列管式固定管板换热器设计要点

东北石油大学石化装备设计综合实训（卓）目录第1章工艺概述 11.1 装置概况 11.2 工艺原理（催化裂化） 11.3 工艺流程说明（吸收稳定部分） 2第2章工艺设计 32.1 设计概述 32.2 设计课题 32.3 设计参数的确定 42.4 初算换热器的传热面积S0 42.4.1 换热器的热流量（忽略热损失） 42.4.2 水蒸气的消耗量（忽略热损失） 42.4.3 平均传热温差52.4.4 计算传热面积52.5 主要工艺及结构基本参数的计算 52.5.1 换热管选择 52.5.2 计算壳体内直径Di 62.5.3 画出排管图62.5.4 计算实际传热面积S0及过程的总传热系数K0（选）72.5.5 折流板直径Dc数量及有关尺寸的确定 7c2.5.6 拉杆的直径和数量与定居管的选定 72.6 换热器核算 72.6.1 换热器内流体的压力降 72.6.2 热流量核算8第3章结构设计 103.1 折流挡板 103.2 法兰 103.3 换热管 113.4 支座 113.5 压力容器选材原则 113.6 垫片 12第4章强度计算 134.1 筒体壁厚计算 134.2 流体进、出口接管直径 134.3 其他结构尺寸 144.4 支座反力 144.5 筒体弯矩 154.5.1 圆筒中间处截面上的弯矩 154.5.2 支座处横截面间弯距 164.6 系数计算 164.7 筒体轴向应力 164.7.1 轴向应力164.7.2 应力校核174.8 鞍座处圆筒周向应力 184.9 鞍座应力 18第5章设计结果汇总 19参考文献 20II东北石油大学石化装备设计综合实训（卓）第1章工艺概述1.1 装置概况180万吨/年重油裂解装置按规模180万吨/年设计。装置包括反应-再生、分 储、吸收稳定、气压机、能量回收及余热锅炉、产品精制几部分组成， ARGG：艺 以常压渣油等重质油为原料，采用重油转化和抗金属能力强，选择性好的RAG崔化剂，以生产富含丙烯、异丁烯、异丁烷的液化气，并生产高辛烷值汽油。1.2 工艺原理（催化裂化）催化裂化是炼油工业中重要的二次加工过程，是重油轻质化的重要手段。它 是使原料油在适宜的温度、压力和催化剂存在的条件下，进行分解、异构化、氢 转移、芳构化、缩合等一系列化学反应，原料油转化成气体、汽油、柴油等主要 产品及油浆、焦炭的生产过程。催化裂化过程具有轻质油收率高、汽油辛烷值较 高、气体产品中烯姓含量高等特点。催化裂化的生产过程包括以下几个部分：反应再生部分：其主要任务是完成原料油的转化。原料油通过反应器与催化 剂接触并反应，不断输出反应产物，催化剂则在反应器和再生器之间不断循环， 在再生器中通入空气烧去催化剂上的积炭，恢复催化剂的活性，是催化剂能够循 环使用。烧焦放出的热量又以催化剂为载体，不断带回反应器，供给反应所需的 热量，过剩热量由专门的取热设施取出加以利用。分储部分：主要任务是根据反应油气中各组分沸点的不同，将它们分离成富 气、粗汽油、回炼油、油浆，并保证汽油干点、轻柴油凝固点和闪电合格。吸收稳定部分：利用各组分之间在液体中溶解度不同把富气和粗汽油分离成 干气、液化气、稳定汽油。控制好干气中的 C3含量、液化气中的C2和C5含量、稳 定汽油的10溢。1.3 工艺流程说明（吸收稳定部分）吸收塔顶操作压力1.3MPa ,从D-10301来的压缩富气进入吸收塔 C-10301自 下而上逆流与来自D-10201来的粗汽油和补充吸收剂泵 P-10304/1、2送来的稳定 汽油（补充吸收剂）逆相接触。气体中的C3和C3以上的更重组分大部分被吸收，剩下含有少量吸收剂的气体（贫气）去再吸收塔C-10303,为了取走吸收时放出的热量，在吸收塔用P-10302/1-4分别抽出四个中段回流，经中段回流冷却器E-10307/1-8冷却后再返回吸收塔。在D-10301中平衡汽化得到的凝缩油由凝缩油 泵P-10301/1、2抽出后，经脱吸塔进料-稳定汽油换热器E-10302/1-2换热至55 P , 脱吸塔顶操作压力1.4MPa,温度50脱吸塔底部由脱吸塔底重沸器提供热量。用分储部分中段回流作为热载体，以脱除凝缩油中的C2组分。塔底脱出的脱乙烷汽油送至汽油稳定系统。贫气从吸收塔顶出来进入在吸收塔C10303,操作压力1.25MP&与从分储部分来的贫吸收油（轻柴油）逆流接触，以脱除气体中夹带的 轻汽油组份，经吸收后的气体送至脱硫装置，富吸收油则靠再吸收塔的压力自流 至E-10205/1-2 ,与贫吸收油换热后再返回分储塔。汽油稳定系统脱乙烷汽油从托吸收塔底出来，自压进入稳定塔进料换热器 E-10303/1-4 ,和稳定汽油换热后进入稳定塔 C-10304.