1、齊 齊 哈 爾 大 學化工原理課程設計題 目 原油加熱器的設計 學 院 食品與生物工程學院 專業班級 食工101班 學生姓名 余躍 指導教師 呂君 成 績 2013年 6 月 24 日 摘 要原油加熱器是一種對燃料油預先加熱或二次加熱的節能設備，它安裝在燃燒設備之前，實現對燃料油在燃燒前的加溫，使其在高溫（70-110）下達到降低燃料油的粘稠度，促進充分霧化燃燒等作用，最終達到節約能源的目的。該設計為年產396000噸原油的車間精制工段的初步設計，它廣泛應用于重油，瀝青，清油等燃料油的預先加熱或二次加熱的場合。技術性能與特點：功率大，體積小，升溫快，且采用智能控制模式，控溫精度高，可與計算機聯

2、網。應用范圍廣，壽命長，可靠性高。根據以往的生產資料作為車間設計的經驗數據，并進行了大量的計算，其中包括物料衡算、熱量衡算、設備計算及設備選型，從而確定了設備的具體型號。并用AutoCAD繪制車間平立面布置圖、主要設備裝配圖及手繪帶控制點的工藝流程圖。關鍵詞：原油加熱器；初步設計；高溫；節能 Abstract Crude oil heater is a kind of pre heating or two heating fuel oil on energy saving equipment, which is installed in the combustion equipment, im

3、plementation of fuel oil in heating before combustion, the high temperature (70 -110 ) in order to reduce the fuel oil viscosity, promote full atomization effect, achieve finally saving the purpose of energy. The preliminary design for the workshop with an annual output of 396000 tons of crude oil r

4、efining process, it is widely used in heavy oil, bitumen, pre heating oil and fuel oil or two heating occasions. Technical features: high power, small volume, fast heating, and the use of intelligent control mode, high precision of temperature control, and computer network. Wide application range, l

5、ong service life, high reliability. According to the previous production data as empirical data in design of the workshop, and a lot of computation, including material balance, heat balance, equipment calculation and equipment selection, to determine the specific types of equipment. And draw the wor

6、kshop layout and facade, major equipment assembly drawings and drawing process flow chart with control points by AutoCAD.Keywords: Crude oil heater；preliminary design；high temperature；energy conservation 目 錄摘 要IAbstractII第1章總論11.1概述11.2設計條件21.3確定主要物性數據21.4確定設計方案31.4.1 選擇換熱器的類型31.4.2 流程安排3第2章 工藝設計與計算

7、32.1平均傳熱溫差計算32.2傳熱面積估算42.3 工程結構尺寸42.3.1 管徑和管內流速4管程數和傳熱管數4平均傳熱溫差校正及殼程數4傳熱管的排列和分程方法52.3.5 殼體內徑52.3.6 折流板62.3.7 其他附件62.4換熱器核算62.4.1 殼程表面對流傳熱系數6管程表面對流傳熱系數72.4.3 污垢熱阻和管壁熱阻82.4.4 總傳熱系數K82.4.5 傳熱面積裕度82.5壁溫核算92.6 換熱器內流體的流動阻力(壓降)9管程流動阻力9殼程流動阻力10第3章 設備參考數計算113.1殼體11殼內直徑11殼體壁厚11殼體質量113.2管板12管板參數12管子在管板上的固定方式12

8、3.3拉桿123.4分程隔板133.5折流板133.6封頭及管箱133.6.1 封頭133.6.2 管箱13筒體法蘭及管箱法蘭143.7接管及其法蘭143.8排氣排液管143.9浮頭153.10支座設計153.10.1 支座的設計選型153.10.2 支座承載能力校核15附錄17附錄1換熱器的質量統計于下表17附錄2 設計計算結果匯總表18結束語20參考文獻21致謝22 第1章總論1.1概述在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器，在化工、石油、動力、制冷、食品等行業中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業的通用設備，并占有十分重要的地位，隨著我國工業的不斷發展，對能源的利

