浮头式换热器设计原油-柴油.doc

(完整word版)浮头式换热器设计原油_柴油
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Pa。
物料
温 度 ℃
质量流量
kg/h
比 热
kJ/kg.℃
密 度
kg/m3
导热系数
W/m.℃
粘度
Pa.s
入口
出口
柴油
175
T2
36500
2.48
715
0.133
0.64×10-3
原油
70
110
49000
2.20
815
0.128
3.0×10-3
1.3设计要求及内容
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.设计任务书 3

2.概述 5

3.设计标准 7

4.方案设计和拟订 8

5.设计计算 12

6.参考文献 22

7.附录 23

8.设计小结 29

9．CAD图 32

1. 概述
管壳式换热器 - 正文
2. 　　又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
　　结构 　由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成（见图）。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
3.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。
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4m。
　　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)d，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=1.25d。
　 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冲挡板。
（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，
所以， =

两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度175℃，出口温度127.4℃；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，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u i=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
定压比热容）
导热系数
黏度
原油的物性数据：
密度
定压比热容）
导热系数
黏度
4.3计算总传热系数
4.3.1 热流量

4.3.2 平均传热温差

4.3.3 总传热系数 K
管程传热系数

壳程传热系数
假设壳程的传热系数
污垢热阻

管壁的导热系数

4.4计算传热面积

考虑15%的面积裕度，
4.5工艺结构尺寸
4.5.1 管径和管内流速
选用传热管(碳钢),取管内流速
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

按单程管计算,所需的传热管长度为

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，
则该换热器管程程数为

传热管总根数
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

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。
可得

平均传热温差

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
,则

横过管束中心线的管数

4.5.5 壳体内径
采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为

圆整可取
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

取折流板间距，
则
可取B为200mm。
折流板数

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，则接管内径为

取标准管径为150mm。
管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为

取标准管径为150mm。
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

当量直径,由正方形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

粘度校正

4.6.1.2 管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

4.6.1.3 传热系数 K

4.6.1.4 传热面积 S

该换热器的实际传热面积

该换热器的面积裕度为

传热面积裕度大,该换热器能够完成生产任务
4.6.2 换热器内流体的流动阻力
4.6.2.1 管程流动阻力

, ,
,
由，传热管相对粗糙度，查图——摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系得，流速，，
所以

管程流动阻力在允许范围之内。
4.6.2.2 壳程阻力

流体流经管束的阻力

，

流体流过折流板缺口的阻力

，

总阻力
壳程流动阻力也比较适宜。
4.6.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果

表1冷热流体物性数据表
物料名称
操作压
操作温度
污垢系数
导热系数
比热
流体密度
粘度

柴油
<0.03
175/127.4
0.000172
0.133
2．48
715
0.00064
原油
<0.03
70/110
0.000172
0.128
2.20
815
0.00300

表2 工艺设备尺寸表
换热器型式
换热面积/
管子规格
管数
管长
管间距

排列方式
折流板型式
间距
切口高度
壳体内径
浮头式式
79.3

276
4000
32
正方形
上下
200
180
720

表3管口表
符号
尺寸
用途
连接
a
DN150
柴油入口
凹凸面
b
DN150
柴油出口
凹凸面
c
DN150
原油入口
凹凸面
d
DN150
原油出口
凹凸面
6.参考文献
［1］柴诚敬,张国亮等．化工流体流动与传热[M]．北京：化学工业出版社
［2］余国琮等．化工容器及设备[M]．北京：化学工业出版社，1980
［3］匡国柱，史启才．化工单元过程及设备课程设计[M]．北京：化学工业出版社，2002
［4］化工设备技术全书编委会．换热器设计[M]．上海：上海科学技术出版社，1988
［5］徐中全译，尾花英郎著．热交换器设计手册[M]．北京：石油工业出版社，1982
［6］卓震主．化工容器及设备[M]．北京：中国石化出版社，1998
［7］潘继红等．管壳式换热器的分析与计算[M]．北京：科学出版社，1996
［8］朱聘冠．换热原理及计算[M]．北京：清华大学出版社，1987
［9］大连理工大学．化工原理（上册）[M]．大连：大连理工大学出版社，1993
［10］兰州石油机械研究所．换热器（上册[M]）．北京：中国石化出版社，1992
［11］时均等．化学工程手册（第二版，上卷）[M]．北京：化学工业出版社，1996
7.附录
表一——流体的污垢热阻

