化工单元操作课程设计-设计一丙烷加热器

士了4彳元孝伤

化工单元操作课程设计

学院化学化工学院

专业化学工程与工艺

班级2013级1班

姓名学号

指导老师_______________

2015~2016学年度第二期

1设计任务书

1.1设计题目：设计一丙烷加热器

1.2设计条件：

（1）、处理能力：362675kg/h

（2）、设备类型：固定管板式换热器

（3）、操作条件：

表1-1换热器操作条件

流体名称入口温度（℃）出口温度（℃）

物料丙烷69.271.78

加热介质LPsteam125124.7

1.3设计内容

（1）、前言

（2）、确定设计方案（设备选型、换热器材质）

（3）、确定物性数据（冷却循环水的出口温度、丙烷在物性温度下的物理性质）

（4）、工艺设计

（5）、换热器计算

①核算总传热系数（传热面积）

②换热器内的流体的流动阻力校核（计算压降）

（6）、机械结构的选用

①管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构

②封头类型选用

③温差补偿装置的选用

④管、壳程接管

⑤管、壳程接管

（7）、换热器主要结构尺寸和计算结果表

（8）、结束语（包括对设计的自我评述及有关问题的分析讨论）

（9）、换热器结构和尺寸

（10）、参考资料目录

目录

一、设计方案简介.......................................................................4

二、工艺流程简图及说明................................................................4

2.1工艺流程简图......................................................................4

2.1.1工艺流程方框图...................................................................4

2.1.2换热器工艺流程简图..............................................................5

2.2换热器设计说明....................................................................6

三、工艺计算及主体设备设计............................................................7

3.1工艺设计...........................................................................7

3.2确定物性数据.....................................................................10

3.3换热器计算........................................................................11

3.3.1核算总传热系数（传热面积）.....................................................11

3.3.2传热系数........................................................................12

3.3.3计算传热面积....................................................................12

3.4机械结构的选用...................................................................13

3.4.1管板的选择......................................................................13

3.4.2封头类型选用....................................................................13

3.4.3温差补偿装置的选用.............................................................14

3.4.4管、壳程接管....................................................................14

3.5换热器主要结构尺寸和计算结果表..................................................15

3.5.1管径和管内流速..................................................................15

3.5.2选取管长、确定管程数和总管数...................................................15

3.5.3传热管排列和分程方法...........................................................15

3.5.4壳体内径........................................................................16

3.5.5折流板..........................................................................16

3.6换热器校核........................................................................17

四、选型设备结果一览表...............................................................26

4.1换热器选型结果...................................................................27

4.2换热器装配图.....................................................................29

参考文献..............................................................................31

设计评述、致谢........................................................................31

