柴油原油换热器设计处理量2.7×105 吨柴油原油换热器设计.doc

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1、吉林化工学院 油气储运专业 课 程 设 计题目 处理量2.7105吨/年柴油-原油换热器设计 课程设计任务书1设计题目：处理量20万吨/年柴油-原油换热器设计2操作条件：（1）原油：入口温度70C；出口温度110C；（2）采用柴油加热，入口温度170，出口温度124C； （3）已知两侧污垢热阻为0.0002C/W,管程与壳程两侧降压小于或等于0.3at，热阻损失5%。（4）相关物性数据：原油在90，1.2MPa下的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）定压比热容cpi kJ/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）原油 8152.26.6510-3 0.128 柴油在147的物性

2、数据如下：物性密度o（kg/m3）定压比热容cpo kJ/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）柴油718 2.460.6610-30.139（5）每年按330天计，每天24小时连续生产。3设计任务：（1）处理能力：2105t/a原油；（2）设备型式：自选（3）选择适宜的换热器并进行核算；（4）绘制带控制点的工艺流程图和设备结构图，并编写设计说明书。4设计要求：为使学生独立完成课程设计，每个学生的原始数据均在处理量上不同，即学号在116号中，每上浮0.1105t/a为一个学号的处理量（例如1号换热器处理量量为1.5105 t/a；2号换热器处理量为1.6105 t/a等依此类推）；

3、5参考书：（1）化工设计手册上、下，上海医药设计院；（2）谭天恩.麦本熙，化工原理下册，化学工业出版社出版；（3）匡国柱.史启才，化工单元过程及设备课程设计；（4）化工设计全书编辑委员会，金国淼等编，吸收设备化学工业出版社；（5）陈敏恒等编化工原理下册，化学工业出版社出版；（6）其它参考书。 油气储运系 2011年12月摘要 课程设计是学生理论联系实际的一次很好的机会，本文是对热变换器进行一次选型设计。 本设计内容是处理量为27万吨/年原油加热器的设计，本设计采用浮头式换热器，采用柴油加热原油。 本设计完成了换热器的工艺计算，包括柴油和原油的基础物性数据，换热器面积估算，换热器工艺结构尺寸的计

4、算，并分别进行核算，绘制了带控制点的工艺流程图，换热器装配图。关键词：浮头式换热器；柴油；原油AbstractCurriculum design is a great opportunity for students to use the theory they learned into the practice, this is a type design for heat transformer. The content is designed handling capacity of 27 tons / year of crude oil heater design, the desig

5、n uses a floating head heat exchanger, diesel heating crude. The heat exchanger design complete the process calculation, including both diesel and crude oil physical property based data, heat transfer area estimation, the size of the heat exchanger structure process calculation, and were accounted f

6、or respectively, draw a flow chart with control points, heat exchanger assembly drawing.Key words:floating headheat exchanger; diesel fuel; crude目录课程设计任务书I摘要IIIABSTRACTIV第一章 绪论11.1换热器的技术概论11.2换热器设备的发展31.3 换热器在工业生产中的应用4第二章 设计方案72.1换热器类型的选择72.2流程的安排8第三章 换热器的工艺计算93.1 基础物性数据93.2 换热器面积的估计93.2.1热负荷93.2.2平

7、均传热温差103.2.3平均传热温差校正103.2.4传热面积103.2.5柴油的用量113.3换热器工艺结构尺寸的计算113.3.1管内和管外流速计算113.3.2管长管径计算133.3.3传热管排列和分程的选择133.3.4壳程数的确定133.3.5壳程内径计算133.3.6折流板的选择133.4换热器核算133.4.1传热能力的核算133.4.2壁温核算143.4.3换热器流体流动阻力计算153.5 换热器主要结构尺寸和计算算结果汇总163.6 主要符号说明17设计过程的评述和有关问题的讨论18参考文献19附录20结束语23致谢24第一章 绪论1.1换热器的技术概论 换热器（英语翻译：h

8、eat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器是许多工业生产部门的通用工艺设备，尤其是石油、化工生产中应用更为广泛，在化工厂中换热器可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，从早期发展起来的列管式换热器到近年来不断出现的新型、高效换热设备，各具特点。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选择适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。换热器的类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构设计上，需根据各自的设备二点采用不同的计算方法而已。列管式换热器是目前化工

9、生产中应用最广泛的一种换热器，它结构简单，坚固，制造容易，材料广泛，处理能力可以很大，适用性强，尤其在高温高压下较其他型式换热器更为适用。当然，在传热效率、设备的紧凑性、单位面积的金属消耗量等方面，还稍逊于各种板式换热器，但仍不失为目前化工厂中主要的换热设备。列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。因管束与壳体的温度不同会引起热膨胀程度的差异，若两流体的温度相差较大时，就可能由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，列管式换热器有以下几种型式。（1）固定管板式换热器 固定管板式换热器如图所示。它由壳体、管板、管束、封

