化工原理课程设计-海水换热器（冷凝器）的设计.doc

课程设计说明书海水换热器（冷凝器）的设计 院（系） 轻工与食品学院 专 业 食品质量与安全 班 级 2012级 指导老师 学生姓名 2015年 7 月 16日课程设计评语：课程设计总评成绩：课程设计答辩老师签字： 年 月 日第一章化工原理课程设计任务书4一、题目：海水换热器（冷凝器）的设计5二、任务及步骤：5（一）工艺设计5（二）结构设计5（三）机械设计6三、作业份量：6第二章确定设计方案72.1 冷却器的型式的选择72.2 流程的选择72.3 流速的初步选择82.4 流体进出口温度的初步确定82.5 流体物理性质82.6 安装方式9第三章估算传热面积及基本尺寸的确定93.1 总传热量（忽略热损失）93.2冷却海水的流量（忽略热损失）93.3平均传热温差93.4初算传热面积103.5换热管选取103.6管程数和传热管数103.7壳程数的选取103.8传热管的排布和分程11第四章换热器核算114.1管程传热膜系数114.2壳程传热膜系数124.3总传热系数k124.4传热面积校核134.5壁温核算134.6管程阻力核算134.7壳程阻力134.8工艺设计结论14第五章主要构件的设计计算及选型145.1 壳体145.2管板155.3 支撑板165.4拉杆及定距管175.5 分程隔板185.6封头及管箱185.7接管及其法兰195.8支座21第六章离心泵的选择24第七章设计计算结果汇总表24第八章 设计总结26致谢：26参考资料：27第一章 化工原理课程设计任务书一、题目：海水换热器（冷凝器）的设计 某液化石油气运输船需设计一冷凝器，将丙烷气（石油气组分之一）在一定温度和压力下冷凝成为液体。冷却剂用海水。设计的基础数据如下：1丙烷气：处理量：0.325kg/s；温度：35（对应的饱和气体压力： 1.203mpa ）2海水（冷却剂）：海水初温：25；海水终温：30。二、任务及步骤：（一）工艺设计1、了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。对确定的换热器型式（管壳式？或板式？）进行简要论述。（如果有时间和兴趣，可对液化石油气运输船的再液化装置流程进行论述，以理解本设计的实际意义。）2、由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体（海水）的用量。3、决定流体通入的空间。4、计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。5、初算有效平均温差。一般先按逆流计算，然后再校核。6、选取管径和管内流速。7、计算总传热系数k值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此一般先假设一个壳程对流传热系数，以计算k值，然后再作校核。8、初估传热面积。考虑安全系数和初估性质，因而常取实际传热面积是计算值的1.151.25倍。9、选择管长l。10、计算管数n。11、校核管内流速，确定管程数。12、画出排管图，确定管距，确定壳径d和壳程挡板形式及数量等。13、校核壳程对流传热系数。14、校核有效平均温差。15、校核传热面积，应有一定安全系数，否则需重新设计。16、计算流体流动阻力。如阻力超过允许范围，需调整设计，直至满意为止。17、其他。如流体进出口管管径的计算等。（二）结构设计包括：换热管在管板上的固定方法；分程隔板与管板的连接；管板与壳体的连接；折流板与支承板等的连接；换热器安装方式等。（三）机械设计 包括：确定壳体壁厚、管板尺寸；选择换热器封头、法兰、接管（流体进出口管）法兰、支座、接管设计。管子拉脱力核算等。三、作业份量：1、设计说明书一份，内容包括：（1）目录；（2）设计任务书；（3）工艺流程图；（4）流程方案的说明与论证；（5）设计结果概要（包括主要设备的特性参数、设计时规定的主要操作参数、各种物料的量和状态等等）；（6）设计计算与论述；（7）对设计的评述及对有关问题的分析讨论；（8）列出参考文献（编号、作者、文献名称、出版单位、和出版年份）2、换热器装配图（1号图纸）。按照有关绘制化工设备图的要求进行绘制（其中局部剖面放大图如：封头、管板、外壳具体连接的局部放大图；管子与管板连接的局部放大图；管子排列图等）。第二章 确定设计方案2.1 冷却器的型式的选择本设计中海水换热器（冷凝器）选用带有支撑板的列管式换热器，因为列管式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，且适用于高温、高压的大型装置中。 本设计温差较小，壳程压力低，因此选用固定管板式列管换热器。2.2 流程的选择本冷却器的管程走冷却用海水，壳程待冷凝的丙烷气体。丙烷气体与海水逆向流动换热。其原因如下：首先，海水易结垢，为便于清洁，宜走管程；其次，饱和蒸汽宜走壳程，以便及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，以免污染壳程。