柴油加热器设计说明书.doc

齐齐哈尔大学 机电工程学院
化工原理课程设计

柴油加热器设计说明书

设计者：班级：过控114班
组长：何.
成员：李.. 张.. 崔.. 杨..
日期 ：2013年8月20日
指导教师
设计成绩

目录
一．设计说明································································
二．概述·······································································
三．设计条件及主要物性的确定··················································
1．定性温度的确定·························································
2．流体有关物性···························································
四. 确定设计方案······························································
1． 选择换热器的类型······················································
五．估算传热面积·····························································
1. 传热器的热负荷·······················································
2. 平均传热温差·························································
3. 传热面积估算·························································
六．工程结构尺寸·····························································
1. 管径和管内流速························································
2. 管程数和传热管数······················································
3. 平均传热温差校正和壳程数··············································
4. 传热管排列和分程方法··················································
5. 壳程内径······························································
6. 折流板································································
7. 其他附件······························································
8. 接管··································································
七．换热器核算·································································
1.热流量核算·······························································
（1）壳程表面传热系数···················································
（2）管程表面传热系数···················································
（3）污垢热阻和管壁热阻·················································
（4）传热系数K·························································
（5）传热面积裕度·······················································
2.壁温核算·································································
3.换热器内流体的流动阻力···················································
（1）管程流动阻力························································
（2）壳程流动阻力·······················································
八．换热器主要工艺结构尺寸和计算结果表·······································
九．设备参考数计算···························································
1.壳体····································································
（1）壳体内经···························································
（2）壳体壁厚···························································
（3）壳体质量···························································
2.管板····································································
（1）管板参数···························································
（2）管板与壳体的连接···················································
（3）管子在管板上的固定方式·············································
3.拉杆····································································
4.分程隔板································································
5.折流板··································································
6.封头及管箱······························································
（1）封头·······························································
（2）管箱·······························································
（3）管箱法兰及筒体法兰·················································
7.接管及其法兰····························································
8.排气排液口······························································
9.浮头····································································
10.支座设计·······························································
（1）支座的设计选型·····················································
十．设计计算结果汇总表·······················································
十一．设计总结································································
十二.主要符号说明····························································
十三.参考文献································································

齐齐哈尔大学
1.化 工 原 理 课 程 设 计 任 务 书

专业：过程装备与控制工程 班级：11.班
姓名：何. 学号：201111……
1. 设计题目：原油加热器的设计
2. 操作条件：
（1）处理量： 柴油处理量：34000kg/h
原油处理量：44000kg/h
（2）设备型式： 浮头式换热器
（3）操作条件： 柴油： 进口温度： 175℃
原油： 进口温度： 70℃
出口温度; 110℃
设计条件：
（1）：两侧污垢热阻为0.0002 m·℃/w
（2）：管程两侧压降小于或等于0.3 at,壳程小于0.5 at
（3）：热损失 5%
3.设计一台适宜浮头式换热器，完成生产任务。
4.画出装备图

2.概述及简介
换热器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。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。
管壳式
管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。
浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。
在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。
钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。
钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。
浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。
优缺点
优点：
（1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；
（2）介质间温差不受限制；
（3）可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于6.4兆帕；
（4）可用于结垢比较严重的场合；
（5）可用于管程易腐蚀场合。

三、设计条件及主要物性
3.1设计条件
由设计任务书可得设计条件如下表：
数
参

类型
体积流量
（标准kg/h）
进口温度
（℃）
出口温度
（℃）
柴 油（管内）
34000
175
---
原油（管外）
44000
70
110
3.2确定主要物性数据
Qy =Qc Wy Cpy(T1－T2) = Wc Cpc (t1－t2)
44000×2.2×（110－70）=34000×2.48×（175－t2）×0.95
柴油出口温度：
t2=126.67≈127 ℃
可取流体进出口温度的平均值。管程柴油的定性温度为
℃
壳程原油的定性温度为
℃
3.2.2流体有关物性数据
根据由上面两个定性温度数据，查阅参考书可得原油和柴油的物理性质原油在90℃，下的有关物性数据如下：
　物性
密度ρi
（kg/m3）
比热容cpi
[kJ/(kg℃)]
粘度μi
（Pa·s）
导热系数λ0
（W·m-1·℃-1）
原油
815
2.2
3.0×10-3
0.128

