化工原理课程设计（换热器）.doc

28 化工原理课程设计低压蒸汽冷凝冷器课程设计 班级：化 工063 学号：200608010312姓名：白 亮 亮指导教师：郭瑞时间：2009-01-03目录A.任务书1B.设计说明2-8C.工艺计算 9-17D.设备的结构计算18-24E.课程设计说明及汇总25-26F.设计评论27G. 参考文献28H. 附页29-30A-任务书一设计题目：低压蒸汽冷凝器二设计原始数据：（1）低压蒸汽处理量:Wh=1200kg/h; 绝对压力：（320+512）mmHg （2）冷却水进口温度：20;出口温度：自定（30）（3）当地大气压：760mmHg三设计要求：（1）工艺设计：确定设备的主要工艺尺寸，如：管径、管长、管子数目、管程数目等，计算K0。（2）结构设计：确定管板、壳体、封头的结构和尺寸； 确定连接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。（3）绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书。四设计时间：2009年1月1日-2009年1月5日设计学生：白亮亮 指导教师：郭瑞B-设计说明一、设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。二、该设备的作用及在生产中的应用换热器是实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。三、工艺流程示意图饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水由壳程下方排出，冷却水从换热器下方的入口进入，上方的出口排除。四、 说明运用该设备的理由这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。五、 设备的结构特点该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。六、 在设计中遇到的问题的处理在设计中，在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求。在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：n，L等，经过二次校核达到了预期的目的。七、 设计方案的确定(1)对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。(2)工艺流程图溶 液换 热 器(3)流体流经的空间：冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或井水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的沉积。管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。被加热的流体应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散失。饱和蒸汽由于比较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。(4)流体的流动方向选择：饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高;冷却水一般从换热器的下方的入口进入,上方的出口排出,可减少冷却水流动中的死角,以提高传热面积的有效利用.故采用逆流。(5)流速的选择:换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的。(6)冷却剂及出口温度的确定:选取水做冷却剂,它们可以直接取自大自然,不必特别加工.由于本地水源丰富,可以降低传热面积,减少设备费用,故取出口温度为30。C-换热过程工艺计算根据任务书所下达的换热任务，进行完整的换热过程的工艺计算。其目的是确定设备的主要工艺尺寸和参数，如换热器的传热面积；换热管管径、长度、根数；管程数和壳程数；换热管的排列和壳体直径，以及管壳程流体的压强降等；为结构设计提供依据。化工工艺计算的步骤大致如下：（一）传热面积S0的初定在稳定传热过程中，总传热系数K随温度变化不大时，根据总传热速率方程式： (1)0总传热系速 ;0换热管外表面积 ;平均温度差 ;Q传热速率（热负荷）w.1.传热速率Q的计算已知：P绝 =380mmHg=50.66kPa 由算得数据查表得：Ts=81.5, r = 2304.4kJ/kg (2)由 Q =Whr (3)=2304.4kJ/kg =768133w式中:Q换热器的热负荷,w;Wh饱和蒸气的质量流量,kg/h;r饱和蒸气的冷凝热,kJ/kg.2、平均温度tm计算对逆流和并流 (4)式中：、分别为换热器两端的温度差，。