浮头式换热器工艺说明书

化工原理课程设计

原油加热器——浮头式换热器工艺说明书

学院：材料科学与工程

专业：高分子材料与工程 班级：高分子112班

姓名： ***

学号：**********

指导教师：佟 白

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2 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

目录

第1章

绪论 .......................................................................................................... 错误!未定义书签。

设计任务和设计条件 ............................................................................................................... 3

第2章

工艺设计与计算 .................................................................................................................... 3 2. 1浮头式换热器的选用 ........................................................................................................ 3

2.1.1 流动途径 ................................................................................................................. 3 2.1.2 物性参数的确定 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2.1.3 热负荷的计算 ......................................................................................................... 3 2.1.4 估算传热面积A ..................................................................................................... 4 2.2 工艺结构尺寸 .................................................................................................................... 4

2.2.1 管径和管内流速 ..................................................................................................... 4 2.2.2 管程数和传热管数 ................................................................................................. 4 2.2.3 平均传热温差校正及壳程数 ................................................................................. 5 2.2.4 传热管排列和分程方法 ......................................................................................... 5 2.2.5 壳体内径 ................................................................................................................. 6 2.2.6 折流板 ..................................................................................................................... 6 2.2.7 接管 ......................................................................................................................... 6 2.2.8 法兰 ....................................................................................................................... 14

2.2.9 其他附件.................................................................................. 错误!未定义书签。 2.3换热器核算 ....................................................................................................................... 7

2.3.1 传热能力核算 ......................................................................................................... 7 2.3.2壳程流体传热膜系数 .............................................................................................. 7 2.3.3管程传热膜系数 ...................................................................................................... 8 2.3.4总传热系数 .............................................................................................................. 8

2.3.5传热面积裕度 2.3.6壁温核算

2.3.7换热器内流体的流动阻力 ...................................................................................... 9

2.3.8管程流体阻力 .......................................................................................................... 9 2.3.9壳程流体阻力 ........................................................................................................ 11

第3章

3.1设备参数计算

3. 2设计结果一览表 错误!未定义书签。

参考文献 ............................................................................................................................. 15 主要符号说明 ..................................................................................................................... 16 设计评述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

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3 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

设计任务和设计条件

原油处理量：44000Kg，柴油处理量：34000Kg， 操作条件：1、原油入口温度70℃，出口温度110℃; 柴油入口温度175℃；

2、两侧污垢热阻均为0.0002（m2·℃）/W 3、两侧压力不可大于0.3at； 4、换热器热损失为5%Q 5、K预选为250W/(m2·℃) 设计一个浮头式换热器将原油加热

工艺计算及设备的结构计算

3.1浮头式换热器的选用 3.1.1 流动途径

由于原油粘度大，为了减小损失和充分利用柴油的热量，采用柴油走管程，原油走壳程。

3.1.3 热负荷的计算

柴油：进口温度T1：175℃ 出口温度：T2

原油：进口温度 t1：70℃ 出口温度t2：110℃ 热负荷为：

Q=1.05W1Cp1(t2-t1)=1.05(44000/3600)×2.2×(110-70)=1.129×106 (W)

则柴油出口温度为：

Q4.08106 T2T117517548127(℃) 4W2CP23.4102.48管程柴油定性温度为

175127T151(℃)

2壳程原油定性温度为

70110t90(℃)

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4 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

由上两个定性数据，查阅参考书可得柴油和原油的物理性质如下；

物性参数 密度/kg/m3 比热容/[kJ/(kg·K)] 粘度/(Pa·s) 热导率/[w/(m·K)]

3.1.4 估算传热面积A

t1 =T1-t2=175-110=65(℃) t2=T2-t1=127-70=57(℃)

因为

柴油 715 2.48 6.4×10-4 0.133 原油 815 2.2 3.0×10-3 0.128 t165==1.14<2 t257t1t261℃ 2 所以tm=

预选K=250W/(m2·℃)，计算结果不符合要求，重新估取K=280 W/(m2·℃)

A估=Q/(K△tm)=1.129×10∧6/(280×61)=66.1(m2)

