柴油原油換熱器工藝設計

設計題目：柴油-原油換熱器工藝設計1．設計任務書1.1設計題目列管式換熱器(原油預熱器)的設計1.2操作條件某煉油廠用柴油將原油預熱。柴油和原油的有關參數(shù)如下表,兩側的污垢熱阻均可取1.72×10-4m2.K/W，規(guī)定兩側的阻力損失均不超過Pa。物料溫度℃質(zhì)量流量kg/h比熱kJ/kg.℃密度kg/m3導熱系數(shù)W/m.℃粘度Pa.s入口出口柴油195T2700002.487150.1330.64×10-3原油3075800002.208150.1283.0×10-31.3設計規(guī)定及內(nèi)容1、查閱文獻資料，了解換熱設備的相關知識，熟悉換熱器設計的方法和環(huán)節(jié)；2、根據(jù)設計任務書給定的生產(chǎn)任務和操作條件，進行換熱器工藝設計及計算；3、根據(jù)換熱器工藝設計及計算的結果，進行換熱器結構設計；4、以換熱器工藝設計及計算為基礎，結合換熱器結構設計的結果，繪制換熱器裝配圖；5、編寫設計說明書對整個設計工作的進行書面總結，設計說明書應當用簡潔的文字和清楚的圖表表達設計思想、計算過程和設計結果。目錄1.概述 32.設計標準 4方案設計和擬定 5設計計算 84.1擬定設計方案.....................................................84.1.1選擇換熱器的類型..............................................84.1.2流動空間及流速的測定..........................................94.2擬定物性數(shù)據(jù).....................................................94.3計算總傳熱系數(shù)...................................................94.3.1熱流量........................................................94.3.2平均傳熱溫差.................................................104.3.3總傳熱系數(shù)K...................................................104.4計算傳熱面積....................................................114.5工藝結構尺寸....................................................114.5.1管徑和管內(nèi)流速................................................114.5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)..............................................114.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)......................................114.5.4傳熱管排列和分程方法..........................................124.5.5殼體內(nèi)徑......................................................124.5.6折流板........................................................124.5.7接管..........................................................134.6換熱器核算......................................................134.6.1熱量核算......................................................134.6.1.1殼程對流傳熱系數(shù)............................................134.6.1.2管程對流傳熱系數(shù)............................................144.6.1.3傳熱系數(shù)K...................................................154.6.1.4傳熱面積S...................................................154.6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力........................................164.6.2.1管程流動阻力...............................................164.6.2.2殼程阻力...................................................164.6.2.3換熱器重要結構尺寸和計算結果...............................175.參考文獻 18附錄 187.設計小結 258．CAD圖 271.概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱互換器,簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體,一種流體溫度較高,放出熱量;另一種流體則溫度較低,吸取熱量。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺陷，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，并且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器有以下幾種：1）固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應力引起的熱膨脹。

特點：結構簡樸，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。2）U形管式U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側，封頭內(nèi)用隔板提成兩室，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。

特點：結構簡樸，質(zhì)量輕，合用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。浮頭式

換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。

特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。2.設計標準（1）JB1145-73《列管式固定管板熱互換器》（2）JB1146-73《立式熱虹吸式重沸器》（3）中華人民共和國國家標準.GB151-89《鋼制管殼式換熱器》.國家技術監(jiān)督局發(fā)布，1989（4）《鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定》（5）JBT4715-1992《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》（6）HGT20701.8-2023《容器、換熱器專業(yè)設備簡圖設計規(guī)定》（7）HG20519-92《全套化工工藝設計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定》（8）中華人民共和國國家標準JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》（9）中華人民共和國國家標準JB4710-92《鋼制塔式容器》（10）中華人民共和國國家標準GB16749-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》3.方案設計和擬訂根據(jù)任務書給定的冷熱流體的溫度，來選擇設計列管式換熱器中的浮頭式換熱器；再依據(jù)冷熱流體的性質(zhì)，判斷其是否易結垢，來選擇管程走什么，殼程走什么。在這里，柴油走管程，原油走殼程。從手冊中查得冷熱流體的物性數(shù)據(jù)，如密度，比熱容，導熱系數(shù)，黏度。計算出總傳熱系數(shù)，再計算出傳熱面積。根據(jù)管徑管內(nèi)流速，擬定傳熱管數(shù)，標準傳熱管長為6m，算出傳熱管程，傳熱管總根數(shù)等等。再來就校正傳熱溫差以及殼程數(shù)。擬定傳熱管排列方式和分程方法。根據(jù)設計環(huán)節(jié)，計算出殼體內(nèi)徑，選擇折流板，擬定板間距，折流板數(shù)等，再設計殼程和管程的內(nèi)徑。分別對換熱器的熱量，管程對流系數(shù)，傳熱系數(shù)，傳熱面積進行核算，再算出面積裕度。最后，對傳熱流體的流動阻力進行計算，假如在設計范圍內(nèi)就能完畢任務。根據(jù)固定管板式的特點：結構簡樸，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結垢的物料。U形管式特點：結構簡樸，質(zhì)量輕，合用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結垢的物料。浮頭式特點：結構復雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應力，應用普遍。我們設計的換熱器的流體是油，易結垢，再根據(jù)可以完全消除熱應力原則我們選用浮頭式換熱器。根據(jù)以下原則：(1)

