天津大学化工学院大三换热器设计.doc

前言综述换热器的类型多种多样，尺寸以及工艺也大相径庭，在设计的过程中，除了依照工艺计算结果对换热器的各部件以及附加工艺进行选择之外，我们还主要参照了以下几点：1. 合理的实现所规定的工艺条件。传热量、流体的热力学参数和物理化学性质是工艺过程所规定的条件。根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。2. 安全可靠。换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定以及钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准，对这保证设备的安全起着重要作用。3. 有利于安装、操作以及维修。直立设备的安装费往往低于水平或者倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据余姚可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。4. 经济合理。评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费用的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。固定管板式换热器简介这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。任务设计书1、 设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计2、 蒸发系统流程及有关条件见附图。3、 系统生产能力： 55 万吨/年。4、 有效生产时间：300天/年。5、 设计内容： 效预热器（组）第 1 台预热器的设计6、 卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器，试根据附图中卤水预热的温度要求对预热器（组）进行设计。7、 卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于0.5m/s。8、 换热管直径选为383mm。9、 卤水物性参数随温度的变化，当手册查不到时，可按水的变化规律推算。10、 设计完成后应缴交的文件：设计说明书11、 换热器剖面图一张（A2图纸）。12、 设计的完成期限：小学期结束前。附图接真空泵盐浆去脱水干燥系统板式换热器循环下水来自热电站的生蒸汽389kPa冷凝水循环上水冷凝水冷凝水冷凝水盐浆盐浆盐浆28%V26%V24%V22%V556183105精制卤水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.6kPaIIIIIIIV卤水分效预热系统35I效预热器（组）II效预热器（组）III效预热器（组）设计方案的选定控制条件和设备类型的选择一、 设备类型的选择换热器类型：立式固定管板式换热器管程壳程：单管程单壳程二、 操作条件：介质介质性质工作温度进/出工作压力KPa壳程饱和水蒸气无毒无害120/120198.6管程卤水易结垢83/90101.325带控制点的工艺流程简图及其说明一、工艺流程简图接真空泵盐浆去脱水干燥系统板式换热器循环下水来自热电站的生蒸汽389kPa冷凝水循环上水冷凝水冷凝水冷凝水盐浆盐浆盐浆28%V26%V24%V22%V556183105精制卤水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.6kPaIIIIIIIV卤水分效预热系统35I效预热器（组）II效预热器（组）III效预热器（组）二、设计条件的说明1.本小组设计效，分三个换热器完成任务，第一个换热器的温度差为7C。2.换热器类型选择：(1)由于卤水为高粘度流体，卧式换热器的阻力太大，所以选用立式换热器。(2)由于壳程的加热介质为水蒸气，选用立式换热器有利于蒸汽与冷凝液的分离，换热效果更好。(3)从安装以及经济角度来说，立式的比卧式的安装更加简单，经济性更加优越。3.