3.2 工艺结构尺寸 3.2.1 管径和管内流速

选用25mm2.5mm较高冷传热管（碳钢）。取管内流速ui=1m/s。 3.2.2 管程数和传热管数 单程需管数： nVsdi2ui34000/71542.0742（根） 20.7850.0214 桉单管程算总管长为：

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5 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

L=A/(πdins)=66.1 /(3.14×0.02×42)=25.05(m)

按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。取传热管长L′=6m， 则管程数：

Np=L/L′=25.05/6≈4(管程) 传热总根数：

N=424=168（根） 3.2.3 平均传热温差校正及壳程数 RT1T21751271.2 t2t111070

P=(t2-t1)/(T1-t1)=(110-70)/(175-70)=0.38

由《化工原理课程设计》在单壳程、四管程的图 3-28 对平均温度差校正系数图 查得 =0.91>0.8 故选单壳程、四管程。

平均传热温差校正为△t′m=△ψ△tm=0.91×61=55.51(°C)

3.2.4 传热管排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内均按正方形排列，其优点是管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流体传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。

取管心距t=1.25d0，则：

t=1.2525=31.2532(mm) 隔板中心到离其最近一排管心距离：

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6 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

t s=+6=32+6=22(mm)

22 则各程相邻的管心距为：222=44(mm) 3.2.5 壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体的内径为; Di=1.05t(N／η)0.5=1.05×32×(168／0.7)0.5=520.53(mm)

圆整得Di=600mm

3.2.6 折流板

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%。则切去圆缺高度为：

h=0.25Di=0.25×600=150(mm) 折流板间距：

B=0.4Di=0.4×600=240(mm) 折流板数：

NB=6000／240－1=24(块) 3.2.7 接管

壳程中接管，由《化工原理课程设计》表 3-16 流体在管内流动的适宜流速可取u1=0.5m／s。

则壳程接管直径为：

D1D1=200mm

4Vs'4u24400081536000.20（m）3.140.5可取

管程中接管，由《化工原理课程设计》表 3-16 流体在管内流动的适宜流速可取流速u21m/s

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7 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

则管程接管直径为：

D2D2=150mm

3.3 换热器核算

3.3.1 传热能力核算

4Vs4u23400036007150.13(m),圆整后可取3.1413.3.1.1壳程流体传热膜系数

由于壳程流体原油的黏度较大，且易结垢，为了便于清洗，则换热管的排列方式选正方形排列。

换热管按正方形排列，则当量直径为：

2d023.140.025224t40.032440.027m d00.025de壳程流体的截面积为：

d0S0BDi10.240.6t壳程流体流速：

0.025210.032m 0.032u0=V0／S0=44000／(3600×815×0.032)=0.47(m／s) 雷诺数：

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8 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

Re0deu000.0270.478153447.5303.010

cp002.21033.010351.56

0.128μ）0.14=0.92 μw普兰特数： pr 取（

则壳程传热膜系数为：

10.1280.5513μ0.140.5500.36Re0pr()0.363447.5(51.56)3×0.92515.6deμ0.027w

3.3.1.2管程传热膜系数

管程流体流通截面积： Si 雷诺数：

Re 普兰特准数： prdi2N440.7850.0221680.0132(m2) 4diii0.02171522343.75 3i0.10cpii2.481030.10311.93

i0.1330.8nRepr可得 di 因为管程中柴油被冷却，故n=0.3 ，则由i0.023 管程传热膜系数：

i0.0230.133(22343.75)0.8(11.93)0.3970.2(W/m2•℃) 0.023.3.2 总传热系数

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9 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

1k计10RS0dd0bd0Rsi0dmdiidi10.00250.0250.02510.0250.00020.0002515.5.30.02250.02970.20.020.00374