10、头、折流挡板、接管等部件组成。管子两端与管板的连接方式可用焊接法或膨胀法固定，壳体则同管板焊接，从而管束、管板与壳体成为一个不可拆卸的整体。 优点：结构简单、紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生了污垢也便于清洗。 缺点：壳程检修和清洗困难。 主要适用于壳体和管束温差小，管外物料比较清洁，不易结垢的场合。当冷、热流体间温差超过50时，应加补偿圈以减少热应力。图1-1固定管板式换热器（2）浮头式换热器 浮头式换热器如图所示。其两端管板之一不与外壳连接，可以沿管长方向浮动，该端称为浮头。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 优点：当换热管

11、与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间清洗和检修。 缺点：结构复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮头管间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。 适用于两流体温差较大的各种材料的换热，应用较为普遍。图1-2浮头式换热器（3）U形管式换热器 U形管式换热器如图所示。该换热器的每根管子都弯成U形，管子的两端固定在同一块管板上。封头内用隔板分成两室，管程至少为两程。管子可自由伸缩，与壳体无关。 优点：结构简单、只有一块管板，质量轻，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。 缺点：但管内清洗困难，制造困难，管板利用率低，报废率较高

12、。 适用于高温、高压、管内为清洁的流体的场合。图1-3 U形管式换热器（4）填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图所示。该换热器是管板只有一段与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。 优点：结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。 缺点：填料函耐压不高，壳程介质可能通过填料函外漏。 对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。图1-4 填料式换热器1.2换热器设备的发展 20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开

13、发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府、民间研究机构和企业都加大了投入资金力度。 1物性模拟研究 换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，

14、准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组分组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。 2分析设计的研究 分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国ANSYS软件技术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强队计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、快捷、准确

15、地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。 3大型化及能耗研究 换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m,传热面积将达到单位10000m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷凝将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠地换热器机构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、搞笑的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。4强化技术研究 各种新型、高效换热器将逐步取

16、代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。5新材料研究 材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛等稀有金属使用量将扩大，CrMo刚才聊将实现不预热和后热的方向发展。6控制结垢及腐蚀的研究 国内污垢数据基本上是20世纪60年代70年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术

17、发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗、长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发张。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。1.3 换热器在工业生产中的应用换热器是一种实现物料之间热量传热的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的3045.近年来随着节能技术的发展，应用领

18、域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器。随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤加氢，汽油、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器，密封环换热器、金属垫圈使换热器、密封盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时也适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然气等场合，可满足承压高达35MPa，承温达700的使用要求。在这些场合，换热器战友的投资占50以上。进入20世纪

19、90年代以来，随着装置大型化的的发展要求，大型换热器的使用需求增加。经过20年的努力，在传热技术上国内已研制成功的双壳程换热器、大型板壳式换热器，具有强化传热的高效换热器，有效地解决了传热效率低的问题；折流杆换热器的应用有效地克服了管束的振动，延长了管子的寿命，解决了震动损坏，提高了工艺性能，降低了动力消耗，且宜用于较脏的场合。板翅式换热器的发展，使换热器的效率提高到新的水平，结构更紧凑。这种换热器的采用，满足了飞机发动机中间冷却和内燃机车发动机、汽车发动机冷却的需要。由于具有体积小、重量轻、效率高、可处理两种以上介质的优点，这种换热器迅速在石油化工、乙烯装置中得到推广应用。在低温场合采用板翅

20、式换热器可减小体积515倍，节约重量2030倍以上。随着铝及铝合金钎焊技术的日趋发展，应用场合及范围将越来越广泛。新型高效、紧凑式换热器的另一个结构形式板式换热器及板壳式换热器的应用亦不断得到拓展，由于城市集中供热的需求，越来越多的板式换热器得到使用，节省了占地面积，节约了金属耗量。随着城市集中供热规模越来越大，面积小于1000m2、使用温度小于200、压力小于2.0MPa的板式换热器已不能使用工的需要。国产第一台350m2板壳式换热器，已在中国石油克拉玛依分公司运行；国产3000m2板壳式换热器亦即将在中国石油乌鲁木齐石化分公司40万吨年重整装置中应用，结束了我国大型板壳式换热器依赖进口的局