柴油在151℃的物性数据如下：
　物性
密度ρo
（kg/m3）
比热容cpo
[kJ/(kg℃)]
粘度μo
（Pa·s）
导热系数λi（W·m-1·℃-1）
柴油
715
2.48
0.64×10-3
0.133

四、确定设计方案

4.1 选择换热器的类型
由于温差较大和要便于清洗壳程污垢，对于油品换热器，以采用
Fe系列的浮头式列管换热器为宜。
采用折流挡板，可使作为被冷却的原油易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。
柴油温度高，走管程课减少热损失，原油黏度较大，走壳程在较低的Re数时即可达到湍流，有利于提高其传热膜系数。

五、估算传热面积
5.1热流量
Q=4.06×106 KJ/h=1.13×106W
5.2平均传热温差
= =61℃
5.3传热面积
由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设Ki‘=250 W·m-2·℃-1。根据《传热传质过程设备设计》P14，公式1-2，则估算的传热面积为
m2
六．工程结构尺寸
6.1管径和管内流速
选用φ25×2.5mm的传热管(碳钢管8631 密度7850kg/m³)；由《化工原理及设备课程设计》主编（李芳）P4表1－1得管壳式换热器中常用的流速范围的数据，粘性液体流速为（0.5-1.2 m/s）可设流速u＝1m/s，用u计算传热膜系数，然后进行校核。

6.2管程数和传热管数
(根)
按单程管计算，所需的传热管长度为
m

按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l= 7 m ，则该换热器管程数为
Np=L / l=22.5/7≈4（管程）
传热管总根数 N = 42×4= 168 （根）。
单根传热管质量＝7850×7×3.14×0.0225×0.0025=9.705kg

6.3 平均传热温差校正及壳程数
依《化工单元操作课程设计》主编（柴诚敬）P61
平均传热温差校正系数
R＝＝1.2
P＝＝0.381
依《化工单元操作课程设计》主编（柴诚敬）P53，表查得，
0.9
△tm=×△tm’ =61×0.92=54.9 ℃

由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

6.4 传热管的排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正四边形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查《化工原理课程设计指导》主编（任晓光）P20， 管间距，取管间距：
t ＝1.25d=1.25x25=32 mm 。P22
S=t/2+6=32/2+6=22 mm
取各程相邻管的管心距为44mm。

6.5 壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《化工原理课程设计指导》主编（任晓光）P33，得壳体内径为
D =1.05t=1.05×32×=520 mm ,
查阅《化工原理课程设计指导》P33：热交换器标准尺寸，取D =600mm。

6.6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%，则切去的圆缺高度为h=0.25×600=150 mm ，故可取h=150 mm。上书P34
取折流板间距B=0.6D，则B=0.6×600=360 mm。
取板间距H＝150mm，则：
折流板数 NB=－1=－1=18.44≈19 块
折流板圆缺面水平装配。

6.7其他附件 由《化工设备机械基础》P215 7-10知
选择直径为10mm的拉杆4根。

6.8接管
（1）壳程流体进出口接管
取接管内液体流速u1=0.5m/s,
=0.195(m)
圆整后取管内直径为200mm.

