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1、课程实训任务书课程石油装备设”综合实训题目炼油厂柴油换热器的选用和设计主要内容：1 .液化气工艺概述；2 .换热器的工艺计算；3 .换热器的结构设计；4 .换热器的强度校核；5 .换热器的结果汇总。设计条件：炼油厂用原油将柴油从175冷却至130,柴油流量为12500kgh;原油初温为70。经换热后升温到110。换热器的热损失可忽略。操作压力为60KPa管、壳程阻力压降均不大于30KPa0污垢热阻均取0.0003Pas.主要参考资料：lGB150-2011,压力容器S.郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计M.北京：化学工业出版社,2010.3JB4731-2005,钢制卧式容器S.4JB471
2、2-2007,容器支座S.5JB4715-1992,固定管板式换热器型式与基本参数S.完成期限2013年3月24Fl指导教师专业负责人2013年2月25日第1章液化气工艺及流程图概述1液化石油-V工艺概述11.LI液化石油气的特点11.1.2液化石油气的来源1LL3液化石油气的提取2第2章列管式换热器的选用与工艺设计42.1 列管式换热器的概述42.2 初算换热器的传热面积42.3 主要工艺及结构基本参数的计算62.4 管、壳程压强降的校验92.5 总传热系数的校验122.6 列出所涉及换热器的结构基本参数14第3章换热器的结构设计153.1 筒体部分计算153.2 椭圆封头厚度163.3 管
3、板选取173.4 JX173.5 鞍式支座193.6 接管19第4章换热器的强度校核214.1 计算容器重量载荷的支座反力214.2 筒体轴向应力验算214.3 鞍座处的切向剪应力校核234.4 鞍座处筒体周向应力验算24第5章设计结果汇总26参考文献27第1章液化气工艺及流程图概述1.1 液化石油气工艺概述液化气又叫液化石油气，是以丙烷、丁烷、丙烯、丁烯为主要成分的妙类混合物。英文名称为L.P.G（LiquifiedPetroleumGas）。1.1.1 液化石油气的特点（1）液化石油气的主要成分丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等在常温常压下呈气态。但适当升高或降低温度容易转变为液态。临界温度为92-
4、162,临界压力为3.53-4.45MPa（绝）。（2）从气态转变为液态，体积可缩小250-300倍，使得液化气较其他燃气便于运输、贮存和输配。通常采用常温加压条件使液化气保持液态，因此用于运输、贮存和输配容器设备均为压力容器。在大规模液化气贮存中（贮存量超过10000t）,可考虑采用低温降压或低温常压法,以减少投资。（3）与其他城市燃气相比，液化气热值最高，低热值为45.1.45.9141/10.8可见用单壳程单管程合适，因此平均温度差=Mm=62.5C。2.2.1 按经验数值初选总传热系数K的选取KW=I50w(k)2.2.2 初算出所需传热面积S。利用总传热速率方程式：(2-5)式中S0
5、估算的传热面积，mK0假设的总传热系数，w(m2k)Attfl平均传热温度差，C得:SOQK()(估)&38750015062.5= 41.33m22.3 主要工艺及结构基本参数的计算列管式换热器结构主要基本参数包括：公称直径、公称压力、设计温度、换热管长、换热器规格、折流板间距及公称换热面积等。2.3.1 换热器选材换热管规格及材质的选定选用25mmX2.5mm钢管。2.3.2 换热器数量及长度的确定在选定管子的规格后，可有下式先求出单管程所需的管子数目:式中n单程管子根数；Vv管内流体的体积流量，m3s;u管内流体的适宜流速，m/s；dl管子内径，mo故：管数=工=SF=101.Pui7t
6、dr8153.140.020.17由上述估算出的管外表面积又可计算出单程管长度:SoEid。叫3.140.025101.14按商品管长系列规格，取管长L=6m2.3.3 管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。2.3.4 计算外壳内直径。式中Di壳体内径，m；管子中心距，用胀接方法连接，/=(1.3L5)d。；用焊接方法连接,t=1.25J0；横过管束中心线的管数;管子按正三角形排列：c=l.l;管子按正方形排列：%=1.19册；换热器的总管数；b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，相；通常取力=(11.5)4由于管中心距