再次，被冷却的流体宜走壳程，以便于散热，增强冷却效果。2.3 流速的初步选择海水的流速：1.4 m/s丙烷气体流速为：10 m/s2.4 流体进出口温度的初步确定管内流体（海水）：进口温度：t125 出口温度：t230 管外流体（丙烷）：进口温度：t129 出口温度：t229 操作压力：pc1.203mpa mpa设计压力：pdc=1.3233 mpa 海水定性温度为：td=0.4th+0.6tc=0.4*30+0.6*25=27丙烷温度不变，定性温度为352.5 流体物理性质查海洋手册得，盐度为3.5%的海水在27，101.3kpa下的有关物性参数如下表：物质名称密度i（kg/m3）定压比热容cpi j/(kg)粘度i（pas）导热系数i（wm-1k）海水10233998.29.6545*10-40.575查纯物质物理性质软件，丙烷在定性温度35，1.203mpa时的物性：物性密度o（kg/m3）粘度o（pas）导热系数o（wm-1-1）汽化热r(j/kg)丙烷（气相）21.6858.526*10-60.0193.175*105其中，根据理想气体状态方程，且丙烷在常温常压下的密度为2.02kg/m3,得：t=0*pp0*t0t=2.02*1.2030.1013*273308=21.685kg/m32.6 安装方式 冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。第三章 估算传热面积及基本尺寸的确定3.1 总传热量（忽略热损失）总传热量q=qh=qc qh=qm,hr=0.325*3.175*105=1.032*105w3.2冷却海水的流量（忽略热损失）mi=qccp(t2-t1)=1032003998.2*(30-25)=5.16kgs-13.3平均传热温差tm = wer=(35-25)-(35-30)/ln(35-25)/（35-30）=7.2其中：r=t1-t2t2-t1=0 p=t2-t1t1-t1=1查化工原理（上）p185图4-43查的：校正系数为t=1所以， t=tmt=7.23.4初算传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设k=650wm-2k-1则估算的传热面积为s估=qktm=103200650*7.21=22.05m23.5换热管选取黄铜在稀硫酸、亚硫酸。中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸中抗腐蚀性良好，普遍应用与海水冷却剂，一次选用拉制黄铜管，取管内海水流速ui=1.4m/s选取普通黄铜h68，查的密度8500kg/m3, 导热系数=116.7w/(mk)3.6管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=vi4diui=5.1610234*(0.02)2*1.4=11.4812(根)按单程管计算，所需的传热管长度为l=s估d0ns=22.053.14*0.025*12=23.424m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l=6m ，则该换热器管程数为np=l/l=24/6=4传热管总根数 n=124=48（根）3.7壳程数的选取由3.3，t=10.8，所以采用单壳程3.8传热管的排布和分程采用组合排列法，每程内均按正三角形，隔板两侧采用正方形排列：n=4则同管程管心距为：pt=1.25d0=1.25*25=31.2532mm隔板间相邻两管的管心距为z=pt2+6=22mm第四章 换热器核算4.1管程传热膜系数管程的流通面积为si=di24ns=0.0224*12=0.00377海水实际流速及其雷诺数普朗特数为ui=visi=5.1610230.00377=1.34ms-1re=iuidii=1023*1.34*0.029.6545*10-5=28381.4pr=cpiii=3998.2*9.6545*10-50.561=6.71海水为高粘度液体，所以，管内传热膜系数hi为hi=0.023idire0.8pr0.4=5170.9wm-2-14.2壳程传热膜系数对管内壁温度tw，由q=hiai(tw-t),tw=qhiai+t=1032005170.93.140.02648+27=28.10对管外壁,由q=am(tw-tw)/b，可得tw=tw+qbam=28.1+1032000.0025116.73.140.0224648=28.21其中，dm=d0-dilnd0di=0.024m定性温度=(ts+tw)2=35+28.212=31.6查的此时丙烷（液）的=480.21kg/m3,=0.0908w/(mk),=8.965*10-5pash0=0.725g23rn23d00(ts-tw)0.25=1403.1其中，r=317500j/kg，n=44.3总传热系数k查传热传质过程设备设计表1-12（a）,取管内污垢热阻ri（海水）=9*10-5(m2k)/w,管外污垢热阻r0（丙烷）=1.76*10-4(m2k)/wki=1d0hidi+rid0di+bd0di+r0+1h0=789.35w/ (m2)kik0=789.35650=1.214满足换热器设计所要求的1.11.25的范围，总传热系数初选合适。