9、用、開發和節約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。隨著換熱器在工業生產中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優缺點，性能各異。在換熱器設計中，首先應根據工藝要求選擇適用的類型，然后計算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結構尺寸。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求：首先，合理地實現所規定的工藝條件：傳熱量、流體的熱力學參數與物理化學性質是工藝過程所規定的條件。設計者應根據這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經過反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，再單位時間內傳遞盡可能多的熱量。其次，安全可靠：換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應

10、力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計規定與鋼制管殼式換熱器設計規定等有關規定與標準。再次，有利于安裝、操作與維修：設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。最后，經濟合理：評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內，固定費用與操作費的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產任務的需要，這一指標尤為重要。1.2設計條件原油處理量：50t/h；柴油處理量：35t/h。操作條件：1、溫度：原油入口溫度70，出口溫度110； 柴油入口溫度175； 2、兩側污垢阻力均為 0.00025（m2

11、3;）/W； 3、兩側壓降不可大于0.3 at； 4、換熱器熱損失為3%Q； 5、K預選為250W/(m2·)； 6、每年工作330天，每天工作24小時。 表1 由設計任務書可得設計條件如下數參類型 質量流量（標準kg/h） 進口溫度 （）出口溫度 （）操作壓力（Mpa）設計壓力（Mpa）柴 油（管內）35000175 -1.11.2原油（管外）5000070110 0.30.4注：要求設計的冷卻器在規定壓力下操作安全，必須使設計壓力比最大操作壓力略大，本設計的設計壓力比最大操作壓力大0.1MPa。1.3確定主要物性數據熱流量為：Qc = Wc Cpc(T1T2) ×1.0

12、3 =50000×2.2×（11070）×1.03=4.532×106kJ/h = 1.26×106 W 柴油出口溫度：Qh = Qc = Wh Cph (t1t2) 4.532×106=35000×2.48×（175t2） t2=123可取流體進出口溫度的平均值。管程柴油的定性溫度為 殼程原油的定性溫度為 表2 由上面兩個定性溫度數據，查閱參考書可得原油和柴油的物理性質如下 參數類型密度（kg/ m3）定壓比熱容CpkJ/(kg·)導熱系數（W/(m·)）粘度（Pa·s）柴油7152

13、.480.1330.64×103原油8152.20.1283.0×1031.4確定設計方案1.4.1 選擇換熱器的類型由于溫差較大和要便于清洗殼程污垢，對于油品換熱器，所以采用Fe系列的浮頭式列管換熱器為宜。 采用折流擋板，可使作為被加熱的原油易形成湍流，可以提高對流表面傳熱系數，提高傳熱效率。1.4.2 流程安排柴油溫度高，走管程課減少熱損失，原油黏度較大，走殼程在較低的Re數時即可達到湍流，有利于提高其傳熱膜系數。 第2章 工藝設計與計算2.1平均傳熱溫差計算t1/t22，可用算術平均溫度差代替對數平均溫度差，其誤差不大。 (0,1atm)=592.2傳熱面積估算由上述

14、計算可知傳熱器的熱負荷,計算由于管程氣體壓力較高，故可選較大的總傳熱系數。初步設定設Ki=250 W·m-2·-1則估算的傳熱面積為 2.3 工程結構尺寸2.3.1 管徑和管內流速選用25×2.5mm的傳熱管(碳鋼管)；由管殼式換熱器中常用的流速范圍的數據，可設空氣流速ui1m/s，用u i計算傳熱膜系數，然后進行校核。2.3.2管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數按單程管計算，所需的傳熱管長度為按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。現取傳熱管長 l= 6 m ，則該換熱器管程數為Np=L / l=24.83/64（管程）傳熱管總根數 N =

15、 44×4= 176 （根）。單根傳熱管質量m=鋼l/4(do2-di22)7850×6×3.14/4(0.0252-0.022)=8.323kg2.3.3平均傳熱溫差校正及殼程數平均傳熱溫差校正系數R1.3P0.3 溫度校正系數為 平均傳熱差校正為tm=×tm =59×0.89=52.51( )由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。 2.3.4傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，即每程內均按正四邊形排列，其優點為管板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數較高，相同的殼程內可排列更

