设计任务——原油加热器 (2)

1、 化工原理课程设计齐 齐 哈 尔 大 学化工原理课程设计题 目 原油加热器的设计 学 院 食品与生物工程学院 专业班级 食工101班 学生姓名 余跃 指导教师 吕君 成 绩 2013年 6 月 24 日 化工原理课程设计 摘 要原油加热器是一种对燃料油预先加热或二次加热的节能设备，它安装在燃烧设备之前，实现对燃料油在燃烧前的加温，使其在高温（70-110）下达到降低燃料油的粘稠度，促进充分雾化燃烧等作用，最终达到节约能源的目的。该设计为年产396000吨原油的车间精制工段的初步设计，它广泛应用于重油，沥青，清油等燃料油的预先加热或二次加热的场合。技术性能与特点：功率大，体积小，升温快，且采用智

2、能控制模式，控温精度高，可与计算机联网。应用范围广，寿命长，可靠性高。根据以往的生产资料作为车间设计的经验数据，并进行了大量的计算，其中包括物料衡算、热量衡算、设备计算及设备选型，从而确定了设备的具体型号。并用AutoCAD绘制车间平立面布置图、主要设备装配图及手绘带控制点的工艺流程图。关键词：原油加热器；初步设计；高温；节能 Abstract Crude oil heater is a kind of pre heating or two heating fuel oil on energy saving equipment, which is installed in the combus

3、tion equipment, implementation of fuel oil in heating before combustion, the high temperature (70 -110 ) in order to reduce the fuel oil viscosity, promote full atomization effect, achieve finally saving the purpose of energy. The preliminary design for the workshop with an annual output of 396000 t

4、ons of crude oil refining process, it is widely used in heavy oil, bitumen, pre heating oil and fuel oil or two heating occasions. Technical features: high power, small volume, fast heating, and the use of intelligent control mode, high precision of temperature control, and computer network. Wide ap

5、plication range, long service life, high reliability. According to the previous production data as empirical data in design of the workshop, and a lot of computation, including material balance, heat balance, equipment calculation and equipment selection, to determine the specific types of equipment

6、. And draw the workshop layout and facade, major equipment assembly drawings and drawing process flow chart with control points by AutoCAD.Keywords: Crude oil heater；preliminary design；high temperature；energy conservation 目 录摘 要IAbstractII第1章总论11.1概述11.2设计条件21.3确定主要物性数据21.4确定设计方案31.4.1 选择换热器的类型31.4.

7、2 流程安排3第2章 工艺设计与计算32.1平均传热温差计算32.2传热面积估算42.3 工程结构尺寸42.3.1 管径和管内流速42.3.2管程数和传热管数42.3.3平均传热温差校正及壳程数42.3.4传热管的排列和分程方法52.3.5 壳体内径52.3.6 折流板62.3.7 其他附件62.4换热器核算62.4.1 壳程表面对流传热系数62.4.2管程表面对流传热系数72.4.3 污垢热阻和管壁热阻82.4.4 总传热系数K82.4.5 传热面积裕度82.5壁温核算92.6 换热器内流体的流动阻力(压降)92.6.1管程流动阻力92.6.2壳程流动阻力10第3章 设备参考数计算113.1

8、壳体113.1.1壳内直径113.1.2壳体壁厚113.1.3壳体质量113.2管板123.2.1管板参数123.2.2管子在管板上的固定方式123.3拉杆123.4分程隔板133.5折流板133.6封头及管箱133.6.1 封头133.6.2 管箱133.6.3筒体法兰及管箱法兰143.7接管及其法兰143.8排气排液管143.9浮头153.10支座设计153.10.1 支座的设计选型153.10.2 支座承载能力校核15附录17附录1换热器的质量统计于下表17附录2 设计计算结果汇总表18结束语20参考文献21致谢22 IV 第1章总论1.1概述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器

9、，简称为换热器，在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位，随着我国工业的不断发展，对能源的利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。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，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求：首先，合理地实现所规定的工艺条件：传热量、流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学

10、和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，再单位时间内传递尽可能多的热量。其次，安全可靠：换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制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等有关规定与标准。再次，有利于安装、操作与维修：设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。最后，经济合理：评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。1.2设计条件原油处理量：5

11、0t/h；柴油处理量：35t/h。操作条件：1、温度：原油入口温度70，出口温度110； 柴油入口温度175； 2、两侧污垢阻力均为 0.00025（m2·）/W； 3、两侧压降不可大于0.3 at； 4、换热器热损失为3%Q； 5、K预选为250W/(m2·)； 6、每年工作330天，每天工作24小时。 表1 由设计任务书可得设计条件如下数参类型 质量流量（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）35000175 -1.11.2原油（管外）5000070110 0.30.4注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，必须

