正戊烷冷凝器的设计.doc

2.9*104吨/年正戊烷换热器的设计 目录1.1概述21.2任务安排41.3确定物性数据4 1.3.1确定流体流动空间4 1.3.2计算流体的定性温度，确定流体流动的物性数据41.4初选换热器规格5 1.4.1初选换热器规格6 1.4.2核算总传热系数6 1.4.3计算压强降7 1.4.4核算总传热系数71.5结构设计8 1.5.1 列管式换热器概述8 1.5.2 传热管排列和分程方101.6总结表16 1.6.1工艺设计汇总表16 1.6.2设备结构设计17 1.6.3主要零部件汇总表181.1概述 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、过热器等。 依据传热原理和实现热交换的方法可分为间壁式、混合式、蓄热式三类。 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；另一种流体则温度较低，吸收热量。完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。 （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。（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与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。（3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。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，根据需要可添置气、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（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）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。 1.2任务安排 1.处理能力： 2.9*104吨/年正戊烷 2.设备形式： 立式列管冷凝器 3.操作条件 (1)正戊烷：冷凝温度51.7 冷凝液于饱和温度下离开冷凝器41.7 （2）冷却介质：井水，入口温度25，出口温度 33 （3) 允许压强降：不大于105Pa (4)每年330天计，每天24小时连续 4.设计项目 ( 1 ) 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 ( 2 ) 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 ( 3 ) 换热器的主要结构尺寸设计。 ( 4 ) 主要辅助设备选型。 ( 5 ) 绘制换热器总装配图。1.3确定物性参数 1.3.1确定流体流动空间 根据换热器流体流经选择原则： (1).饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排走冷凝液，且蒸汽较洁净，它对清洗无要求； (2)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷凝效果； (3)黏度大的的液体或流量较小的流体宜走管间，因流体有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re下即可达到湍流，以提高对流传热系数。综合上述原则，对本次设计：冷却水走管程，正戊烷走壳程 1. 3. 2计算流体的定性温度，确定流体流动的物性数据两流体在定性温度下的物性参数如下：物料温度 密度粘度比热容导热系数kg/m3Pas KJ/（kg） W/（m）正戊烷 51.7 59618.010(-5)2.34 0.13井水 33 994.880.010(-5) 4.174 0.616 a.假设井水的出口温度为33，井水入口温度为25b.由设计要求的正戊烷的流量:=290001000/330/24=2661.62 kg/hc.已知51.7时正戊烷的蒸发潜热 r=347.5044KJ/kg 热负荷为：Q=r=2661.62347.5044=924924.66KJ/h=256.92Kw d.在3050之间水的定压比热容为4.174KJ/kgK 做能量衡算井水流量为：= Q /（Cpt）= 924924.66/（4.174（33-25） = 27698.99kg/h e.井水的定性温度为tm=（22+30）/2 = 26 两流体的温差Tm-tm=51.7-2610000(湍流) 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则/d=0.005，而Rei=12797.18，查阅莫狄摩擦系数图知：=0.030P1=L/du2/2=0.0303/0.02994.80.512/2=582.18PaP2=3u2/2=3994.80.512/2=388.12Pa Pi=（582.18+388.12）21.4=2716.84Pa10000(湍流),流体被加热，n=0.4 Pri=Cpi/=4.17410380.0010-5/0.626=5.3 ai=0.023（/d）Re0.8Pr0.4=0.023（0.626/0.02）12797.180.85.30.4 = 2761.26W/（m2）(2) 计算壳程对流传热系数ao 因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算ao 假设外管壁温度为41.3，则平均膜温为46.5，在此温度下，正戊烷冷凝液的物性参数 =0.112W/（m）；=626kg/m3；=0.229mPas a o=1.13（g23r/Lt）1/4=1.13（9.8162620.1123357400/(0.0002293（51.7-46.5）1/4= 1093W/m2 （3）确定污垢热阻 Rso=1.7210-4m2/W（有机液体） Rsi=2.010-4m2/W（井水） （4）总传热系数K 1/K=1/ao+Rso+ Rsi*do/di+do/(ai*di) =1/1093+0.000172+0.00020.025/0.02+0.025/(2708.16*0.02) =1.8010-3所以K=555.02W/m2因为Ko=600W/m2 所选换热器的安全系数为（600-556.02）/600=7.3%（5）核算壁温 （T-tw）/（1/ao+Rso）=（tw-t）/（1/ai+Rsi） 代入数据：（51.7-tw）/（1/1093+0.000172）=（tw-33）/（1/2980+0.0002） 经解：Tw=45.54 ，与假设的41.3相差不大1.5结构设计 1.5.1固定管板式换热器概述1 固定管板式换热器：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。 