操作条件： 管程流体为卤水，壳程流体为198.6 KPa下的饱和水蒸气。卤水典型组成/（g/L）Ca2+Mg2+SO42-Cl-NaCl1.620.153.31178.20293.7635时卤水的物性参数密度/(kg/m3)1180恒压比热容/kJ/(kg. )3.39黏度/(mPa.s)2.3导热系数/W/(m. )0.57固体氯化钠晶体的密度：2200kg/m3盐浆能顺畅流动时的固相体积分率：0.60 4卤水的物性参数表换热器主要部件的工艺计算一、相关的物性数据表卤水定性温度：t=86.5根据定性温度，通过类比水的变化规律得到86.5下卤水的物性数据为：密度=1180kgm3定压比热容Cp=3.414kJ(kg.）导热系数=0.62W（m.)黏度=1.05mPa.s循环水蒸气定性温度T=120根据定性温度，查的120下水蒸气的物性数据为：密度=1.1199kgm3黏度=0.0000128mPa.s潜热r=2205.2kJkg二、设计任务相关换算1、由物料衡算确定卤水流量；Nacl生产力W=55万吨/年=21.129kg/s卤水的消耗量:V=W/b=21129g/s1180g/L=72.232L/s故进入第三效预热器的卤水流量V=V28=20.22510-3m3/s卤水的质量流量Wh=V=11800.020225kgs=23.866kgs三、换热器的热负荷计算1.热流量： Wh=WcCpc(ts-t1)r =23.8663.41472205.2=0.2586 2.热流体流量：Vh=Whh=0.25061.1199=0.2309m3s 3.平均传热温差：=120-83-(120-90)ln120-83120-90=33.378四、估算传热面积1.参照书中表格，按照经验数值初选总总传热系数K值，选取：K=900W/m22.初算出所需的传热面积：S=Q/K tm=570320/90033.378=19m2 3.主要工艺以及结构基本参数的计算：（1）换热管规格以及材质的选定。选用的碳钢管。 （2）选取管内流体流速: u=0.6m/s（3）管子的排列方式采用正三角形，管子与管板之间的连接采用焊接法。（4）管子数目和管长： 管数：n= 4V/di2 u=420.22510-3/3.140.0320.6=42.3根 （取42根） 计算单程管束的长度：L=S/(do n)=19/(3.140.03842)=4.1m（取4m）（5）按照公式初步估算外壳内直径。由于管中心距： 横过管束中心线的管子数： nc=1.1N=1.142=7.129 （取整7根）管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离： 所以 Di=t(nc-1)+2e=0.048(7-1)+20.057=0.41m 按照壳体直径标准系列尺寸圆整，取。Di=400mm 因为，L/D=4000/400=10 管长径比合适。（6）画出排管图。根据壳体内径、管中心距、横过管束中心线的管数及其排列方式，绘出排管图。由于画图需要，改为取43根管。根据上述步骤，重新推算数据，得： u=0.58m/s, n=43, L=4m 同时Di=0.41m 按照壳体直径标准系列尺寸圆整，取。Di=400mm 因为，L/D=4000/400=10 管长径比合适（7）计算实际传热面积以及过程的总传热系数。实际传热面积：S0=NdoL-0.1=483.140.0384-0.1=20.0m2 过程的总传热系数Ko(cho)=QS0tm=5703502033.378=854.9W(m3.K)五、管壳程压强降的校验 （1）管程压强降： 根据上述结果可知：管程数串联壳程数；对于的换热管，结构校正系数。 摩擦阻力引起的压降： 由于：Re=diuiii=0.0320.5811800.00105=2.01104（湍流） 设管壁粗糙度，则由关系图可得： =0.03540.03211800.5822=793.9Pa 局部阻力引起的压强降： =311800.5822=594.4Pa 取为1.3，则： =793.9+594.41.311=1804.8Pa500fo=5.0Reo-0.228=5.05961-0.228=0.7F为管子排列方式对压力降的校正系数。正三角形排列：F=0.5.