7、r=1.25J0=1.250.025=32mm；横过管束中心线的管数/=1.1M=LlVlUl=I1.06根，取整=11根。管束中心线最外层的中心至壳体内壁的距离：b=1.5=1.50.025=0.038m所以0=0.03125(11-l)+20.0375=0.3875m=387.5mm实际值D：D=D.=387.51.1=426.25mm按壳体直径标准系列圆整，取D=450mm因为JL=幽=13.3,管长径比合适.D4502.3.5 画出排管图根据壳体内径R、管中心距t、横过管束中心距的管数4及其排列方式，绘制出排管图，如图21所示。由图可见，中心排有13根管时，按正三角形排列，可排139根
8、，除去4根拉杆位置，故实际管子根数N=135根。图2-1管子排列图2.3.6 计算实际传热面积SO及过程的总传热面积系数KOgSO=NMO(/-0D=135x3.14x0.025x(6-0.1)=62.53K =-Q-(X 选)5otm38750062.53 x 62.5= 99.15 w(m2 k)2.3.7 折流板直径。、数量及有关尺寸的确定选取折流板与壳体间的间隙为3.0mm,因此：折流板直径Dc=450-23.0=444mm切去弓形高度力=0.25D=0.25450=ll2.5mm折流板数量Ns=曳-1%取折流板间距=300mm,那么NB =6000-100300= 18.67块,取整
9、得猫=19块实际折流板间距=W字=295mm2.3.8 拉杆的直径和数量与定距管的选定选用G12mm的钢拉杆，数量4条，定距管采用与换热器相同的管子，即25mm2.5mm钢管。2.3.9 温度补偿圈的选用由于吐1型一四上112=62.5。050,故需考虑设置温度补偿圈。具体结22构尺寸可从有关标准查取。2.4 管、壳程压强降的校验列管式换热器压力降的校验,其目的是校验流体通过所设计换热器的压力降是否符合工艺的要求。若达不到要求是，需调整管、壳程数或折流板间距等，重新计算，直到满足要求为止。2.4.1 管程压强降（原油走管程）管程压力降可由一般的摩擦阻力公式求得：ZM=(M+坐WMNp式中管程总
10、压力降，Pa；小ft分别为单程直管阻力与局部阻力，Pa；F1校正系数，对于25mmx2.5mm管子，取E=1.4；Nx串联壳程数；NP管程数。据上述结果可知：管程数N,二l,串联壳程数N.二1;对于25mmx2.5mm的换热管，结构校正系数为4=1.4。换热器为单程管，=0;流体流经直管段(包括进、出口)的压力降为(2-10)她=(21+)驾=(丸；+1.5)与d2a2=103.80N/m取7=0.2mm,那么%=%O=O.01,可查得；1=0.027,故An6692.000.172P、(0.027+1.5)=96.(X)N/m10.022ZM=(96.00+0)1.411=134.40Pa5
11、000=5X(2663.12)0228=0.828 =0.50.828 13 20 715j322 =670.50 NmP2=%(35-为等=19X(3.5-295)9N/mM=I（单壳程）吊=1.15（液体）故有：X=1.15(670.50+259.06)=1069.00Pa30kPa2.5 总传热系数的校验通过校验总传热系数，使之与初选的传热系数的比值尽量接近1.15至1.25之间。2.5.1 %、人的查取管外侧污垢热阻=1.719710-4m2kw管内测污垢热阻N=3.439x10Tm2.k/w管壁热阻碳钢在该条件下的热导率为45w（k）,贝h=0.0025=0000056m2Rw452
12、.5.2 K。的计算列管式换热器面积是以传热管外表面积为基准，在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，其计算公式为：KO%dmdiaidi(2-15)式中Ko总传热系数w(nk);%、%分别为管程和壳程流体的传热膜系数，w(m2k);RGRw分别为管程和壳程的污垢热阻，w(nk);Rw导热率，m2kw;4、分别为传热管内直径、外直径，m。其中：o=O.36-Re55Pr3(-),4de4，(2-16)ANu%=4(2-17)L1z71Nu=1.86Re5Pr5(-)141.w(2-18)式中%壳程流体传热膜系数，W(m2K);a管程流体传热膜系数，W(m2K);J4壳程流体的导热系数