= =20 =30 tm=56.5 3、K0初选为:K0=1200W/= m2=11.3m2（二）主要尺寸的确定 1、换热管的类型、尺寸及材料的确定（1）管子的直径 当采用小直径的管子时，换热器单位体积传热面积较大，设备较为紧凑，单位传热面积的金属耗用量较小，管程流体的对流传热系数也较高，但制造，加工较麻烦，且容易结垢，不易清洗，因此小直径一般用于清洁流体，而大直径的管子常用于粘性大或污垢的流体。本设计为清洁流体，故可选用。（2）管子的长度 我国现有的管子长度规格常见的有1500，2000，3000，4500，6000，9000等，根据换热器工艺计算和设备设计，本设计可选用长度3000规格的管子。（3）管子的材料 列管式换热器设计中，正确选用管子的材料是很重要的，既要满足工艺条件的要求，又要经济合理。选材时应按照操作压强，工作温度，及流体的物化性质来选择，所选的材料最好满足下述要求：导热，耐磨蚀性能好，机械强度高，制造加工容易，价格低廉。换热器常用的材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜镍合金、铝合金。 (5)本设计为低压列管换热器，可用含碳量低于0.5%的优质碳钢的无缝钢管，其钢号以20为多，这号钢强度虽低些，但塑性好，焊接性能好。 2、管心距t的确定：管板上两管子中心的距离称为管间距，用t表示.实践证明:最小管间距的经验值为：t1.25d0（对胀接法而言）。(6) 且两管外径之间的距离不能小于6mm,即t(d0+6)mm对于直径小的管子，t/ d0的数值应取得更大一些。所以取t=1.5 d0=1.525mm=37.5mm外层管子中心到壳体内表面的距离：用b表示。 b=1.25d0且不能小于1/2d0+10mm (7)所以b=1.25d0=1.2525mm=31.25mm3、管子在管板上的排列形式管子的排列方式按照三角形排列。这样排列的优点是：（5）S-P96页（5）S-P96页在一定的管板面积上可以配置较多的管子数，而且由于管子间的距离相等，管板的加工制作方便。 (8)（三）管程数的确定（m） (9)式中：管程流体的适宜流速，m/s; 单管程流体的实际流速，m/s; (10)式中冷却水流量，/s管内径,m; 冷却水密度,kg/m3 总管数.= (11)列管中的总管数;传热面积的估算值,m;选定的换热管外径,m; L换热管有效长度，m.查25时水的物性参数有：=4179J/()，=997kg/m3 。代入数值：=18.38/s (12)根据公式 其中 列管式换热器的总管数，必须取整数;L选定的换热管有效长度,m;L=3-2管板厚=3-20.0250.75=2.962m (13)所以由公式得管子数为：=49由=1.2 m/s=(0.8-1.2) m/s 查表 取=1.0m/s (14)=0.831, 故选单程。（四）壳体的内径D根据公式D=t(nc-1)+2b (15)其中：nc=1.1=8(因管子按正三角形排列) 由公式可得:D=t(nc-1)+2b=37.5(8-1)+231.25=325mm所以取D为400mm。根据L/D=3/0.400=7.5在6-10之间，所以选用卧式。（五）确定准确的管子数按照正三角形排列，见29页管子排列图。由图得准确管子数为n=52。取掉4根,最终确定为52-4=48(根)。 根据公式 (16) 得u=1.22m/s（六）校核K0根据公式K0= (17)式中：RS传热壁面两侧污垢热阻 b 传热壁面的厚度 传热壁面材料的导热系数1、管内对流传热系数i的计算根据公式i=0.023 (18)当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3此处为冷却水被加热,所以取n=0.4 由公式得: 25条件下查得水的物性参数：=997kgm3 =60.9810-2W/(m)，=90.2710-5 Pas，=4179J/()。 (19)i=0.023 =5093.2 W/(m2)2、=0.00021 m2/ W, =0.000086 m2/ W 查表28可知。 (20) 3、饱和蒸汽在换热管外作膜状冷凝时0的计算采用试差法计算Tw 设Tw=78.5,而 Ts=81.5.则t=3， tm=(Tw+Ts)/2=80由t=80查附录六.八可知 =971.8kgm3 ， =67.4510-2W/(m) =35.6510-5 Pas， r=2306.5 kJ/ (21) 假设条件合理，则根据公式 0=0.725 (22)其中：nm= (23) 带入数据解得: nm=1.39，0=15272.2 W/(m2).验证Tw根据公式Tw= TS可得：Tw=77|TwTw |/ Tw 100%=|78.577|/ 78.5100%=0.019%3%假设合理，所以最后得0=15272.2 W/(m2).4、计算K0， =1387 W/(m2)所以K0，/K0=1387/1200=1.14（适合）（七）校核面积S0根据公式S0=9.8 m2 S设= (24)=3.140.0252.96248=11.2m2所以S设/ S0=11.2/9.8=1.14（合适）故设计合理。D-设备的结构设计(一)壳体1、壳体内径: D= 4002、壁厚 选最小壁厚:b=10 (25)3、材质的选取导垫耐腐蚀性要好，机械强度高，制造加工容易，价格低廉。