塔的操作压力1.15MPq 丁 烷和更轻的组份从塔顶储出，经过塔顶冷凝冷却器E-10308/1-8冷却后进入塔顶回流罐D-10302,液体产品-液化气用稳定塔顶回流泵升压，大部分作为稳定塔顶 回流，另一部分作为化工原料送至脱硫装置。稳定汽油自塔底靠本身压力依次进 入E-10304/1-4、E-10302/1-4 ,换热后再进入稳定汽油-除盐水换热器 E-10301/1-2、稳定汽油空冷器 EC-10302/1-4、稳定汽油冷却器 E-10309/1-2 ,冷 却到40度。一部分作为补充吸收剂用 P-10304/1.2送至吸收塔，其余部分送往脱 硫装置。稳定塔底重沸器的热源来自分储部分第二中段循环回流。6第2章工艺设计2.1 设计概述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 是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要 地位。在化工生产中换热器可作为冷却器、加热器、蒸发器等，应用更加广泛。 换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换交换的原理和方式基本上可分三大 类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。换热器在工业生产中的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器、 省煤器、空气预热器，电厂热力系统中的凝气器、除氧器、给水加热器、冷水塔； 冶金工业中高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业 中蒸汽压缩式制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器、冷凝器；制糖工业和造纸工业 的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，都是换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工 业的生产过程中，换热器也有较多的应用。在航天工业中，为了及时取出发动机 及其辅助动力装置在运行时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少的重要部件。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%在炼油厂约占总费用35%- 40%换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有 着广泛的应用。2.2 设计课题设计一台用饱和水蒸气加热水的列管式固定管板换热器，水流量为 45t/h ,水 温由25七加热到65七。水蒸气入口温度128.7 ,出口温度128.7P。允许压强降 管程不高于104Pa,壳程不高于105Pa。根据设计题目与介质，选择列管式固定管板换热器，循环水走管程，水蒸气 走壳程。2.3 设计参数的确定根据工艺条件查物性表可得：水蒸气的定性温度密度 汽化潜热黏度定压比热容 热导率 循环水的定性温度密度定压比热容 热导率 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 初算换热器的传热面积S0热流量Q = WCCp c ： T由公式（2-1）计算得Qo =WcCpc：T =345 104.174 (65 - 25)3600(2-1)2087KW2.4.2水蒸气的消耗量（忽略热损失）冷却剂（加热剂）用量W气=Q= QCpcAT T由公式（2-2）计算得水蒸气的用量为(2-2)QW气=20872082.2=1.0kg/s2.4.1 换热器的热流量（忽略热损失）2.4.3 平均传热温差根据工艺条件，选取逆向流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差Atm；：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温度校正系数 邛A 0.8,故平均温度差tm=&m=82.-C2.4.4 计算传热面积根据经验数值初选总传热系数K0 =600W/m2 K ,由K0值初算所需传热面积。