化工原理课程设计任务书--列管换热器器的设计.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除化工原理课程设计任务书设计题目：列管换热器器的设计原始数据：1、处理量：23104t/a2、苯进出口温度（C）：135、353、冷却循环水初始温度（C）：304、冷却循环水出口温度（C）：40工艺特点：1、逆流操作；2、有机机介质初始温度（C）：1353、允许压降（绝压）不大于105Pa4、每年按330天计，每天24小时连续运行设计内容：1、换热器的工艺计算和结构设计2、泵的设计或选型设计要求：1、画一张详细（最好带控制点的）工艺流程图2、画一张换热器结构图（1号图纸）3、编写一份规范的设计说明书目 录1设计方案简介32.设计方案的确定42.1冷、热流体流动通道的选择42.2流速的选择52.3流动方式的选择62.4换热管的选择62.5管子的排列方式72.6管间距的选择72.7折流挡板间距的选择83.工艺流程草图及说明94.工艺计算及主体设备设计94.1流体流动途径的确定94.2确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式94.3计算总传热系数104.3.1、苯的流量及热负荷：104.3.2、冷却水的用量：104.3.3、平均传热温差：104.3.4、总传热系数K114.3.5.估算换热面积114.4工艺结构尺寸11441选管子规格114.5总传热系数K的计算124.5.1管程对流传热系数124.5.2管外传热膜系数 124.5.3污垢热阻和管壁热阻134.5.4总传热系数K144.6核算压降144.6.1管程压降144.6.2壳程压降155.辅助设备选型166.符号说明167.设计结果一览表188.设计的评述199.附图19参考文献201设计方案简介列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。因管束与壳体的温度不同会引起膨胀程度的差异，若两流体的温差相差较大时，就可能由于热应力而引起管子弯曲或使管子从管板上拉脱，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，列管式换热器有以下几种型式：固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器和填料函式换热器。固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成1，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。它的的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的优点是：1、旁路渗流较小2、锻件使用较少，造价低；3、无内漏；4、传热面积比浮头式换热器大20%30%。固定管板式换热器的缺点是：1、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t50,当t50时必须在壳体上设置膨胀节；2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；考虑到换热器管壁与壳壁温差不超过50 ，而且应用广泛，操作简单、方便。用水冷却苯不易结垢，所以选择带有补强圈的固定管板式换热器。U型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是U型管的更换及管内清洗困难。浮头式换热器是用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。填料函式换热器，其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函耐压不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.设计方案的确定2.1冷、热流体流动通道的选择在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，下列几点可作为选择的一般原则： a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。 b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀，且管程便于检修与更换。 c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力，可节省壳体金属消耗量。 d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。e) 流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。 f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。 g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热，增强冷却效果。h)有毒或易污染的流体宜走管程，以减少泄露。以上各点常常不可能同时满足，应抓住主要方面，例如首先从流体的压力、防腐蚀及清洗等要求来考虑，然后再从对阻力降低方面考虑。2.2流速的选择提高流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，所需传热面积减少，设备费用降低。同时流速增加，流体阻力相应增加，操作费用增加。但是对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用。因此选择适宜的流速是十分必要的。适宜的流速应通过经济核算来确定。一般尽可能使管程内流体的e10000（同时也要注意其他方面的合理性），高粘度的流体按层流计算。根据经验，表1及表2列出了工业上常用的流速范围。表1列管换热器内常用的流速范围1流体的种类一般液体易结垢液体气体管程流速/(m/s)壳程流速/(m/s)0.53 0.21.510.5530315表2液体在列管换热器中流速（在钢管中）1液体粘度/mPa s15001500500500100100353511最大流速/(m/s)0.60.751.11.51.82.42.3流动方式的选择流向有逆流、并流、错流和折流四种类型。在流体进出口温度相同的情况下，逆流的平均温度差大于其他流向的平均温度差，因此，若无其他工艺要求，一般采用逆流操作。但在列管式换热器设计中，为了增加传热系数或使换热器结构合理，冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正，此时需要根据逆流的平均推动力和修正关系来计算实际推动力，的数值应大于0.8，否则应改动流动方式 2。本次设计选择逆流。2.4换热管的选择换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。此外，小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；对于相同的壳径，可排列较多的管子。因此选择小直径管子单位体积所提供的传热面积更大，设备更紧凑，但管径小，流动阻力大，机械清洗困难，设计时可根据具体情况选用适宜的管径。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定采用252.5 和192 两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有 ，572.5的无缝钢管和252, 的耐酸不锈钢管3。按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5，2，3，4.5，6和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为46。