4.4传热面积校核对计算传热面积，由qisitm，siqi/(tm)103200/(789.35*7.2)=18.16m2实际传热面积为：sp=d0lnt=3.140.025648=22.61该换热器的面积裕度为=0.24处于要求的1525的范围内，该换热器符合实际生产要求。4.5壁温核算本换热器温差较小，不需要进行温度补偿核算。4.6管程阻力核算查化工原理（上）p47moody图，黄铜管=0.03mm，/di=0.0015,得，=0.0283 w/（mk）对直管压降，p1=0.028360.021.34221023=7797.6pa弯管回路中的压降(一般情况下取3)p2=31.34221023=2755.4pa总压降：pi （p1+p2）ft ns np(7797.6+2755.4)1.441=59097pa59.1kpa4.7壳程阻力冷凝器壳程流体有相变，故壳程阻力不用核算。 4.8工艺设计结论选取换热器g400-1.6-22，总换热系数789.35 wm-2-1 总传热面积22.608m2,换热管长度6m,换热管规格252.5，普通黄铜管h68。传热管总数n=48，壳体42010.换热器为单壳程四管程，海水走管程，丙烷走壳程。第五章 主要构件的设计计算及选型5.1 壳体5.1.1壳体直径采用四管程结构，取管板的利用率为=0.7，得壳体内径为di=1.05ptn=1.0532480.7=278mm圆整取di=400mm.5.1.2相关参数查化工设备机械基础，选用材料q235-b，密度=7850kg/m2工作压力为p=1.203mpa设计压力为p0=1.1p=1.3233mpa工作温度t=35设计温度为to=t+(1530)=35+25=60壳体与管板采用单面焊，无损探伤，取焊接系数=0.9查表14-4得，许用应力=113mpa，屈服应力s=235mpa,安全系数为3取负偏差c1=0.25mm腐蚀裕量c2=2mm查gb151-2014，不含腐蚀裕量的最小厚度min=8mm5.1.3设计计算对计算厚度=p0di2/3-p0=1.323340021130.93-1.3233=7.96mm设计厚度t=+ c1+ c2=4.87mm则名义厚度n=maxmin+ c2, t=10mm其中有效厚度e=n-c1- c2=7.75mm取壳体长度5910mm(管板厚度40mm,换热管露出长度5mm)则壳体质量m=78505.913.14(0.422-0.42)/4=597.27kg5.1.4气压校核根据设计压力，t=p0di+e2e=1.3233(0.4+0.00775)20.007750.9=38.68mpat0.8s=0.80.9235=169.2mpa压力试验强度足够。5.2管板5.2.1基本参数查化工单元过程及设备课程设计表4-14，取公称压力pn=1.6mpa，得：管板参数（管板按非标准设计）参数名称参数值公称直径dn/mm400管板外径d/mm530管板厚度ba/mm40螺栓孔直径d2/mm23螺栓孔槽深/mm0.5螺栓规格m20110螺栓数量n2/个20螺栓孔高度bf/mm33管板螺栓孔间距d1/mm490管孔直径d1/mm25.4管孔数/个52d2/mm390d4/mm443d5=d6/mm400b/mm40管板质量/kg45.25.2.2管板与壳体的连接管板兼作法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰连接。5.2.3 管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子。管子伸出长度约为5mm，管子与管孔间保留0.2mm的距离，防止管子受热膨胀，使管板受压变形。5.2.4拉脱应力校核拉脱力的定义是管子每平方米胀接周边上所受到的力。对于管子与管板是焊接联接的接头，实验表明，接头的强度高于管子本身与金属的强度，拉脱力不足以引起接头的破坏。本设计中由于管子与管板的连接方式为焊接，故不需进行拉脱应力核算。5.3 支撑板由于本次设计的热交换器有相变，故不需要折流板，只需进行装配必要的支撑板即可，支撑板尺寸与折流板相同，将支撑板做成半圆形，左右布置，有利于冷凝液及时流出，取支撑板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为h=0.2400=80mm。