16、多的管子，取管間距：t 1.25d=1.25x25=32 mm 。隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22 mm取各程相鄰管的管心距為44mm。2.3.5 殼體內徑采用多管程結構，取管板利用率=0.7，得殼體內徑為Di =1.05×32×=532.78 mm , 取Di =600mm。2.3.6 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×600=150 mm ，故可取h=150 mm。取折流板間距B=0.6Di，則B=0.6×600=360 mm。則：折流板數 NB1=15.6

17、16 塊折流板圓缺面水平裝配。2.3.7 其他附件 直徑為12mm的拉桿4根。 (1)殼程流體進出口接管 取接管內液體流速0.5m/s, 圓整后取管內直徑為250mm. (2) 管程流體進出口接管 取接管內液體流速1m/s,圓整后取管內直徑為150mm2.4換熱器核算2.4.1 殼程表面對流傳熱系數 對于圓缺形折流板，可采用克恩公式得 其中：粘度校正為當量直徑，管子為四邊形角形排列時，de0.027 m殼程流通截面積So = BD(1)=0.36×0.6×（1）0.047 m2殼程冷卻水的流速及其雷諾數分別為uo 0.36 m/sReo2639.92普朗特準數Pr 51.5

18、6因此，殼程水的傳熱膜系數ho為o =456 W/(m2·)2.4.2管程表面對流傳熱系數 由公式 其中：管程流通截面積Si =di2/4·Nt/2=0.0276 管程空氣的流速及其雷諾數分別為ui0.49 m/sRe10990.03普蘭特準數Pr 11.93因此，管程空氣的傳熱膜系數hi為i =0.023×10990.030.8×11.930.4704.8 W/(m2·)2.4.3 污垢熱阻和管壁熱阻l 兩側污垢阻力均為 0.00025（m2·）/W；l 碳鋼的導熱系數45.3W·m-1·-12.4.4 總傳熱系

19、數K由公式得Rso 0.00025解得：323.19 W/ (m2·)2.4.5 傳熱面積裕度查資料由公式有：/()74.7該換熱器的實際傳熱面積Sp3.14×0.025×6×176=82.9該換熱器的面積裕度為2.5壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作早期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應按最不利的操作條件考慮。因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有式中，液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度Tm分別計算得tm=0.4×175+0.

20、6×122.79=143.67Tm=0.4×70+0.6×110=94c = o = 456W/ (m2·)h = i = 704.8W/ (m2·)傳熱管平均壁溫124.16 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 t=124.1690 =34.16 2.6 換熱器內流體的流動阻力(壓降)2.6.1管程流動阻力由，傳熱管相對粗超度為0.01，查莫狄圖得，流速u=0.49m/s, 其中：Ft為結垢校正系數，量綱為1，對25mm×2.5mm的管子，取1.4； Ns為串聯殼程數，取1； Np為管程數

21、，取4。 總壓降：pi （p1+p2）Ft Ns Np（908.13+257.5）×1.4×1×46538.5432Pa <29421Pa(0.3at)（符合設計要求）2.6.2殼程流動阻力流體橫過管束的壓降： 其中：F管子排列方法對壓強降的校正因數，正方形旋轉45o排列時F=0.4； Reo >500時,fo=5.0Reo-0.228 ；fo=5.0×2639.9155-0.228=0.8296NB=16；uo=0.3599 m/sp1=0.4×0.8296×15.78×(16+1)×(815

22、5;0.35992)/2 176527.155 Pap2NB（16×（3.5）×(815×0.35992)/21942.402Pa總壓降：po（p1p2）Fs Ns（176527.1551942.402）×1.15×122504.99Pa 其中，Fs為殼程壓強降的校正系數，對于液體取1.15；Ns為串聯的殼程數，取1。 第3章 設備參考數計算3.1殼體3.1.1殼內直徑根據前面的工藝計算，本次設計采用的換熱器殼體內徑Di600 mm。本次采用公稱直徑為DN600mm×8mm的殼體，則Do616mm，Di=600mm。3.1.2殼體壁厚