表二——流体的污垢热阻

表三——换热器常用流速范围

表四——合理压降的选取

图五——对数平均温差校正系数

图六——对数平均温差校正系数

表七——流体相变对流传热系数

图八——莫狄图

表九——液体无相变对流传热系数

符号说明
英文字母
Cp ------------------------------------定压比热容，kJ/(kg·℃)
----------------------------------------------热容量流率比
d-------------------------------------------------- 管径，m
D---------------------------------------------换热器壳径，m
f -------------------------------------------------摩擦因数
F-------------------------------------------------------系数 g------------------------------------------ 重力加速度，m/s2
B---------------------------------------------- 挡板间距，m
K----------------------------------总传热系数，W /(m2·℃)
-------------------------------------------------- 长度，m
L-------------------------------------------------- 长度，m
n ------------------------------------------------------管数
N------------------------------------------------------程数
p----------------------------------------------------压强，Pa
q------------------------------------------------热通量，W/m2
Q----------------------------------------传热速率或热负荷，W
r --------------------------------------汽化热或冷凝热， kJ/kg
R-----------------------------------------------热阻，m2·℃/W
S-----------------------------------------------传热面积， m2
t -----------------------------------------------流体温度，℃
T------------------------------------------------流体温度，℃
u ------------------------------------------------流速，m/s

希腊字母
α---------------------------------对流传热系数， W/(m2·℃)
λ----------------------------------------导热系数，W/(m2·℃)
ε--------------------------------------------------传热系数
μ-----------------------------------------------黏度，Pa·s
ρ------------------------------------------------密度，kg/m3
φ-----------------------------------------------校正系数
下标
2 ----------------------------------------------------管外
e-----------------------------------------------------当量
1-----------------------------------------------------管内
s-----------------------------------------------------污垢
t-----------------------------------------------------传热
m-----------------------------------------------------平均
8.设计小结
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。
列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。  由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。
  流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速 度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致管子弯曲、断裂，或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。进行换热的冷热两流体，按以下原则选择流道：①不洁净和易结垢流体宜走管程，因管内清洗较方便；②腐蚀性流体宜走管程，以免管束与壳体同时受腐蚀；③压力高的流体宜走管程，以免壳体承受压力；④饱和蒸汽宜走壳程，因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；⑤若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时，宜使传热分系数大的流体走壳程，以减小热应力。
浮头式换热器主要有壳体、浮动式封头管箱、管束等部件组成。浮头式换热器的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，也就是壳体在管束热膨胀自由，管束与壳体之间没有温差应力。一般浮头设计成可拆卸结构，使管束可自由地抽出和装人。常用的浮头有两种形式，第一种是靠夹钳形半环和若干个压紧螺钉使浮头盖和活动管板密封结合起来，保证管内和管间互不渗漏。另一种是使浮头盖法兰直接和勾圈法兰用螺栓紧固，使浮头盖法兰和活动管板密封贴合，虽然减少了管束的有效传热面积，但密封性可靠，整体较紧凑。
  浮头式换热器的特点是：（1）清洗方便，管束可以抽出，清洗管壳、管程；（2）介质间温差不受限值；（3）可在较高的温度和压力下工作，一般温度≤450℃，压力≤6.4MPa；（4）可用于结垢比较严重的场合；（5）可用于管程易腐蚀的场合；（6）浮头式换热器的缺点是，小浮头易产生泄漏，金属材料耗量大，结构复杂。
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等等。最最重要的是我深刻认知做设计计算时要非常小心，因为一不留神就会出错，如果前面错了没发现，后面就全错。这是设计中的禁忌。还有，虽然换热器的设计比精馏塔的简单很多，但是还是要付出努力才可以。为此，也要感谢老师及同学的互相帮助。

1
柴油
1

2
离心泵
2

3
接管
4
10

4
管板
2
A4

5
折流板
19
A0

6
管子
276
10

7
换热器
1

8
隔板
5
A3

9
储液罐
1

序号
名称规格
数量
材料
备注
08级化工学院
设计
曹柳
原油换热器
比例
制图
曹柳
传热面积：79.3m2
1：10
审核

日期
2010年11月
第一张
共一张

CAD2
88
7
6
4
5
3
9
1

图

31