处理量20万吨柴油冷却器的课程设计.docx
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课程设计任务书
1、设计题目：
年处理量20万吨柴油冷却器的设计
2、操作条件：
（1）柴油：
入口温度175℃；出口温度90℃；
（2）冷却介质：
采用循环水，入口温度20℃，出口温度50℃；
（3）允许压降：
不大于105Pa；
（4）柴油定性温度下的物性数据：
c
r＝720kg/m3
c
m=6.6´10-4Pa.S
5
cpc
=2.48kJ/（kg.0c）
c
l=0.133w/（m.0c）
（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：
200000t/a柴油；
（2）设备型式：
列管式换热器；
（3）选择适宜的列管换热器并进行核算；
（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。
摘要
柴油冷却器是帮助柴油散热的一个装置。
本次课程设计采用浮头式换热器来实现柴油冷却。
在设计中，主要以循环水为冷却剂，在给定的操作条件下对柴油冷却器进行设计。
本设计的内容包括：
1、设计方案的确定：
换热器类型的选择、流动空间的选择等。
2、换热器的工艺计算：
换热器面积的估算、换热器工艺尺寸的计算、换热器的核算等。
3、操作条件图等内容。
目录
摘要 II
ABSTRACT III
第1章绪论 1
1.1换热器技术概况 1
1.2换热器的发展历程及发展趋势 1
1.2.1换热器的发展历程 1
1.2.2换热器的发展趋势 2
1.3换热器的应用 2
1.4新型换热器 2
第2章设计方案 4
2.1换热器类型的选择 4
2.1.1换热器的分类 4
2.1.2换热器的选择 7
2.2换热器的结构设计 7
2.2.1换热管布置和排列间距 7
2.2.2管板 8
2.2.3封头和管箱 9
2.2.4壳体 9
2.2.5折流板 9
2.2.6缓冲板 10
2.3流动空间的选择 10
2.4流速的确定 11
2.5加热器、冷却器的选择 11
2.6流体出口温度的确定 11
2.7材质的选择 12
第3章换热器的工艺计算 13
3.1确定设计方案 13
3.1.1选择换热器类型 13
3.1.2流体间流速确定 13
3.2基础物性数据 13
3.2.1定性温度 13
3.2.2壳程柴油的定性温度 13
3.2.3管程循环水的定性温度 13
3.2.4柴油物性数据 13
3.2.5循环水物性数据 14
3.3换热面面积的计算 14
3.3.1热负荷与热换量 14
3.3.2平均传热温差 14
3.3.3冷却用水量 15
3.3.4初选换热器 15
3.4工艺结构尺寸的计算 15
3.4.1管程数和传热管数 15
3.4.2传热管排列和分程的选择 15
3.4.3壳程内径的计算 16
3.4.4折流板的选择 16
3.4.5接管计算 16
3.5换热器核算 16
3.5.1壳程对流传热系数 16
3.5.2管程对流传热系数 17
3.5.3壁面污垢热阻 18
3.5.4传热面积A 18
3.5.5换热器的内流体阻力 19
3.6换热器主要结构尺寸和计算结果 20
工艺设计主要符号说明 21
结束语 22
参考文献 23
附录 24
油气储运课程设计教师评分表 26
第1章绪论
略
第2章设计方案
化工生产中所用的换热器类型很多。
不同类型换热器，其性能各异，因此要了解各种换
热器的特点，以便根据工艺要求选用适当类型。
同时，还要根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力等。
2.1换热器类型的选择
2.1.1换热器的分类
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。
按照冷热物料间接触方式，换热器可以分为直接式换热器、蓄热式换热器、表面式换热器（间壁式换热器）。
虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单、制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使其在应用上受到限制。
因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。
间壁式换热器的类型也是多种多样，按照基本换热元件的型态可分为管式和板式两大类。
后者有多重形式其中有间壁由若干平行的板面构成，冷热流体的流道可以都做的很窄，故单
位体积中能容纳较多的传热面，即有较高的紧凑度，m2m3。
为进一步提高换热器的紧凑度
与传热效果，可以采用扩展表面（例如管翅式）和其他强化措施，具体分类如下：
一、管式换热器
1、管壳式换热器
（1）固定管板式换热器
（2）浮头式换热器（3）U型管式换热器
2、套管式换热器
3、蛇管换热器
（1）沉浸式蛇管换热器
（2）喷淋式蛇管换热器
4、翅片管换热器二、板式换热器
1、夹套换热器
2、平板式换热器
3、螺旋板式换热器
4、板翅式换热器
5、伞板换热器
6、螺旋板式换热器三、热管换热器
不同的换热器各有自己的优缺点和使用条件。
一般来说，板式换热器单位体积的传热面积较大、设备紧凑250～1500（250~1500m2/m3），低耗材（15kg/m3），传热系数大，热损失小。
但承压能力较低，工作介质的处理量较小，且制造加工较复杂，成本较高。
而管式换热
5
器虽然在传热性能和设备的紧凑性上不及板式换热器，但它具有结构较简单、加工制造比较容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等突出优点，因此被广泛用于化工生产中。