21、面，这一领域技术已达到国际先进水平。螺旋板式换热器目前在石油、化工、冶金、电力中的应用较普遍，结构上已开发可拆和不可拆两种。作为紧凑式换热器品种之一，它的主要优点是：占地面积较小，安装方便。随着人民生活水平的提高，牛奶、果汁、明胶用量越来越大，大型多效板式蒸发器的开发适应了食品加工的发展。板式蒸发器国内技术已达到国际先进水平，板间大量蒸发降温既要满足杀菌作用，同时要达到浓缩和保证蛋白质的营养。在化肥、天然气液化、乙烯、煤气化装置中，螺旋绕管式换热器开发于70年代，应用于制氧等低温过程中。螺纹绕管式换热器结构是心筒与外筒之间的换热器之列。相邻两层螺旋状传热的螺旋方向相反，一般非为单层和多层，可同

22、时处理两种以上介质。 在氯碱行业及化工行业中强酸、强碱的强腐蚀场合较多，为了有效解决强腐蚀的问题，近年来研制成功的列管式石墨换热器、板式石墨换热器、玻璃钢换热器、氯塑料换热器、陶瓷纤维复合换热器等非金属换热器已在耐温、耐压上有所突破，在上述工业装置中得到推广使用。可处理的介质有盐酸、硫酸、醋酸和磷酸等强腐蚀介质，其传热面积最大可达1000m2，适用温度可达800以内，重量节约2倍，耐压可达2.0MPa，占地面积节省。随着全球水资源日益紧张，空冷式换热器已在石油、化工、冶金、核能、电力、行业得到大量的应用。空冷式换热器利用空气作为冷却介质，替代了循环水系统对环境的污染，节能效果非常明显。常用的空

23、冷式换热器有干式空冷器和湿式空冷器，90年代中期以后国内兰州石油机械研究所针对全球气温变暖，环境温度增高，常规空气冷却能力下降的现实，根据凉水塔的原理，开发了表面蒸发时空冷器用于炼油、化工、乙烯、天然气、冶金装置中，可是介质温度冷却至高于环境湿球温度5，既节省占地面积1/2，又节省操作费用67，目前已在工业中大量推广使用，一年内收回全部投资。新世纪开始后，代表国际领先技术水平的板式空冷器研制成功，它结构紧凑、占地面积小、重量轻、换热面积大、压降低、投资低，将在工业装置中起到巨大的作用。近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少传热面积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究

24、取得了显著成绩。流程优化软件技术的发展带来了换热器应用的增多。20世纪80年代常减压装置的换热器用量在70台左右，90年代换热器用量达90100台，90年代末至今已超过140台。换热器的大量使用有效地提高了能源的利用率，使企业成本降低，效率提高。第二章 设计方案2.1换热器类型的选择工业换热器通常按以下诸方面来分类：结构、传热过程、传热面的紧凑程度、所用材料、流动形态、分程情况、流体的相态和传热机理等。按所有材料分类 一般可把换热器分成金属材料和非金属材料两类。非金属的换热器主要有陶瓷换热器、塑料换热器、石墨换热器和玻璃换热器等。 按传热面的特征分类 根据管壳式换热器内传热管表面的形态，可以分

25、为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热器、螺旋绕管式换热器、翅片管换热器、内插物换热器、锯齿换热器等。 按流体流动形式分类 根据管壳式换热器内流体流动形式可以分为单程与多程。单程即流体一次性流过换热器的全称，而多程则是流体经过两次或两次以上往返流经换热器全程。 按流体在换热器内流动的基本方式可分为并流、逆流和错流三种形式。这三种流动形式中，逆流相比其他流动方式，在同等条件下换热器的壁画的热应力最小，壁画两侧流体的传热温差最大，因而是优先选用的流动形式。 按结构特点分类 可分为固定管板式、浮头式、U形管式

26、、填料函式、滑动管板式、双管板式、薄管板式等。 要使换热器能在给定的实际条件下很好地运行，必须在熟悉和掌握换热器的结构及其工作特点的基础上，并根据所给定的具体生产工艺条件对换热器进行合理的选型。在对换热器进行选型时，有诸多因素需要考虑，主要包括流体的性质、压力、温度、压降及其可调范围；对清洗、维修的要求；材料价格及制造成本；动力消耗费；现场安装和检修的方便程度；使用寿命和可靠性等。选用标准可总结如下：所选换热器必须满足工艺过程要求。流体经过换热器换热以后必须能够以要求的参数进入下个工艺过程。换热器本身必须能够在所要求的工程实际环境下正常工作。换热器需要能够抗工作环境和介质的腐蚀，并且具有合理的

27、抗结垢性能。换热器应容易维护。这就要求换热器容易清理，对于易腐蚀、强震动等破坏的元件应便于更换，换热器应满足工程实际场地的要求。换热器应尽可能地经济。选用时应综合考虑换热器的制造成本、安装费用、维护费用等，应使换热器尽可能地经济。选用换热器时要根据场地的限制考虑换热器的直径、长度、重量和换热器结构等。 本实验两流体温差较大和为了清洗壳程污垢，所以采用浮头式列管换热器。2.2流程的安排 流体通道的选择可参考以下原则进行： （1）不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子； （2）腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗； （3）高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且