一般中、低压管式换热器的；列管常用含碳量低于0.25%的优质低碳钢的无缝钢管，所选低碳钢为A3F.（二）管板的材质及管板的结构1、在选用管板的材料时，当换热介质无腐蚀有轻微腐蚀时，可按规定采用低碳钢或普通低合金，处理腐蚀性介质时，应采用优质的耐腐蚀材料。本设计可采用低碳钢。 (26)2.管板与壳体的连接 管板尺寸：根据Dg=400 mm查表（S-P109页表2-10）得管板尺寸：Pg =1.0MPaDgDD1D2D3D4D5b400mm515mm480mm390mm398mm438mm400mm30mm图见附页图-1 (27)（三）管子在管板上的固定：管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。其原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄露。 （1）胀接法 此法是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部使管端发生塑性变形，管板同时也产生弹性性形变，当取去胀管器后由于管板孔的弹性收缩，使管板与管子间同时产生一定的挤紧力而紧密地贴在一起，从而达到密封固紧连接的目的。采用胀接时，管板的硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量，这样可免除因管板孔塑性变形，而影响胀接紧密性。 (28)（2）焊接法由于此法具有高温高压下仍能保持连接的紧密性，对管板孔的加工精度要求低，加工工艺较简单，当压强不太高时，可用较薄管板等优点，因此焊接法的应用较广泛。但焊接法工艺要求管子与管孔之间应留有一定的间隙。由于本设计要求在常温常压下工作，可采用胀接法。 （四）管板与壳体的连接固定管板式换热器的管板与壳体间采用不可拆连接。可采用焊接的方式。图见附页图-2 (29)（五）封头封头又称端盖（或顶盖），按其形状可分为凸形封头、锥形封头和平板封头三类。其中凸形封头按结构形状又可分为球形、椭圆形、蝶形和无折边球形的四种封头。对于列管式换热器一般取用椭圆形封头为多。椭圆形封头是由半椭球和具有一定高度的短圆筒两部分所组成。直边的作用是避免壳体与封头间环向焊缝的边缘应力，由于椭球封头各点曲率的变化是连续的，当其承受内压时封头内的应力分布不会发生突变，所以其承受能力较大。椭圆形封头的壁厚与其长短轴的比值有关。标准椭圆封头长短轴之长,即长轴D,短轴1/2D,D/2h=2。大多数椭圆封头的壁厚是与筒体厚度相等或比筒稍厚。椭圆封头直边的内径与壳体内径相同。 (30)根据本实验可选: 材料：碳素钢其中R=D=400mm;r=0.15D=60mm;S=b=10mm;H=0.25D=100mm;h=3S=30mm图见附页图-3 （六）封头或管箱的法兰与垫片法兰是压力容器用的法兰。压力容器法兰分为平焊法兰和对称法兰两类，平焊法兰又分为甲型和乙型两种。甲型平焊法兰适用于公称压强（MPa）Pg0.25、0.6、1.0、1.6四个压强等级的较小范围。乙型平焊法兰适用公称压强Pg2.54.0两个压强等级的较小范围，其最高工作温度为350。 本设计选用甲型平焊法兰，图见附页图-4、图-5公称尺寸：Pg =1.0MPa (31)DgDD1D2D3D4ba a1d400mm515mm480mm450mm440mm438mm30 mm15 mm13 mm18mm（七）接管接口管有焊接管、铸造接管和螺纹接管三种。本实验设计可选焊接接管，且二次蒸汽选用上进下出的形式1、蒸汽进口管:di = 式中：di 接管的内径 Vs 通过接管流体的体积流量 u 接管内流体的适宜流速取u=30m/s,t=81.5查时饱和水蒸气表=0.312 kgm-3 (32) 所以：di =m=213mm圆整成2502、冷凝水管：di =21mm 圆整成25mm 通过查表得出：t=81.5,查得 (33)3、冷却水管：di =139mm 圆整150 通过查表得出：t=(t1t2)/2=25,查得 (34)4、不凝气体排除管： di =48圆整50（八）容器开孔的补强补强圈的材料一般与器壁材料相同，其厚度也与器壁厚度相等，直径与管子一样。故补强圈可选：碳素钢 10 直径150图见附页图-6（九）接管法兰与法兰盖 根据上述计算出的接管的di通过查表（S-P151附表7）得到管法兰尺寸: (35)Pg=0.98MPa（10kgf/cm2） Dg管子法兰螺栓dHSDD1D2D3D4bfd数量直径25027383903503202833121132312M2050573.5160125102668783184M161501594.5280240212171203113238M2025323.51158568415762144M12E-课程设计技术说明及汇总一、接管表序号连接方式用途公称尺寸连接尺寸1平面连接冷却水进出口Dg150mmPg1.0MPaDg150mm 2平面连接水蒸气进口Dg250mmPg1.0MPaDg250mm3平面连接不凝气出口Dg50mmPg1.0MPa Dg50mm4平面连接冷凝水出口Dg25mmPg1.0MPa Dg25mm二、技术特