年处理2.4万吨的列管式换热器设计书.doc

年处理2.4万吨的列管式换热器设计书第一章 概 述1.1换热器的简单介绍在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于物料的性质、歘热要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。1.2本设计的目的和意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。（3）工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。 通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。第二章 设计计算2.1确定设计方案1.选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度140，出口温度40；冷流体进口温度20，出口35。该换热器用岷江水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。2.流动空间及流速的确定由于冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，原油走壳程。选用252.5的碳钢管，管内流速取。2.2确定物性数据（1）热流体：入口温度140; 出口温度40 （2）冷却介质：岷江水（3）允许压降：不大于0.1MPa（4）年处理量：3.6万吨 （5）定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 壳程原油的定性温度为 管程流体的定性温度为 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 原油在90下的有关物性数据如下： 水在27,5下的有关物性数据如下： 2.3计算总传热系数1. 热流量 ； 2.平均传热温差及其校正 初步决定采用单壳程、偶数管程的管板式换热器，由R和P查温差校正系数图，温差校正系数为，可行。 3. 冷却水用量 4.总传热系数K管程传热系数 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 污垢热阻 管壁的导热系数 2.4计算传热面积 考虑15%的面积裕度，2.5工艺结构尺寸1. 管径和管内流速 选用252.5传热管（碳钢），取管内流速2. 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 按单程管计算，所需的传热管长度为 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 根据初步计算结果：传热面积19.57，总管数36根，2管程，管长6m，(查化工设备设计手册表9-3）。初选管板式换热器型号为BEM-325-1.6-25.9-6/25-2I。该管板式壳体直径325mm，换热面积25.9，公称压力1.6MPa，总管数56，2管程，每管程的管子数为28根。3.传热管排列和分程方法 采用正三角形排列。管孔加工两端必须倒角0.545。取管心距，则 横过管束中心线的管数 4.壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 圆整可取D=325mm。所以壳体的壁厚为6mm。（化工单元设备设计表18）6.接管法兰选用甲型平焊法兰，JB/T 4701-2000（化工设备机械基础表12-2）。7.管箱、管箱支座和管箱垫片管箱的分程隔板厚度为12mm。支座采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，按JB1167-81鞍式支座的B型带垫板，高度为200mm的尺寸选取。位置尺寸为两支座间距离为换热管束长度的0.6倍，且与两端相等。耐油橡胶石棉板（GB 151-1999 附录 H）。垫片厚度，本设计确定为3mm，隔板槽部分垫片厚度取10mm，圆角尺寸取R=8mm。8.换热管和管板换热管材料选择碳钢，规格25mm2.5mm，外径公差上偏差+12%，下偏差-10%（化工设备设计手册表9-15）。管板与法兰连接密封面为凸面，分程隔板槽拐角处倒角1045，隔板槽宽度为12mm，管板与换热器连接处采用胀接。9.折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则却去的圆整高度为h=0.25325=81.25（mm），故取h=80mm。 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3325=120（mm），可取B为150mm。 折流板数 由于本设计中两相全为液相故选择挡板为上下缺边形，无支撑长度300mm，故折流板厚度确定为3mm。10.拉杆拉杆直径12mm，数量4个。11.接管 壳程流体进出口接管：取接管内原油流速为u=1.0m/s，则接管内径为 取标准管径为30mm。 管程流体进出口接管：取接管内水流速u=1.5m/s，则接管内径为 取标准管径为40mm。2.6换热器核算1. 热量核算（1） 壳程当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺系数和普兰特准数分别为 由于Re2000,壳程有折流挡板，由于流体被冷却 ，查表， （2） 管程对流传热系数 管程流通截面积 管程流体流速 普兰特准数 （3） 传热系数K （4） 传热面积S 查表JB/T4715-92 固定管板式换热器型式与参数得，。 该换热器的面积裕度为 故传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2. 换热器内流体的流动阻力（1） 管程流动阻力 由Re=11063.5，传热管相对粗糙度 ，差图得 ，流速 ，所以 管程流动阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力 流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 总阻力 10KPa壳程流动阻力也比较适宜。管程和壳程流体阻力均未超过0.1MPa。选用管板式换热器BEM-400-1.6-27.3-6/25-2I满足工艺要求。2.7换热器的机械设计1. 换热器壳体、封头材料，厚度及连接形式(1) 壳体，封头材料：Q235-B(2) 壁厚计算由于换热器为内压容器，故采用内压容器的设计方案来确定其壁厚，壁厚的计算公式为：公称直径DN甲型平焊法兰 PN=1.6MPa螺柱DD1D2D3D4d规格数量3004303903553453423023M2016垫片：非金属软垫片，耐油石棉橡胶片。