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化工原理课程设计示例（原油--柴油） 2010-12-07 14:06:13

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175T2365002.487150.1330.64×10-3

原油70110490002.208150.1283.0×10-3

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

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………

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

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<0.03175/127.40.0001720.1332．487150.00064

原油<0.0370/1100.0001720.1282.208150.00300

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79.3276400032正方形上下200180720

表3管口表

符号尺寸用途连接

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

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

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,感想……………….

CAD 图

1柴油1

2离心泵2

3接管410

4管板2A4

5折流板19A0

6管子27610

7换热器1

8隔板5A3

9储液罐1

序号名称规格数量材料备注

湖南师范大学 树达学院 08级制药工程

设计曹柳原油换热器比例

制图曹柳传热面积：79.3m21：10

审核 日期2010年11月第一张共一张