(2) 管程流体进出口接管
取接管内液体流速u2=1m/s,

圆整后取管内直径为150mm

七．换热器核算
7.1热量核算
7.1.1壳程表面流传热系数
对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。由《化工原理课程设计》P57得
αo =
其中：
①粘度校正为=0.95
②当量直径，管子为四边形角形排列时，依《化工单元过程及设备课程设计》P72，公式3-22得
de＝＝0.02 m
③壳程流通截面积
So = BD(1－)=0.36×0.6×（1－）＝0.04725 m2
④壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为
uo＝ =＝0.3173 m/s
Reo＝＝＝1723.996
⑤普朗特准数
Pr＝ ==51.56
因此，壳程水的传热膜系数ho为
o = =490.974 W/(m2·℃)
7.1.2管程表面流传热系数
由《化工传递与单元操作课程设计》P57得
i = 0.023Re0.8Pr0.4
其中：
①管程流通截面积
s= m2
②管程空气的流速及其雷诺数分别为
ui＝ =＝1.00159 m/s
Re＝＝＝22379.27
③普兰特准数
Pr＝ ==11.93
因此，管程空气的传热膜系数i为
i=0.023×22379.270.8×11.930.4×=1244.91 W/(m2·℃)
7.1.3污垢热阻和管壁热阻
l 柴油侧热阻Rso＝0.0002m2·℃·W-1
l 原油侧热阻Rsi＝0.0002m2·℃·W-1
l 碳钢的导热系数λ＝50W·m-1·℃-1
7.1.4总传热系数Ki
因此，依《化工原理课程设计》主编（马江权）P67公式 注：（b为管厚d为管内外平均壁厚）
K =
=
＝276.81086 W/ (m2·℃)
解得：＝276.8 W/ (m2·℃)
7.1.5 传热面积裕度
依《化工单元过程及设备课程设计》P75，公式3-35：Qi＝Si△tm得：
Si＝Qi/(△tm)＝＝74.35 m2
该换热器的实际传热面积Sp
Sp==3.14×0.025×7×168=92.316 m2
依《化工原理课程设计》
该换热器的面积裕度为
==24.2%
7.2 壁温核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按《化工原理课程设计》主编（杨长龙）P74计算。由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有

式中，液体的平均温度tm和气体的平均温度Tm分别按《化工单元过程及设备课程设计》P77，公式3-44、3-45计算
tm=0.4×175+0.6×127=146.08℃
Tm=0.4×70+0.6×110=94℃
= 490.97 W/ (m2·℃)
 = 1244.90W/ (m2·℃)
传热管平均壁温
=129.1413℃
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=146.08 ℃
壳体壁温和传热管壁温之差为
△t=146.08－129.14 =16.93 ℃
7.3换热器内流体的流动阻力(压降)
7.3.1管程流体压降 由《化工原理课程设计》主编（马江权）P67
（F=1.4 N=1 N=4）
(pa)
(pa)
总压降：∑△pi＝（△p1+△p2）Ft Ns Np＝（3765.69+1075.91）×1.4×1×4
＝27112.97< 0.3at（符合设计要求）
其中， Ft为结垢校正系数，取1.4；
Ns为串联壳程数，取1；Np为管程数，取4。

7.3.2壳程流动阻力：
由《化工原理课程设计》主编（马江权）P67
流体横过管束的压降：

其中：F=0.4
fo=5.0×1723-0.228=0.5846

NB=19
uo=0.373 m/s
△p=0.4×15.42×24.62×(19+1)×(815×0.3732)/2 ＝6993.903Pa
△＝NB（3.5－）
＝19×（3.5－）×(815×0.3732)/2＝3231.618Pa
总压降：∑△po＝（△＋△）Fs Ns
＝（6993.903+3231.618）×1.15×1
＝11759.351Pa<0.3at
其中，Fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取1.15；
Ns为串联的壳程数，取1

八.换热器主要结构尺寸和计算结果表

参数
管程
壳程
流量，kg/h
34000
44000
物
性
操作温度，℃
175/127
70/110
定性温度，℃
151
90
流体密度，kg/m3
715
815
定压比热容，kj/(kg.k)
2.48
2.2
黏度，pa.s

传热系数，W/（m2·℃）
0.133
0.128
普朗特数
11.93
51.56
设备结
构参数
形式
浮头式
台数
1
壳体内径，mm
600
壳程数
1
管径，mm

管心距，mm
32
管长，mm
7000
管子排列
正方形°
管数目，根
168
折流板数
19
传热面积，
92.316
折流板间距，mm
360
管程数
4
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速，m/s
1.002
0.313
表面传热系数，W/（m2·℃）
1244.9073
490.97
污垢系数，m2·K/W
0.0002
0.0002
阻力降，Pa
27112.97
11759.35
热流量，w
1130000
传热温差，k
54.9
传热系数，W/（m2·℃）
276.81
裕度
24.16%

九、设备参数计算

9.1壳体
9.1.1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＝600 mm。
查阅《化工原理课程设计指导》主编（任晓光）P25 2-5-3知的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN＝6000mm×10mm的壳体，则Do＝620mm，Di=600mm。