13、，W(m2K);de当量直径；m；流体在定性温度下的粘度，PaS;流体在壁温下的粘度，PaS;Pl普兰特准数。由上述公式则有:064l0-324810V1.05a0=0.36Re0055Pi5姆闻0.133=0.36(2663.12)055(0.0181=485.9IIV/(w2/C)22j1M，=1.86ReMPr1生户(幺严,L4“cm!z2.21033103Jz0.025x71=1.86692.003X()3X()310.1286=30.73ANu 0.128 30.730.02= 196.67 W(m2 k)I2525+ 1.719104+3.4394104-+= 116.00w(m2
14、 k)485.91225 196.67 20K0116.00因为比值在1.15到1.25之间，所以合适。2.6 列出所涉及换热器的结构基本参数表2/换热器的结构基本参数外壳直径：Di=450mm换热面积：So=62.53m2换热管数：N=135根管长：/=600Om管子规格：25mmx2.5mm管中心距：r=32mm管子排列方式:正三角形管程数：1折流板数量：Nff=19块壳程数：1折流板间距：h=295mm拉杆数量：4根拉杆直径：。12mm定距管：与换热器相同规格通过管板中心的管字数：n=13根第3章换热器的结构设计表3-1换热器的结构参数材料Q245R内径Qi450mm管长L6m管数N13
15、5根管程数1焊缝系数。0.85封头深度”138mm3.1 筒体部分计算筒体部分计算应包括筒体厚度的计算以及应力校核。3.1.1 筒体厚度的计算根据工作条件选择壳程圆筒的材料为Q245R钢板，在设计温度175C时需用应140-111力为匕丫=25140=135.5MPa,常温时许用应力为b=48MPa,屈服150-200极限0=2119625210=203MPacS150-200按GB150一2011标准中，壳程圆筒计算厚度(3-1)式中筒体厚度，mm；D1外壳内直径，mm；z材料在设计温度下的许用应力，MPa；焊缝系数；本设计采用双面焊缝取。=（）.85；Pc设计压力，MPa；C腐蚀裕度，mm
16、。可在l8mm范围内，根据流体的腐蚀性而定。本设计取C=2mm。2 = 3.18 mm0.6x4502135.50.85-0.6考虑到安全系数，以及开孔强度等措施，GB150-2011中规定当壳体内径3=450mm时，壳体的最小厚度为Iomm,则取3=1Omm即=8mm。3.1.2 壳程圆筒的液压试验及压力试验时应力校核试验液体为水，试验压力6按GB1502011或TSGR0004-2009计算R=1.25P=1.25X0.6=0.82MPar135.5压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按下式:分(Q+篦,)0.82x(450 + 8)280.85=46MPel 0.9v =182.7 MPa3.
17、2 椭圆封头厚度根据工作条件选择封头的材料为Q245R,在设计温度为175时许用应力为lf=135.5MPao按GB1502011中，封头壁厚公式(3-2)式中d封头厚度，mm。K形状系数，这里由于封头是标准的，故取K=L则有：B=+C=1x6x450+2=3.17mm2t-0.5Pt,2135.50.85-0.5X0.6取C2=2mm,司=(3.17+2+0.3)T=6mm0考虑到安全系数，以及开孔补强等措施，GB150-2011中规定封头内径Di=450mm时，最小厚度不小于8mm而筒体厚度为K=IOmm,则封头4取10mm,MX8mmo在GB1502011中可查出该封头的参数：封头深度H
18、=I38mm,直边长A=25.5mm,筒体名义厚度为IOmm,封头容积为V=0.0159m。3.3 管板选取由R=0.6MPaDi=450mm则选取如下表3-1中的规格管板：表3-1管板参数D。D2D3D4D5Rh螺柱规格I数量bfb56553050044748745012518MI62028383.4 法兰选取D2查JB4700-2000压力容器法兰可选甲型平焊法兰其具体尺寸如表3-2：（单位为mm）o表3-2法兰参数D&d螺柱规格I数量5655305004904873418M16243.5 鞍式支座选择重型（B型）鞍式支座，120。包角重型带垫板式不带垫板鞍式支座结构和尺寸如表3-3：表3