传热面积S0= Q0（2-4）K0 - tm由式（2-4）得 S0 = Q = 2087M 103 = 42.4m2K0 tm 600 82.12.5主要工艺及结构基本参数的计算2.5.1 换热管选择1、换热管选用025mmM 2.5mm的钢管，管内流速取ui =0.4m/s2、换热管数量及长度的确定管数4Vn 二2ui 二 di4 45 1000/(3600 990)_2_0.4 0.023.14= 101(根)管长l = & =2. = 5. 3 mn二d0 1 0 1 3. 1 4 0. 0 25根据 GB151,标准传热管有 1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.5m、6.0m、7.5m、9.0m、12.0m。根据计算结果取传热管长L=6.0m。 则该换热器的管程数为Np=- J-3 6.8 8（即为单管程）p L 6.0所以传热管总根数N =1 0仅1= 1 01（3、管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定管子的排列方式采用正三角形排列；管子与管板的连接采用焊接法。2.5.2 计算壳体内直径Di壳体内径Di=tS-1）+2b（2-5）式中管中心距t=1.2g= 1.25 = 25 32 mm横过管束中心线的管数nc =1.布=1E M1根1 1管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离b =1.5d0 = 37.5mm所以由式（2-5）得 Di =32 11 ）1 + 2 37.=5 395 mm按壳体直径标准系列尺寸圆整，取 Di = 400mm2.5.3 画出排管图根据壳体内径Di、管中心距t、横过管中心线的管数nc及其排列方式，绘出排 管图。由图可见，中心排有11根管，按三角形排列，可排119根，除去6根拉杆 位置，实际排出113根。与上述计算相符。因此实际管数取 N=113根。图2-1换热管排布图东北石油大学石化装备设计综合实训(卓)2.5.4 计算实际传热面积S0及过程的总传热系数K0)传热面积S = Nnd0(l 0.1)(2-6)由式(2-6)得 S = Nnd0(l 0.1) = 101x3.14x0.025(6 0.1) = 46.7m2总传热系数由式(2-7)得K0QS0.-：tm(2-7)K。2087 10346.7 82.12=544W/(m2K)2.5.5 折流板直径Dc数量及有关尺寸的确定选取折流板与壳体间的间隙为3mm因此折流板直径Dc = 400 2 3 = 394mm切去弓形高度h =0.25Di =0.25 400-100mm折流板数量Nb：、01*h。取折流板间距ho = 300mm,那么Nb = 6000-100 _1=19块 300取整得Nb =19块实际折流板间距h = 6000 -100 = 295mm19 12.5.6拉杆的直径和数量与定居管的选定选用412mm钢拉杆，数量6根，定距管采用425mm父2.5mm钢管2.6换热器核算2.6.1 换热器内流体的压力降1、管程压力降计算：工Pi = 9Pi+Ap2)NsNpFt(2-8)串联壳程数Ns=1,管程数Np=1。对于0 25mm黑2.5mm换热管，结构校正 系数为Ft =1.4。换热器为单程管 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,传热管绝对粗糙度则流体流经直管段的压力为0.02,查莫狄图得入=0.027。, l 彳、2 3 P1 = (+ 1 .di(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故管程流体阻力在允许范围之内。2、壳程压力降计算母二(P1P2)FsNs其中流体流经管束的压强降为(2-10)P =FfNc(NB +1)其中，管子排列方式对压强降的校正因子,2F=0.5(2-11)摩擦系数f0 =5Re-0.228Uoh(D-ncd0) - 1.443 0.295 (0.4-11 0.025)=18.8m/sRe =doUo D0.0202 18.8 1.44330.0135 10= 41203f0 =5 (41203).228 = 0.442P =Ff04(NB 1)过=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 故壳程压力降在允许范围内。2.6.2热流量核算总传热系数KoKo 弛.正sod d -40(26 05 0 7 . 