取支撑板间距b=1500mm（相邻凉快支撑板距离为750mm）支撑板数：nb=7块公称直径为400mm时，冷凝器支撑板直径da=396mm查gb151-2014 表6-21，取厚度为10mm查表6-27，管孔直径为25.4+0.1圆缺部分面积（忽略小圆缺部分）af初算为0.02m2支撑板体积：v =4da2-af-4d12n1+4d22n20.01 =40.3962-0.02-40.0254248+40.0256240.01=0.000768m3支撑板质量计算：m=70.0007687850=42.2kg5.4拉杆及定距管查化工单元过程及设备课程设计，表4-7,4-8,4-9，得拉杆直径d0=16mm拉杆数量为4螺纹公称直径为16mm，前螺纹长：la=20mm后螺纹长：lb=60mm管板上拉杆孔深：ld=20mm拉杆长：l=5330mm(7*750+20+60)拉杆质量：m=785045.333.140.0162/4=33.63kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，取252.5，单根长度750mm，一根拉杆上有7根定距管，4根拉杆有28根定距管。粗略计算定距管质量：m=7850280.753.14(0.02520.022)/4=29.12 kg5.5 分程隔板根据化工单元过程及设备课程设计p127，表4-1可知：因本设计换热器的公称直径di=400mm600mm，对于高合金钢，隔板厚度最小为6mm，对于碳素及低合金钢，最小厚度为8mm，取隔板厚度为：b=10mm，槽宽选用12mm。分程隔板长l1=154mm，一块，l2=340mm，两块，其中10mm为管箱嵌入法兰深度，4mm为隔板嵌入管板深度。分程隔板质量粗略估计：m=5kg5.6封头及管箱5.6.1封头椭圆形封头是由长短半轴分别由a，b的半椭圆和高度为ho的短圆筒（通称为直边）两部分构成的。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受到边缘应力的作用。查询化工设备机械基础p317，表16-4，表16-6以及传热传质过程设备设计p307，总附表3，可知本换热器采用椭圆型封头（jb1154-73）两个，考虑到海水的腐蚀性，材料采用不锈钢1cr18ni9ti，公称直径为dg=400mm（以内径为公称直径），封头厚度=10mm，曲面高度h1=100mm，直边高度h2=25mm，重量约为16.5kg。一个焊接于管箱，一个焊接于法兰。垫片选用非金属软垫片，jb4704，适用于甲型平焊法兰。根据壳体内径尺寸，查阅化工设备机械基础p318，表16-5选择如下参数的封头：公称直径dn(mm)400曲面高度h1（mm）100直边高度h2（mm）25内表面积f（m2）0.223容积v（m3）0.01345.6.2 管箱查阅化工单元过程及设备课程设计p157可知，选用b型管箱，材料用不锈钢1cr18ni9ti，管箱长l=200mm，管箱内径=400mm（按非标准设计），壁厚=10mm。管箱质量：m=3.140.40.20.017900=19.84kg。5.6.3 封头法兰及管箱法兰传热传质过程设备设计p317，总附表9续表可知，采用甲型平焊法兰，在公称压力1.6mpa，公称直径为dg=400mm时，选取的法兰参数为d=530mm，孔间距d1=490mm，d2=455mm。孔直径23mm，厚度b=30mm ，法兰重量=17.7kg 。所用螺栓规格m20，螺栓数目：20。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。法兰垫片采用600-2.5 jb4704-92 钢制列管式固定管板换热器结构设计手册p161表4-33查得：d=444mm，d=404mm，厚度=3mm，如下图。5.7接管及其法兰5.7.1 壳程流体进口接管：取接管内丙烷气体的流速为ui=8 m/s，则接管内径为=0.0502 m取标准管径为50mm。无缝钢管（yb231-70），取管的外径=57mm，管厚3.5mm，由于是冷却过程，保温层厚度为0，则：根据钢制列管式固定管板换热器结构设计手册p33,表4-5查得接管伸出长度为150mm。接管质量=0.694kg丙烷气进口采用平面法兰，取法兰直径=160mm，厚度b=22mm，螺栓孔间距d1=125mm，d2=102mm，孔直径=18mm。法兰重量：平面法兰=2.61kg，螺栓规格：m16，螺栓数量为4.由于iui2=25.3282=1620.483300 kg/(ms2)，来自换热器原理及计算p275，公式5-9，故不需防冲板。5.7.2 壳程流体出口接管：取接管内丙烷液体的流速为ui=1 m/s，则接管内径为=0.0326 m无缝钢管（yb231-70），取管的外径=38mm，管厚3.5mm，因为是冷却过程，保温层厚度为0。根据钢制列管式固定管板换热器结构设计手册表4-5查得接管伸出长度为150mm。出水口采用平面法兰。取法兰直径=135mm，厚度b=18mm，螺栓孔间距d1=100mm，d2=78mm，孔直径=18mm。法兰重量：平面法兰=1.6kg，螺栓规格：m16，螺栓数量为4.5.7.3 管程流体进出口接管：取接管内海水的流速为uo=3 m/s，则接管内径为=0.0444 m取标准管径为80mm。无缝钢管（yb231-70），取管的外径=89mm，管厚=4.5mm，因为是冷却过程，保温层厚度为0。根据钢制列管式固定管板换热器结构设计手册表4-5查得接管伸出长度为150mm。