23、 其中鋼密度7850kg·m3由Po0.6 MPa， Di600mm,對殼體與管板采用單面焊，焊接接頭系數0.65,腐蝕裕度C=3+0.5=3.5mm. 碳素鋼、普通低合金鋼板許用應力，得：t=113MPa ，s235MPa+3.55.96 (mm)圓整后取8mm 3.1.3殼體質量 殼體長度=6m 質量=7850×6×3.14×（0.61620.6002）/4 =719.36kg 注：個別數據來源于后續步驟。3.2管板3.2.1管板參數根據殼體內徑尺寸，由于沒有適合本次設計的標準管板，根據非標準設計得管板相關參數。具體參數列于下表： 管板參數（管板按非

24、標準設計）參數名稱參數值管板直徑Da/mm600管板外徑D/mm647管板厚度ba/mm32管孔直徑d1/mm25管孔數/個192換熱管外伸長度/mm5管板質量/kg56.3單塊管板質量：m=0.00717×785046.39kg3.2.2管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子,管子伸出長度約為5mm。3.3拉桿本換熱器殼體內徑為600mm拉桿螺紋公稱直徑：16mm拉桿長：L1=5.840m L2=5.480m前螺紋長La=20mm 后螺紋長Lb=60mm拉桿數：4根拉桿質量：m=7850×（2×6.840+2×6.480）×3.14

25、×0.0162/4=64.7 kg拉桿外套有定距管，規格與換熱管一樣，長度：L1=6.65 m，L2=6.300m。粗略計算定距管質量 m=7850×（2×6.65+2×6.3）×3.14×(0.02520.022)/4=35.4 kg3.4分程隔板因本此設計換熱器的公稱直徑Di=600mm ，對于碳鋼，得隔板厚度為：b10mm 。分程隔板長150+40+400+5-10=585mm，200+5-10=190mm其中10mm為管箱嵌入法蘭深度，5mm為隔板嵌入管板深度。管箱分程隔板質量以長方體板粗略估計：0.6000×0.5

26、85×0.010×7850×2=55.1kg浮頭分成隔板質量以半圓板粗略估算：3.14×0.5×0.190×0.010×7850=23.4kg隔板總質量 m=55.1+23.4=78.51kg3.5折流板前面已算出：折流板數 NB=16 塊圓缺高度 h150 mm板間距 B360mm折流板直徑 Da(6003.50.5)mm=596mm折流板厚度 C5 mm。折流板的管孔，按GB151規定I級換熱器，管孔直徑=25+0.4=25.4mm折流板質量：m=16×0.000418×7850=52.50 kg3.

27、6封頭及管箱3.6.1 封頭本換熱器采用橢圓型封頭(JB115473)一個，材料采用高合金鋼，公稱直徑Dg600mm（以內徑為公稱直徑），曲面高度h1150mm，直邊高度h240mm，厚度8mm,重量=16.6kg。焊接于管箱。3.6.2 管箱管箱長L=400mm，管箱內徑=600mm（按非標準設計），壁厚=8mm管箱質量：m=3.14×0.600×0.400×0.008×7850=47.32 kg。3.6.3筒體法蘭及管箱法蘭 采用凹法蘭，在公稱壓力1.01.6MPa范圍內，選取的法蘭參數為D=730mm，公稱直徑=600mm，孔間距D1=690mm，

28、D2=655mm。孔直徑25mm，厚度b=32mm ，法蘭重量=35.1kg 。所用螺栓規格M20×90mm，螺栓數目：28。一個法蘭焊接在管箱，再與前管板連接；另一個法蘭焊接在筒體，與后管板連接。3.7接管及其法蘭接管直徑公式，同時也考慮到接管內的流體流速為相應管、殼程流速的1.21.4倍。殼程流體進出口接管：取接管內水的流速為 ui= 0.5m/s，則接管內徑為0.208 m取標準管徑為 250 mm取管的內徑250mm，管厚6mm，伸出高度150mm。接管質量=3.14×0.25×0.004×0.15×7850=3.69kg原油進口采用凸

29、法蘭，原油出口采用凹法蘭，取法蘭直徑340 mm，厚度b=26mm，螺栓孔間距D1295mm，D2=219mm，螺栓孔直徑22mm。法蘭重量：凹法蘭1.54kg，凸法蘭=2.42kg，螺栓規格：M20，螺栓數量為8。由于iui2=815×0.52=203.7<2200 kg/(ms2)，故不需防沖板。管程流體進出口接管：取接管內空氣的流速為 uo= 1 m/s，則接管內徑為= 0.132m取標準管徑為 150 mm取管的外徑159mm，管厚4.5mm ，伸出高度150mm。接管質量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850