19、-3支座尺寸参数公允鞍底板腹板筋板垫板螺鞍座质量，增加称许座栓K1gIOm直载高间带不m增荷Q度弧距带加的径DN(KN)hL仇b2/&长%2eI2垫板垫板质量kg4506020042012088968540200648290161033.6 接管伸出长度：由经验可知，保温换热器保温厚度不超过100mm,所以取伸出长度/=20Omm且壳程和管程一样。壳程接管（原油）高粘度液体0.5LOms取w1=0.8m/sL585IO4.14x0.8=158.87mm4Vs41.585104一嬴一3.14x1502=0.90ms符合标准规定壳程接管（柴油）低粘度液体1.53.0msMZw2=2.0m/s4_1
20、4x1,251043.142.0=89.23mm取dj=80mm财=三s=25mzs符合标准规定第4章换热器的强度校核4.1 计算容器重量载荷的支座反力已知A=0.46m,Di=0.45m,L=6mN=135根。4.1.1 设备自重G设备自重包括筒体重、封头重、热管重、和附件重。筒体重：G=(D:-D；)Lp=?(0.462-0.452)67.8104=3.34103N封头重：G2=2203=408N热管重：G3=-(-Jl2)Lp7V=-(0.0252-0.022)62.8104135=9.7103N附件重：G4=2.6103N则设备自重：G=G1+G2+G3+G4=16048/V=16IO
21、3N4.1.2 充满介质时液体介质重量液体介质的重量等于壳程液体的质量与管程液体的质量之和，即：G=DLp+2G1=0.4526104+20.0159104=9.86103N4.1.3 作用于每个支座上的反力c,G+G16103+9.86103SCQSaZOlzF=12.9310N0.5,未被封头加强的圆筒，且在鞍座平面上无加强圈的圆筒。鞍座包角6=120O则查GB150-2011可得K1=0.107,/T2=0.192,/C3=L171,无心,K5=0760,K6=0.053.+,KAF1.17112.931O3故汇=一=Rme0.2300.008=8.23MPa由于不存在，故不存在切向剪应
22、力.校核：h=8.23MPa0.8z=108.4MPa均满足强度要求。4.4鞍座处筒体周向应力验算4.4.1 鞍座板（不做加强板）的应力验算4.4.1.1 筒体最低的周向应力K5=0.765,K=IK=0.013,5=b也其中：h2=b+.56yRltte=104+1.562308=170.9mmIx0.760X12,93IO30.008x0.171=-7.18MPa满足|司=135.5MPa。4.4.1.2鞍座边角处的周向应力由于%,=%.23=2618F3KF=12,931033xO.O5312.931O3b2e说40.1710.00820.0082=-13.70Mpa显然满足q1.25b
23、=169.38MPa。4.4.2鞍座腹板的强度校核腹板厚：”,=20020=180%=76.67H5=180mm,查表(=0.204则得:Kf)F 0.204x12.93x1()3HQO0.18 0.008=1.83 Mpa(4-3)|引，叽故此鞍座强度验算合格。图4-1鞍座第5章设计结果汇总表5-1设计结果汇总管程管程（原油）光程（柴油）流量，kg/s4.43.5温度，（进/出）175/13070/110密度，kgm3815715比热，kJkgC2.22.48物性粘度，Pas3x10-30.64103导热系数，kJm-C0.1280.133污垢热阻,（nfC）W0.00030.0003结壳体
24、内径，mm450台数1管径，mm252.5壳程数1构管长，Hl6管心距，三32管数135管子排列正三角形排列参传热面积，m162.53折流板数19管程数折流板距，m0.3数材质Q245R参考文献谭蔚主编，化工设备设计基础M.天津：天津大学出版社,2008.4.柴诚敬主编，化工原理上册M.北京：高等教育出版社,2008.9.3王志魁编，化工原理M.北京：化学工业出版社,2006.4郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计M.北京：化学工业出版社,2010.5匡国柱，史启才编.化工单元过程及设备课程设计M.北京：化学工业出版社,2005.6GB150-2011,压力容器S.17JJB4712-192,鞍式容器支座岱.8YB231-70,无缝钢管规格表S.9JB47004707-2000压力容器法兰S.