K计267.38（W/m2·℃）

可求得所需要的传热面积为：

SiQK计tm1.129106 76.（1m2）267.3855.51换热器实际传热面积：

Sp=∏d0L′N=3.14×0.025×6×168=79.1(m2) 3.3.3 传热面积裕度

H= [ (Sp-Si)／Si ] ×100％= [ (79.1-76.1) ／76.1 ] ×100％=3.9％ 3.3.4 壁温核算

先忽略壁的热阻，因其很小，则管壁温度为：

TTmtmch1c1

h流体平均温度：

Tm=0.4×175＋0.6×127=146.2(℃),tm=0.4×110＋0.6×70=86(℃) αc=α0=515.6，αh=αi=970.2

平均壁温为T=（146.2／515.6＋86／970.2）／（1／515.6＋1／970.2）=124.07（℃）

壳体壁温近似取为壳体平均温度，t=90℃

传热管壁温和壳体壁温之差 t124.07c90c34.07c 温差不是很大。故不需设

温度补偿装置。选浮头式换热器则可。

3.3.3换热器内流体的流动阻力 3.3.3.1管程流体阻力

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10 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

管程总阻力的计算式：

P(PP)FNi12tSNP

其中流体流过直管段由于摩檫引起的压力降计算式为:

lρui2 P1di2 由传热管的相对粗糙度／s,

查莫狄图得：0.038

d0.20.01和Re22343.75 1.0m，流速u=1.0m20

则：

671512P10.0384075.5(Pa)

0.022 流体流过弯管因摩檫所引起的压力降计算式为：

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11 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

2ui P2()

2 为局部阻力系数，一般情况下取3，则流体流过弯管因摩檫所引起的压力降为：

P2()2715123()

21072.5(Pa)ui2

由25mm2.5mm管得Ft1.4，且：NS1 NP4 则柴油流体流动阻力为：

Pi(4075.51072.5)1.41428828.8(Pa)<0.3atm

所以管程符合要求。 3.3.3.2壳程流体阻力

当壳程装有圆缺型折流板时，壳程压力降计算式为：

P(PP)FsNs

0'1'2流体流过管束压力降的计算式：

2ρu0PFf0nc(Ns1)

2'1 换热管按正方形排列，取F=0.3，则：

nc1.19N1.1916815.42

因为Re03447.5500 所以：

f05.0Re0.2285.0×3447.50.2280.7806 又： u0 =0.47m／s 则流体流过管束压力降为：

P'2u0Ff0nc(NB1)2

8150.472 0.30.780615.42(241)28126.387(Pa)11

12 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

流体通过折流板缺口的压力降为：

P'222bu020.248150.472NB(3.5)24（3.5-）5833.085(Pa)Di20.62

Ns=1,且对流体取Fs=1.15 则壳程压力降为：

P0(P1'P2')FsNs（8126.3875833.085）1.1516053.39(Pa)<0.3atm

所以壳程符合要求。 设备参数计算 壳体壁厚

其中钢密度为7850kg·m3

由P0=1.6MPa，Di=600, 对壳体与管板采用单面焊，焊接接头系数φ=0.65，腐蚀度C=2mm。碳素钢、普通低合金钢板许用应力［］=113MPa,

=P0Di2P0tC1.660028.6(mm),

21130.651.6Di=600mm,最小壁厚查《化工原理课程设计》表3-8 壳体的最小壁厚可得：

δ＝10mm

壳内直径

根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di=600mm。 本次采用公称直径为DN=600mm10mm的壳体，则D0=620mm,Di=600mm。 拉杆

由其折流板板间距B=240mm,和筒体公称直径DN=600mm查《化工原理课程设计》表 3-12 折流板的最小厚度得折流板厚度可取： δ＝4mm

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13 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

因为圆筒内径为600mm，由《化工原理课程设计》表 3-15 拉杆直径与最小拉杆数可查得：

其拉杆直径=12mm，根数为4根。

折流板 前面已算出： 折流板数：NB=24块 圆缺高度：h=150mm 板间距B=240mm 封头

本换热器采用椭圆型封头（JB1154—73）一个，材料采用高合金钢，焊接于管箱。

接管及法兰

壳程接管直径为：

D1可取D1=200mm

4Vs'4u24400081536000.20 （m）3.140.5

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14 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

管程接管直径为：

D2D2=150mm

3.2.8 法兰

4Vs4u23400036007150.13(m),圆整后可取3.141 选用凹凸面整体管制法兰，由管径和《管路附件设计选用手册》在可查得PN2.5MPa时的管法兰尺寸：

壳程接管法兰：D1=200mm，查表选用DN=200mm的凹凸面整体管法兰， 法兰外径为360mm，螺栓孔中心圆直径为310mm，螺栓孔直径26mm，螺栓规格：M24，数量12。

