【《原油-减压渣油换热器的结构设计计算案例》5300字】

原油-减压渣油换热器的结构设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u27531原油-减压渣油换热器的结构设计计算案例 1132461.1换热器工艺计算 2135871.1.1设计条件 2153511.1.2确定换热器的类型 2318851.1.3确定物性数据 264541.1.4工艺计算 3198201.1.5工艺结构 4250651.1.6换热器核算 5250931.2换热管设计 9302501.2.1换热管的选用 9216891.2.2管长、管数的确定 1078741.2.3传热面积校核 10111251.2.4换热管的排列 10125811.2.5管心距 1061891.2.6管程 11185581.3换热器主体设计 12241271.1.1壳体 12256121.1.2封头管箱设计 1330441.1.3支座的选择 13320841.1.4外头盖的设计 14286851.1.5进出接管设计 16319901.1.6管板设计 17144431.1.7折流板、拉杆、定距管的选用设计 18274371.1.8附件 221.1换热器工艺计算1.1.1设计条件工艺条件参数见表3-1。表3-1已知换热器参数原油质量流量：1.1.2确定换热器的类型考虑到传统的弓形折流板形式容易形成换热死区，从而造成传热面积未充分利用及换热管外壁严重结垢，致使换热性能大大降低，而螺旋折流板换热器具有消除壳侧流动死区、降低泵功消耗、提高单位压降换热系数、抑制壳侧结垢、减小管束跨度和抑制管束振动等优点，故选择螺旋折流板换热器。1.1.3确定物性数据定性温度计算：管程原油的定性温度为壳程减压渣油的定性温度为式中：Ti——冷流体的进口温度，℃； T0——冷流体的出口温度，℃；ti——热流体的进口温度，℃； t0——冷流体的出口温度，℃。根据定性温度，查阅资料得壳程和管程流体的有关物性数据见表3-2:表3-2物性数据密度（kg/m3）粘度(Pas)定压比热容kJ/(kgC)导热系数W/(mC)原油8151.010-32.200.128减压渣油9826.010-42.510.111.1.4工艺计算（1）热负荷（3-1）式中：cp1——原油的定压比热容，kJ/（kgC） W1——原油质量流量，kg/hT1——原油温差，C假设换热过程无相变，管程和壳程热交换量相等， （3-2）式中：——减压渣油的定压比热容，kJ/(kgC)——减压渣油质量流量，kg/h——减压渣油温差，（2）对数平均温差（3-3）（3）总传热系数K初选传热系数 （4）传热面积（3-4）考虑20%的面积裕度，1.1.5工艺结构（1）管径和管内流速选取无缝钢管，取管程原油流速（最大1.8m/s）（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：（3-5）按单程管计算，所需的传热管长度为：（3-6）按单程设计，传热管过长，宜采用多程管结构，现取传热管长，则换热器管程程数为 传热管总管数：（3）平均传热温差及壳程数平均传热温差校正系数： 按单壳程、两管程结构，温差校正系数查表3-3得，表3-3温差校正系数平均传热温差：1.1.6换热器核算（1）传热系数=1\*GB3①壳程对流传热系数：（3-7）当量直径由转角正方形排列得：（3-8）壳程流通截面积： （3-9）壳程流体流速、雷诺数及普兰德数： （3-10） （3-11）壳程对流传热系数：=2\*GB3②管程对流传热系数： （3-12）管程流通截面积： （3-13）管程流体流速、雷诺数及普兰德数： 管程对流传热系数： 无缝钢管导热系数：管程污垢热阻：壳程污垢热阻：（2）总传热系数K（3-14）（3）传热面积 （3-15）换热器实际传热面积： （3-16）面积裕度为： （3-17）传热面积裕度合适，能够满足设计要求。