6 1 0 mm44Vh =11.5 106mm3附件质量m3 = m1m2m3m4进出口接管质量东北石油大学石化装备设计综合实训（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换热管质量m22240.025 -0.022 7840 113 -312.95kg拉杆质量m3二 2 c，=7 0.0122 7840 4 = 7.1kg法兰质量所以附件质量ml4=23.7kg= 12.75 312.95 7.1 23.7 = 356.5kg容器总质量m =叫 m2 m3 = 1125.84kg容器内充液质量2L P水 n +VhP水 + D i2l P水43.1420.026 99011343.142+0.015990+ 0.40.408990支座反力4 m+m FFg=276.34kg1125.84 276.34 9.8 : 6871N234.5筒体弯矩4.5.1 圆筒中间处截面上的弯矩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支座处横截面间弯距M 2 二 一 FAA R2-H：11-L 2AL4Hi1 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 系数计算表4-2系数计算表K11K2 1K3 0.87990433K4 =0.401056K5 = 0.760258K6 = 0.0132129。=0.20352144.7 筒体轴向应力4.7.1 轴向应力M1二 RaPcRa . M12 e 二 Ra5JRa_ M2M2K2二 Ra2 e(4-6)(4-7)(4-8)(4-9) 2 eK1 二 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应力校核1、许用压缩应力0.094、e 0.094 10A =e = = 0.0047R 200根据圆筒材料查GB150图6-3和图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、封头、圆筒应力校核因为A Ra =0.1 03 2圆筒中.产Ra e0. 8 799040. 20 66 8 7612. 9 3M Pa0. 01封头中封头圆筒封头圆筒封头K4FRa,； he0. 40 1 0560. 2 06 0. 0 16871 j 0 , =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鞍座处圆筒周向应力圆周的有效宽度b2 =b 1.56. Rarn =150 1.56.206 10 = 221mm在横截面最低处kK5F, eb21 0760258 6871 1060.01 0.221-2.37MPa在鞍座边角处F12K6FRa4 eb2L e26871 10 s 12 0.0132129 6871 10 上 0.206=-2-24 0.010.2216.05 0.01=-78MPa应力校核r5bi=141MPa合格仃6 1.25 b t =176.25MPa合格4.9鞍座应力1、水平分力Fs =K9F =0.20352137 6871W398N2、腹板水平分力、r 上11计算图度 Hs = min I - s3鞍座腹板厚度b0 u8mm腹板水平应力 =- 6 6871 107 = 12.45MPaHsb0 0.069 0.008应力判断仃9 V2 b】sa =94MPaRa,H =69mm合格第5章设计结果汇总表5-1设计结果汇总圆筒材料Q245圆筒内径Di400mm换热管规格25miW 2.5mm换热管长度6m换热管根数113根折流挡板个数19个拉杆规格 12mm封头材料Q245封头名义厚度dhn12mm封头厚度附加量Ch-h2mm两封头切线间距离L6050mm鞍座垫板名义厚度6m0mm鞍座垫板有效厚度5re0mm鞍座轴向宽度b40mm鞍座高度H200mm鞍座包角日120o鞍座地脚螺栓个数2个鞍座地脚螺栓公称直径20mm鞍座轴线两侧的螺纹间距l330mm鞍座底板中心至封头距离A150mm封头曲面高度hi150mm腹板与筋板（小端）组合截面积 Asa9500mm管程接管尺寸 108mm: 4mm壳程接管尺寸 159mm: 4mm1郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计M.北京：化学工业出版社，2010.2姚玉英.化工原理M .天津：天津科学技术出版社，2005.3 T.Kuppan.换热器设计手册M.北京：中国石化出版社，2002.4 GB150-2011,压力容器S.5 JB 4731-2005,钢制卧式容器 S.6 JB4712-2007,容器支座S.口 JB 4715-1992,固定管板式换热器型式与基本参数S.