一、设计方案简介

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要

有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践

中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动

力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要

的地位。

随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓

和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生

产和人民生活中一个重要课题。

换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中

使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换

热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。

二、工艺流程简图及说明

2.1工艺流程简图

2.1.1工艺流程方框图

本流程以ASPENPLUS设计出丙烷脱氢化生产丙烯工艺，由脱氢氧化的工艺流程，按照反应过程

可以分为四个过程。第一部分是原料预处理工段，第二部分为丙烷脱氢氧化生产丙烯过程,

包括催化剂的再生过程。第三部分为氢气、甲烷和C2对于丙烯的分离。第四部分为丙烯

的精储过程，包括丙焕加氢和丙烯精储。

C3H8

图2-1丙烷脱氢氧化生成丙烯方框流程图

2.1.2换热器工艺流程简图

本次设计选用丙烷脱氢氧化生产丙烯的原料预处理的E101为例。其工艺简介为：原

料由有总厂提供的含义95%-98%的丙烷以及少量乙烷、丁烷和微量的戊烷的混合液化石油

气，经过原料预处理，在脱丙烷塔中将C4以上重组分从脱丙烷塔底部分分离。分离出来

的丙烷从脱丙烷塔塔顶送至反应阶段，脱除了C4以上重组分的原料与循环丙烷混合在原

料预处理器中被加热到反应所需温度后进入丙烷脱氢反应器。图4-2为原料预处理工段模

拟示意图。

2.2换热器设计说明

换热器种类很多，换热器选型时需要考虑的因素很多，主要是流体的性质；力、

温度及允许压力降得范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。

按作用原理和实现传热的方式分类：

①混合式换热器；②蓄热式换热器；③间壁式换热器

其中间壁式换热器按传热面的形状和结构分类：

①管壳式：固定管板式、浮头式、填料函式、u型管式

②板式：板翅式、平板式、螺旋板式

③管式：空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式

④液膜式：升降膜式、括板薄膜式、离心薄膜式

⑤其他型式：板壳式、热管

按换热器服务类型分类：

①交换器(Exchanger):在两侧流体间传递热量。

②冷却器(Chiller)：用制冷剂冷却流体。制冷剂有氨(Ammonia)、乙烯、丙烯、

冷却水(Chilledwater)或盐水(brine)。

③冷凝器(Condenser)：在此单元中，制程蒸汽被全部或部分的转化成体。

④冷却器(Cooler)：用水或空气冷却，不发生相变化及热的再利用。

⑤加热器(Heater)：增加热函，通常没有相变化，用如Dowtherm或热油作为热

媒加热流体。

⑥过热器(Superheater)：高于蒸汽的饱和蒸汽压进行加热。

⑦再沸器(Reboiler)：提供蒸储潜热至分流塔的底部。

⑧蒸汽发生器(Steamgenerator)(废热锅炉(wasteheatboiler))：产生的蒸

汽带走热流体中的热量。通常为满足制程需要后多余的热量。

⑨蒸储器(Vaporizer)：是一种将液体转化为蒸汽的交换器，通常限于水以外的

液体。

⑩脱水器(Evaporator)：将水蒸气浓缩为水溶液通过蒸发部分水分以水溶液。

管壳式换热器又称列管式换热器，该类换热器具有可靠性高、适应性广等点，

在各工业领域中得到最广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器挑战，

但反过来也促进其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热

器仍占主导地位。

列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。一般要根据物流的性质、流

量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管

换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件允许，应该优先选用固定管板式换热器。

但遇到以下两种情况时，应选用浮头式换热器，满足一下两个条件：

a、壳壁与管壁的温差超过70C；壁温相差50~70而壳程流体压力大于

0.6MPa时，不宜采用有波形膨胀节的固定管板式换热器。

b、壳程流体易结垢或腐蚀性强时不能采用固定管板式换热器。

综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面，本次设计主要采用固定管板式换

热器。

三、工艺计算及主体设备设计

3.1工艺设计

初占换热面积、确定换热器基本尺寸(包括管径、管长、程数、每程管数、管字

数排列、壁厚、换热器直径、流体进出管管径等计算)