接管质量=1.407kg。进出海水口采用平面法兰。取法兰直径=160mm，厚度b=22mm，螺栓孔间距d1=125mm，d2=102mm，孔直径=18mm。法兰重量：平面法兰=2.61kg，螺栓规格：m16，螺栓数量为4.5.7.4 排气、排液管为提高传热效率，排除或回收工作残液（气）及凝液，凡不能借助其他接管排气或排液的换热器，应该在其壳程和管程的最高、最低点，分别设置排气、排液接管。排气、排液接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐，排气口和排液口的尺寸一般不小于15mm。如上图排气排液管。无缝钢管（yb231-70），取排气液管：外径38mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm，接管质量0.248kg。采用平面法兰。外径=38mm，厚度b=18mm，d=135mm，d1=100mm，d2=78mm，质量m=1.6kg，螺栓规格：m16，数量为4.5.8支座5.8.1支座选取查传热传质过程设备设计，总附表12总质量为：8*2=16kg5.8.2支座承载能力校核（1）换热器的质量统计于下表：序号各零部件数量单件重量/kg重量/kg1壳体1597.27597.272管板245.290.43壳程接管20.694/0.4471.3614壳程接管法兰21.6/2.614.215管程接管21.4072.8146管程接管法兰22.615.227排气液管20.2480.4968排气液管法兰21.63.29隔板35/102010封头218.3836.7611封头法兰2132612传热管489.11437.2813拉杆433.6314支撑板714.2915定距管2829.1216管箱119.71919.71917支座2816换热器总重量/kg1337.77（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为： v23.14（0.025/2）2652=0.153m3壳体体积为： v13.14（0.4/2）260.7536 m3忽略隔板体积，海水充满整个换热器时的总重为：= 0.7536480.21+0.1531025+1336.2751854.986kg小于该鞍式支座的最大载荷18.4吨。（3）壳体刚度校核已知公式：和换热器的受力可简化为如图：aal弯矩图为：l=6m，=1337.891kg，g=9.81n/kg。校正为1335kg。取a=0.2l=0.26=1.2(m)，此时=0.025gl=0.02513359.816=1964.45n.m抗弯截面模量：=0.00129=1964.45/0.00129=1.52m pat=133mpa故此壳体适用。第六章 离心泵的选择本设计海水输送采用离心泵输送，只考虑管程阻力时，忽略其他较次要的阻力损失，可得压头损失为：hf=piig=5909710239.81=5.89m假设泵的安装高度离海平面为ha=10m，则扬程为：h=hf+ha16m海水流量q=ua=1.343.140.022/4123600=18.18m3/h海水具有一定的腐蚀性，权衡考虑，选用不锈钢离心泵，查资料选用iswh卧式单级管道化工泵，选择型号为iswh50-125（i）a，流量为25m3/h，扬程为20m，效率为0.63，转速为2900r/min，电机功率3kw，气蚀余量2.5m。第七章 设计计算结果汇总表工艺参数管程壳程质量流速/（kg/s）5.160.325进/出口温度/25/3035操作压力/mpa0.151.203设计压力/mpa0.2451.3233物性参数定性温度/273531.6密度/（kg/m3）102321.7474.42定压比热容/（j/kg）3998.2粘度/pas0.0009650.0000085260.00008615导热系数/（w/m）0.5750.0190.0891工艺主要计算结果设备结构设计流速/（m/s）1.347.63污垢热阻/（m2/w）0.000090.000176阻力（压降）/mpa46883.2传热膜系数/（w/m2）46141250总传热系数/（w/m2）789对数平均传热温差/7.213热流量/w103200传热面积裕度/%0.24程数41推荐使用材料普通黄铜h68换热器型式固定管板式台数1壳体内径/mm400传热面积/m228管径/mm252.5支撑板型式左右管数/根48相邻支撑板间距/mm750/1500管长/mm6000切口高度/mm80管子排列方式正三角形封头2个da=400mm管间距/mm32隔板b=10mm封头法兰da=400mm支座jb1167-81 a型拉杆4根d=16mm支撑板个数7管箱（标准）do=400mm管箱法兰da=400mm定距管252.5壳程进口接管573.5壳进口接管法兰直径160mm壳程出口接管383.5壳出口接管法兰直径135mm管程接管893.5管程接管法兰直径160mm排气液管383.5排气液管法兰直径135mm备注总重量为1337.77kg第八章 设计总结这次为