则： =0.50.77.211.11992.35822=7.85Pa 流体通过折流板缺口的压力降：由于没有折流板，所以该部分的压力降为0. 对于气体或者是可凝蒸汽，结垢校正系数。 则壳程压降： =7.85Pa 由于本次设计无折流挡板，壳程压降已经非常小，一定会在工程设计要求范围内，并且数据有限，则压降可忽略不计。六、总传热系数的计算和校核 总传热系数由下式计算： 其中，管内流体的对流传热系数的计算： 其中： Re=diuiii=0.0320.5811800.00105=2.0110410000 Pr=Cp=34140.00150.62=5.78 Ldi=40.032=12550符合公式的适用范围。因此： =0.0230.620.032201000.85.780.4=2565W(m2.)估算壁温，按下述公式： 其中污垢热阻和管壁热阻： 通过建立函数，假设ai带入公式： 通过得初始 tw值，开始采用迭代法：管间水蒸气对流传热系数： 定性温度下： w=1.1199kg/m3 =66.4510-2w/(m) =0.0000128pa/s 因此： 将初始Tw带入，计算。直到两次迭代误差在1%以内，故可停止迭代取最后一次迭代值。经过上述步骤，得tw=109.3 ao=5650W(m2.)取两侧的污垢热阻及碳钢材料的导热系数： 故： =115650+0.000086+0.0033850.12635+0.0001723832+38322565 =1005.2W(m2.) 所以：K(cal)K(cho)=1005.2854=1.18 符合设计要求。 且安全系数为：K(cal)-K(cho)K(cho)=1005.2-854854100%=17.7% 各主要接管尺寸的确定及其附属配件的选择换热器主要构件有封头，筒体法兰，管板，筒体，折流板，支座等。主要接管有：流体进出口接管，排气管，排液管等。1. 壳体，管箱的系列尺寸确定（1） 筒体（壳体）壁厚的确定。 选取设计压力，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力；焊缝系数（单面焊），腐蚀裕度，所以 =0.0540021130.65-0.05+4=4.14mm 根据上表所列出的钢板厚度标准，确定钢板的材料为ICr18Ni9Ti，厚度为4mm。（2） 壳体、管箱壳体和封头的尺寸及质量壳体、管箱壳体和封头的尺寸由设计者根据设计参数确定。筒体的质量计算可参照下表。封头的尺寸和质量按照JB/T 473795选取。2. 进出口设计在换热器的壳体和管箱上一般均装有接管或接口以及进出口管。在壳体和大多数管箱的底部装有排液管，上部设有排气管，壳侧也常设有安全阀接口以及其他诸如温度计，压力表，液位计和取样管接口。对于立式管壳式换热器，必要时还需要设置溢流口。由于在壳体、管箱壳体上开孔，必然会对壳体局部位置的强度造成削弱。因此，壳体、管箱壳体上的接管设置，除了考虑其对传热和压降的影响外，还应考虑壳体的强度以及安装、外观等因素。（1）流体进出口接管直径计算。 管程：变换进、出口接管，参照常用化工单元设备设计 第二版书中的表1-20，管程流体卤水可视为低粘度流体。 取，那么 d1=40.0202253.141.5=0.131m=131mm根据书后附录，查得输送流体的标准管径，选取无缝热轧钢管。根据所选取的钢管规格，重新计算实际流速：=40.0202250.1423.14=1.32ms 所计算出的实际流速基本符合表1-20的要求。 壳程：冷凝气进、出口接管d2，参照表1-20，壳程流体为饱和蒸汽，u2=30ms 那么：d2=40.23093.1430=0.100m=100mm根据书后附录，查得输送流体的标准管径，选取1145mm无缝热轧钢管。根据所选取的钢管规格，重新计算实际流速： =40.23090.10423.14=27.19ms所计算出的实际流速符合表1-20的要求。（2） 排气口与排液管 本小组选用的换热器为立式换热器，排气口与排液管的结构如下图所示：为提高传热效率，排除或回收工作残液，换热器应在其壳程和管程的最高点、最低点分别设置排气、排液接管，接管的端部必须与壳体或管箱内壁平齐。