列管式固定管板換熱器設(shè)計要點

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1、東北石油大學(xué)石化裝備設(shè)計綜合實訓(xùn)（卓）目錄第1章工藝概述 11.1 裝置概況 11.2 工藝原理（催化裂化） 11.3 工藝流程說明（吸收穩(wěn)定部分） 2第2章工藝設(shè)計 32.1 設(shè)計概述 32.2 設(shè)計課題 32.3 設(shè)計參數(shù)的確定 42.4 初算換熱器的傳熱面積S0 42.4.1 換熱器的熱流量（忽略熱損失） 42.4.2 水蒸氣的消耗量（忽略熱損失） 42.4.3 平均傳熱溫差52.4.4 計算傳熱面積52.5 主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計算 52.5.1 換熱管選擇 52.5.2 計算殼體內(nèi)直徑Di 62.5.3 畫出排管圖62.5.4 計算實際傳熱面積S0及過程的總傳熱系數(shù)K0（選）72

2、.5.5 折流板直徑Dc數(shù)量及有關(guān)尺寸的確定 7c2.5.6 拉桿的直徑和數(shù)量與定居管的選定 72.6 換熱器核算 72.6.1 換熱器內(nèi)流體的壓力降 72.6.2 熱流量核算8第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計 103.1 折流擋板 103.2 法蘭 103.3 換熱管 113.4 支座 113.5 壓力容器選材原則 113.6 墊片 12第4章強度計算 134.1 筒體壁厚計算 134.2 流體進、出口接管直徑 134.3 其他結(jié)構(gòu)尺寸 144.4 支座反力 144.5 筒體彎矩 154.5.1 圓筒中間處截面上的彎矩 154.5.2 支座處橫截面間彎距 164.6 系數(shù)計算 164.7 筒體軸向應(yīng)力 164

3、.7.1 軸向應(yīng)力164.7.2 應(yīng)力校核174.8 鞍座處圓筒周向應(yīng)力 184.9 鞍座應(yīng)力 18第5章設(shè)計結(jié)果匯總 19參考文獻 20II東北石油大學(xué)石化裝備設(shè)計綜合實訓(xùn)（卓）第1章工藝概述1.1 裝置概況180萬噸/年重油裂解裝置按規(guī)模180萬噸/年設(shè)計。裝置包括反應(yīng)-再生、分 儲、吸收穩(wěn)定、氣壓機、能量回收及余熱鍋爐、產(chǎn)品精制幾部分組成， ARGG：藝 以常壓渣油等重質(zhì)油為原料，采用重油轉(zhuǎn)化和抗金屬能力強，選擇性好的RAG崔化劑，以生產(chǎn)富含丙烯、異丁烯、異丁烷的液化氣，并生產(chǎn)高辛烷值汽油。1.2 工藝原理（催化裂化）催化裂化是煉油工業(yè)中重要的二次加工過程，是重油輕質(zhì)化的重要手段。它 是

4、使原料油在適宜的溫度、壓力和催化劑存在的條件下，進行分解、異構(gòu)化、氫 轉(zhuǎn)移、芳構(gòu)化、縮合等一系列化學(xué)反應(yīng)，原料油轉(zhuǎn)化成氣體、汽油、柴油等主要 產(chǎn)品及油漿、焦炭的生產(chǎn)過程。催化裂化過程具有輕質(zhì)油收率高、汽油辛烷值較 高、氣體產(chǎn)品中烯姓含量高等特點。催化裂化的生產(chǎn)過程包括以下幾個部分：反應(yīng)再生部分：其主要任務(wù)是完成原料油的轉(zhuǎn)化。原料油通過反應(yīng)器與催化 劑接觸并反應(yīng)，不斷輸出反應(yīng)產(chǎn)物，催化劑則在反應(yīng)器和再生器之間不斷循環(huán)， 在再生器中通入空氣燒去催化劑上的積炭，恢復(fù)催化劑的活性，是催化劑能夠循 環(huán)使用。燒焦放出的熱量又以催化劑為載體，不斷帶回反應(yīng)器，供給反應(yīng)所需的 熱量，過剩熱量由專門的取熱設(shè)施取出