表3-1工艺设计参数

操作条件参数

壳程管程

介质热物料冷物料

质量流量/(Kg/h)362675

进口温度/℃12569.2

出口温度/℃124.771.78

进口压力/MPa11

出口压力/MPa0.9771

初步选定换热器的形式后，根据任务要求利用Aspen进行模拟计算，模拟出来的换

热器工艺参数如图所示。

HeatExchangerSpecificationSheet

1

2

3

4

5

6Size17-72inTypeBEMHorConnectedin8parallel1series

7Surf/unit(eff.)1481.3ft?Shells/unit8Surf/shell(eff.)185.2

8PERFORMANCEOFONEUNIT

yFluidallocationShellSideTubeSide

10Fluidname

11Fluidquantity,Total7995482038

12Vapor(In/Out)79954879954801517

13Liquid002038522

14Noncondensable0000

15

16Temperature(In/Out)257256.46156.56161.21

17Dew/Bubblepoint161.49160

18DensityVapor/Liquid1.064/1.041//32.6631.223/32.44

19Viscosity.0103/.0103//.1151.009/.1137

20Molecularwt,Vap56.4356.4356.23

21MolecularM,NC

22Specificheat.47/.4697//.7698.4177/.7779

23Thermalconductivity.015/.015//.057.012/.057

24Latentheat129.2

25Pressure(abs)psi145.04141.77145.04144.97

26Velocityft/s61.72,86

27Pressuredrop,allow./calc.3.753.277.2507

28Foulingresist(min)000Aobased

29Heatexchanged202863BTU/hMTDcorrected96.05

30Transferrate,Service1.43Dirty37.78Clean37.78

31CONSTRUCTIONOFONESHELLSketch

32ShellSideTubeSide

33Design/vac/testpressures160//160//

34Designtemperature320230

35Numberpassespershell16

36Corrosionallowance.125.125

37ConnectionsIn110/-1.5/-ruj

38SizeAatingOut110/1.5/-

39NominalIntermediate/-/-

40TubeNo.164OD.75TksAvg.083inLength6ftPitch.9375

41TubetypePlaintt/inMaterialCarbonSteel|Tubepattern30

42ShellCarbonSteelID17.25OD18Shellcover

43ChannelorbonnetCarbonSteelChannelcover

44Tubesheet-stationaryCarbonSteelTubesheet-floating

45Floatingheadcover-ImpingementprotectionNone

46Baffle-crossingCarbonSteelTypeSinglesegmentalCut(^d)38.04HSpacing:c/c23.5

47Baffle-longSealtype|Inlet22.75

48Supports-tubeU-bendType

49BypasssealTube-tubesheetjointExp.

50Expansionjoint-TypeNone

51RhoV2-lnletnozzle2415Bundleentrance2783Bundleexit2457

52Gaskets-Shellside-TubeSideFlatMetalJacketFibe

53Floatinghead-

54CoderequirementsASMECodeSecVIIIDiv1TEMAclassR-refineryservice

55Weight/Shell1795.7Filledwithwater2405.3Bundle835

56Remarks

57

58

图3-1换热器工艺参数

利用此软件也可以对换热器进行结构设计，模拟出来的结果如图所示。

DM□renOwe

或1COAaSanaaraZ*SQ-=r*s»jre160160AspenShell&TubeExchanger

51107F036F150.ANSISliponF230

=：107F0365150M3BliponFlJllVgM"l00

T1CWOUT150.*N5iBliponCom»onAowar»:e01250125SettingPlan

T2OWOUT150BIOonT«s：3re»j-*w

Vjrnoero*16BEM17-72

^aooorao^j000

CAWT00TBA^O

"neraVsjne铲10150735396DrawingNumber

Cremer=-X：•ME

'A'ewrSufary

ErmBjnoe□s»Crtc\x

1796B：4OSE)nse20167/10

图3-2换热器模型图

根据JB/T4715-92《固定管板式换热器型式与基本参数》对模拟数据进行圆整，并且

考虑到热损失等，换热器面积选有余量。选定换热器基本参数如下：公称直径为1000mm,

换热管长度为2000mm,管程数N=l,壳程数N=l,公称

压力1.103MPa,换热面积为137.6m2,换热管规格为019X2,管子根数n=164根，中

间排管数20。

3.2确定物性数据

表3-2冷流体在70.49℃下的物性数据

物理量数据

密度仅kg/m3

996.46

定压比热容kJ/(kg.℃)

3.804

导热系数入。W/(m℃)

0.6027

粘度HoPas

0.000965

表3-3热流体在124.8℃下的物性数据

物理量数据

密度。饱/勿3

735.37

定压比热容CpikjMk百C)5.952

导热系数LW/(m℃)

0.6201

粘度LPas

0.000108

3.3换热器计算

3.3.1核算总传热系数(传热面积)

换热器的换热量:

