化工原理预热器课程设计.doc

目录目录1.1设计原始数据11.2设计任务11.3选择换热器的目的和型号11.3.1 选择换热器的目的11.3.2 换热器的型号选择11.4工艺条件的选择21.4.1 流体流入空间的选择21.4.2 流体流向的选择22.1确定物性数据32.1.1涉及到的物质的物性常数32.1.2 饱和水蒸汽的物理常数32.2流速的确定33.1估算传热面积53.1.1换热器的热负荷Q53.1.2 饱和水蒸汽用量53.1.3 平均温度差（按折流计算）53.1.4 传热面积63.2工艺结构尺寸63.2.1管径和管内流速63.2.2 传热管、程数63.2.3传热管排列和分程方法63.2.4 壳程内径73.2.5 折流挡板73.2.6 接管73.2.7 导流管与防冲挡板73.2.8 材料选用73.2.9法兰设计83.2.10筒体法兰83.2.11接管法兰84.1热流量核算94.1.1 壳程对流传热系数94.1.2 管程对流传热系数94.1.3 确定污垢热阻104.2校核壁温104.2.1 核算压强降104.3 强度设计114.3.1 壳程筒体计算与校核114.3.2 管箱筒体设计及校核124.3.3 管箱封头设计及校核124.3.4 封头高度计算124.3.5 换热管与管板连接处的结构设计134.3.6 壳体与管板连接结构设计134.3.7 管板厚度计算13设计结果一览表15参考文献15第一章 设计任务要求1.1设计原始数据(1)乙醇水处理量流量：833kg/h（年处理乙醇水混合液6000t，开工率300天/a，24h/d）；进 口 温度：30, 进料热状况参数q=1.0；出 口 温度：83.26（泡点温度）。(2)饱和水蒸汽：压强：2.5kgf/cm2（表压）= 0.25MPa(绝压），（1 kgf/cm2=98.066kPa)；进 口 温度：127.2 出 口 温度：127.2。(3)设备：允许压强降：不大于Pa；设备最大承受压力：P=2.5Mpa。1.2设计任务(1) 根据所需设计的换热器工艺条件计算其热负荷、传热面积等有效数据，进而选择换热管、壳体、管板、封头、隔板及接管等。(2) 绘制列管式换热器的设计装配图。(3) 编写列管式换热器的设计说明书。(4)设计任务和设计条件：用2.5kgf/cm2（表压）的饱和水蒸汽加热833kg/h的乙醇水的混合物从30加热到泡点，试设计一台列管管壳式的换热器，完成该生产任务。1.3选择换热器的目的和型号1.3.1 选择换热器的目的 为了完成生产任务，即：用2.5kgf/cm2（表压）的饱和水蒸汽将乙醇-水混合物由30加热到泡点温度，故选择换热器来给乙醇水混合物加热，现选择列管式换热器来加热。1.3.2 换热器的型号选择 热流体（饱和蒸汽）进口温度为127.2，出口温度为127.2；冷流体进口温度30，出口温度82.57，估计冷热流体温差较大，从而该换热器的管壁温度和壳体壁温之差较大，故初步确定：用浮头式换热器。1.4工艺条件的选择1.4.1 流体流入空间的选择 设计列管换热器之前，要考虑哪一种流体走管程或壳程，这关系到设备使用是否合理。一般选择原则如下：（1）不干净和易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗比较方便。（2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，可节省壳程金属消耗量。（4）饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，对清洗无要求。（5）有毒流体宜走管内，使泄露机会比较少。（6）被冷却流体宜走管间，可利用外壳向外散热作用，增强冷却效果。（7）黏度大的液体或流量较小的流体宜走管间，因流体在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值（Re100）下即可达湍流，以提高对流传热系数。（8）对于刚性结构的传热器，若两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与大的流体温度相近，可以减少热应力。 综上述条件可确定：换热器里饱和水蒸汽走壳程，乙醇水混合物走管程。1.4.2 流体流向的选择 参与换热的两种流体在间壁两侧流向有并流，逆流，错流，折流四重类型。实际生产中，流体多是比较复杂的多程流动，考虑到经济性与效率等实际问题，我选择折流。 综上所述各条件的确定：可知换热器中饱和水蒸汽走壳程，乙醇水混合物走管程；流径选择折流。第二章 换热器尺寸的初步设计2.1确定物性数据2.1.1涉及到的物质的物性常数 乙醇水混合物的定性温度：t=(30+82.57）/2=56.29（管程乙醇水混合物流体的定性温度）。