5、加以利用。分儲部分：主要任務(wù)是根據(jù)反應(yīng)油氣中各組分沸點的不同，將它們分離成富 氣、粗汽油、回?zé)捰汀⒂蜐{，并保證汽油干點、輕柴油凝固點和閃電合格。吸收穩(wěn)定部分：利用各組分之間在液體中溶解度不同把富氣和粗汽油分離成 干氣、液化氣、穩(wěn)定汽油?？刂坪酶蓺庵械?C3含量、液化氣中的C2和C5含量、穩(wěn) 定汽油的10溢。1.3 工藝流程說明（吸收穩(wěn)定部分）吸收塔頂操作壓力1.3MPa ,從D-10301來的壓縮富氣進入吸收塔 C-10301自 下而上逆流與來自D-10201來的粗汽油和補充吸收劑泵 P-10304/1、2送來的穩(wěn)定 汽油（補充吸收劑）逆相接觸。氣體中的C3和C3以上的更重組分大部分被吸收，剩

6、下含有少量吸收劑的氣體（貧氣）去再吸收塔C-10303,為了取走吸收時放出的熱量，在吸收塔用P-10302/1-4分別抽出四個中段回流，經(jīng)中段回流冷卻器E-10307/1-8冷卻后再返回吸收塔。在D-10301中平衡汽化得到的凝縮油由凝縮油 泵P-10301/1、2抽出后，經(jīng)脫吸塔進料-穩(wěn)定汽油換熱器E-10302/1-2換熱至55 P , 脫吸塔頂操作壓力1.4MPa,溫度50脫吸塔底部由脫吸塔底重沸器提供熱量。用分儲部分中段回流作為熱載體，以脫除凝縮油中的C2組分。塔底脫出的脫乙烷汽油送至汽油穩(wěn)定系統(tǒng)。貧氣從吸收塔頂出來進入在吸收塔C10303,操作壓力1.25MP&與從分儲部分來的貧吸收

7、油（輕柴油）逆流接觸，以脫除氣體中夾帶的 輕汽油組份，經(jīng)吸收后的氣體送至脫硫裝置，富吸收油則靠再吸收塔的壓力自流 至E-10205/1-2 ,與貧吸收油換熱后再返回分儲塔。汽油穩(wěn)定系統(tǒng)脫乙烷汽油從托吸收塔底出來，自壓進入穩(wěn)定塔進料換熱器 E-10303/1-4 ,和穩(wěn)定汽油換熱后進入穩(wěn)定塔 C-10304.塔的操作壓力1.15MPq 丁 烷和更輕的組份從塔頂儲出，經(jīng)過塔頂冷凝冷卻器E-10308/1-8冷卻后進入塔頂回流罐D(zhuǎn)-10302,液體產(chǎn)品-液化氣用穩(wěn)定塔頂回流泵升壓，大部分作為穩(wěn)定塔頂 回流，另一部分作為化工原料送至脫硫裝置。穩(wěn)定汽油自塔底靠本身壓力依次進 入E-10304/1-4、E

8、-10302/1-4 ,換熱后再進入穩(wěn)定汽油-除鹽水換熱器 E-10301/1-2、穩(wěn)定汽油空冷器 EC-10302/1-4、穩(wěn)定汽油冷卻器 E-10309/1-2 ,冷 卻到40度。一部分作為補充吸收劑用 P-10304/1.2送至吸收塔，其余部分送往脫 硫裝置。穩(wěn)定塔底重沸器的熱源來自分儲部分第二中段循環(huán)回流。6第2章工藝設(shè)計2.1 設(shè)計概述換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器 是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要 地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為冷卻器、加熱器、蒸發(fā)器等，應(yīng)用更加廣泛。 換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換

9、交換的原理和方式基本上可分三大 類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為普遍，例如動力工業(yè)中鍋爐設(shè)備的過熱器、 省煤器、空氣預(yù)熱器，電廠熱力系統(tǒng)中的凝氣器、除氧器、給水加熱器、冷水塔； 冶金工業(yè)中高爐的熱風(fēng)爐，煉鋼和軋鋼生產(chǎn)工藝中的空氣或煤氣預(yù)熱；制冷工業(yè) 中蒸汽壓縮式制冷機或吸收式制冷機中的蒸發(fā)器、冷凝器；制糖工業(yè)和造紙工業(yè) 的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，都是換熱器的應(yīng)用實例。在化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工 業(yè)的生產(chǎn)過程中，換熱器也有較多的應(yīng)用。在航天工業(yè)中，為了及時取出發(fā)動機 及其輔助動力裝置在運行時所產(chǎn)生的大量熱量，換熱器也是不可缺少的重要部件