12、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。1.3确定主要物性数据热流量为：Qc = Wc Cpc(T1T2) ×1.03 =50000×2.2×（11070）×1.03=4.532×106kJ/h = 1.26×106 W 柴油出口温度：Qh = Qc = Wh Cph (t1t2) 4.532×106=35000×2.48×（175t2） t2=123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 表2 由上面两个定性温度数据，查阅参考书可得原油

13、和柴油的物理性质如下 参数类型密度（kg/ m3）定压比热容CpkJ/(kg·)导热系数（W/(m·)）粘度（Pa·s）柴油7152.480.1330.64×103原油8152.20.1283.0×1031.4确定设计方案1.4.1 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，所以采用Fe系列的浮头式列管换热器为宜。 采用折流挡板，可使作为被加热的原油易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。1.4.2 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

14、数。 第2章 工艺设计与计算2.1平均传热温差计算t1/t22，可用算术平均温度差代替对数平均温度差，其误差不大。 (0,1atm)=592.2传热面积估算由上述计算可知传热器的热负荷,计算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 W·m-2·-1则估算的传热面积为 2.3 工程结构尺寸2.3.1 管径和管内流速选用25×2.5mm的传热管(碳钢管)；由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。2.3.2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按单程管计算，所需的传热

15、管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l= 6 m ，则该换热器管程数为Np=L / l=24.83/64（管程）传热管总根数 N = 44×4= 176 （根）。单根传热管质量m=钢l/4(do2-di22)7850×6×3.14/4(0.0252-0.022)=8.323kg2.3.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R1.3P0.3 温度校正系数为 平均传热差校正为tm=×tm =59×0.89=52.51( )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。 2.3.4传热

16、管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正四边形排列，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，取管间距：t 1.25d=1.25x25=32 mm 。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。2.3.5 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，得壳体内径为Di =1.05×32×=532.78 mm , 取Di =600mm。2.3.6 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=0.25&

17、#215;600=150 mm ，故可取h=150 mm。取折流板间距B=0.6Di，则B=0.6×600=360 mm。则：折流板数 NB1=15.616 块折流板圆缺面水平装配。2.3.7 其他附件 直径为12mm的拉杆4根。 (1)壳程流体进出口接管 取接管内液体流速0.5m/s, 圆整后取管内直径为250mm. (2) 管程流体进出口接管 取接管内液体流速1m/s,圆整后取管内直径为150mm2.4换热器核算2.4.1 壳程表面对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式得 其中：粘度校正为当量直径，管子为四边形角形排列时，de0.027 m壳程流通截面积So = BD(1

18、)=0.36×0.6×（1）0.047 m2壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo 0.36 m/sReo2639.92普朗特准数Pr 51.56因此，壳程水的传热膜系数ho为o =456 W/(m2·)2.4.2管程表面对流传热系数 由公式 其中：管程流通截面积Si =di2/4·Nt/2=0.0276 管程空气的流速及其雷诺数分别为ui0.49 m/sRe10990.03普兰特准数Pr 11.93因此，管程空气的传热膜系数hi为i =0.023×10990.030.8×11.930.4704.8 W/(m2·)2.4.3

19、污垢热阻和管壁热阻l 两侧污垢阻力均为 0.00025（m2·）/W；l 碳钢的导热系数45.3W·m-1·-12.4.4 总传热系数K由公式得Rso 0.00025解得：323.19 W/ (m2·)2.4.5 传热面积裕度查资料由公式有：/()74.7该换热器的实际传热面积Sp3.14×0.025×6×176=82.9该换热器的面积裕度为2.5壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，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，

20、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。于是有式中，液体的平均温度tm和气体的平均温度Tm分别计算得tm=0.4×175+0.6×122.79=143.67Tm=0.4×70+0.6×110=94c = o = 456W/ (m2·)h = i = 704.8W/ (m2·)传热管平均壁温124.16 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=124.1690 =34.16 2.6 换热器内流体的流动阻力(压降)2.6.1管程流动阻力由，传热管相对粗超度为0.01，查

21、莫狄图得，流速u=0.49m/s, 其中：Ft为结垢校正系数，量纲为1，对25mm×2.5mm的管子，取1.4； Ns为串联壳程数，取1； Np为管程数，取4。 总压降：pi （p1+p2）Ft Ns Np（908.13+257.5）×1.4×1×46538.5432Pa <29421Pa(0.3at)（符合设计要求）2.6.2壳程流动阻力流体横过管束的压降： 其中：F管子排列方法对压强降的校正因数，正方形旋转45o排列时F=0.4； Reo >500时,fo=5.0Reo-0.228 ；fo=5.0×2639.9155-0.228

22、=0.8296NB=16；uo=0.3599 m/sp1=0.4×0.8296×15.78×(16+1)×(815×0.35992)/2 176527.155 Pap2NB（16×（3.5）×(815×0.35992)/21942.402Pa总压降：po（p1p2）Fs Ns（176527.1551942.402）×1.15×122504.99Pa 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1。 第3章 设备参考数计算3.1壳体3.1.1壳内直径根据前面的工艺计