列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今
仍在所有换热器中（250~1500m2/m3）占据主导地位。
列管式换热器设计资料个数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。
列管式换热器有以下几种：
1）固定管板式换热器
由壳体、管板、管束、封头、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；管内不易结垢，及时产生了污垢也便于清洗。
缺点：
课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。
当冷热刘体检温差超过50℃时，应加补偿圈以减少热应力。
图2-1 固定管板式换热器
2）U形管式换热器
该换热器的每根管子都呈U形，管子的两端固定在同一块板上。
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：
胆管内清洗困难，制造困难，管板利用率低，报废率较高。
适用于高温、高压、管内为清洁流体的场合。
6
图2-2 U型管式换热器
3）浮头式换热器
其两端管板之一不与外壳连接，可以沿管长方向浮动，该端成为浮头。
当壳体与管束因温度不同而引起膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴自由伸缩，可完全消除热应力。
优点：
当换热管与壳体有温差存在，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维修。
缺点：
结构复杂没用材量大，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物料的热换，应用较为普遍。
图2-3 浮头式换热器
4）填料函式换热器
该换热器是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。
管束不可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差恩引起的温差压力。
优点：
结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也较浮头式的低；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2-4 填料函式换热器
2.1.2换热器的选择
各种换热器各有其适合场合，选用时应该根据工艺要求、厂区特点、不同型式换热器对介质和操作条件的适应性以及设备制造费用和操作费用等因素进行技术经济综合权衡。
在设计换热器时还应同时恰当的选用其结构材料，要根据设备的操作压力和温度、介质的腐蚀性、材料的加工工艺性能和价格因素等方面综合考虑。
作为换热元件的材料应该有较高的导热性、足够的机械强度和耐热性。
在石油化工行业中，更需注意材料的耐蚀性。
选材不当，既影响换热器的使用寿命和安全性，也可能不必要的是设备的成本大为提高。
在我国随着经济快速发展的同时，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。
为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：
1合理地实现所规定的工艺条件；
2结构安全可靠；
3便于制造、安装、操作和维修；
4经济上合理。
浮头式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。
管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。
综合上述情况本次设计采用浮头式换热器。
2.2换热器的结构设计
2.2.1换热管布置和排列间距
常用换热管规格有f19´2mm、f25´2mm（1Cr18Ni9Ti）、f25´2.5mm（碳钢 10）。
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。
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清理；同心圆排列用于小直径换热器，外
圆管布管均匀，结构更为紧凑。
我过换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也偶正三角形排列。
28
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个班，采用正方形排列方式。
管心距（管中间的距离）t与管外径d0的比值，焊接时为1.25，胀接时为1.35~1.5。
图2-1换热管排列方式
2.2.2管板
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开来。
管板与管子的连接可用胀接或焊接。
胀接发是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封固定的目的。
焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。
管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。
固定管板常采用不可拆连接。
两端管板直接焊在外壳上并兼做法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。
浮头式、U型管式等为使壳体清洗方便，常将管板夹在壳体法兰和顶盖法兰之间构成可拆连接。