30、=2.57kg柴油進口采用凹法蘭，柴油出口采用凸法蘭，法蘭的直徑260mm，厚度b=12mm，螺栓孔間距D1225mm，D2=202mm，螺栓孔直徑18mm。法蘭重量：凹法蘭2.18kg，凸法蘭=2.75kg，螺栓規格：M16，數量為8。3.8排氣排液管取排氣液管：外徑45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。質量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。選用螺塞M27×2。3.9浮頭浮頭法蘭溝圈內徑浮頭法蘭溝圈外徑布管限定圈直徑外蓋內直徑浮頭管板直徑3.10支座設計3.10.1 支座的設計選型查資料可得，當公稱

31、直徑600mm時，b1=180mm , L=550mm , B=120mm， b=90mm，m=220mm，質量=26.3kg，A0.2×6=1.2m，支座間距60002×52×1400=3190mm。3.10.2 支座承載能力校核 換熱器的質量統計詳見附錄1（1）傳熱管和拉桿所占的體積粗略為： V23.14×（0.025/2）2×6×170=0.500m3 殼體體積為： V13.14×（0.600/2）2×6.001.6956m3 忽略隔板體積，原油充滿整個換熱器時的總重為： 1862.87+（1.6956-0.

32、500）×815.02837.28kg。小于該鞍式支座的最大載荷14噸。（2）殼體剛度校核已知公式： 和 換熱器的受力可簡化為如圖：AAL 彎矩圖為：L=9.390m，1961.56kg，g=9.81N/kg。校正為2000kg。取A=0.21L=0.21×9.3901.9719(m)，此時=0.025×2000×9.81×9.390=4605.79Nm抗彎截面模量：0.00229=4605.79/0.00229=2.011MPa<t=133MPa故此殼體適用。 附錄附錄1換熱器的質量統計于下表 序號 各零部件 數量 單件重量/kg重量/

33、kg1殼體（YB231-70）719.36719.362管板246.3992.783殼程接管21.913.824 殼程接管法蘭2凹3.08/凸4.847.925管程接管22.575.146管程接管法蘭2凹4.36/凸5.59.867隔板320.8462.568封頭116.6016.609封頭法蘭117.8017.8012傳熱管1764.42777.9213拉桿2/29.24 / 8.7836.0414折流板162.4839.6815管箱123.0723.0716管箱法蘭117.8017.8017浮頭132.5132.51換熱器總重量/kg1862.87附錄2 設計計算結果匯總表工藝參數管程殼程

34、質量流量/(kg/h)3500050000進/出口溫度/175/123110/70操作壓力/MPa1.10.3 物性參數定性溫度/14990密度/(kg/m3)715815定壓比熱熔/kJ/(kg·K)2.482.2粘度/(Pa·s)0.64×10-33.0×10-3熱導率/W/(m·K)0.1330.128工藝主要計算結果流速/(m/s)0.4920.360污垢熱阻/m2·K/ W0.000250.00025阻力（壓降）/MPa6538.5422504.99對流傳熱系數/W/(m2·K)704.8456.0總傳熱系數 /W

35、/(m2·K)323.188 平均傳熱溫差/34.16熱流量/kW1259 傳熱面積裕度/%11.03 設備結構設計程數41推薦使用材料碳鋼碳鋼換熱器型式浮頭管板式臺數1殼體內徑/mm600傳熱面積/m282.938管 徑/mm25×2.5折流板型式上下 管 數/根176折流板數/個16管 長/mm6000折流板間距/mm360管子排列方式切口高度/mm150管間距/mm32封頭×1個Do=600封頭法蘭dH=600mm隔板b=10mm拉桿×4根d=16mm支座(JB1167-81)A型管箱（非標準）Do=600mm管箱法蘭 dH=730mm殼程接管150×6 殼程接管法蘭 dH265mm管程接管250×6 管程接管法蘭dH=340mm備備注 設備總重約為18