浮头式换热器设计原油 柴油

1、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1.72X10-4m2.K/W，要求两侧的阻力损失均不超过 0.3 10 5Pa物料温度C质量流量kg/h比热 kJ/kg.C密度 kg/m3导热系数W/m.C粘度Pa.s入口出口柴油175T2365002.487150.1330.64X10-3原油70110490002.208150.1283.0X10-31.3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

2、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。 TOC o 1-5 h z 设计任务书3概述5设计标准7方案设计和拟订8设计计算12参考文献22附录23设计小结29CAD图32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、

3、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

4、洁净不 易结垢的物料。1-折流挡板;管束；3-壳体;4封头；5-接管；6-管板 图4-36固定管板式换热器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。图1 U型管换热器的结衿示意国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。图7T2浮头式换热器L壳

5、盖2浮头盖3,浮头管板4,秃体5.传熬管6,支持板7折流板设计标准（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钢制压力容器一分析设 计标准（9）中华人民共和国国家标准JB4710-92钢制

6、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

7、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

8、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（Re100） 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

9、。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 1 1.0m / s。管子的规格和排列方法：

10、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 25 X 2.5mm及 19Xmm两种规格的管子。在这里，选择 25X2.5mm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46（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、正方形百列和正方形错列 等，等边三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路

11、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。正方形百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（较百列排列的）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，胀管法取七二（1.31.5）d2，且相邻两 管外壁间距不应小于6mm，即tN （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

12、，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1040%，一般取2025%，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。的（0.21） 倍

13、。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

14、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

15、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确定设计方案因为，所以，365003600选择换热器的类型Q 1 = Q 2九 1宜1 =气2七2宜22.48 x 10 3 x （175 T ） = 49 x 2.2 x 10 3 乂 （110 70）23600T2 = 127 .4 C两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度175。，出口温度 127.4C ；冷流体（原油）进口温度70笆，出口温度110C。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。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

16、走管程，原油走壳程。选用（P 25 X2.5mm的碳钢管，根据表三一管内流速取u =1.0m/s。.14.2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:密度山必 p = 715 kg / m 3定压比热容 1 = 2.48 kJ /(kg C)导热系数 X = 0.133 W /(m C )1黏度|i = 0.64 x 10 3 Pa s1原油的物性数据:密度 p = 815 kg / 2定压比热容C . =2.2。kJ /(kgC ) P L导热系数 2 = 0.128 W /(m -C)黏度 R = 3.0 x 10 -3 Pa -5 23计算总

17、传热系数 4. 3. 1热流量36500Q = q C AT = x 2.48 x 10 3 x (175 127 .4) = 1.2 x 10 6Wml pi 136004. 3. 2平均传热温差A t Az 1rtInt2(175 - 110 )-(127 .4 - 70 ) 一 _=61 .2U175 -110In 127 .4 - 704. 3. 3总传热系数K管程传热系数d u p 0.02 x 1.0 x 715Re =r = 2.23 x 10 4口6.4 x 10 -4X 0.023 r dup 1t1- 七J0.8/ c R、_i-X i0.40.133(=0.023 x x

18、 以.23 x 10 40.020).82.48 x 10 3 x 6.4 x 10 40.133=970 W1壳程传热系数假设壳程的传热系数。=540 W / 2 C）2污垢热阻R = R = 1.72 x 10 -4 m 2 C / W管壁的导热系数X = 45 W /(m C )1K =dd bd1a d d 0.0250.0250.0025 x 0.025 970 x 0.020 + 顷 X 10 -4 0.020 +45 x 0.0225+4=278 .6W / (m 2 C )4.4计算传热面积 Q 1.2 x 10 6、=M = 278.6 x 61.2 = 2 m考虑15%的面

19、积裕度，S = 1.15 x S = 1.15 x 70.4 = 81 m 24.5工艺结构尺寸管径和管内流速选用中25 x 2.5传热管（碳钢），取管内流速u 1 = 1.0m / s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 36500 （715 x 3600 ）,n = 45 .2 q 46（根），生 d 2u 0.785 x 0.02 2 x 1.0 d 入 d d 2 a1 +5401按单程管计算，所需的传热管长度为S81L = = = 22 .4 m兀d n 3.14 x 0.025 x 46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 = 4 m，则该换