10、。在化工廠，換熱器的費用約占總費用的10%-20%在煉油廠約占總費用35%- 40%換熱器在其他部門如動力、原子能、冶金、食品、交通、環(huán)保、家電等也有 著廣泛的應(yīng)用。2.2 設(shè)計課題設(shè)計一臺用飽和水蒸氣加熱水的列管式固定管板換熱器，水流量為 45t/h ,水 溫由25七加熱到65七。水蒸氣入口溫度128.7 ,出口溫度128.7P。允許壓強降 管程不高于104Pa,殼程不高于105Pa。根據(jù)設(shè)計題目與介質(zhì)，選擇列管式固定管板換熱器，循環(huán)水走管程，水蒸氣 走殼程。2.3 設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)工藝條件查物性表可得：水蒸氣的定性溫度密度 汽化潛熱黏度定壓比熱容 熱導(dǎo)率 循環(huán)水的定性溫度密度定壓比熱容

11、熱導(dǎo)率 黏度T = 128.7 C：0 = 1.443kg/m3 =2082.2KJ/m3o =0.0133mPasCpv = 4.267KJ/kg K0 =0.0320W/m KT = (25 65) / 2 = 45 CR =990kg/m3Cpv =4.174KJ/kg K i = 0.64W/m K i =0.5988mPas2.4 初算換熱器的傳熱面積S0熱流量Q = WCCp c ： T由公式（2-1）計算得Qo =WcCpc：T =345 104.174 (65 - 25)3600(2-1)2087KW2.4.2水蒸氣的消耗量（忽略熱損失）冷卻劑（加熱劑）用量W氣=Q= QCpc

12、AT T由公式（2-2）計算得水蒸氣的用量為(2-2)QW氣=20872082.2=1.0kg/s2.4.1 換熱器的熱流量（忽略熱損失）2.4.3 平均傳熱溫差根據(jù)工藝條件，選取逆向流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫度差A(yù)tm；：tm, ：t2 - . 41ln(2-3)式中 &2 =128.7 65 = 63.7C , At1 =128.725 = 103.79由公式（2-3 ）算得，二 tm63.7 -103.7 =82.1C103.7溫度校正系數(shù) 邛A 0.8,故平均溫度差tm=&m=82.-C2.4.4 計算傳熱面積根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K0 =600W/m2 K ,由K0

13、值初算所需傳熱面積。傳熱面積S0= Q0（2-4）K0 - tm由式（2-4）得 S0 = Q = 2087M 103 = 42.4m2K0 tm 600 82.12.5主要工藝及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計算2.5.1 換熱管選擇1、換熱管選用025mmM 2.5mm的鋼管，管內(nèi)流速取ui =0.4m/s2、換熱管數(shù)量及長度的確定管數(shù)4Vn 二2ui 二 di4 45 1000/(3600 990)_2_0.4 0.023.14= 101(根)管長l = & =2. = 5. 3 mn二d0 1 0 1 3. 1 4 0. 0 25根據(jù) GB151,標(biāo)準(zhǔn)傳熱管有 1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、

14、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。根據(jù)計算結(jié)果取傳熱管長L=6.0m。 則該換熱器的管程數(shù)為Np=- J-3 6.8 8（即為單管程）p L 6.0所以傳熱管總根數(shù)N =1 0僅1= 1 01（3、管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定管子的排列方式采用正三角形排列；管子與管板的連接采用焊接法。2.5.2 計算殼體內(nèi)直徑Di殼體內(nèi)徑Di=tS-1）+2b（2-5）式中管中心距t=1.2g= 1.25 = 25 32 mm橫過管束中心線的管數(shù)nc =1.布=1E M1根1 1管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b =1.5d0 = 37.5mm所以由式（2-

15、5）得 Di =32 11 ）1 + 2 37.=5 395 mm按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取 Di = 400mm2.5.3 畫出排管圖根據(jù)殼體內(nèi)徑Di、管中心距t、橫過管中心線的管數(shù)nc及其排列方式，繪出排 管圖。由圖可見，中心排有11根管，按三角形排列，可排119根，除去6根拉桿 位置，實際排出113根。與上述計算相符。因此實際管數(shù)取 N=113根。圖2-1換熱管排布圖東北石油大學(xué)石化裝備設(shè)計綜合實訓(xùn)(卓)2.5.4 計算實際傳熱面積S0及過程的總傳熱系數(shù)K0)傳熱面積S = Nnd0(l 0.1)(2-6)由式(2-6)得 S = Nnd0(l 0.1) = 101x3.14x0.0

