化工单元操作课程设计-设计一丙烷加热器.doc

化工单元操作课程设计 学 院 化学化工学院 专 业 化学工程与工艺 班 级 2013级1班 姓名学号 指导老师 20152016 学年度 第 二 期 1设计任务书1.1设计题目：设计一丙烷加热器1.2设计条件：（1）、处理能力：362675 kg/h（2）、设备类型：固定管板式换热器（3）、操作条件：表1-1换热器操作条件流体名称入口温度（）出口温度（）物料丙烷69.271.78加热介质LP steam125124.71.3设计内容（1）、前言（2）、确定设计方案（设备选型、换热器材质）(3)、确定物性数据（冷却循环水的出口温度、丙烷在物性温度下的物理性质）(4）、工艺设计（5）、换热器计算核算总传热系数（传热面积）换热器内的流体的流动阻力校核（计算压降）（6）、机械结构的选用管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构封头类型选用温差补偿装置的选用管、壳程接管管、壳程接管（7）、换热器主要结构尺寸和计算结果表（8）、结束语（包括对设计的自我评述及有关问题的分析讨论）（9）、换热器结构和尺寸（10）、参考资料目录目录一、设计方案简介4二、工艺流程简图及说明42.1工艺流程简图42.1.1工艺流程方框图42.1.2换热器工艺流程简图52.2换热器设计说明6三、工艺计算及主体设备设计73.1工艺设计73.2确定物性数据103.3换热器计算113.3.1核算总传热系数（传热面积）113.3.2传热系数123.3.3计算传热面积123.4机械结构的选用133.4.1管板的选择133.4.2封头类型选用133.4.3温差补偿装置的选用143.4.4管、壳程接管143.5换热器主要结构尺寸和计算结果表153.5.1管径和管内流速153.5.2选取管长、确定管程数和总管数153.5.3传热管排列和分程方法153.5.4壳体内径163.5.5折流板163.6 换热器校核17四、选型设备结果一览表264.1换热器选型结果274.2换热器装配图29参考文献31设计评述、致谢31一、设计方案简介在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。二、工艺流程简图及说明2.1工艺流程简图2.1.1工艺流程方框图本流程以ASPEN PLUS 设计出丙烷脱氢化生产丙烯工艺，由脱氢氧化的工艺流程，按照反应过程可以分为四个过程。第一部分是原料预处理工段，第二部分为丙烷脱氢氧化生产丙烯过程，包括催化剂的再生过程。第三部分为氢气、甲烷和C2对于丙烯的分离。第四部分为丙烯的精馏过程，包括丙炔加氢和丙烯精馏。图2-1丙烷脱氢氧化生成丙烯方框流程图2.1.2换热器工艺流程简图本次设计选用丙烷脱氢氧化生产丙烯的原料预处理的E101为例。其工艺简介为：原料由有总厂提供的含义95%-98%的丙烷以及少量乙烷、丁烷和微量的戊烷的混合液化石油气，经过原料预处理，在脱丙烷塔中将C4以上重组分从脱丙烷塔底部分分离。分离出来的丙烷从脱丙烷塔塔顶送至反应阶段，脱除了C4以上重组分的原料与循环丙烷混合在原料预处理器中被加热到反应所需温度后进入丙烷脱氢反应器。图4-2为原料预处理工段模拟示意图。图2-2原料预处理工段的PID图2.2换热器设计说明换热器种类很多， 换热器选型时需要考虑的因素很多， 主要是流体的性质； 力、温度及允许压力降得范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。按作用原理和实现传热的方式分类：混合式换热器；蓄热式换热器；间壁式换热器其中间壁式换热器按传热面的形状和结构分类：管壳式：固定管板式、浮头式、填料函式、U 型管式板式：板翅式、平板式、螺旋板式管式：空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式液膜式：升降膜式、括板薄膜式、离心薄膜式其他型式：板壳式、热管按换热器服务类型分类：交换器(Exchanger): 在两侧流体间传递热量。冷却器(Chiller)：用制冷剂冷却流体。制冷剂有氨(Ammonia)、乙烯、丙烯、冷却水(Chilled water)或盐水(brine)。冷凝器(Condenser)：在此单元中，制程蒸汽被全部或部分的转化成体。冷却器(Cooler)：用水或空气冷却，不发生相变化及热的再利用。加热器(Heater)：增加热函，通常没有相变化，用如 Dowtherm 或热油作为热媒加热流体。过热器(Superheater)：高于蒸汽的饱和蒸汽压进行加热。再沸器(Reboiler)：提供蒸馏潜热至分流塔的底部。蒸汽发生器(Steam generator)(废热锅炉(waste heat boiler)： 产生的蒸汽带走热流体中的热量。通常为满足制程需要后多余的热量。蒸馏器(Vaporizer)：是一种将液体转化为蒸汽的交换器，通常限于水以外的液体。