20、热器管程程数为N p = 4 w 6（管程）传热管总根数N = 46 x 6 = 276（根）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数175 127 .4R = 1.2110 70175 70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 度校正系数咬t。可得中=0.91平均传热温差At = At = 0.91 x 61 .2 = 55.70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 = 1.25 d 2，t = 1.25 x 25 = 31 .25 = 32 mm横过管束中心线的管数Ii气=1.19 WN = 1.19 127

21、6 = 20（根）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率门=0.6，则壳体内径为D = 1.05 t N湿=1.05 x 32 % 276 .0.6 = 720 .6mm圆整可取D = 720 mm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 x 720 = 180 mm取折流板间距B =0.25 D ， 则 B = 0.25 x 720 = 180 mm 可取B为200mm。折流板数N =传热管长 _ 1 = 4000 _ = 19（块）B 折流板间距200=折流板圆缺面水平装配。接管壳程流体进出口接管:取接管内流速为u = 1.0m /

22、s，则接管内径为；4V4 x 49000 (3600 x 815 )d =、:=、：=0.146( m )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u = 1 m / s，则接管内径 为4V4 x 36500 (3600 x 715 )d =】一 =J = 0.134( m) 兀u 3.14 x 1.0取标准管径为150mm。4.6换热器核算 热量核算壳程对流传热系数Pr 1 3日 2日w0.14对圆缺形折流板，可采用克恩公式=0.36 匕 Re 0.55d 2e当量直径，由正方形排列得4().032 2 - 0.785 x 0.025 2 )3.14 x 0.025=0.

23、027 (m )壳程流通截面积r d=BD 1 -t=0.2r 0.0250.72 1 I 0.032=0.031 (m)壳程流体流速及其雷诺数分别为49000 (3600 x 815 )U 2 =0.031= 0.54(m/ Re0=3.96 x 10 30.027 x 0.54 x 8153 x 10 - 3普兰特准数2.20 x 10 3 x 3 x 10 -3Pr = = 51 .560.128粘度校正上0.14-1.050.1280.36 x x (3.96x 10 3 )0.55 x 51 .56 13 x 1.05 = 626 W / (n 2 .C )管程对流传热系数a = 0

24、.023、Re 爵 Pr 0.31d1管程流通截面积S = 0.785 x 0.02 2 x 27J = 0.014 (m 2)16管程流体流速及其雷诺数分别为36500 /( 3600 x 715 ) =1.0130.014Re0.020 x 1.013 x 715=2.26 x 10 40.00064普兰特准数Pr2.48 x 10 3 x 0.64 x 10 -3=11 .90.133=0.0230.133(。厂)x x (2.26 x 10 4)0.8 x 11 .90.3 = 980 W /m 2 -C /传热系数KK =dd bd1a d d 1 d入 dd 2 a0.025+ 0

25、.000172 0025 + 0.0025 x 0.025 + 0.000172980 x 0.0200.02045 x 0.02251+ 626传热面积S1.2 x10 6=71 . 1m2 303 x 55 .7该换热器的实际传热面积sS =兀 d 2 L(N n )=3.14 x 0.025 x(4 0.06 )x(276 20 )=79 .3(m 2)该换热器的面积裕度为H = x 100 %” - 71.1Sx 100 % = 11 .5%71 .1传热面积裕度大,该换热器能够完成生产任务换热器内流体的流动阻力管程流动阻力A P =(A PA P)F N NF = 1.4I pil