（3） 管板的确定管板结构如下： 表1-11 胀接管板的最小厚度换热器外径323857管板厚度/mm222532参考表1-11， 胀接管板的最小厚度，选取管板厚度为25mm。表1-12 固定管板式换热器的管板主要尺寸公称直径Db螺栓孔数质量（不包括衬环）/Kg单程二程四程六程再沸器400530490390400402042.74345.2-参考表1-12，固定管板式换热器的管板主要尺寸，Pg=1.6MPa，公称直径为400mm。（4） 管箱和封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4729-94标准，封头为： 质量 18kg如图所示，材料选用碳素钢。（5） 温度补偿圈的选用由于温度差，120-90+832=33.550 ，所以不需要考虑补偿圈。（6） 折流板和支撑板通过本次的设计计算可知，壳侧流体的流速已经满足换热要求,所以此换热器无需添加折流挡板。但是这样换热管的无支撑跨距会过大，容易发生震动或者绕度过大! Z9。对于本换热器中38mm外径的换热管，经查换热器手册可知其最大无支撑跨距为2500mm。而本换热器选用的是4m的碳钢管，超过了其最大无支撑跨距。故此处应添加支撑板来放置换热管产生过大的挠度。此时在换热器的中间添加一块支撑板即可满足需要。同时通过查阅换热器设计手册，对于400mm的壳体内径和2500mm的换热管最大无支撑跨距，应选择厚度为8mm的支撑板。（7） 防冲板防冲板的设定：管程设置防冲板的条件：当管程采用轴向入口或换热管内流体流速超过3m/s时，应设防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。本设计采用横向入口，且换热管内流速小于3m/s。故管程不需设置防冲板。壳程设置防冲板或导流筒的条件：对蒸汽应设置防冲板。故此处应在壳程添加防冲板。本换热器接管为直管，选择将防冲板焊接在壳体上。（8）拉杆与定距管对于换热管外径的管束，拉杆常用的结构型式为拉杆定距管结构。根据下表，确定拉杆数量为4根和拉杆直径为16mm：拉杆的布置：拉杆应尽量布置在管束的外边缘定距管尺寸：定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。此时即选用的碳钢管作为定距管。（9）立式支座 公称直径的立式换热器，采用两个耳式支座。根据JB/T4725-92选定 3.换热器结构之间的连接（1） 传热管与管板的连接胀接前后示意图 胀接前 胀接后，公称压力。（2） 拉杆与管板的连接 采用将拉杆拧入管板的可拆螺纹连接（3） 法兰 根据壳径选择PN=1.0MPa下的甲型平焊法兰尺寸。 公称直径DN/mmDD1D2D3D4d螺柱规格螺柱数量4005154804504404373018M1620泵的选用1泵的扬程： Hg=pg+u22g+z+Hf流动前后流速差 通过计算，本换热器采用立式结构，总高度 H1=4760mm其他组员计算的第二个换热器高度 H2=5763mm 第三个换热器高度 H3=6662mm选取最大的高度，即6.66m.由泵到换热器接管高度选取 1m由换热器到蒸发器水平高度选取 1.5m 故 z=6.66+1+1.5m=9.16m静压头p=198.6kpa-101.325kpa=97.275kpa通过上述计算可得知，本换热器管程由于阻力引起的压力降： Pi=1804.8Pa本组第二个换热器由于阻力引起的压力降： Pi=1807Pa本组第三个换热器由于阻力引起的压力降： Pi=4072.3Pa故 Hf=1804.8+1807+4072.3g=1804.8+1807+4072.39.81180=0.664m =9727511809.8+0+9.16+0.664m=18.24m 泵压流体卤水的流量 Q=20.22510-3m3s 根据计算得到的泵的工作点Q=20.22510-3m3s=72.81m3h Hg=18.24m 以及所输送流体的类型为卤水，且本次输送的流体黏度比水大，以及必需汽蚀余量，故拟选用 IS125-100-250 单级单吸离心泵。 泵的性能参数如下：型号转速n/(r/min)流量Q/(m3s)扬程H/m效率%轴功率/kW电机功率/kW必需汽蚀余量(NPSH)/m质量（泵/底座）/kgIS125-100-250145010020767.17112.5166/112项目经济分析讨论一.