年34万吨原油水换热器设计教材.docx

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年34万吨原油水换热器设计教材

目录

1.概述与设计方案简介1

1.1.换热器的类型1

1.2.换热器1

1.2.1.换热器类型2

1.2.2.固定管板式换热器2

1.2.3.U型管换热器2

1.2.4.浮头式换热器2

1.2.5.填料函式换热器3

1.3.换热器类型的选择3

1.4.流径的选择3

1.5.材质的选择4

1.6.管程结构4

2.换热器选型及工艺计算5

2.1.确定基本操作参数5

2.2.初选换热器型号5

2.2.1.传热量5

2.2.2.平均传热温差6

2.2.3.初选换热器型号7

2.3.总传热系数核算8

2.3.1.管程传热膜系数8

2.3.2.壳程传热系数8

2.3.3.污垢系数9

根据定性温度下的流体流速查取污垢系数9

2.3.4.总传热系数10

2.3.5.计算传热面积10

2.4.换热器核算11

2.4.1.壳程压降11

2.4.2.管程压降11

3.工艺设计表12

4.换热器设备的计算13

4.1.壳体壁厚设计13

4.1.1.壁厚的计算13

4.1.2.换热器校核水压试验强度14

4.2.封头的设计15

4.3.法兰的设计15

4.4.支座的设计16

4.4.1.质量核算16

4.4.2.鞍座选型17

4.5.管板的设计18

4.5.1.管板尺寸确定18

4.5.2.管板与管子连接19

4.5.3.管板与壳体的连接20

4.6.流体进、出口接管直径的计算20

4.7.容器开孔补强21

5.设备设计数据表22

设计心得23

参考文献24

1.概述与设计方案简介

1.1.换热器的类型

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。

一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。

管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。

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，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。

若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

1.2.换热器

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。

按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。

根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：

混合式、蓄热式、间壁式。

间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。

在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。

该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。

间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。

将在后面做重点介绍。

直接接触式换热器又称混合式换热器。

在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。

该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。

常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。

蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。

此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。

当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。

此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。

其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。

工业上最常见的换热器是间壁式换热器。

根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。

紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。

管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。

其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。

列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。

这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。

使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体内。

因此，这种换热器也称为管壳式换热器。

常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。

1.2.1.换热器类型

根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。

以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。

1.2.2.固定管板式换热器

这类换热器如图1-1所示。

固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。

当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

1.2.3.U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。

管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。

U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。

其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。

此外，其造价比管定管板式高10%左右。

1.2.4.浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。

其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。

浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。

其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

1.2.5.填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。

其特点是管板只有一端与壳体固定连接，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。

填料函式换热器的优点是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。

其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

1.3.换热器类型的选择

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使水走管程。

石油由于粘度较大，所以走壳程。

1.4.流径的选择

在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

参考标准：

（1）不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

（2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。

（4）饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

（5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。

（6）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

（7）粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re（Re>100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

（8）若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。

综合考虑以上标准，确定煤油应走壳程，水走管程。

1.5.材质的选择

列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。

在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。

同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。

目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。

根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。

1.6.管程结构

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。

（a）正方形直列    （b）正方形错列  （c）三角形直列 

（d）三角形错列 （e）同心圆排列

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。

对于多管程换热器，常采用组合排列方式。

每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。

2.换热器选型及工艺计算

2.1.确定基本操作参数

（1）热流体：

入口温度140℃;出口温度40℃

（2）冷却介质：

岷江水

（3）允许压降：

不大于0.1MPa

（4）物性数据

（5）每年按360天计算，每天分成3班，每班8小时

（6）确定定性温度下的参数：

原油的定性温度

冷却水的定性温度

煤油定性温度下的物性数据

循环冷却水在30℃下的物理数据

2.2.初选换热器型号

2.2.1.传热量

原油流量：

传热量：

2.2.2.平均传热温差

已知岷江水的最高温度。

当用水作冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度，并且经验值告诉冷却进出口温差最好是在之间，所以选取其出口温度。

逆流时的平均传热温差：

水，原油

则

参数：

按单壳程多管程查《化工工艺设计手》得

故平均传热温差:

2.2.3.初选换热器型号

1.换热器选型

根据生产经验估选总传热系数值为

则

由于，根据经验可选取带膨胀节的管板式换热器。

查JB/T4715-92和GB151-1999初选管板式换热器型号为：

该换热器基本参数如下：

2.折流板

参考《化工工艺设计手册》第2-263页选用圆缺形折流板，圆缺形折流板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度

设定的折流板数为

3.管心距

管心距一般取

2.3.总传热系数核算

2.3.1.管程传热膜系数

冷却水用量：

管程截面积：

管程相关系数：

2.3.2.壳程传热系数

热交换器中心线或距中心线最近的管排上错流流动的最大通道面积S

壳程相关系数:

当液体被冷却时带入克恩公式得管程传热系数

2.3.3.污垢系数

根据定性温度下的流体流速查取污垢系数

2.3.4.总传热系数

核算结果与初选值很相近，该换热器符合生产要求。

2.3.5.计算传热面积

由换热器换热面积为32.5

2.4.换热器核算

2.4.1.壳程压降

2.4.2.管程压降

由以上计算知：