23、算，本次设计采用的换热器壳体内径Di600 mm。本次采用公称直径为DN600mm×8mm的壳体，则Do616mm，Di=600mm。3.1.2壳体壁厚 其中钢密度7850kg·m3由Po0.6 MPa， Di600mm,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. 碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t=113MPa ，s235MPa+3.55.96 (mm)圆整后取8mm 3.1.3壳体质量 壳体长度=6m 质量=7850×6×3.14×（0.61620.6002）/4 =719.36kg 注：个别数据

24、来源于后续步骤。3.2管板3.2.1管板参数根据壳体内径尺寸，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=0.00717×785046.39kg3.2.2管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子,管子伸出长度约为5mm。3.3拉杆本换热器壳体内径为600mm拉杆螺纹公称直径：16mm拉杆长：L1=5.840m L2=5.480m前螺

25、纹长La=20mm 后螺纹长Lb=60mm拉杆数：4根拉杆质量：m=7850×（2×6.840+2×6.480）×3.14×0.0162/4=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×（2×6.65+2×6.3）×3.14×(0.02520.022)/4=35.4 kg3.4分程隔板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150+40+400+5-10=5

26、85mm，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：0.6000×0.585×0.010×7850×2=55.1kg浮头分成隔板质量以半圆板粗略估算：3.14×0.5×0.190×0.010×7850=23.4kg隔板总质量 m=55.1+23.4=78.51kg3.5折流板前面已算出：折流板数 NB=16 块圆缺高度 h150 mm板间距 B360mm折流板直径 Da(6003.50.5)mm=596mm折流板厚度 C5 mm。折流板

27、的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=25+0.4=25.4mm折流板质量：m=16×0.000418×7850=52.50 kg3.6封头及管箱3.6.1 封头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。3.6.2 管箱管箱长L=400mm，管箱内径=600mm（按非标准设计），壁厚=8mm管箱质量：m=3.14×0.600×0.400×0.008×7850=47.32

28、kg。3.6.3筒体法兰及管箱法兰 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M20×90mm，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。3.7接管及其法兰接管直径公式，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0.208 m取标准管径为 250 mm取管的内径250mm

29、，管厚6mm，伸出高度150mm。接管质量=3.14×0.25×0.004×0.15×7850=3.69kg原油进口采用凸法兰，原油出口采用凹法兰，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=815×0.52=203.7<2200 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= 0.132m取标准管径为 150 mm取管

30、的外径159mm，管厚4.5mm ，伸出高度150mm。接管质量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg柴油进口采用凹法兰，柴油出口采用凸法兰，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。3.8排气排液管取排气液管：外径45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。质量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。选用螺塞

31、M27×2。3.9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3.10支座设计3.10.1 支座的设计选型查资料可得，当公称直径600mm时，b1=180mm , L=550mm , B=120mm， b=90mm，m=220mm，质量=26.3kg，A0.2×6=1.2m，支座间距60002×52×1400=3190mm。3.10.2 支座承载能力校核 换热器的质量统计详见附录1（1）传热管和拉杆所占的体积粗略为： V23.14×（0.025/2）2×6×170=0.500m3 壳体体积为： V

32、13.14×（0.600/2）2×6.001.6956m3 忽略隔板体积，原油充满整个换热器时的总重为： 1862.87+（1.6956-0.500）×815.02837.28kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（2）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=0.21×9.3901.9719(m)，此时=0.025×2000×9.81×9.390=4605.79Nm抗弯截面模量：0.00229=4

33、605.79/0.00229=2.011MPa<t=133MPa故此壳体适用。 附录附录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）719.36719.362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1764.42777.9213拉杆2/29.24 / 8.7836.0414折流板162.4839.6815管

34、箱123.0723.0716管箱法兰117.8017.8017浮头132.5132.51换热器总重量/kg1862.87附录2 设计计算结果汇总表工艺参数管程壳程质量流量/(kg/h)3500050000进/出口温度/175/123110/70操作压力/MPa1.10.3 物性参数定性温度/14990密度/(kg/m3)715815定压比热熔/kJ/(kg·K)2.482.2粘度/(Pa·s)0.64×10-33.0×10-3热导率/W/(m·K)0.1330.128工艺主要计算结果流速/(m/s)0.4920.360污垢热阻/m2·

35、K/ W0.000250.00025阻力（压降）/MPa6538.5422504.99对流传热系数/W/(m2·K)704.8456.0总传热系数 /W/(m2·K)323.188 平均传热温差/34.16热流量/kW1259 传热面积裕度/%11.03 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/m282.938管 径/mm25×2.5折流板型式上下 管 数/根176折流板数/个16管 长/mm6000折流板间距/mm360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壳程接管150×6 壳程接管法兰 dH265mm管程接管250×6 管程接管法兰dH=340mm备备注 设备