8.1.2 管程对流传热系数 1 0.023d1 Re0.8 Pr0.3 本公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P65 表2-7) 管程流体流速： 33000/(3600 715) 0.994 0.0129 0.020 0.99

25、4 715 22201 普朗特准数 Pr 0.00064 2.48 103 0.64 10 3 11.9 0.133 1 0.023 0.133 22201 0.8 11.90.3 0.02 1047 .5W / m2 8.1.3 传热系数 K Rd21 1d1 1 d2 R d2 bd2 d1 d1dm 第 14 页 原油预热器的设计 1 734.5 1 0.025 4 0.025 0.0025 0.025 4 3.44 10 3.44 10 1047.5 0.020 0.020 45 0.0225 295W / m2 8.1.4 传热面积 Q K tm 1026 .7 103 295 57

26、.316 60.7m2 该换热器的实际传热面积 S p ： Sp d2L N nc 3.14 0.025 6 0.06 164 15 69.5(m2 ) 该换热器的面积裕度为： SP S S 69.5 60.7 60.7 14.5% 传热面积裕度够大，该换热器能够完成生产任务 8.2 换热器的内流体的流动阻力 8.2.1 管程流动阻力 以下公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P67) P1P1P2 Ft NsN p Ns 1 , Np 4 , Ft 1.4 P11 l u2P2u2 1 1 d 2 , 2 由 Re 22201 ，传热管相对粗糙度 0.01/20=0.005 查图摩擦系

27、数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得 1 0.034W /m 第 15 页 原油预热器的设计 3 流速 u1 0.994m / s ， 715kg / m ，所以： 2 6 715 0.9942 P1 0.034 3602.9Pa 1 0.02 22 u2715 0.9942 P23 1059 .7 Pa 2 P1P1 P2 FtNsN p 3602.9 1059.7 1.4 4 26110.56Pa 3.0 104 Pa 管程流动阻力在允许范围之内。 8.2.2 壳层阻力 （以下公式来自马江权，冷一欣 .化工原理课程设计 P67） P2 P1 P2 Ft Ns N s 1Ft 1.15 流体流经

28、管束的阻力 F 0.5 f2 5 2988 0.228 0.806 nc 15 N B 19 ， u2 0.55 P1 0.5 0.806 15 19 1 815 0.552 2 14903.2Pa 流体流过折流板缺口的阻力 P2 N B 3.5 2B u22 D2 B 0.2m, D 0.6m P2 19 6635.97Pa 3.5 2 0.2 815 0.552 0.6 2 第 16 页 原油预热器的设计 总阻力P2 (14903.2 6635.97) 1.15 1 24770Pa 0.3 105Pa 壳程流动阻力也比较适宜。 8.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和

29、计算结果见表 1 表1 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器形式 :浮头式换热器 换热面积 / 69.5 工艺参数 名称 管程 壳程 物料名称 柴油 原油 阻力损失 /Pa 26110.56 24770 操作温度 / 175/129.8 70/110 流量/(kg/h) 33103 42103 进、出口接管内径 140mm4.5mm 159mm4.5mm 流体密度 /(kg/m3) 715 815 流速/(m/s) 0.994 0.55 传热量 /kw 1026.7 总传热系数 /(w/ ) 295 传热系数 /(w/ ) 1047.5 734.5 第 17 页 原油预热器的设计 污垢系数 /

30、( /w) 0.000344 0.000344 程数 4 1 推荐使用材料 碳钢 碳钢 壳体内径 /mm 600 管子规格 252.5mm 管数 164 管长 6000mm 管间距 /mm 32 排列方式 正三角形 折流板形式 上下 间距 /mm 300 折流板数目 19 切去圆缺高度 /mm 150 拉杆直径 /mm 16 拉杆数目 4 10. 设计评述 一个星期的课程设计结束了，这次设计的是原油预热器，虽然时间不 长，但是我收获颇多。 这次课程设计，我是一步一步往下算的，弄懂每一步的步骤，搞清楚 为什么要这么做。课程设计的这几天，我为了完成好课程设计，每天不是 在电脑上查资料，就是去图书馆查资料，在换热器核算的时候，算了两次 都不合格，我得从头开始一步一步的往下计算，检查哪里有错误，虽然很 麻烦，但是当算正确的时候，心里也是感到蛮开心的。这次设计一个换热 器，虽说不全是我自己弄的，前面的综述有些是在网上摘抄的，但是后面 的，都是我自己一个公式一个字的敲出来的，每计算一步，我都要验算一 下，怕自己因为失误而计算错了， 包括画表格， 在电脑上用 cad画工艺条件 图和布管图。通过此次设计，了解了很多关于换热器的知识，如换热器的 选型，换热器结构和尺寸的确定，以及计算换热器的传热面积和流体阻力 第 18 页 原油预热器的设计 等等。最最重要的是我深刻认知做设计