原油预热器的设计课程设计

荆楚理工学院JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY课程设计成果学院: 化工与药学院班级13过控（2）班学生姓名: 黄超学号:设计地点（单位）A2204设计题目: 原油预热器的设计完成日期：2014 年12 月11 日指导教师评语:_____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________成绩(五级记分制):教师签名:荆楚理工学院课程设计任务书设计题目：原油预热器的设计设计内容及要求1.设计内容某炼油厂需用柴油预热原油。

要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。

1)确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

2)估算换热器的传热面积。

3)计算换热器的主要工艺结构尺寸。

4)对换热器进行核算。

5)绘制原油预热器工艺流程图。

6)绘制换热器工艺条件图。

2.设计要求：1)方案和流程的选择要阐明理由；2)设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计算过程；3)设计结束后要对计算结果进行汇总；4)说明书要采用统一封面和A4纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成册上交。

3.设计参数1)两侧的阻力损失均不超过5103.0 Pa。

2)所设计的列管式换热器为非标准式。

3)柴油和原油的有关参数如下表：4.进度要求1)2014.12.8 搜集查阅资料，确定设计方案2)2014.12.9 完成换热器工艺计算及主要结构尺寸设计3)2014.12.10 换热器校核、绘图4)2014.12.11 编写设计说明书5)2014.12.11 装订、上交课程设计报告5.参考资料1)马江权，冷一欣.化工原理课程设计.第四版. 北京：中国石化出版社，20092)王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，20103)张洪流，张茂润.化工单元操作设备设计.华东理工大学出版社，20114)匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20085)化工工艺设计手册（第四版）上册.北京：化学工业出版社，20146.说明1)本表应在每次实施前一周有负责教师填写二分，教研室审批后交学院备案，一份由负责教师留用。

2)若填写内容较多可另纸附后。

3)一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。

指导教师：郝修丽教研室主任：郝修丽2014年12月1日目录1. 列管式换热器综述述 (3)1.1 列管式换热器基本简介 (3)1.2 列管式换热器种类介绍 (3)1.2.1 管板式换热器 (3)1.2.2 浮头式换热器 (4)1.2.3 填料函式换热器 (4)1.2.4 U型管式换热器 (5)1.3 设计规范 (5)2.设计条件及设计任务 (6)3. 确定设计方案 (7)3.1 选择换热器的类型 (7)3.2 流动空间及流速的确定 (7)4. 确定物性参数 (7)5. 计算总传热系数 (8)5.1 热负荷 (8)5.2平均传热温差 (8)5.3 总传热系数 (8)6. 计算传热面积 (9)7. 工艺结构尺寸的计算 (10)7.1管径和管内流速 (10)7.2 管程数和传热管数 (10)7.3 平均传热温差校正及壳层数 (10)7.4 传热管排列和分程方法 (10)7.5壳体内经 (11)7.6折流板 (11)7.7接管 (12)7.8 拉杆的确定 (12)8.换热器核算 (12)8.1热量核算 (12)8.1.2 管程对流传热系数 (13)8.1.3 传热系数K (14)8.1.4 传热面积 (14)8.2 换热器的内流体的流动阻力 (15)8.2.1 管程流动阻力 (15)8.2.2 壳层阻力 (15)8.2.3 换热器主要结构尺寸和计算结果 (16)9. 设计评述 (18)10.工艺流程图 (19)11.工艺条件图 (19)12. 布管图 (20)13.符号说明 (21)致谢 (22)参考文献 (23)1. 列管式换热器综述1.1 列管式换热器基本简介列管式换热器列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。

在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另一种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。

为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。

折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。

常用的折流挡板有圆缺形和圆盘形两种，前者更为常用。

列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力，根据所采取的温差补偿措施。

1.2 列管式换热器种类介绍1.2.1 固定管板式换热器图1 固定管板式换热器列管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50℃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60～70℃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。

1.2.2 浮头式换热器图2 浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。

其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。

其缺点为结构复杂，造价高。

1.2.3 填料函式换热器图3 填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。

但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。

1.2.4 U型管式换热器图4 U型管式换热器U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。

管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。

优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。

1.3 设计规范本换热器的设计是按照管壳式换热器GB 151-1999标准执行，并遵照《钢质石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》。