表2-1 56时乙醇，水，乙醇水混合物和饱和水蒸气的一些物理常数： 物性流体T /m3） PasCp kJ/（K） w/(m.) r kJ/kg乙醇 （液体）56780.565.1610-52.88 0.151846水（液体）56988.154.9410-54.1740.6482258乙醇-水（液体）56853.1661.5810-53.340.3251340.22.1.2 饱和水蒸汽的物理常数 饱和水蒸汽的定性温度：T=（127.2+127.2）/2=127.2（壳程饱和水蒸汽的定性温度）假设壁温tw=116.3;则水的定性温度tm=(T+tw)/2 =(127.2+116.3)2 = 121.75;表2-2 水在127.2下的物理常数： 物性流体 温度 （） /m3） PasCp kJ/（K）o w/(cm.)r kJ/kg饱和水蒸汽127.21.37521.4210-50.790.6862113.22.2流速的确定 换热器内流体速度大小必须通过经济核算进行选择。因此，一般流体都尽可能使Re4000 ,粘度高的流体常按滞流设计。根据经验，下面列出一些工业上常用的流速范围。见下表：表23 列管式换热气中常用的流速范围：流 体 的 种 类一 般 流 体易 结 垢 液 体 气 体 流速/（m/s） 管 程 0.53.0 1 5 30 壳 程 0.21.5 0.5 315表2-4 列管式换热器易燃、易爆液体允许的安全流速： 液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油 丙酮 安全流速（m/s） 1 1 5001 500 500 500 100 100 35 35 1 1最大流量/ (m/s) 0. 6 0. 75 1. 1 1. 5 1. 8 2. 4根据上面所述表格中的数据可选择乙醇水的流速为：ui = 2.4m/s。第三章 始算设计换热器的规格3.1估算传热面积3.1.1换热器的热负荷Q30时乙醇水的比热容为：2.25KJ/(Kg.);82.57时乙醇水的比热容为：3.49 KJ/(Kg.)；此处取乙醇水在3082.57下的平均温度下的比热容为：2.84KJ/(Kg.);乙醇水的流量为：Wc =833kg/hQ = WcCpc(T1-T2)=(8333600)2.84103(82.57-30) =34.55KW Q总 = Q/0.95 = 36.37 KW3.1.2 饱和水蒸汽用量0.25MPa的饱和水蒸气的焓：气体Ih1=2718.4KJ/Kg;液体Ih2=527.05 KJ/Kg;Wh = Q总 /(Ih1 - Ih2)=3637(2718.4-527.05)3600 = 5974.8Kg/h3.1.3 平均温度差（按折流计算） 热流体(饱和水蒸汽)：127.2（g ,进口） 127.2（l ,出口）冷流体（乙醇-水）：82.57（l ,出口） 30（l ,进口）tm = ttm 式中 tm 按逆流计算的对数平均温度差，单位：； t 温度差校正系数，量纲为 1。温度差校正系数t与冷、热流体的温度变化有关，是P和R两因数的函数，即t =f(P,R)式中 显然因为此时R=0而不能用查表取得对应的t 值。又当换热器中某一侧流体有相变而保持温度不变时，不论何种流动形式，只要流体的进、出口的温度相同，其平均温度差均相同。故可按逆流计算的对数平均温度差代替此处的平均温度差，即：tm = tm = 67.543.1.4 传热面积表3-1 管程有机物1103 壳程 水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝传热系数K值 5821193 291582 116349K值大致范围：5821193 W/（m2K）基于乙醇-水的黏度，根据表31中的数据假设传热系数K = 600W/(m2K）则估算传热面积为：S = Q总 / (K tm)=36.37103(60067.54) = 0.897m2 考虑15%的面积裕度，S = 1.15S=1.03m2；3.2工艺结构尺寸3.2.1管径和管内流速a. 管径的确定：由表21知乙醇水的黏度并不是很大，并且根据经验知道在82.57时乙醇-水几乎不会黏在管壁。可以选用的冷拔钢管作为传热管。b. 管内流速的确定：由表23，表24可知，乙醇-水的流速应在0.52.0之间，取ui=1m/s；3.2.2 传热管、程数取1m管长。按单程管计算器流速为按单程管计算流速太小则管程数为按单壳程单管程计算，总传热管数为4根3.2.3传热管排列和分程方法采用正三角形排列，取管心距则 横过管束中心的管数： 3.2.4 壳程内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7取标准管3.2.5 折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板圆缺高度为课题内径的25%则切去的圆缺高度h=0.25325mm=81.25mm取折流挡板间距B=0.5D=0.5325mm=162.5mm折流挡板数公称直径DN=325mm，查得折流挡板的最小厚度8mm。