2.2.3封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，起其作用是控制及分配管程流体。
1封头 当壳体直径较小时常采用封头。
接管和封头可用发法兰和螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。
2管箱 壳径较大的换热器大多采用管箱结构。
管箱具有一个可拆盖板，因此在检修或清洗管子时无须拆下管箱。
3分程隔板 当西药的换热面积很大时，可采用多管程换热器。
对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。
这样可提高介质流速，增强传热。
管程多着可达16程，常用的有1、4、6程，其布置方案见表3-2.在布置时应尽量使管程流体与课程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄露，以防止流体的短路。
图2-2管程布置
2.2.4壳体
壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。
直径小于
400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mm的可用钢板卷焊而成。
介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。
如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。
用两个换热器串联也可得到同样的效果。
为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。
2.2.5折流板
在壳程管束中们一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。
折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。
2.2.6缓冲板
在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。
它可以防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。
也有在管束两端放置导流筒，不仅起防冲板的作用，还可改善两端流体的分布，提高传热效率。
一般浮头式换热器与其它类型的换热器比较有以下主要技术特性
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.可以在高温高压下工作，一般温度小于等于450℃，压力小于等于64Mpa
4.可用于结垢比较严重的场合
5.多用于管程腐蚀场合
6.但小浮头易发生内漏 金属材料耗量大 成本高 结构复杂。
2.3流动空间的选择
在管壳式换热器的计算中,首先需决定何种流体走管程,何种流体走壳程,这需遵循一些一般原则。
1.易结垢流体应走易于清洗的一侧。
对于固定管板式、浮头式换热器，一般应使易结垢流体流经管程；但对于U型换热器，易结垢流体流经壳程。
2.若在设计上需要提高流体的流速，以提高传热膜洗漱。
在这种情况下，应将需提高流速的流体放在管程。
这是因为管程流通截面积较小，且易于采用多管程结垢，以提高流速。
3.具有腐蚀性的流体应走管程，以免管束与壳体同时受到腐蚀，同时这样也可以节约耐腐蚀材料，降低换热器成本。
4.压力高的流体应走管程，这是因为管子直径较小，承压能力强，能够头避免采用耐压的壳体和密封措施。
5.温度很高的（很低的）物料应走管内，以减少热量（冷量）的散失。
6.粘度大的流体走壳程，因为壳程内的流体在折流板的作用下，流通截面和方向都不断变化，在较低的雷诺数下就可以达到湍流状态。
7.有毒的流体宜走管程，以减少向环境泄露的机会。
8.若两流体的温度差较大，传热膜系数α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，以较小管壁和壳壁的温度差。
所以此次方案设计循环水走管程,柴油走壳程。
2.4流速的确定
提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增加，所需传热面积减少，设备费用降低。
但是，流
速增加，流体阻力也将相应增大，操作费用增加。
因此，选用适宜的流速是是十分重要的，
适宜的流速应通过经济核算来确定。
一般，尽可能使管程内流体的Re>104（同时也要注意其他
方面的合理性），高粘度流体常按层流设计。
根据经验，在下列表中列出一些工业上常用的流体流速范围，以供参考。
表2-1 换热器常用流速的范围
流速
循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度液体 高粘度液体 气体
介质
管程流速，
m/s
壳程流速，m/s
1.0~2.0
0.5~1.5
0.8~1.5
0.5~1.5
0.5~3.0
0.2~1.5
>1.0
>0.5
0.8~1.8
0.4~1.0
0.5~1.5
0.3~0.8
5~30
2~15
表2-2 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速
液体名称 乙醚、二硫化碳、苯
甲醇、乙醇、汽油
丙酮 氢气
安全流速，m/s <1
<2~3
<10 £8
2.5加热器、冷却器的选择
在换热过程中加热器和冷却器的选用根据实际情况而定。
除应满足加热和冷却温度外，还应考虑来源方便，价格低廉，使用安全。
在化工生产中常用的加热剂有饱和水蒸汽、导热油，冷却剂有水。
此次设计需使用冷却剂，实验设计时已给出选，用循环水作为冷却剂。
2.6流体出口温度的确定