9.1.2壳体壁厚
圆整后取10mm
9.1.3壳体质量
壳体长度=7m
质量=7850×7×3.14×（0.6202－0.6002）/4
=1052.51kg。
9.2管板 由《化工原理课程设计指导》主编 任晓光P29 表2-10
9.2.1 管板参数
浮头式换热器固定动管板
工程
直径
（mm）
工程压力
（kgf/c㎡）
A
mm
B
mm
C
mm
b
mm

MXL

管程数
净重
Kgf
二管程
四管程
二管程
四管程
600
16
647
596
596
32
M1620
200
188
55
56.3
浮头式换热器浮动管板由《化工原理课程设计指导》主编 任晓光P31 表
工程
直径
（mm）
工程压力
（kgf/c㎡）
A
mm
B
mm
C
mm
b
mm

MXL

管程数
净重
Kgf
二管程
四管程
二管程
四管程
600
16
590
562
562
32
M1620
200
188
42.6
44.1

9.2.2管板与壳体的连接
管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，

9.2.3管子在管板上的固定方式
采用焊接法在管板上固定管子。根据《换热器设计手册》P172，表1-6-20，管子伸出长度约为5mm。

9.3拉杆
本换热器壳体内径为600mm，查阅《化工单元过程及设备课程设计》P135，表4-7和表4-8得：
拉杆螺纹公称直径：=16mm
拉杆长：L1=7.00m L2=7.00m
前螺纹长La=20mm 后螺纹长Lb=60mm
拉杆数：4根

。

9.4隔板
隔板厚度选10mm

9.5折流板
前面已算出：
折流板数 NB=19 块
圆缺高度 h＝150 mm
板间距 B＝360mm
查阅《换热器设计手册》P182，表1-6-26和表1-6-33，得：
折流板直径 Da＝(600－3.5－0.5)mm=596mm
折流板厚度 C＝5 mm。
折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=19+0.4=19.4mm
折流板质量：m=19×0.000418×7850=62.35 kg
9.6封头及管箱
9.6.1 封头
查阅《材料与零部件》上海科学技术出版社P328，本换热器采用椭圆型封头(JB1154—73)一个，材料采用高合金钢，公称直径Dg＝600mm（以内径为公称直径），曲面高度h1＝150mm，直边高度h2＝40mm，厚度＝10mm,重量=37.7kg。焊接于管箱。

9.6.2 管箱
管箱所用材料和壳体材料相同 用A3f
9.6.3容器法兰
查阅《材料与零部件》上海科技技术出版社，
材料：16MR
选用甲型平焊法兰

公程直
径 mm
公程压力
Kgf/c㎡
D
D
D
D
b
螺栓
规格
数量
600
16
740

700
665
655
36

M20
28

一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在筒体，与后管板连接。

9.7接管及其法兰
由前面的计算可知壳程进口接管直径选取 200mm
管程进口接管直径选取为 150mm
查表《材料与零部件》上海科技技术出版社P376表
D
D
D
D
d
b
f
螺栓
规格
数量
150
280

240
212
23
28
3

M20
8
200
310
295
270
23
28
3

M20
12

接管质量=3.14×0.2×0.004×0.15×7850=2.957kg
9.10支座设计
9.10.1 支座的设计选型
查《材料与零部件（上）》上海科学技术出版社P627，
公程直
径 mm
每个支座负荷 t
b
L
B
l
K
b
m
重量
Kg
600
36.8
180

550
120
260
36
90
220
26.3
A＝0.2×7=1.4m，支座间距＝7000－2×5－2×1400=4190mm。

十、设计计算结果汇总表
换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：
工艺参数
管程
壳程
质量流量/(kg/h)
34000
44000
进/出口温度/℃
175/127
110/70
物性参数
定性温度/℃
151
90
密度/(kg/m3)
715
815
定压比热熔/[kJ/(kg·K)]
2.48
2.2
粘度/(Pa·s)
0.64×10-3
3.0×10-3
热导率/[W/(m·K)]
0.133
0.128
工艺主要计算结果
流速/(m/s)
1.00159
0.3173
污垢热阻/[m2·K/ W]
0.00002
0.00002
阻力（压降）/MPa
27112.97
11759.35
对流传热系数/[W/(m2·K)]
1244.9073
490.97
总传热系数/[W/(m2·K)]
276.8108
平均传热温差/℃
54.9
热流量/W
1130000
传热面积裕度/%
24.16