脱水器(Evaporator)：将水蒸气浓缩为水溶液通过蒸发部分水分以水溶液。管壳式换热器又称列管式换热器，该类换热器具有可靠性高、适应性广等点，在各工业领域中得到最广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器挑战，但反过来也促进其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。 一般要根据物流的性质、 流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件允许，应该优先选用固定管板式换热器。但遇到以下两种情况时，应选用浮头式换热器，满足一下两个条件:a、壳壁与管壁的温差超过70； 壁温相差5070 。 而壳程流体压力大于0.6MPa时，不宜采用有波形膨胀节的固定管板式换热器。b、壳程流体易结垢或腐蚀性强时不能采用固定管板式换热器。综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面，本次设计主要采用固定管板式换热器。三、工艺计算及主体设备设计3.1工艺设计初占换热面积、确定换热器基本尺寸（包括管径、管长、程数、每程管数、管字数排列、壁厚、换热器直径、流体进出管管径等计算）表3-1工艺设计参数操作条件参数壳程管程介质热物料冷物料质量流量/(Kg/h)362675进口温度/12569.2出口温度/124.771.78进口压力/MPa11出口压力/MPa0.9771初步选定换热器的形式后，根据任务要求利用 Aspen 进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图所示。图3-1换热器工艺参数利用此软件也可以对换热器进行结构设计，模拟出来的结果如图所示。图3-2 换热器模型图根据 JB/T4715-92 固定管板式换热器型式与基本参数对模拟数据进行圆整，并且考虑到热损失等，换热器面积选有余量。选定换热器基本参数如下：公称直径为 1000mm，换热管长度为 2000mm，管程数 N=1，壳程数 N=1，公称压力 1.103MPa，换热面积为 137.6m2 ，换热管规格为 192，管子根数 n=164根，中间排管数 20。3.2确定物性数据表 3-2冷流体在70.49下的物性数据物理量数据密度r0 kg/m3996.46定压比热容Cp0 kJ/(kg.)3.804导热系数0 W/(m)0.6027粘度0Pa s0.000965表 3-3 热流体在124.8下的物性数据物理量数据密度rI kg/m3 735.37定压比热容Cpi kJ/(kg)5.952导热系数i W/(m)0.6201粘度i Pa s0.0001083.3换热器计算3.3.1核算总传热系数（传热面积）换热器的换热量：Q=qicpiTi=3626752.43267.6-25=264607.68kJ/h计算平均传热温差热流体：125124.7冷流体：71.7869.2平均温差首先按照纯逆流计算平均温差：tm=t1-t2lnt1t2式中：且t1热流体进口温度与冷流体出口温度差值 且t2热流体出口温度与冷流体进口温度差值 tm=(125-124.7)-(71.78-69.2)ln125-124.771.78-69.2=9.23.3.2传热系数查化工原理得：管外侧污垢热阻：R0=0.00017m2K/W管内侧污垢热阻：Ri=0.00017m2K/W在该条件下管壁（碳钢）导热系数：=45W/(m2K）所以总传热系数：K=1d0idi+Rid0di+bd0di+R0+10=10.025885.8850.02+1.710-40.0250.02+0.00250.025450.0225+0.00017+1435.27=240.834W/(m2）3.3.3计算传热面积Ac=QKtm=264607.68240.8349.2=119.43m2该换热器的实际传热面积：Ap=d0lN-Nc=145.705m2该换热器的面积裕度为：H=Ap-AcAc=145.705-119.43119.43=22%换热器内的流体的流动阻力校核（计算压降）3.4机械结构的选用管板选用、管子在管板上的固定、管板与壳体连接结构3.4.1管板的选择管板用来固定换热管并起着分隔管程、壳程的作用，这里选择固定式管板兼作法兰的管板，根据选定的换热器公称直径及操作压力查表可得管板数据如表： 表3-5换热器管板数据单位：mmDNDD1D2D3D4D5D2Bfb1000119511401098100010851000407790 管子在管板上的固定因为操作压力小且温差不大所以不需要胀接。 管板与壳体的连接结构管板与壳体的连接采用焊接，且管板兼作法兰。该结构在管板上开槽，壳体嵌入后焊接，适合于壳体压力不高的场合。