总成本费用类型 原材料化工料及辅助料本项目的原料为入口温度35的精制卤水。辅助料为来自热电站的生蒸汽。 燃料及动力动力费，包含打压卤水的离心泵动力费用以及制造负压状态的真空泵动力费用。 制造费用制造费在本设计任务书中即为换热器的制造费用。包括壳体、换热管、管板、封头等主要部件，以及防冲板，支撑板，支座等附件的购买加工费用。生产员工的工资及相应的附加费固定资产折旧费及大修基金化工企业的大修，指对化工厂全厂或某些车间进行大规模的修理或改造。通常分两种情况：1. 对重要问题随时进行不停产大修。2. 对重要问题，集中时间进行全面停产大修。对于本次设计中的预热器，由于通过管程的卤水易结垢，故需定期进行管程清理。同时，由于盐水的腐蚀和磨损，也会进行不定期的换热管更换。此外，车间经费费用企业管理费用销售费用二.具体计算：由网上查得经济数据如下304不锈钢设备：36000元/t中低压（4MPa）碳钢设备：11000元/t高压碳钢设备价格：15000元/t低压蒸汽(0.8MPa)：150元/t中压蒸汽（4MPa）：250元/t电：0.8593元/kWhr工艺软水：8元/t冷却水：0.2元/t污水处理费：0.5元/t操作费用饱和水蒸汽费用所用蒸汽是前一效蒸发来的二次蒸汽所得，费用为零。卤水输送费用采用离心泵，由流量为20.225L/s，若选用型号为IS125-100-250的单级单吸离心泵输送卤水，则功率为7.17kw，一年耗电量为1130024 =79200kw.h。换算成电费为0.859379200=68056.56万元。污水处理费用本设计产生的污水量少，且污染物较少，可以不处理直接排放。设备费用管子质量由文献5查得38的碳素钢管单位长度质量为2.590kg。则管子总质量为4352.590=556.85kg壳体重量159kg*6=954kg。以上结果知壳体，管子质量总和为1510.85kg。没有计算的部件包括管板，管箱，接管，拉杆和定距管。估计占总质量40%。则估计总质量为1510.85/60%=2518.1kg。估算时当做3000kg，若全部用碳钢，则价格为110000.3=3300 万元。即设备费用为3.30万元同时IS125-100-250 单级单吸离心泵价格约为11000元。故总费用约为11.2 万元。设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热面积（m2）:20.0工艺参数名称管程壳程物料名称精制卤水饱和水蒸气操作压力，MPa0.1010.199操作温度,86.5120流量，kg/s23.8660.2586流体密度，kg/m311801.1199流速，m/s0.582.358传热量，kw491.16总传热系数，1005.2对流传热系数，25655650污垢热阻1.71970.8598压降，Pa1804.87.85程数11材料碳钢碳钢管子规格383mm管数43管长，mm4000管间距，mm48排列方式正三角形壳体内径，mm400壳体厚度，mm4设计评述 经过小组3星期的合作，我们终于顺利完成了任务。在这次换热器设计中，我们学会了怎样进行有效的合理分工，怎样相互学习，相互帮助完成设计任务。下面是对本次设计的一些评述。设计的可靠性本次设计我们考虑了众多方面的因素，如换热器选立式还是卧式。针对这些问题，我们通过图书馆查阅书籍，咨询老师与在职员工了解了很多我们以前在学习的过程中没能很好了解的东西。这是一次对传统书本内容的一次深化认识，让我们对刚学完的科目有了一个更清晰、系统的认识。设计中存在的不足由于本次设计资料以及时间有限，数据的准确性需要进一步的确定，比如说卤水的物性我们就是拿水的变化趋势来拟合的，这样的做法是不精准的。设计的收获 本次设计是第一次对所学理论知识的系统应用，让我们第一次有了一种工程师的感觉。从最开始老师布置任务指标，到自己根据指标查阅数据，翻看工具书，到出了个大体模样，到最后的修正，更改。为了完成大的战略目标，我们打了不少小型战役，攻克了不少小难关。在这个过程中，我们学会了对具体表格的查阅，学会了用excel表格进行简单的函数计算，学会了从结果分析过