16、25(6 0.1) = 46.7m2總傳熱系數(shù)由式(2-7)得K0QS0.-：tm(2-7)K。2087 10346.7 82.12=544W/(m2K)2.5.5 折流板直徑Dc數(shù)量及有關(guān)尺寸的確定選取折流板與殼體間的間隙為3mm因此折流板直徑Dc = 400 2 3 = 394mm切去弓形高度h =0.25Di =0.25 400-100mm折流板數(shù)量Nb：、01*h。取折流板間距ho = 300mm,那么Nb = 6000-100 _1=19塊 300取整得Nb =19塊實際折流板間距h = 6000 -100 = 295mm19 12.5.6拉桿的直徑和數(shù)量與定居管的選定選用412mm

17、鋼拉桿，數(shù)量6根，定距管采用425mm父2.5mm鋼管2.6換熱器核算2.6.1 換熱器內(nèi)流體的壓力降1、管程壓力降計算：工Pi = 9Pi+Ap2)NsNpFt(2-8)串聯(lián)殼程數(shù)Ns=1,管程數(shù)Np=1。對于0 25mm黑2.5mm換熱管，結(jié)構(gòu)校正 系數(shù)為Ft =1.4。換熱器為單程管 即2=0。9Gi =45 1303600 -4(0 202 )=497.680diGiRei = T0. 0 2 4 9 7. 6 3 =166200.5988 10由Re=16620,傳熱管絕對粗糙度則流體流經(jīng)直管段的壓力為0.02,查莫狄圖得入=0.027。, l 彳、2 3 P1 = (+ 1 .di

18、(2-9)由式(2-9)得l:u/2、.p1 = ( +1.5)u- = (0.027+1.5)di20.02204990 = 332.64Pa%.P =(3 3 2. 6 4 0) 1 1. 4 4 6 54 7 Pa 1 0Pa故管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2、殼程壓力降計算母二(P1P2)FsNs其中流體流經(jīng)管束的壓強降為(2-10)P =FfNc(NB +1)其中，管子排列方式對壓強降的校正因子,2F=0.5(2-11)摩擦系數(shù)f0 =5Re-0.228Uoh(D-ncd0) - 1.443 0.295 (0.4-11 0.025)=18.8m/sRe =doUo D0.0202 18

19、.8 1.44330.0135 10= 41203f0 =5 (41203).228 = 0.442P =Ff04(NB 1)過=0.5 0.442 11 20 1.443 (18.8)2& ，P2 =Nb(3.5 -2h u ) 2220 =19 (3.5-2 0.2950.4=12398Pa22)1.443 ( =9811Pa2、 R =(12398 9811) 1 = 22209Pa 二 105Pa 故殼程壓力降在允許范圍內(nèi)。2.6.2熱流量核算總傳熱系數(shù)KoKo 弛.正sod d -40(26 05 0 7 . 6 1 0 mm44Vh =11.5 106mm3附件質(zhì)量m3 = m1m

20、2m3m4進出口接管質(zhì)量東北石油大學(xué)石化裝備設(shè)計綜合實訓(xùn)（卓）m1=22-0.1592 -0.15120.25 7840 231+ X4一，一 2 一，2 _0.108 -0.10.25 7840 2 =12.75kg換熱管質(zhì)量m22240.025 -0.022 7840 113 -312.95kg拉桿質(zhì)量m3二 2 c，=7 0.0122 7840 4 = 7.1kg法蘭質(zhì)量所以附件質(zhì)量ml4=23.7kg= 12.75 312.95 7.1 23.7 = 356.5kg容器總質(zhì)量m =叫 m2 m3 = 1125.84kg容器內(nèi)充液質(zhì)量2L P水 n +VhP水 + D i2l P水43.

21、1420.026 99011343.142+0.015990+ 0.40.408990支座反力4 m+m FFg=276.34kg1125.84 276.34 9.8 : 6871N234.5筒體彎矩4.5.1 圓筒中間處截面上的彎矩M1FL41一一22211+2(RaH )/L 4A(4-4)由式(4-4)得M1.22.2FL 1+2(Ra -H )/L14Hi3L4AL6871 M6.01 + 230.2062 -0.1252 )/6.051 A1253 6.052_ 4-0.16.05二9441N m4.5.2支座處橫截面間彎距M 2 二 一 FAA R2-H：11-L 2AL4Hi1