3.4.2封头类型选用a、通常选择选择“B”型作为前封头；b、对于水冷却器，当管侧需要定期清洗，且管侧设计压力小于 10bar(g)时，前封头可选择“A”型；c、对于固定管板式，宜选择“M”型作为后封头；这种换热器类型应用于无需对壳程进行机械清洗及检查但可用化学清洗的情况；d、对于浮头式， 应选择 “S” 型作为后封头。 浮头式换热器的壳径应大于 DN300。管侧和壳侧都可进行机械清洗，但需要较多工时卸除管束；e、对于外填料式浮头“P”和外密封式浮头“W”型的换热器不能在中国设计和制造；f、对高压换热器前封头宜选择 D 型；g、U 型管式， 管束外表面可用机械清洗的方法。U 型管的结构不适用于污垢系数较大的情况，立式再沸器不可选用 U-Tube；h、可抽换式浮头(后端浮头型 T)：管束与壳之间的空间(Clearance)相对较大，因此所给定的壳尺寸中含有的管数比其他构造的型式要少，管侧和壳侧皆可机械清洗。壳侧和管侧有污垢：A_S； 管侧无污垢：B_U； 壳侧无污垢：N_N；壳侧和管侧无污垢：B_M 服务于高压：DEU从价格上来说：B_U DEU N_N B_M A_S.3.4.3温差补偿装置的选用固定管板式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。3.4.4管、壳程接管a、 管程接管的选用：根据其设计压力为1.03MPa，材料为Q245R钢，设计温度为110下的许用应力为100Mpa，可计算得：Sch.x=1000p=10001.03100=10.30根据过程装备成套技术设计指南表9-8应选用Shc.20系列的管子由于接管内流速3m/s，可选用公称直径DN100，壁厚4mm的管子。根据固定管板式换热器的结构设计表1-6-6查得管子的外伸长度为150mm。b、壳程接管的选用：根据其设计压力为1.01MPa，材料为Q245R钢，设计温度为110下的许用应力为100Mpa，可计算得：Sch.x=1000p=10001.01100=10.10根据过程装备成套技术设计指南表9-8应选用Shc.10系列的管子由于接管内流速3m/s，可选用公称直径DN25，壁厚4.5mm的管子。根据固定管板式换热器的结构设计表-6-6查得管子的外伸长度为200mm。3.5换热器主要结构尺寸和计算结果表3.5.1管径和管内流速根据标准，选用192 的传热管，则管内径：di=19-22=15mm取管内流速ui=0.6m/s3.5.2选取管长、确定管程数和总管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数：ns=V4di2ui=205835.483/(996.463600)40.01520.6=304.56305根按单程管计算，所需的传热管长度为：L=Adins=145.7053.140.015305=10.14总管数：按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。我国生产的钢管系列标准中管长有 1.5m，2m，3m，4.5m，6m 和 9m，根据选定的管径和流速，现取传热管长l=6m。则该换热器管程数为：NP=Ll=10.146=1.692（管程）传热管总根数：N=3052=610根3.5.3传热管排列和分程方法 本设计采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距a=1.25d0，则：a=1.251924mm隔板中心到离其最近一排管中心距：s=a2+6=242+6=18mm则分程隔板槽两侧相邻管中心距：sn=36mm横过管束中心线的管数：nc=1.1N=1.1610=27.1728根3.5.4壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.8，则壳体内径为：D=1.05aN=1.05246100.8=695.86mm圆整可取D=700mm3.5.5折流板采用单弓形折流板，取折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为：H=25%D=0.25700=175mm取折流板间距：B=0.6D=0.6700=420mm取标准600mm。折流板数：NB=LB=6000600-1=9块根据以上相关设计，其主要结构尺寸和计算结果如表 3-6 所示。