2.设计条件及设计任务设计题目：原油预热器的设计设计内容及要求1.设计内容某炼油厂需用柴油预热原油。

要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。

1)确定设计方案：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

2)估算换热器的传热面积。

3)计算换热器的主要工艺结构尺寸。

4)对换热器进行核算。

5)绘制原油预热器工艺流程图。

6)绘制换热器工艺条件图。

2.设计要求：1)方案和流程的选择要阐明理由；2)设计计算过程中所采用的公式、数据、图表要注明出处，要列出详细计算过程；3)设计结束后要对计算结果进行汇总；4)说明书要采用统一封面和A4纸打印，要条理清晰，排版美观，装订成册上交。

3.设计参数4) 两侧的阻力损失均不超过5103.0⨯Pa 。

所设计的列管式换热器为非标准式。

5) 柴油和原油的有关参数如下表：3. 确定设计方案 3.1 选择换热器的类型Cc q Q T )t (t c q Q T T c q Q Q Q p m p m p m 8.129 48.2330003696000175 T 1026.7kw h 3696000kJ/ )70110(2.220004 )( 11212122222111121=⨯-=-===-⨯⨯=-=-==且（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P142 4-36）两流体温度变化情况：热流体（柴油）进口温度175℃，出口温度129.8℃；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，原油容易结垢，且换热器的管壁温度和壳体壁温度之差较大，同时为了便于拆卸清理，因此确定选用浮头式换热器。

3.2 流动空间及流速的确定由于原油的容易结垢，且粘度大，在装有者流挡板的壳层中流动有利于提高湍流，增大传热系数，柴油温度高，且为了减少热损失和充分利用柴油的热量，以及清洗方便，流程采用柴油走管程，原油走壳程。

选用Φ25×2.5mm 的无缝碳钢管，管内流速初步取u 1=1.0m/s 。

4. 确定物性参数已知定性温度下，原油、柴油的物性参数如下：kw/m . λ k kJ/kg . c sPa . μ kg/m ρ kw/m . λ k kJ/kg . c s Pa . μ kg/m ρp p ⋅=⋅=⋅⨯==⋅=⋅=⋅⨯==--1330导热系数 482比热10640 粘度 715 密度柴油：1280导热系数22比热1003粘度815 密度 原油：113131223232 5. 计算总传热系数 5.1 热负荷1026.7kwh 3696000kJ/ )70110(2.220004 12222==-⨯⨯=-=)t (t c q Q p m（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P142 4-35）5.2平均传热温差Ct t t t t m 3.62708.129110175ln 708.129110175ln 2121'=-----=∆∆∆-∆=∆）（）（ （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P144 4-40）5.3 总传热系数 管程传热系数：4411111023.2104.67150.102.0Re ⨯=⨯⨯⨯==-μρu d （公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P28）()()℃m W c u d d p ⋅=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-24.0438.044.0118.01111111/970133.0104.61048.21023.2020.0133.0023.0023.0λμμρλα（公式来自王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理 P132 4-19）壳程传热系数假设壳程的传热系数()℃m W ⋅=22/540α 污垢热阻W℃m R R d d /1044.32421⋅⨯==-管壁的导热系数()℃m W ⋅=/45λ22212111211αλα++++=d m d R d bd d d R d d K54011044.30225.045025.00025.0020.0025.01044.3020.0970025.0144+⨯+⨯⨯+⨯+⨯=--()℃m W ⋅=2/5.251 （本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P64 2-14） 6. 计算传热面积23m '5.653.625.251107.1026t 'm K Q S =⨯⨯=∆=（本公式来自马江权，冷一欣.化工原理课程设计 P62 2-5）考虑15%的面积裕度 S=S ’×1.15=65.5×1.15=75.36m 27. 工艺结构尺寸的计算 7.1管径和管内流速选用Φ25mm ×2.5mm 传热管(碳钢),取管内流速u 1=1.0m/s 。