28、可节省壳体金属的消耗量； （4）饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染壳程； （5）被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；（6）有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；本设计才用浮头式换热器，柴油加热原油，所以，壳程里是原油，因为柴油不易结垢，所以选择管子第三章 换热器的工艺计算3.1 基础物性数据（1）原油：入口温度70C；出口温度110C；（2）采用柴油加热，入口温度170，出口温度124C； （3）已知两侧污垢热阻为0.0002C/W,管程与壳程两侧降压小于或等于0.3at，热阻损失5%。（4）相关物性数据：原油在90，1.2MPa下的有关物性数据如下：物

29、性密度i（kg/m3）定压比热容cpi kJ/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）原油 8152.26.6510-3 0.128 柴油在147的物性数据如下：物性密度o（kg/m3）定压比热容cpo kJ/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）柴油718 2.460.6610-30.139（5）每年按330天计，每天24小时连续生产。3.2 换热器面积的估计3.2.1热负荷 原油的处理量为： 按原油所需的热量计算： （3-1） 3.2.2平均传热温差 确定流体的定性温度、物性数据并选择列管换热器的型式。 柴油的定性温度为： 原油的定性温度为： 由于两流体温差较大，故选

30、用浮头式列管换热器。 （3-2） 3.2.3平均传热温差校正 计算逆流平均温差 由R和P查图得：温差校正系数因0.8故可行 （3-3） 3.2.4传热面积 因K值与对流传热系数、污垢热阻等因素有关。在换热器的直径、流速等参数未确定时，对流传热系数也无法计算，所以初选K=190，则估算面积为： （3-4） 由于两流体温差较大和为了清洗壳程污垢，采用浮头式列管换热器。 初选：公称面积为， 管长L=6m，管数n=188 ，管程数Np=4，外壳直径D=600mm，选择管子尺寸,t=32mm。3.2.5柴油的用量 （3-5） 3.3换热器工艺结构尺寸的计算3.3.1管内和管外流速计算 管程 流通截面积：

31、 （3-6） 管内柴油流速： （3-7） 雷诺数： (3-8) 壳程 流通截面积： (3-9) (3-10) 取，取折流挡板间距h=0.2m， 则： 壳内原油流速： 当量直径： (3-11) 雷诺数： 3.3.2管长管径计算 因初选换热器标准，L=6m，Np=4，n=188，3.3.3传热管排列和分程的选择 t=32mm， 3.3.4壳程数的确定 壳程数为13.3.5壳程内径计算 D=600mm3.3.6折流板的选择 h=0.2m (3-12)3.4换热器核算3.4.1传热能力的核算3.4.1.1 壳程传热膜系数 （3-13） （3-14） 取则 3.4.1.2管程传热膜系数 Re=15122

32、 （3-15） 3.4.1.3污垢热阻和管程热阻 由基本参数可知3.4.1.4总传热系数 （3-16） 3.4.2壁温核算 计算所需传热面积A： 所选换热器的实际传热面积为： （3-17） （3-18） 核算结果表明，换热器的传热面积有12.8%的裕度，故可用。3.4.3换热器流体流动阻力计算3.4.3.1管程流体的阻力计算 （3-19） 当Re=15122时，查的摩擦系数 （3-20） （3-21） 3.4.3.2壳程流体的阻力计算 (3-22) (3-23) 因Re500，故 (3-24) 管子排列为正方形错列，取F=0.4。 挡板数 取污垢校正系数，则 3.5 换热器主要结构尺寸和计算算

33、结果汇总 表3-1 换热器主要结构尺寸和计算算结果汇总参数管 程壳 程流率/（kg/h）22611.1334090.91进/出温度/170/124110/70物性定性温度/14790密度/（kg/m3）718815定压比热容/（kJ/（kgK）1.462.2粘度/（Pas）0.000660.00665热导率/w/（mK）0.1390.128普朗特数11.7114设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列正方形管数目/根188折流板数/个29传热面积/m278.5折流板间距/m0.2管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流

34、速/（m/s）0.6950.29表面传热系数/w/（m2K）738380污垢阻力/（w/m2K）0.00020.0002阻力/MPa0.030.03热流量/W传热温差/51.26传热系数/w/（m2K）207裕度/%12.83.6 主要符号说明表3-2 主要符号说明表格Cp 定压比热容， kJ/(kg)d 管径 mD 换热器壳程内径 mf 摩擦因数F 系数 B 挡板间距， mK 总传热系数， W/(m2) 长度， mL 长度， mN 管数P 压强， Paq 热流量， W/m2Q 热速率或热负荷， Wr 汽化热或冷凝热， kJ/kgR 热阻， m2/WA 传热面积， m2t 流体温度， T 流体温度，