不潔凈和易結垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2)

腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，并且管子也便于清洗和檢修。(3)

壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4)

飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關系不大。(5)

被冷卻的流體宜走管間，可運用外殼向外的散熱作用，以增強冷卻效果。(6)

需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7)

粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達成湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。我們選擇柴油走管程，原油走殼程。流體流速的選擇：增長流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的也許性，即減少了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增長，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才干定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結構上的規(guī)定。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增長程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應予考慮的問題。在本次設計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速。管子的規(guī)格和排列方法：選擇管徑時，應盡也許使流速高些，但一般不應超過前面介紹的流速范圍。易結垢、粘度較大的液體宜采用較大的管徑。我國目前試用的列管式換熱器系列標準中僅有φ25×2.5mm及φ19×mm兩種規(guī)格的管子。在這里，選擇

φ25×2.5mm管子。管長的選擇是以清洗方便及合理使用管材為原則。長管不便于清洗，且易彎曲。一般出廠的標準鋼管長為6m，則合理的換熱器管長應為1.5、2、3或6m。此外，管長和殼徑應相適應，一般取L/D為4～6(對直徑小的換熱器可大些)。在這次設計中，管長選擇6m。

管子在管板上的排列方法有等邊三角形、正方形直列和正方形錯列等，等邊三角形排列的優(yōu)點有:管板的強度高；流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高；相同的殼徑內(nèi)可排列更多的管子。正方形直列排列的優(yōu)點是便于清洗列管的外壁，合用于殼程流體易產(chǎn)生污垢的場合；但其對流傳熱系數(shù)較正三角排列時為低。正方形錯列排列則介于上述兩者之間，即對流傳熱系數(shù)(較直列排列的)可以適本地提高。在這里選擇正方形錯列排列。

管子在管板上排列的間距

(指相鄰兩根管子的中心距)，隨管子與管板的連接方法不同而異。通常，脹管法取t=(1.3～1.5)d2，且相鄰兩管外壁間距不應小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25d2。

管程和殼程數(shù)的擬定

當流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時，有時會使管內(nèi)流速較低，因而對流傳熱系數(shù)較小。為了提高管內(nèi)流速，可采用多管程。但是程數(shù)過多，導致管程流體阻力加大，增長動力費用；同時多程會使平均溫度差下降；此外多程隔板使管板上可運用的面積減少，設計時應考慮這些問題。列管式換熱器的系列標準中管程數(shù)有1、2、4和6程等四種。采用多程時，通常應使每程的管子數(shù)大體相等。根據(jù)計算，管程為6程，殼程為單程。折流擋板：安裝折流擋板的目的，是為了加大殼程流體的速度，使湍動限度加劇，以提高殼程對流傳熱系數(shù)。最常用的為圓缺形擋板，切去的弓形高度約為外殼內(nèi)徑的10～40％，一般取20～25％，過高或過低都不利于傳熱。兩相鄰擋板的距離(板間距)B為外殼內(nèi)徑D的(0.2～1)倍。系列標準中采用的B值為:固定管板式的有150、300和600mm三種，板間距過小，不便于制造和檢修，阻力也較大。板間距過大，流體就難于垂直地流過管束，使對流傳熱系數(shù)下降。這次設計選用圓缺形擋板。