设备结构设计

程数
4
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
换热器型式
浮头管板式
台数
1
壳体内径/mm
600
传热面积/m2
92.316
管 径/mm
Ф25×2.5
折流板型式
上下
管 数/根
168
折流板数/个
19
管 长/mm
7000
折流板间距/mm
360
管子排列方式
正方形
切口高度/mm
150
管间距/mm
32
封头×1个
Do=600
封头法兰
dH=600mm
隔板
b=10mm
拉杆×4根
d=16mm
支座
(JB1167-81)A型
容器法兰（非标准）
Do=600mm
管箱法兰
dH=740mm
定距管
Ф25×2
管板

壳程接管
Ф150
壳程接管法兰
dH＝280mm
管程接管
Ф200
管程接管法兰
dH=310mm
备注

十一、设计总结
此次化工原理课程设计题目是“柴油-原油加器设计”，尽管刚刚开始的时候一脸的茫然，不知道从何下手，因为毕竟是第一次做，所以不免有一点紧张与不安，但是正是这种紧张的压力下，才使得我决心去图书馆查阅，终于一点点的学习下找到了点思路，经过不懈的努力从什么都不懂都有点精进真的是不容易，在查阅资料的时候又学到了一些新的知识，还有一些以前模糊的化工知识都也清楚了真的是受益匪浅啊。
数据计算
这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。
一、 查资料
二、 这是特别关键的一步，因为这是我们初次接触到这么庄重的设计，所以不免有点思路混乱，最初的思路都来自书本，但是等到了图书馆去看着茫茫书犯愁，不知道该借那个，那个有用，所以只好耐着心思慢慢看，最终确定了什么有用什么没用

四
AutoCAD绘图
看到这个很专业的软件也仅仅是有一种似曾相识的感觉，因为在大一学习的时候不是很专业，等到这次画图的时候却发现有好多东西都不怎么会，所以只能边看书边画图，尽管这样画起来特别辛苦，但经过这次的课程实践，过去不懂得cad这次也学得才不多了，大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，在下定决心之后，马上借来几本AutoCAD学习的资料，重温各种操作工具及技巧等。在准备了两天天之后才开始正式画图，不断修改，差漏补缺，知道最后完成整个设计图。
三、 完成设计说明书
这次课程设计完成之后最大的感受与收获就是，就是当我们遇到不懂的东西的时候只要不放弃，虚心学习，总有懂的时候，还有就是，在一项重大的工作上面，团队合作是特别重要的，尽管这次做的不是特别好，但相信我下次会做的更好的在一个组织或部门之中，团队合作精神显得尤为重要，那么所以怎样加强与别人的合作呢？在一个组织之中，很多时候，合作的成员不是我们能选择得了的，所以，很可能出现组内成员各方面能力参差不齐的情况，如果作为一个领导者，此时就需要很好的凝聚能力，能够把大多数组员各方面的特性凝聚起来，同时也要求领导者要有很好地与不同的人相处与沟通的能力。如果领导者在开始时没有以身作则做好各方面的工作，就会产生许多不良的后果。例如，在一个集体中如果成员之间缺少最基本的信任，那么成员总是想要在同伴面前保护自己，他们就不可能彼此争论，所谓的明哲保身的做法，只要是与自己利益无关的事情便高高挂起，即不愿对彼此负责，那么，还有谁会对集体的发展负责？这样的团队，其发展是令人担忧的。所以，要加强与他人的合作，首先就必须保证集体成员是忠诚的，有责任心的，有意志力的，而且，还要有着对于自身团队的荣誉感，使命感。领导者必须信任团队的所有成员，彼此之间要开诚布公，互相交心，做到心心相印，毫无保留；要与团队的每一个成员紧密合作，直到整个团体都能紧密合作为止；分析每一个成员完成工作的动机，研究他们的迫切需要，针对他们的动机和需要，集思广议，多听听别人的建议，不要一意孤行，俗话说：“人心齐，泰山移。”同时，领导者也要有领导者的风范，工作上对成员严格要求，在生活上也要关心成员，做好团队成员之间的沟通和协调工作，使整个团队像一台机器一样，有条不紊地和谐运转。
，

十二、主要符号说明
原油的定性温度
T
柴油定性温度
t
原油密度
ρo
柴油密度
ρi