温度限：200 垫片350-1.6 JB/T 4704-2000螺柱，螺母材料：Q235-A法兰标记为：法兰-PII 300-1.6 JB/T 4700-20006. 封头的设计上下封头采用标准椭圆型封头，查化工设备设计基础附表5，由JB/T 4337-95标准，封头为DN325*6mm.曲面高度为80.0mm,直边高度为25mm,材料选用Q235-B7. 折流板的设计选用弓形折流板查化工设备设计基础表5-8得，折流板最小厚度为4mm查化工设备设计基础表5-9得，折流板最大间距为1900mm折流板名义外直径：DN-2.5(mm)拉杆：直径：10mm 数量：4 材料：Q235-A.F 8. 换热器的排列及管孔尺寸采用组合排列法，每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列管孔间距t=1.25d=32mm 分层隔板两侧相邻管中心距44mm9. 接管的设计原油进出口，公称尺寸为30mm；循环水进出口：公称尺寸为40mm,公称压力为1.6MPa.连接标准HG20593，法兰型式：PL 连接面型式：RF 排污口，排气口：公称尺寸为25mm,公称压力为1.6MPa.连接标准HG20593，法兰型式：PL 连接面型式：RF 10. 支座设计（1） 壳体质量DN=325mm,=6mm查化工设备设计基础附表4得，单位长度筒体质量为（2） 封头质量DN=325mm,=6mm,直边高度为25mm的标准椭圆型封头查化工设备设计基础附表6得，m=7.73kg(3) 原油的质量每个支座承受6.61KN，选用重型BI型，120度包角焊制，双筋，带垫片的鞍座11. 温差应力由管壁与壳壁温差引起温差应力的补偿：在固定管板式换热器的壳体上装设膨胀节12.容器开孔补强开孔补强设计是在开孔附近区域增加补强金属，使之达到提高器壁强度、满足强度设计要求的目的。开孔补强的形式分为整体补强和局部补强。本设计中的接管公称外径小于了89mm，所以根据壳体是否需要进行补强的要求，该壳体不需要进行补强。 确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径根据计算可知，壳体的计算厚度为，接管的计算厚度为（以冷却水进出接管为例，由上可知，冷却管直径，材质为20号钢管）。 式中，计算压力，取 壳程温度为时的的许用应力，取（查化工设备设计基础附表一得） ，查表得：计算为：开孔直径： 第三章 设计结果汇总换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。参数管 程壳 程流率/（kg/h）9703.932739.73物料名称 岷江水原油进/出温度/20/35140/40物性定性温度/27.590密度/（kg/m3）996.38815定压比热容/（kJ/（kgK）4.1772.2粘度/（Pas）0.00086230.003热导率/w/（mK）0.6120.128普朗特数6.0251.56设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm325壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm 6000管子排列管数目/根36折流板数/个39传热面积/m225.9折流板间距/mm150管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.478650.0876表面传热系数/w/（m2K）2457.02223.92污垢阻力/（w/m2K）0.0003440.000444阻力/Pa4697.841085.5热流量/kW169传热温差/传热系数/w/（m2K）169.2裕度/%24.5折流板形式上下中心管束，根8切口高度25 筒体厚度/ 6 封头厚度/ 6 管板厚度/25 折流板厚度/30 分层隔板厚度/12 壳体长度/6000 封头短半径/100法兰类型甲型平焊法兰 封头短筒边高度/25 法兰紧压面突面 垫片类型耐油垫 垫片材料石棉橡胶板 封头材料Q235-B 封头类型标准椭圆型封头 补强圈厚度/ 管程接管公称直径/40壳程接管公称直径/30 拉杆直径/16根数6 拉杆孔直径/17附简图参考文献1.上海医药设计院.化工工艺设计手册(上、下).化学工业出版社，19862.尾范英郎（日）等，徐忠权译.热交换设计手册，19813.时钧，汪家鼎等.化学工程手册，化学工业出版社，19964.卢焕章等.石油化工基础数据手册，化学工业出版社，19825.陈敏恒，丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).化学工业出版社，20006.大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连理工大学出版 社，20087.柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津科学技术出版社，19958.邹华生，钟理等.传热传质过程设备设计.华南理工大学出版社，2007心得和体会 经过本次课程设计，我越来越觉得，课程设计还是多好耍的，多有意思的！困难也不过如此！ 本次化工原理课程设计历时两周，是上大学以来第一次独立的工业化设计。从老师以及学长那里了解到化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 由于第一次接触课程设计，起初心里充满了新鲜感和期待，因为自我认为在大学里学到的东西终于可以加以实践了。可是当老师把任务书发到手里是却是一头雾水，完全不知所措。可是在这短短的三周里，从开始的一无所知，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的图纸的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我的课程设计题目是年产量2.4万吨原油列管式换热器的设计。在开始时，我们不知道如何下手，虽然有课程设计书作为参考，但其书上的计算步骤与我们自己的计算步骤有少许差异，在这些差异面前，我们显得有些不知所措，通过查阅化工原理，化工工艺设计手册，物理化学，化工原理课程设计等书籍，以及在网上搜索到的理论和经验数据。我们慢慢地找到了符合自己的实验数据。并逐渐建立了自己的模版和计算过程。在这两周中给我印象最深的是我们这些“非泡点一族”在计算进料热状况参数q时，没有任何参考模板，完全靠自己捉摸思