Q==362675X2,432X(67.6-25)=Z646U76ak1/h

计算平均传热温差

热流体：125℃-*124.7℃

冷流体：71.78C-69.2C

平均温差

首先按照纯逆流计算平均温差:

%一%

aCrm—后

In

式中：且tl——热流体进口温度与冷流体出口温度差值

且t2——热流体出口温度与冷流体进口温度差值

◎25—124.7)—-69.2)

.125-1247

,n71.78-69.2

3.3.2传热系数

查《化工原理》得：

管外侧污垢热阻：

Ro=0.00017ms-K/W

管内侧污垢热阻：

s

Ki=0.00017m-/C/PF

在该条件下管壁（碳钢）导热系数：

A.=45W/（msK）

所以总传热系数：

急+R号+殁+"专

1

=—9医5—………0025，。管&xgg251I_二_

885,885xa,OZ+17-1U45xa,aZZ5+U.UUU1/+43S2?

240.834W/(ms-tC)

3.3.3计算传热面积

Q264607.68

&=240.854x9.2119.43m2

该换热器的实际传热面积:

&=哈般-用）=145.705m2

该换热器的面积裕度为：

.%—&145,705-119.43

iiw=Z2%

②换热器内的流体的流动阻力校核（计算压降）

3.4机械结构的选用

①管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构

3.4.1管板的选择

管板用来固定换热管并起着分隔管程、壳程的作用，这里选择固定式管板兼作法兰的

管板，根据选定的换热器公称直径及操作压力查表可得管板数据如表：

表3-5换热器管板数据

单位：mm

DNDD1D2D3D4D5D2Bfb

1OOO119511401098100010851000407790

＞管子在管板上的固定

因为操作压力小且温差不大所以不需要胀接。

＞管板与壳体的连接结构

管板与壳体的连接采用焊接，且管板兼作法兰。该结构在管板上开槽，壳体嵌入后焊

接，适合于壳体压力不高的场合。

3.4.2封头类型选用

a、通常选择选择“B”型作为前封头；

b、对于水冷却器，当管侧需要定期清洗，且管侧设计压力小于lObar(g)时，前封

头可选择“A”型；

c、对于固定管板式，宜选择型作为后封头；这种换热器类型应用于无需对壳

程进行机械清洗及检查但可用化学清洗的情况；

d、对于浮头式，应选择“S”型作为后封头。浮头式换热器的壳径应大于DN300o

管侧和壳侧都可进行机械清洗，但需要较多工时卸除管束；

e、对于外填料式浮头“P”和外密封式浮头“W”型的换热器不能在中国设计和制造;

f、对高压换热器前封头宜选择D型；

g、U型管式，管束外表面可用机械清洗的方法。U型管的结构不适用于污垢系数

较大的情况，立式再沸器不可选用U-Tube；

h、可抽换式浮头（后端浮头型T）：管束与壳之间的空间（Clearance）相对较大，因

此所给定的壳尺寸中含有的管数比其他构造的型式要少，管侧和壳侧皆可机械清洗。

壳侧和管侧有污垢：A_S；管侧无污垢：B_U；壳侧无污垢：NN；壳侧和

管侧无污垢：B_M服务于高压：DEU

从价格上来说：B_U<DEU<N_N<B_M<A_S.