3.2.6 接管壳程流体接管直径：取接管内液体流速为则接管内径 取标准管径 管程流体接管直径：取接管内液体流速为则接管内径 取标准管径 3.2.7 导流管与防冲挡板壳程接管的结构设计直接影响换热器的传热效率与使用寿命，由于介质为水蒸气，进入壳程时，换热器将受到很大冲击，甚至发生震动，为了保护管束，在入口处要设置导流管或防冲挡板。3.2.8 材料选用 管壳式换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢钢和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。2表35 管壳式换热器个部件的常用材料：部 件 或 零 件 名 称 材 料 牌 号 碳 素 钢不 锈 钢壳 体、法 兰A3F、A3R、16MnR16Mn+0Cr18Ni9Ti法 兰、法 兰 盖16Mn、A316Mn+1Cr18Ni9Ti管 板A41Cr18Ni9Ti膨 胀 节A3R、16MnR1Cr18Ni9Ti挡板和支承板A3f1Cr18Ni9Ti螺 栓16Mn、40Mn、40MnB换 热 管10号1Cr18Ni9Ti螺 母A3、40Mn垫 片石棉橡胶板支 座A3F根据上表以及乙醇-水的性质，所有的材料均选择为碳素钢，所选择的部件及零件的钢材的牌号为上表中黑体字的。3.2.9法兰设计法兰连接从结构功能和一般原则出发，应满足下列基本要求：工作条件下，法兰泄漏量被控制在工艺允许的范围内，在各种情况下能经受一定的外载和内力，具有足够的强度，便于多次拆装而不致影响其密封性能；结构简单，成本低廉， 大批生产，对于管法兰，由于连接对象是标准件，因此还应特别突出互换性的要求。3.2.10筒体法兰适用乙型平焊法兰（JB4702-2000）查化工机械设备基础附表10-2 P450得螺柱M20 16个3.2.11接管法兰DLNC理论质量管程150mm300mm250mm26mmM248个30mm10.8Kg壳程250mm395mm350mm22mmM2012个26mm11.9Kg第 四 章 换热器的核算4.1热流量核算4.1.1 壳程对流传热系数因为是卧式换热器，壳程为蒸汽在水平管束外的冷凝传热。假定冷凝液膜为湍流，选用下式计算设管外壁温度 ,则冷凝液膜的平均温度为查出膜温77.75下水的物性常数密 度 导热系数 粘 度 对于正三角形排列，横贯管束中心线的管数所以4.1.2 管程对流传热系数雷诺数:普兰特准数：4.1.3 确定污垢热阻 (因为水蒸气侧热阻很小，计算中予以忽略) 核算总传热系数钢材为碳钢，导热系数，所以选用该换热器时要求过程的总传热系数为600，在传热任务所规定的流动条件下，计算出的，故所选择的换热器的安全系数为则换热器的传热面积的裕度符合要求。4.2校核壁温核算时，一般忽略管壁热阻，根据下列近似关系核算tw值得与假设的相差甚微，原假设成立。4.2.1 核算压强降因壳程为水蒸气在等温等压下的冷凝传热，压强降忽略，故下面仅计算管程的压强降前已计算出 ， （湍流）取碳钢管壁粗糙度 ，则由摩擦因数图查得，所以对于的管子， ，所以从上面计算可知，该换热器压强降符合题设要求，故所选换热器合适。4.3 强度设计4.3.1 壳程筒体计算与校核换热器壳体直径：壳体设计压力： 计算压力 ，设计温度。壳体材料为 碳素钢，假定材料在设定温度下许用应力 使用温度下许用应力采用100%无损检测，根据工艺要求，腐蚀裕量 壳体计算厚度：根据标准，取钢板厚度负偏差壳体名义厚度 ，取有效厚度 壳体水压实验校核：水压试验压力：水压试验应力：圆筒壳最大许用工作压力 故水压试验合格。4.3.2 管箱筒体设计及校核由于设计压力、使用材料、设计温度、内径均与壳体相同，故水压试验也完全相同，水压试验合格。4.3.3 管箱封头设计及校核管箱封头采用标准椭圆封头。根据前面计算，其内径，设计压力设计温度，使用材料为 碳素钢材料在设定温度下许用应力 使用温度下许用应力焊接头系数 计算厚度： 取标准椭圆封头K=1取钢板厚度负偏差，腐蚀裕量 名义厚度，取有效厚度 最大许用工作压力 故封头满足工作要求。4.3.4 封头高度计算得4.3.5 换热管与管板连接处的结构设计由于设计压力为低于，设计温度低于，操作中无剧烈的震动，无过大的应力变化、无明显的腐蚀，故采用胀接。即将胀管器放入插在管板孔中的管子端头内，挤压管端壁，使管壁产生塑性变形，依靠两者之间的残余应力来达到密封不漏和牢固连接。4.3.6 壳体与管板连接结构设计浮头式换热器管板与壳体采用可拆链接，分为管板兼做法兰和不兼做法兰两种形式。管板不做法兰时，管板夹在壳体法兰与管箱法兰之间，管板上不开螺孔，他只是起到一个带有两面密封槽的垫片的作用。管板兼做法兰时，壳体与管板并不焊接在一起，而是通过螺栓连接固定及密封。这是的管板两面均设密封面，其中一面与壳体的法兰形成密封；另一面与换热器管箱上的法兰形成密封。可拆式结构对换热器的检查、维修、清洗都较方便，故浮头式换热器常用此结构，以利于管束从壳体内抽出清洗管间。4.3.7 管板厚度计算采用B.S.法进行换热器管板厚度计算，参数如下：筒体：内径；厚度 ；碳素钢；换热管：数量 ；外径；有效长度材料壳程压力；管程压力。假设管板厚度一根管管壁金属