管程接管法兰：D1=130mm,采用DN=150mm的凹凸面整体管法兰； 法兰外径为300mm，螺栓孔中心圆直径为250mm，螺栓孔直径26mm， 螺栓规格：M24，数量8。

壳体及管箱法兰：D=600mm，查表选用DN=600mm的凹凸面整体管法兰；

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15 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

3. 4设计结果一览表

浮头式换热器主要结构尺寸和计算结果

主要计算结果 流速/（m/s） 对流传热系数/[W/(m2·c)] 污垢热阻/(m2·K/W) 阻力/Pa 热负荷/W 壳、管壁平均传热温度差/℃ 总传热系数/[W/(m2·K)] 裕度/ %

物性参数 进/出口温度/℃ 定性温度/℃ 密度/kg/m3 比热容/[kJ/(kg·K)] 粘度/(Pa·s) 热导率/[w/(m·K)] 普兰特数

管程 175/127 151 715 2.48 6.4×10-4 0.133 11.93 壳程 70/110 90 815 2.2 3.0×10-3 0.128 51.56 267.38 3.9% 管程 1.0 970.2 0.0002 28828.8 1.129×106 34.07 壳程 0.47 515.6 0.0002 16053.39

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16 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

参数 设 备 结 构 参 数 壳体内径/mm 管径/mm 折流板间距B/mm 传热面积/m2 管数目/根 管程数

管程 浮头式 600 φ25×2.5 240 79.1 168 4 台数 壳程数 管间距t/mm 管子排列 折流板数/个 管长/mm 材质 壳程 1 1 32 正方形 24 6000 碳钢 形式 参考文献

[1]李然,郑旭煦.化工原理（上册）[M].武汉:华中科技大学出版,2009. [2]杨长龙.化工原理课程设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.

[3]化工设备设计全书编辑委员会.换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社,1988. [4]朱跃钊,廖传华,史勇春.传热过程与设备[M].北京:中国石化出版社,2008. [5]天周明衡,常德功.管路附件设计选用手册[M].北京:化学工业出版社,2004. [6]张承翼,李春英.化学工程制图机械制图[M]. 北京:化学工业出版社,1994.

[7]化工部设备设计技术中心站.钢制管法兰、垫片、紧固件[M]..北京:化工部工程建设标 准编辑中心,1998.

[8]董大勤,高炳军,董俊华.化工设备机械设计基础[M].北京:化学工业出版社，2012. [9]宋宝宇.简明机械设计手册[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008 [10]赵慧清,蔡记宁.化工制图[M]. 北京：化学工业出版社，2008

[11]李建新,李东生,徐眉举.计算机绘图应用教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2009

主要符号说明

ρ－密度，kg/m3 μ－黏度，Pa•s

Cp－比热，(kJ•kg•K) λ－导热系数，(W/m•K)

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17 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

T－热流体温度，℃

t－冷流体温度／管心距，℃／ｍｍ Q－热负荷，W A－传热面积，m2

tm－平均传热温度差，℃ K-总传热系数，W/(m2•℃) u-流速，m/s ｎ－管数，根 N-管数，程数

d－管径，mm B－折流板间距，mm NB－折流板数 Vｓ－体积流量，m3/h Re－雷诺数 Pr－普兰特数

0－壳程流体传热膜系数 i－管程流体传热膜系数

F－面积裕度/管子排列方式对压力降的校正因数

Pi－管程总压力降，Pa

NS－壳程数

L-管长，m Nｐ－管程数 R，P－辅助量

－对数平均温度差校正系数

ｓ－隔板中心到离其最近一排管心距离

Di－换热器外壳内径，m η－管板利用率

h'－圆缺高度，mm P0－壳程总压力降，Pa

Fs－壳程压力降结垢校正因数 Ft－结垢校正系数

f0－壳程流体的摩擦因数nc－通过管束中心线的管子数

R－热阻，m2•℃/W W-质量流量，kg/h17

18 原油加热器——浮头式换热器设计说明书

小结

本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。 通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。我还要感谢我的指导老师佟白老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。限于我们的水平设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评

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