3.4.3温差补偿装置的选用

固定管板式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换

热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有

流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连

接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由

于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚

至毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50c以上时，为

安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低

于60〜70c和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，

难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

3.4.4管、壳程接管

a、管程接管的选用：根据其设计压力为1.03MPa,材料为Q245R钢，设计温度为110℃

下的许用应力为lOOMpa,

可计算得：

p1.05

Sch.x=1000x,jjy=1000x100=103。

根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.2O系列的管子由于接管内流速

<3m/s,可选用公称直径DN100,壁厚4mm的管子。

根据《固定管板式换热器的结构设计》表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm。

b、壳程接管的选用：根据其设计压力为l.OIMPa,材料为Q245R钢，设计温度为110℃

下的许用应力为lOOMpa,

可计算得：

Sch,x==1Q0Qx=IQilQ

根据《过程装备成套技术设计指南》表9-8应选用Shc.lO系列的管子由于接管内流速

<3m/s,可选用公称直径DN25,壁厚4.5mm的管子。

根据《固定管板式换热器的结构设计》表-6-6查得管子的外伸长度为200mm。

3.5换热器主要结构尺寸和计算结果表

3.5.1管径和管内流速

根据标准，选用619X2的传热管，则管内径：

ctf=19—2X2=15mm

取管内流速％=O^m/s

3.5.2选取管长、确定管程数和总管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数：

二=些等娱明位泌根

于呼耽1x0.0152x0.6

按单程管计算，所需的传热管长度为：

A_145,705_

L=3,14X0,015X305=10,14

总管数：按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。我国生产的钢管系列标准

中管长有1.5m,2m,3m,4.5m,6m和9m，根据选定的管径和流速，现取传热管长l=6m。

则该换热器管程数为：

%=与==1.69%2

传热管总根数：

N=305x2=61018

3.5.3传热管排列和分程方法

本设计采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。

取管心距a=L25do,则：

a=1.2Sx19*24mm

隔板中心到离其最近一排管中心距:

a24

B=亍+6=^-+6=13mm

则分程隔板槽两侧相邻管中心距：

纵=36mm

横过管束中心线的管数：

%=m算=l,lx、3硒=27.17v

354壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率n=o.8,则壳体内径为:

L05xZ4X695.86mm

圆整可取D=700mm

3.5.5折流板

采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:

H=25%KD=Q,25X700=175mm

取折流板间距:

B=。,6。=0,6X700=420mm

取标准600mmo

折流板数：

6000

-1=9块

600

根据以上相关设计，其主要结构尺寸和计算结果如表3-6所示。

表3-6换热器主要结构尺寸和计算结果

参数管程壳程

进/出口温度/℃69.2/71.78125/124.7

压力/MPa11

定性温度/℃70.49124.8

物密度/(kg/m3)996.461099.1

性定压比热容/[kJ/(kg.k)]2.4323.804

粘度/(Pa.s)0.0009650.0007707

热导率(W/mk)0.60270.2557

设形式列管式壳程数1

壳体内径/mm350台数1

备管径/mm4)19X2管心距/mm25

结管长/mm2000管子排列正三角形

管数目/根610折流板数/块9

构

传热面积/m2137.6折流板间距/mm420

参管程数2材质Q245R钢

主要计算结果管程壳程

流速/(m/s)1.560.2

表面传热系数/[表(m2885.885435.27

k)]

污垢热阻/(m2k/W)0.000170.00017

热流量kg/h362575

传热温差/℃9.2

传热系数/[W/(m2,,k)240.2

面积裕度/%22%

3.6换热器校核

利用SW6-98对换热器进行校核，校核结构如下:

表3-7固定管板式换热器设计

固定管板换热器设计计算计需单位中航一集团航空动力控制系统研究所

设计计算条

壳程管程

设计压力P，1.103MPa设计压力P、1-103MPa

设计提度1&0•c设计涯度:110'C

分靠梅Di500管号圆鲁内径Di5003Q

财料名称Q245K材料名称Q245K

笛图

1JLTL-[

M::z:zqtq

4一CFTrl皿

计算内容

壳程囱筒校核计鬟

前端管箱回母校楼计鬟

前第管箱封头（平蜀校校计鬟

后谓管箱回13校校计算

后端管箱封头（平勤校帙计鬟

开孔补强设计计鬟

管板校校计算

表3-8前端管箱筒体计算

前第管箱管体计算计篁单位中航一集团肮空动力控制系统研究所

干夏斯依嵬的标准