换热器内流动阻力管壳式换热器允许的压力降范围见表4-4。=1\*GB3①管程流动阻力： （3-18）式中：pL——流体流过直管因摩擦阻力引起的压力降，Pa；pr——流体流经回弯管中因摩擦阻力引起的压力降，Pa；pn——流体流经管箱进出口的压力降，Pa；Ft——结构校正系数，无因次，对192mm的管子，取1.5；Np——管程数，为2；Ns——壳程数，为1；（3-19）（3-20）（3-21）式中：v1——管内流速，m/s；di——管内径，m；l——管长，m；i——摩擦系数，无量纲，由，得又，，则：管程流动阻力在允许范围之内。表3-4管壳式换热器允许的压力降范围换热器的操作压力,MPa允许的压力降，MPap<0.1(绝对)p=0.1pp=00.1(表压)p=0.5pp>0.1(表压)p<0.05=2\*GB3②壳程流动阻力： （3-22）式中：p1——流体横过管束的压力降，Pa；p2——流体通过折流板缺口的压力降，Pa；Fs——壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取1.15；（3-23）（3-24）式中：F——管子排列方法对压力降的修正系数，对正方形排列，取0.4；f0——壳程流体摩擦系数，；nc——横过管束中心线的管子数，对正方形排列，；v0——按壳程流通截面积计算的流速，m/s； 已知，；，，则：壳程流动阻力在允许范围之内。1.2换热管设计1.2.1换热管的选用换热管按GB/T8163-2018《输送流体用无缝钢管》的规定选择。对设计条件进行综合考虑，根据目前国内常用的换热管规格，选择00Cr19Ni10，管子规格为19×2。1.2.2管长、管数的确定设计管程为2管程，管长为6000mm，管数为1450根。1.2.3传热面积校核设计要求的传热面积为500m2。实际传热面积：，满足设计要求。1.2.4换热管的排列传热管在管板上的排列有五种基本形式，有正方形、转角正方形、正三角形、转角正三角形以及同心圆排列。如下图3-1所示。图3-1管子排列方式由于介质减压渣油具有粘稠、流动性差等特点，正三角形和转角正三角形排列不利于清洗，正方形和转角正方形排列，管间间隔大，更适用于要经常清洗管子外表面上污垢的换热器，本设计选择转角正方形形排列。1.2.5管心距根据《换热器设计手册》，当管子外径为19mm时，管心距可取25mm，因此本设计取的管心距为25mm。管子的排列方式及几何尺寸如图3-2所示。图3-2管子排列方式1.2.6管程（1）管束分程方式本次设计采用两管程，必须在管箱中安装分程隔板。分程要求为各管程内管子数目相等，分程隔板形式简单，密封长度短。管束分程方法有平行和T形方式。换热器常用的程数及前后管箱隔板形式和介质的流通顺序如图4-3所示。采用多管程可以使流体在管内依次往复流过多次，增加管内流体的流速，从而提高传热系数，强化传热。所以本设计根据设计要求选用两管程平行的分程方式。（2）分程隔板查GB/T151-2014《热交换器》，选择分程隔板厚度δ=12mm；且其材料应与管箱材料一样，所以隔板材料为Q235B，其中槽宽为12mm，槽深为4mm。图3-3隔板及流通顺序图1.3换热器主体设计1.1.1壳体(1)计算压力pc的确定因为忽略了液柱静压，所以取设计压力作为计算压力，即。(2)确定焊缝系数由于该换热器是易燃易爆、无毒介质的中压容器，所以该换热器为类压力容器，故焊接接头形式为双面焊对接接头的局部无损检测，取φ=0.85。(3)初步选择材料由于考虑到介质的腐蚀性和易燃性，根据工作温度选择耐高温、耐腐蚀的材料Q345R。