2010化工学院化工原理课程设计说明书

设计题目：柴油-原油换热器工艺设计

1．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0.3 105Pa。

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。

目 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 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

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,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。

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。

2.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.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u1 1.0m/s。

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φ25×2.5mm及φ19×mm两种规格的管子。在这里，选择 φ25×2.5mm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)，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．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，Q1 Q2 所以，

qm1Cp1 T1

=

qm2Cp2 T2

700080000

2.48 103 195 T2 2.20 103 75 30 36003600

T2 149.4 ℃

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。

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φ25×2.5mm的碳钢管，根据表三—管内流速取ui=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 1 715kg/m3

定压比热容cp1 2.48kJ/(kg ℃） 导热系数 1 0.133 W/(m ℃）

黏度 1 0.64 10 3Pa s 原油的物性数据：

3

815kg/m2密度

定压比热容

cp2 2.20kJ/(kg ℃

）

W/(m ℃） 导热系数 2 0.128

3 3.0 10Pa sW 2黏度

4.3计算总传热系数 4.3.1 热流量

70000

2.48 103 195 149.4 6

Q qm1Cp1 T1 3600 2.2 10W

4.3.2 平均传热温差

tm

t1 t2120 119.4

119.761lnln t2119.4℃

4.3.3 总传热系数 K 管程传热系数

Re

d1u1 1

1

0.02 1.0 7154

2.23 10

6.4 10 4

0.8

d1u1 1

1 0.0231 d1 1

cp 1 1

0.4

0.133

0.023 2.23 104

0.020

0.8

2

970W/m ℃

2.48 103 6.4 10 4

0.133

0.4

壳程传热系数

2 540W/m ℃ 假设壳程的传热系数 2

污垢热阻

42

R R 1.72 10m ℃/W d1d2

℃ 管壁的导热系数 45W/m

K

1d2dbd21

Rd12 Rd2 1d1d1 dm 2 0.025

1.72 10 4

970 0.020

1

0.0250.0025 0.0251

1.72 10 4 0.02045 0.0225540

2

278.6W/m ℃

4.4计算传热面积

Q2.2 2

S' 66.2m'

K 278.6 119.76tm

考虑15%的面积裕度， S S' 1.15 76m 4.5工艺结构尺寸 4.5.1 管径和管内流速

选用 25 2.5传热管(碳钢),取管内流速u1 1.0m/s 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

2

6

ns

70000715 3600 2

85.99 86根

d1u0.785 0.022 1.04

S

V

按单程管计算,所需的传热管长度为

L

d2ns

76

11.257 12m

3.14 0.025 86

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l 6m， 则该换热器管程程数为

Np

L12 2l6

传热管总根数N nsNp 86 2 172根 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

195 149.4R 1.01

75 30

75 30P 0.27

195 30

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

。

t 0.98 平均传热温差

tm t tm0.98 119.26 116.87℃

'

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

t 1.25d2,则

t 1.25 25 31.25 32mm 管间距

s

t

6 22mm2

横过管束中心线的管数

nc 1.19N 1.19 15.6 16根 4.5.5 壳体内径

采用多管程结构,取管板利用率 0.6,则壳体内径为

D 1.05tN 1.05 320.6 568.9 600mm

圆整可取D 600mm

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

h 0.25 600 150mm 取折流板间距B=

，

则 B 0.5 600 300mm 折流板数

传热管长6000NB 1 1 19 块 折流板间距300

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u 1.0m/s，则接管内径为

4V4 800003600 815d 0.186m

u3.14 1.0

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u 1m/s，则接管内径为

d

4V4 70000 715

0.186m u3.14 1.0

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

2 0.36

2

de

.55

Re02

2

Pr3

w

0.14

当量直径,由正方形排列得

2

4 t2 d2

40.0322 0.785 0.02524 de 0.027(m)

d23.14 0.025

壳程流通截面积

d2 0.025

S0 BD 1 0.15 0.60 1 0.020m

t 0.032

壳程流体流速及其雷诺数分别为

80000 3600 815 u2 0.7s0.039

Re0

0.027 0.7 815

3135

0.003

普兰特准数

2.20 103 3 10 3

Pr 51.56

0.128

粘度校正

w

0.14

1.05

2 0.36

0.128

(3.96 103)0.55 51.563 1.05 626W/m2 ℃0.027

4.6.1.2 管程对流传热系数

1 0.

1

d1

Re0.8Pr0.3

管程流通截面积

S1 0.785 0.02

2

1722

0.027m2

管程流体流速及其雷诺数分别为

u1

3600 715

1.007

0.027

0.020 1.007 7154

Re 2.25 10

0.00064

普兰特准数

2.48 103 0.64 10 3

Pr 11.9

0.133

1 0.023

0.133

(2.26 104)0.8 11.90.3 980W/m2 ℃0.02

4.6.1.3 传热系数 K

K

1d2dbd21

Rd12 Rd2 1d1d1 dm 2

10.0250.0250.0025 0.0251

0.000172 0.000172

980 0.0200.02045 0.0225626

2 303W/m ℃

4.6.1.4 传热面积 S

Q2.2 2S 66.2mK tm303 116.87

该换热器的实际传热面积

6

Sp

2

Sp d2L N nc 3.14 0.025 6 172 16 73.5m 该换热器的面积裕度为

H

Sp S73.5 66.2

100 100S66.2％ ％ 18.5％

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。