26、2 P = X11 d 20.01一摩擦系数C ,流速由Re = 2.26 x 10 4 ,传热管相对粗糙度20 -灿，查图一 与雷诺准数及相对粗糙度的关系得人广0.033 W / m u = l.0 13n/s, p = 715 kg / m3i所以41.013 2 x 715 P = 0.033 xx = 2421 Pa10.022P 2715 x 1.013 2AP = C = 3 x= 1101 Pa222ZAP =(AP + -P)F N N 112 t s p=(2421 + 1101 )x 1.4 x 6 = 29584 .8Pa 0.3 x 10 5 Pa管程流动阻力在允许范围

27、之内。4. 6. 2. 2壳程阻力 TOC o 1-5 h z EAP =(AP ,+AP ,)F N 212 sN = 1 F =1.15 st流体流经管束的阻力 P = Ff n(N + 1)史二12 c B2F = 0.4f = 5 x 3960 -。龙28 =0.75632n = 20CN = 19 ,次=0.54BoAP = 0.4 x 0.7563x 20 x(19+ 1)x815 x 0.54 2= 14379Pa流体流过折流板缺口的阻力/2 B )3.5 - 一D JB = 0.2m， D = 0.72 m0.72 J815 x 0.54 22=6648 Pa总阻力A P =

28、(14379 + 6648 ) x 1.15 = 24181 Pa 0.3 x 10 5 Pa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MPa操作温度污垢系数m2 K/W导热系数比热流体密度Kg/m3粘度mPa/s柴油0.03175/127.40.0001720.1332. 487150.00064原油-J1 3rlP7t97K0*L_H9Tk 虹_1JW7kI0ji；L*O.flWBklfl-* _ ,汽油5#Tjc t床炉气1,119 TkIQT5JSCK10_ _X-5WDW好，1P曲H0,43*4 12.09* M IQ*l

29、 7|4 7 k l& J敢兰蜘4* 1L1做_ _旧.彻 4-3,询 QM 18*_表二一一流体的污垢热阻肃体的污螺热is小干】u_113-2B卜 1Ed 史 t奉F25XTJS _ _ _函小千口*T l-QMt愚HLW w *J2* ),7t9lxlO+口鼻血.4#、1R炉莪未J,7B7xlfl_,3剧45 *m. an w k 】时O.$9 lx KT，_木土 IWOkIO1S.HW0K 1 时-_ _ _队沔心葫！ 1 *中廿戏。表三一一换热器常用流速范围挽膳携常朋流速的倦噩相it 速-一琦时枷*牲惟阵岛话垢麻体腐幡！1曲代律I-0-2JQ1J0.S-!.Q.1-1Ji-S充程（1健

30、卜却*Q.S- LS0,5Q.4 1.44硕U215表四一一合理压降的选取台理庵力P*的爸取M情配蜡作FR勤性竺_ _现压，融压怦_|p.Ju Lxltf&.IFSB作p 1 x: lb - 1 T *苗&-5PF1.7xU?-11kUI*OR* 评Ph LI 皿-31 言 J 咬乌压舞作P吁加史5康2_一 .图五对数平均温差校正系数日&Juvly费暇屈表七10颐皿7*片120.1/由十口峪区顽I* W广希怪尺寸4甘由桂盛：做体诅出口皿.垠的璋木平均殖，管内送制nfta ft 庶10 amr0.7 3 000.枷尺寸也帏.廊速 壳奇说律诗底拉他（叫做Mt F 7* IW - 1 M IG 角旺

31、尺I、当量且秘虫,定性理IX和体逢出己阻虞韵掩木手句苞侦、取 ns.符号说明英文字母Cp定压比热容，kJ/(kgC)热容量流率比 q dm-管径，mD换热器壳径，mf摩擦因数F系数g重力加速度，m/s2B挡板间距，mK总传热系数，W /(m2C)i长度，mL长度，mn管数N数p压强，Paq热通量，W/m2q传热速率或热负荷，Wr汽化热或冷凝热，kJ/kgR热阻，m2 C/WS传热面积，m2t流体温度，CT流体温度，Cu流速，m/s希腊字母a对流传热系数，W/(m2C)入导热系数，W/(m2C)E传热系数|J黏度，PasP密度，kg/m3校正系数下标2管外e当量1管内s污垢t热m平均设计小结在化

32、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