(4)壳体内径换热器壳体内径由传热管数、管心距和传热管的排列方式决定。对于多管程换热器，壳体的内径还与管程数有关。可用公式(4-1)计算： (3-25)式中：D——换热器壳体内径，mm；T——管心距，mm；N——排列管数；η——管板利用率，对于转角正方形排列，η=0.60.8。圆整取。1.1.2封头管箱设计（1）管箱封头的选用封头选用标准椭圆封头，EHA1200×16，材料Q345R。（2）封头管箱结构管箱法兰采用的是带颈对焊法兰，取法兰颈部大小端的平均值为管箱的名义壁厚，即16mm。管箱的总长度L1：1366mm；管箱的直段长度L2：1025mm；管箱内径Di：1200mm；管箱外径D0：1309mm。（3）封头管箱垫片选用管箱垫片型号为：G21-1200-2.5-4，具体结构见图3-4。图3-4管箱垫片结构图其中D=1308mm，d=1254mm。1.1.3支座的选择卧式容器一般选用支座类型为鞍式支座。鞍座分为两种型式，一种为固定式鞍座，另外一种为活动式鞍座。设备一般均用两个鞍座来支撑，并且选用一个固定鞍座和一个滑动鞍座。这是因为如果温度发生了变化，设备会产生热胀或者冷缩的现象，这必须要求设备在运行过程中拥有自由伸缩的能力，否则在器壁与支座连接处中将产生过大的热应力。根据NB/T47065.1-2018《容器支座第1部分：鞍式支座》，如果设备的直径范围为DN159-4000，则可以选用鞍式支座。其中相同的公称直径又分轻、重两种结构型式，它们有不同的承载能力。轻型承重小，可以承载一般容器；重型承重大，可以承载换热器等，介质比重较大或长径比较大的设备。综上所述，本设计固定式支座采用120包角重型带垫板的BI型鞍式支座，活动式支座采用150包角重型带垫板的B型鞍式支座，其公称直径为1200mm，材料与筒体相同，为Q345R；查表得支座间距为3800mm，结构见图3-5、图3-6。图3-5BI型鞍式支座结构图3-6B型鞍式支座结构1.1.4外头盖的设计（1）结构尺寸计算本设计选择的是B型钩圈式浮头，其结构图见图3-7。图3-7钩圈式浮头  a——取决于管束和壳体的伸缩量；b、b1、b2、bn——按GB/T151-2014 6.1.1.3的规定，其结构尺寸如图3-8，b=5mm，b1=5mm，b2=14.5mm，bn=13mm；图3-8结构尺寸c——装配及拧紧浮头螺母所需空间尺寸，应考虑在各种情况下的热膨胀量，不应小于60mm，取c=80mm；Dfi——浮头法兰和钩圈的内径Dfi=Di-2(b1+b2)+3=1200-2×(5＋14.5)+3=1164mm；Df0——浮头法兰和钩圈的外径Df0=Dw-20=1300-20=1280mm；DL——布管限定圆直径DL=Di-2(b1+b2+b)=1200-2×(5+14.5+5)=1151mm；D——外头盖内直径Di+100=1200+100=1300mm；D0——浮动管板外直径D0=Di-2b1=1200-2×5=1190mm。（2）外头盖封头封头选用标准椭圆封头，EHA1300×16，材料为Q345R。（3）外头盖法兰根据NB/T47023-2012《长颈对焊法兰》，浮头盖公称直径为1300mm，选取与筒体相连接的浮头盖法兰型号为法兰FM1300-2.5，材料为16MnII。（4）外头盖垫片选用管箱垫片型号为：M21-1200-2.51.1.5进出接管设计在换热器的壳体和管箱上要有进出接管。大多数管箱都装有排液管和排气管。所以本设计的换热器有管程介质进出口、壳程介质进出口、放空口。（1）管程流体进出口接管取接管内原油流速，由公式（3-26）得接管内径为：（3-26）根据标准GB17395-2008《无缝钢管》，初步选用外径为356的热轧无缝钢管，钢管厚度为11mm。