1.5.2 传热管排列和分成方法 传热管管板上的排列方式有正方形直列，正方形错列，三角形直列，三角形错列和同心圆排列。本次换热器的设计中使用正三角形，正三角形排列结构紧凑。1.5.2.1管心距本次设计，焊接法取管心距t=1.5do=37.5mm，隔板中心到其最近一排管中心距离：S=t/2+6=37.5/2+6=24.75 mm 取整S=25mm，各程相邻管的管心距为;252=50mm1.5.2.2外壳直径的确定 D=t(nc-1)+2b D壳体内径，m t管中心距，m，通常，胀管法t=（1.31.5）d0,且相邻两管外壁间距不应小于6mm,即t = d0 + 6 b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，一 般取 b= （11.5）d0 对于按正三角形排列的管子，nc=1.1 = 11，b=1.5*19=22.8mm，t = 28mm D=t(nc-1)+2b=28*(11-1)+2*22.8=325mm,取整D=400mm 最小壁厚：10mm1.5.2.3 封头（公式出自化工容器设计） 封头材料选用Q235-C综合高度和厚度以及节省成本原则选择椭圆形封头。椭圆形封头 采用标准椭圆形封头（a/b=2） K=1 4.7mm 圆整取 封头总高 () 根据JB/T4746-2002选择DN=400mm 封头质量为20kg，直边高度25mm，曲面高度100mm，厚度1.5.2.4 容器法兰 选择乙型平焊法兰（JB/T4702-2000） 1.6MPa，符合要求，故选择16MnR。采用石棉橡胶垫片，JB/T4704-2000 ,螺柱规格：M20, 数量201.5.2.5管板（数据选自换热器设计手册）固定管板式，壳体与管板采用焊接型式,管板兼作法兰。管板材料为16Mn 1.5.2.6接管尺寸 流速u的经验值可取：对液体： u=1.52m/s 对蒸气：u=2050m/s 对气体：u=（0.10.2）m/s 壳程进口接管 取壳层进口接管内正戊烷蒸汽流速为u=10m/s,正戊烷气体密度为 =0.161m 取B型补强管DN=200，质量m=6.6kg/100mm（HGJ527-90） 取补强圈d=224mm,D=400,计算得，圆整得 查JB/T4736-95,接管伸出长度为200mm 接管位置尺寸：，取200mm 壳程出口接管 取壳层出口接管内正戊烷液体流速为u=0.5m/s,正戊烷液体密度为 取B型补强管DN=125，质量m=3.0kg/100mm（HGJ527-90） 取补强圈d=138mm,D=250,计算得，圆整得 取150mm 管程接管 取管程内水的流速为u=1m/s，水密度为 =0.098m 取B型补强管DN=125，质量m=3.0kg/100mm（HGJ527-90） 取补强圈d=138mm,D=250,计算得，圆整得 查JB/T4736-95,接管伸出长度为200mm 接管位置尺寸：，取200mm1.5.2.7接管法兰 采用板式平焊法兰（HGT20592-2009），法兰选择如下：参数管程接管DN=125壳程接管DN=200法兰外径240mm360mm螺栓孔中心圆直径200mm310mm螺孔(18mm)法兰厚度C20mm22mm法兰内径135mm222mm法兰质量4.5kg7.0kg1.5.2.8 管箱长度 （为接管位置尺寸，H为封头高度，250为焊点和开孔点的最小距离） 1.5.2.9折流板 （支撑板） 对立式换热器设置折流板，能够有效的防止传热管有破坏性振动。 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆 高度为 h=0.25D=0.25（400-10）=97.5mm 取折流板间距B=0.4D=0.5400=200mm，取板间距B=300mm 折流板数Nb=传热管长/折流板间距=3000/300-1=10块选取折流板与壳体间的间隙为4mm，因此折流板直径 Dc=400-24=392mm1.5.2.10拉杆 拉杆数量与直径可查表选取，本换热器壳体内径为400mm，故拉杆直径为12mm，拉杆数量不得少于4个，取10个。 定距管为，距离按实际需要选取。1.5.2.11分程隔板与缓冲板分程隔板：隔板材料为Q235C 隔板最小厚度为8mm（G151-99） 设计时取10mm缓冲板：管程流速小可以不用缓冲板壳程流速约10m/s，接管直径200mm，缓冲板厚度为6mm长度300mm PN=2.5MPa，DN=400mm t=43mm H=190mm法兰强度校核： 查乙型法兰最大允许工作压力表在温度小于200时，16MnR的工作压力是2.5MPa，符合要求，故选择16MnR。1.6总结表 1.6.1工艺设计汇总表 工艺设计汇总表项目符号 单位计算结果冷却水流量Kg/s7.56正戊烷流量Kg/s0.73冷却水进水口温度22蒸汽入口温度T51.7冷却水出口温度30总传热量QKJ/h908250.14总传热系数K计W/（m2）556.02所需传热面积A计m218.97实际传热面积Am221.40裕度H7.3%管内流速um/s0.58管程压降PiPa2716.84壳程压降PsPa22.96 1.6.2设备结构设计程数 2材料碳钢台数 1壳体mm40010传热面积22.5管径mm252.5折流板形式上下管数（根）94折流板数/个10管长（mm）3000折流板间距（mm）300管子排列方式正三角形切口高度mm97.5管间距mm25折流板厚度5mm封头法兰D=400隔板b=10mm拉杆4根d=12mm支座JB/T 4712-9