22、i3L(4-5)由式（4-5）得M 2 = -FA1 A.Ra2-Hi21L 2AL1犯3Ld 0.10.2062 -0.12521 -十=-6871 0.1=-15.38N m16.052x0.1x6.05彳 4M0.1251 +3 6.054.6 系數(shù)計算表4-2系數(shù)計算表K11K2 1K3 0.87990433K4 =0.401056K5 = 0.760258K6 = 0.0132129。=0.20352144.7 筒體軸向應(yīng)力4.7.1 軸向應(yīng)力M1二 RaPcRa . M12 e 二 Ra5JRa_ M2M2K2二 Ra2 e(4-6)(4-7)(4-8)(4-9) 2 eK1 二

23、Ra。由式（4-6）、（4-7）、（4-8）、（4-9）可得,Mi二 Rak9441 26 )-7.09MPa3.14 0.2062 0.01 106PcRa Mi一-Z_22 c.e 二 R、e ea e1.0 0.2069441-262 0.013.14 0.2062 0.01 106= 17.38MPaPcRaM 2一 _ 22 eK1 二 Ra e1.0 0.2062 0.0115.3826 =10.31MPa1 3.14 0.2060.01 10M22 Rae15.382二-0.012MPa1 3.14 0.2060.014.7.2應(yīng)力校核1、許用壓縮應(yīng)力0.094、e 0.094

24、10A =e = = 0.0047R 200根據(jù)圓筒材料查GB150圖6-3和圖6-10得到B=585MPaL lac = min (b t, B )=141MPab】ac =min(0.8ReL,B)=172MPac-二 I。I =141MPa2 ， 3合格 k =141MPaac合格T1 ,二 T4二 L =172Mpa合格2、封頭、圓筒應(yīng)力校核因為A Ra =0.1 03 2圓筒中.產(chǎn)Ra e0. 8 799040. 20 66 8 7612. 9 3M Pa0. 01封頭中封頭圓筒封頭圓筒封頭K4FRa,； he0. 40 1 0560. 2 06 0. 0 16871 j 0 , =

25、1.法 4 M P a1 1. 0 0. 42 0.=20 M Pa 0 1U - 0.8; t = 0 . 8I. .1-1 .25-1. 1 1 -113MPah - h l-156.25MPa14 11.251 1 3M Pa1 4 1 =20 1 56.25 M Pa合格合格4.8鞍座處圓筒周向應(yīng)力圓周的有效寬度b2 =b 1.56. Rarn =150 1.56.206 10 = 221mm在橫截面最低處kK5F, eb21 0760258 6871 1060.01 0.221-2.37MPa在鞍座邊角處F12K6FRa4 eb2L e26871 10 s 12 0.0132129

26、6871 10 上 0.206=-2-24 0.010.2216.05 0.01=-78MPa應(yīng)力校核r5bi=141MPa合格仃6 1.25 b t =176.25MPa合格4.9鞍座應(yīng)力1、水平分力Fs =K9F =0.20352137 6871W398N2、腹板水平分力、r 上11計算圖度 Hs = min I - s3鞍座腹板厚度b0 u8mm腹板水平應(yīng)力 =- 6 6871 107 = 12.45MPaHsb0 0.069 0.008應(yīng)力判斷仃9 V2 b】sa =94MPaRa,H =69mm合格第5章設(shè)計結(jié)果匯總表5-1設(shè)計結(jié)果匯總圓筒材料Q245圓筒內(nèi)徑Di400mm換熱管規(guī)格

27、25miW 2.5mm換熱管長度6m換熱管根數(shù)113根折流擋板個數(shù)19個拉桿規(guī)格 12mm封頭材料Q245封頭名義厚度dhn12mm封頭厚度附加量Ch-h2mm兩封頭切線間距離L6050mm鞍座墊板名義厚度6m0mm鞍座墊板有效厚度5re0mm鞍座軸向?qū)挾萣40mm鞍座高度H200mm鞍座包角日120o鞍座地腳螺栓個數(shù)2個鞍座地腳螺栓公稱直徑20mm鞍座軸線兩側(cè)的螺紋間距l(xiāng)330mm鞍座底板中心至封頭距離A150mm封頭曲面高度hi150mm腹板與筋板（小端）組合截面積 Asa9500mm管程接管尺寸 108mm: 4mm殼程接管尺寸 159mm: 4mm1鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.2姚玉英.化工原理M .天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2005.3 T.Kuppan.換熱器設(shè)計手冊M.北京：中國石化出版社，2002.4 GB150-2011,壓力容器S.5 JB 4731-2005,鋼制臥式容器 S.6 JB4712-2007,容器支座S.口 JB 4715-1992,固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)S.