（2）壳程流体进出口接管取接管内减压渣油流速，由公式（3-27）得接管内径为：（3-27）根据标准GB17395-2008《无缝钢管》，初步选用外径为219的热轧无缝钢管，钢管厚度为8mm。（3）接管法兰：根据HG20592钢制管法兰的选用方法，选用法兰型号为WN350-5.0RF、WN200-5.0RF。接管外伸长度：接管外身长度也称接管伸出长度，是指管法兰面到壳体外壁的距离。依据《换热器设计手册》，可确定管箱接管长度L=250mm、壳体接管长度L=200mm。（3）排气管和排液管的设计为提高传热效率，排除或回收工作残液（气）及凝液，凡不能借助其他接管排气或排液的换热器，应在其壳程和管程的最高、最低点，分别设置排气、排液接管，其结构和尺寸如图3-9所示。图3-9排气（液）管排液口直径为40mm，排气管直径为25mm。设置的位置分别在壳体的上部分和底部。1.1.6管板设计（1）初选材料根据介质要求及应用场合，管板采用锻件16MnII。（2）初选形式本设计所用管板有两种，一种是固定管板，在封头管箱和筒体连接处；另一种是浮动管板，在外头盖和筒体连接处。根据《换热器设计手册》，选择管板为整体管板形式，尺寸见图3-10和3-11。（3）管子排列方式本设计选择转角正方形排列。（4）壳体法兰根据压力容器法兰标准（NB/T47021-2012），分别确定外头盖法兰和管箱法兰，外头盖法兰是连接外头盖和筒体，管箱法兰是连接封头管箱和筒体。外头盖法兰型号：法兰-FM1300-4.0，材料为16MnII管箱法兰型号：法兰-FM1200-4.0，材料为16MnII图3-10浮动管板尺寸图图3-11固定管板尺寸图1.1.7折流板、拉杆、定距管的选用设计由于管壳式换热器的壳体内部流通界面极大，并且在壳程内流体介质属于对流传热，所以增大壳程流体的流速，可以加强壳体内部湍流程度，提高壳程传热系数，这可以通过设置折流板来实现。根据JB/T4714-92《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》，壳程两接管中心距为4500mm。由于介质的进出口轴线需要在螺旋折流板的正上方或下方，即：（n+0.5）H=4500；其中n计算出应为整数；n=12,折流板间距为392mm,在这段距离布置12组螺旋折流板。本设计为螺旋折流板，螺旋折流板的形状是由一个等腰三角形和一个弓形组成的一个扇形，见图3-12。图3-12中，R为等腰三角形的一个边长(即螺旋面展开的外半径)，mm；r为折流板实际半径，mm；θ为折流板的扇形角，(°)；B为弓形的弦长，mm。螺旋折流板板安装后是以外圆O点的连线形成的一条螺旋曲线，与其它螺旋结构的螺旋曲线相同，其展开图如图3-13所示。螺旋升角λ按公式（3-28）计算：（3-28）图3-12螺旋折流板形状图图3-13螺旋折流板曲线展开图图3-12中，由公式（3-29）：（3-29）式中为正螺旋面外圆展开周长的计算公式，设Do为正螺旋面展开外圆直径，R0为半径，；则由公式（3-30）可得： （3-30）式中，R0是在螺旋升角为λ时板的边长。因为折流板是一个平直的板片，所以必须将其形成为近似螺旋形的弯曲表面，以使流体沿流动通道中流动。在安装过程中，将螺旋节距之间的挡板分成4等分，将每个1/4板放置在每等分的中线处，然后以O—O’中心线为轴心扭转半个螺旋升角，使板片形成另一个角度α(安装倾角)，因此，螺旋折流板片的实际边长R按公式（3-31）式计算：（3-31）要求出板片扇形角θ，首先必须求出底边长B，它与实际安装倾角α和其在圆筒体内实际安装后的投影长度H有关，见图。图3-14折流板在筒体内投影从图3-14中可看出，若已知安装倾角α，则可得：