工艺流体的进出口温度是由工艺条件决定，加热剂或冷却剂的进口温度也是确定的，但其出口的温度是由设计者选定的。
该温度直接影响加热剂或冷却剂的耗量和换热器的大小，所以此温度的确定有一个优化问题。
此次设计中，流体进出口的温度已给出。
2.7材质的选择
在进行换热器设计时，换热器各种零件、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然，最后还要考虑材料的经济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。
在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。
1、碳钢
价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用时合理的。
如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。
2、不锈钢
奥氏体系不锈钢以1Cr18Ni9为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
本次设计采用碳钢材料的换热器即可。
第3章换热器的工艺计算
3.1确定设计方案
3.1.1选择换热器类型
两流体温度变化情况：
热流体（柴油）进口温度175℃，出口温度90℃；冷流体（循环水）进口温度20℃，出口温度50℃。
该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。
3.1.2流体间流速确定
由于循环冷却水易结垢，为了便于水垢的清洗，应采用循环水走管程，柴油走壳程。
选用φ25×2.5mm的碳钢管，管内流速取u=1.5m/s。
3.2基础物性数据
3.2.1定性温度
取流体进口温度的平均值为定性温度。
3.2.2壳程柴油的定性温度
T=175+90=132.5℃
2
3.2.3管程循环水的定性温度
t=20+50=35℃
2
3.2.4柴油物性数据
由手册查得柴油在定性温度下物性数据：
c
密度r=720（kg/m3）
c
粘度m=6.4´10-4（Pa×s）=2.304kg/（m×h）
定压比热容
cpc=2.48kJ/（kg×°C）
导热系数
lc=0.133w/（m×°C）
3.2.5循环水物性数据
循环冷却水在35°C下的物性数据
i
密度r=994（kg/m3）
粘度mi=0.000725（Pa×s）
定压比热容
cpi
=4.08kJ/（kg×°C）
导热系数
li=0.626w/（m×°C）
3.3换热面面积的计算
3.3.1热负荷与热换量
热负荷热换量
qm=200000000/（330´24）=25252.53kg/h
m
Q=qcDT=25252.53´2.48´（175-90）=5323233.32kJ/h=1.48´106w
3.3.2平均传热温差
Dt'=Dt1-Dt2=（175-90）-（50-20）=94.86℃
m lnDt1
Dt2
ln175-90
50-20
R=175-90=2.83
50-20
P=50-20
175-20
=0.19
由R、P查图得换热器的温度校正系数
jDt=0.94
平均传热温差
Dtm=jDtDtm'=0.94´94.86=89.17℃
3.3.3冷却用水量
wi=
Q
ciDti
= 5323233.32
4.08´（50-20）
=43490kg/h
3.3.4初选换热器
设初选换热器
K=580W/（m2×℃）
则估算面积
A'=
Q
KDt'm
=1.48´106580´94.86
26.90m2
考虑15%的换热裕度则
A=1.15A'=30.9m2
3.4工艺结构尺寸的计算
3.4.1管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定当程传热管数
ns=
V
i
i
0.078d2u
=25.8»2（6根）
按单管程计算，所需传热管长度为
L= A
pdons
=15.16m
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
先取传热管长L=4.5m，则该换热器管程数为
N =L=15.16»（4
管程）
p l 4.5
则传热管总根数
N=26´4=104根
3.4.2传热管排列和分程的选择
采用组合法排列，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。
取管心距
t=1.25do
N
104
则 t=1.25´25=31.25»32mm
横过管束中心线的管束
nc=1.1
=1.1
»1（2根）
3.4.3壳程内径的计算
Di=t（nc-1）+2e=32´11+2´0.025»352mm
圆整后
Di=400mm
3.4.4折流板的选择
采用弓形折流板
N=L-0.1-1=4.5-0.1-1=28块
o
B h'
0.15
折流板圆缺面：
水平装置。
3.4.5接管计算
壳程流体进出口接管：
取接管内油品速度为u=1.0m/s
4´25252.53（3600´720）
3.14´1.0
则接管内径为
4V
pu
do= =
=0.11（1m）
取标准管径为100mm。
管程流体进出口接管：
取接管内循环水流速2m/s
则接管内径为
4V
pu
4´43490（3600´994）
3.14´2
d= = =0.08（8m）
取标准管径为90mm
3.5换热器核算
3.5.1壳程对流传热系数
对圆缺形折流板，可采用克恩公式：
l æmö0.14
o o
a=0.36oRe0.55Pr13ç
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