換熱器殼體的內(nèi)徑應等于或稍大于(對浮頭式換熱器而言)管板的直徑。初步設計時，可先分別選定兩流體的流速，然后計算所需的管程和殼程的流通截面積，于系列標準中查出外殼的直徑。重要構件的選用：

（1）封頭

封頭有方形和圓形兩種，方形用于直徑小的殼體(一般小于400mm)，圓形用于大直徑

的殼體。

（2）緩沖擋板

為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料管口裝設緩（3）導流筒

殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間(死角)，為了提

高傳熱效果，常在管束外增設導流筒，使流體進、出殼程時必然通過這個空間。

(4）放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝性氣體和冷凝液等。

（5）接管尺寸

換熱器中流體進、出口的接管直徑由計算得出。

最后材料選用：列管換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前,常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺，應盡量少用。這里選用的材料為碳鋼。

4．設計計算4.1擬定設計方案4.1.1選擇換熱器的類型由于，所以，=兩流體溫度變化情況：熱流體（柴油）進口溫度195℃，出口溫度149.4℃；冷流體（原油）進口溫度30℃，出口溫度75℃。該換熱器用柴油預熱原油，為易結垢的流體。該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步擬定選用浮頭式換熱器。4.1.2流動空間及流速的測定為減少熱損失和充足運用柴油的熱量，采用柴油走管程，原油走殼程。選用φ25×2.5mm的碳鋼管，根據(jù)表三—管內(nèi)流速取=1.0m/s。.4.2擬定物性數(shù)據(jù)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。柴油的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度定壓比熱容）導熱系數(shù)黏度原油的物性數(shù)據(jù)：密度定壓比熱容）導熱系數(shù)黏度W4.3計算總傳熱系數(shù)4.3.1熱流量4.3.2平均傳熱溫差℃4.3.3總傳熱系數(shù)管程傳熱系數(shù)殼程傳熱系數(shù)假設殼程的傳熱系數(shù)污垢熱阻管壁的導熱系數(shù)4.4計算傳熱面積考慮15%的面積裕度，4.5工藝結構尺寸4.5.1管徑和管內(nèi)流速選用傳熱管(碳鋼),取管內(nèi)流速4.5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速擬定單程傳熱管數(shù)按單程管計算,所需的傳熱管長度為按單程管設計,傳熱管過程,宜采用多管程結構?，F(xiàn)取傳熱管長，則該換熱器管程程數(shù)為傳熱管總根數(shù)4.5.3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程,4管程結構,溫差校正系數(shù)應查附圖六——對數(shù)平均溫度校正系數(shù)?？傻闷骄鶄鳠釡夭睢?.5.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角排列,隔板兩惻采用正方形排列.取管心距,則管間距橫過管束中心線的管數(shù)4.5.5殼體內(nèi)徑采用多管程結構,取管板運用率,則殼體內(nèi)徑為圓整可取4.5.6折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為取折流板間距B=0.5D，則折流板數(shù)折流板圓缺面水平裝配。4.5.7接管殼程流體進出口接管:取接管內(nèi)流速為，則接管內(nèi)徑為取標準管徑為200mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速，則接管內(nèi)徑為取標準管徑為200mm。4.6換熱器核算4.6.1熱量核算4.6.1.1殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板,可采用克恩公式當量直徑,由正方形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)粘度校正4.6.1.2管程對流傳熱系數(shù)管程流通截面積管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)4.6.1.3傳熱系數(shù)K4.6.1.4傳熱面積S該換熱器的實際傳熱面積該換熱器的面積裕度為％％％傳熱面積裕度大,符合規(guī)定15％-20％，該換熱器可以完畢生產(chǎn)任務。4.6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力4.6.2.1管程流動阻力,,,由，傳熱管相對粗糙度，查圖——摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關系得℃，流速，所以管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。4.6.2.2殼程阻力流體流經(jīng)管束的阻力，流體流過折流板缺口的阻力B=0.3m，D=0.60m總阻力殼程流動阻力也比較適宜。4.6.2.3換熱器重要結構尺寸和計算結果表1冷熱流體物性數(shù)據(jù)表物料名稱操作壓操作溫度污垢系數(shù)導熱系數(shù)比熱流體密度粘度柴油<0.03195/149.4.40.0001720.1332．487150.00064原油<0.0330/750.0001720.1282.208150.00300表2工藝設備尺寸表換熱器型式換熱面積/QUOTE管子規(guī)格管數(shù)管長QUOTE管間距排列方式折流板型式間距QUOTE切口高度殼體內(nèi)徑QUOTE浮頭式式76172600022正方形上下300150600表3管口表符號尺寸用途連接aDN150柴油入口凹凸面bDN150柴油出口凹凸面cDN150原油入口凹凸面dDN150原油出口凹凸面5.參考文獻［1］柴誠敬,張國亮等．化工流體流動與傳熱[M]．北京：化學工業(yè)出版社［2］余國琮等．化工容器及設備[M]．北京：化學工業(yè)出版社，1980［3］匡國柱，史啟才．化工單元過程及設備課程設計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2023［4］化工設備技術全書編委會．換熱器設計[M]．上海：上?？