表 3-6 换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程进/出口温度/69.2/71.78125/124.7压力/MPa11物性定性温度/70.49124.8密度/（kg/m3）996.461099.1定压比热容/kJ/（kg.k）2.4323.804粘度/（Pa.s）0.0009650.0007707热导率（W/ m k ）0.60270.2557设 备 结 构 参 数形式列管式壳程数1壳体内径/mm350台数1管径/mm192管心距/mm25管长/mm2000管子排列正三角形管数目/根610折流板数/块9传热面积/m2137.6折流板间距/mm420管程数2材质Q245R 钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.560.2表面传热系数/W/（m2 k ）885.885435.27污垢热阻/（ m2 k /W）0.000170.00017热流量 kg/h362575传热温差/9.2传热系数/W/（ m2,k）240.2面积裕度/%22%3.6 换热器校核利用 sw6-98 对换热器进行校核，校核结构如下：表3-7固定管板式换热器设计表3-8 前端管箱筒体计算表3-9 前端管箱封头计算表3-10 后端管箱筒体计算表3-11 后端管箱封头计算表3-12 壳程圆筒计算表3-13 开孔补强计算表3-14换热管内压计算表3-15换热器外压计算 经过修正校核，最终选定换热器型号为BEM1000-1.103/1.103-137.6-2/19-1I意义为：封头管箱：1000-换热器公称直径（mm） ，1.103-管程设计压力（MPa） ，1.103-壳程设计压力（MPa） ，137.6-换热面积（） ，2-换热管长（m） ，19-换热管外径（mm） ，1-单管程，I-单壳程。四、选型设备结果一览表4.1换热器选型结果表4-1 换热器选型一览表位号型号设备类型根数管心距 /mm材质列管换热面积（m）管长/mm规格/mm排列方式E118BEM管板式32325碳钢3000192正三角形91.9E119BEM管板式33025碳钢3000192正三角形93.1E120BEM管板式188425碳钢3000192正三角形2554.3E121BEM管板式3425碳钢1000192正三角形2.3E122BEM管板式174225碳钢3000192正三角形1049.3E123BEM管板式108525碳钢2000192正三角形198.3E124BEM管板式184925碳钢3000192正三角形225.6E125BEM管板式110825碳钢2000192正三角形208.9E126BEM管板式106925碳钢3000192正三角形1184.9E127BEM管板式106225碳钢3000192正三角形1333.1E128BEM管板式240225碳钢3000192正三角形346.9E129BEM管板式27625碳钢3000192正三角形96.6E130BEM管板式52325碳钢2000192正三角形500.9E131BEM管板式25725碳钢1000192正三角形17.6E132BEM管板式625525碳钢4000192正三角形14119.9E133BEM管板式108325碳钢2000192正三角形207.8E134BEM管板式56625碳钢3000192正三角形1430.6E135BEM管板式851925碳钢6000192正三角形92773.2E136BEM管板式851925碳钢6000192正三角形86974.8E137BEM管板式194825碳钢3000192正三角形246.5E138BEM管板式27625碳钢2000192正三角形28.2E139BEM管板式721125碳钢5000192正三角形11739.9E140BEM管板式20325碳钢3000192正三角形28.7E141BEM管板式4225碳钢1000192正三角形2.9E142BEM管板式65325碳钢3000192正三角形457.9E143BEM管板式39925碳钢2000192正三角形83.1E144BEM管板式78825碳钢3000192正三角形110.4E145BEM管板式118325碳钢3000192正三角形224.7E146BEM管板式241425碳钢6000192正三角形5152.1E147BEM管板式16425碳钢2000192正三角形137.6E148BEM管板式43625碳钢3000192正三角形368.3E149BEM管板式939325碳钢5000192正三角形26575.9E150BEM管板式43825碳钢3000192正三角形299.6E151BEM管板式63725碳钢3000192正三角形866.6E152BEM管板式812325碳钢6000192正三角形2846.2E153BEM管板式21925碳钢5000192正三角形629.2E154BEM管板式42625碳钢2000192正三角形221.8E155BEM管板式52925碳钢3000192正三角形294.3E156BEM管板式621925碳钢4000192正三角形11363.34.2换热器装配图我们根据计算结果，运用AUTOCAD软件进行了换热器装配图的绘制，图4-1为换热器设备装配图：图4-1换热器装配图参考文献【1】余国踪编.化工容器及设备.天津：天津大学出版社，1987. 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