茖W技術出版社，1988［5］徐中全譯，尾花英郎著．熱互換器設計手冊[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1982［6］卓震主．化工容器及設備[M]．北京：中國石化出版社，1998［7］潘繼紅等．管殼式換熱器的分析與計算[M]．北京：科學出版社，1996［8］朱聘冠．換熱原理及計算[M]．北京：清華大學出版社，1987［9］大連理工大學．化工原理（上冊）[M]．大連：大連理工大學出版社，1993［10］蘭州石油機械研究所．換熱器（上冊[M]）．北京：中國石化出版社，1992［11］時均等．化學工程手冊（第二版，上卷）[M]．北京：化學工業(yè)出版社，19966.附錄表一——流體的污垢熱阻表二——流體的污垢熱阻表三——換熱器常用流速范圍表四——合理壓降的選取圖五——對數(shù)平均溫差校正系數(shù)圖六——對數(shù)平均溫差校正系數(shù)表七——流體相變對流傳熱系數(shù)圖八——莫狄圖表九——液體無相變對流傳熱系數(shù)符號說明英文字母Cp------------------------------------定壓比熱容，kJ/(kg·℃)----------------------------------------------熱容量流率比d--------------------------------------------------管徑，mD---------------------------------------------換熱器殼徑，mf-------------------------------------------------摩擦因數(shù)F-------------------------------------------------------系數(shù)g------------------------------------------重力加速度，m/s2B----------------------------------------------擋板間距，mK----------------------------------總傳熱系數(shù)，W /(m2·℃)--------------------------------------------------長度，mL--------------------------------------------------長度，mn------------------------------------------------------管數(shù)N------------------------------------------------------程數(shù)p----------------------------------------------------壓強，Paq------------------------------------------------熱通量，W/m2Q----------------------------------------傳熱速率或熱負荷，Wr--------------------------------------汽化熱或冷凝熱，kJ/kgR-----------------------------------------------熱阻，m2·℃/WS-----------------------------------------------傳熱面積，m2t-----------------------------------------------流體溫度，℃T------------------------------------------------流體溫度，℃u------------------------------------------------流速，m/s希臘字母α---------------------------------對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)λ----------------------------------------導熱系數(shù)，W/(m2·℃)ε--------------------------------------------------傳熱系數(shù)μ-----------------------------------------------黏度，Pa·sρ------------------------------------------------密度，kg/m3φ-----------------------------------------------校正系數(shù)下標2----------------------------------------------------管外e-----------------------------------------------------當量1-----------------------------------------------------管內(nèi)s-----------------------------------------------------污垢t-----------------------------------------------------傳熱m-----------------------------------------------------平均7.設計小結在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器,它們也是這些行業(yè)的通用設備,并占有十分重要的地位。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器也各有優(yōu)缺陷，性能各異。列管式換熱器是最典型的管殼式換熱器，它在工業(yè)上的應用有著悠久的歷史，并且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導地位。列管式換熱器是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。這種換熱器結構較簡樸，操作可靠，可用各種結構材料（重要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。

由殼體、傳熱管束、管板、折流板（擋板）和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流限度。換熱管在管板上可按等邊三角形或正方形排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動限度高，傳熱分系數(shù)大；正