2.5管子的排列方式换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，如图2-1所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列（d）三角形错列（e）同心圆排列 图21传热管的排列方式4正三角形排列使用最普遍这是因为在同一管板上可以排列较多的管子，且管外传热系数较高，但管外不易机械清洗。适用于壳程流体较清洁、不需经常清洗管壁的情况。正方形排列的传热管数虽然较正三角形排列得少，传热系数也较低，但便于管外表面进行机械清洗。当管子外表面需用机械清洗时，采用正方形排列。为了提高管外传热系数，且又便于清洗管外壁面，往往采用正方形错列。同心圆形排列管子紧凑，且靠近壳体处布管均匀，在小直径的换热器中，管板上可排的管数比正三角形还多，这种排列法仅用于空分设备上。此外，对于多程列管式换热器，常采用组合排列的方法，如每一程内采用三角形排列，而在各程之间，为了便于安排隔板，则采用正方形排列方法 4。在此项目设计中选择换热管的规格为192碳钢管，管子成正三角形排列。2.6管间距的选择 管板上两管子中心距离称作管间距。管间距取决于管板的强度、清洗管子外表面时所需的空隙，管子在管板上的固定方法等。当管子采用焊接方法固定时，相邻两根管的焊接太近，会相互受到影响，使焊接质量不易保证，一般取（为管子外径）。当管子采用膨胀固定时，过小的管间距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用发生变形，失去管子与管板之间的连接力，故一般采用。常用的与的对比关系见表3。表3 管壳式换热器与的关系3换热管外径/mm1014192532384557换热管中心距/mm1419253240485772 该设计的换热管直径是19mm,故管间距为25 mm。 2.7折流挡板间距的选择安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的湍流速度，使湍流程度程度，提高管外表面传热系数。在卧式换热器中，折流板还起到支撑管束的作用。为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。常用的折流板是圆缺形折流板。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。 挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。当换热器内流体无相变时，其最大折流板间距不得大于壳体内径，否则流体流向就会与管子平行而不垂直于管子，从而使膜传热系数降低。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100，150，200，300，450，600，700 mm七种 浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600 mm八种 5。本次设计中折流挡板间距取125mm3.工艺流程草图及说明4.工艺计算及主体设备设计4.1流体流动途径的确定该设计任务的热流体为苯，冷流体为水，两流体均不发生相变的传热过程，且均不易结垢，为使苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，令苯走壳程，水走管程。4.2确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管换热器的型式冷却介质为新鲜水，进口温度为：30，出口温度为：40 。苯的定性温度： 水的定性温度： 两流体的温差： 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据3。 苯在85下的有关物性数据冷却水在35下的物性数据密度密度定压比热容定压比热容导热系数导热系数粘度粘度由于两流体温差等于50，冬季操作时进口温度会降低，该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，且考虑到冷却水易结垢。故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生较大热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。4.3计算总传热系数4.3.1、苯的流量及热负荷：4.3.2、冷却水的用量：4.3.3、平均传热温差：按照完全逆流计算：苯 13535冷却水 40 30 95 5 4.3.4、总传热系数K参照表3管壳式换热器用作冷凝器时的K值范围表3 管壳式换热器用作冷凝器时的K值范围1冷流体热流体总传热系数/W()水水水水水有机溶剂水气体水水气体有机溶剂轻油重油有机溶剂水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝低沸点烃类冷凝850-170017-280280-850340-91060-280115-3401420-425030-300455-1140初取=650W() 4.3.5.估算换热面积 4.4工艺结构尺寸441选管子规格 初选FA系列浮头式换热器规格如下： 壳径D：500mm公称面积S：80m2管程数NP：2管数n：228管长L：6m管子直径：192.0管子排列方法：正三角形排列换热器的实际传热面积：4.5总传热系数K的计算4.5.1管程对流传热系数所以又=37070.19 =4.85 流体被加热，取n=0.4=0.023=8160.70W/()4.5.2管外传热膜系数 管子按正三角形排列，则传热当量直径为 折流板：采用弓形折流板，取圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为。壳程流通截面积:其中壳径D为500mmS=D（1-）=0.1250.5（1-）=0.015 壳程流体流速 R=P=壳程中苯被冷却，取（）=0.95=0.36 =0.36307004.220.95=1293.84W/()4.5.3污垢热阻和管壁热阻 查表得数据如下： 水： 苯： 碳钢导热率： 管壁厚度：b=0.002m4.5.4总传热系数K =712.70W/（）选用该换热器时，要求过程中的总传系数为627.74在传热任务所规定的流动条件下，计算出的=712.60 ，传热面积为所选择的换热器的安全系数为:则该换热器传热符合要求。 4.6核算压降4.6.1管程压降Ft=1.5 NP=2管程流速:u=1.81m/s=37070.19 (湍流)对于碳钢管，取管壁粗糙度=0.2 mm 7=0.2/15=0.0133由关系图（如图32）中查得=0.043P=0.043=28005.41 Pa p=3()=3()=4884.67 Pa P=(28005.41+4884.67)1.52=98670.24 Pa10kpa4.6.2壳程压降已知=1.15;N=1;P=(P+P)FsNs P=Fb(N+1) 折流挡板间距 =0.125m管子为正三角形排列，则取F=0.5折流板数壳程流通截面积 S=(D-nhd)=0.125(0.5-170.019)=0.0221 =0.67m/sR=(湍流) =5.0Re=5.0(3.0710)=0.4741 所以 P=0.50.474117(47+1)=35075.78Pa P=N(3.5-) =47(3.5-)=25567.97Pa P=(35075.78+25567.97)1.151=69740.31Pa10kPa计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。5. 辅助设备选型输送苯选用泵型号IS80-65-125流量50扬程20m；输送水选用泵型号IS100-80-125流量120扬程16.5m。6.符号说明 字母及含义S 传热面积 T热流体温度 t冷流体温度 Tm苯的定性温度 tm水的定性温度 密度 定压比热容 导热系数 粘度 质量流量 Q热量 KW Re雷诺准数 平均传热温差 K总传热系数 D壳径 mm管程数体积流量 u流速 d管径 m当量长度 mh折流板圆缺高度 m Pr普朗特准数 R污垢热阻 Rsi管壁热阻 压差 Pa；结构校正系数壳程压强降的结垢校正系数 串联的壳程数F管子排列方法对压强降的校正数相对粗糙度 b-壁厚 mm壳程流体的摩擦系数 粗糙度 折流板数下标热流体 冷流体管内 管外s污垢 t传热温度差7.设计结果一览表参数管程壳程操作条件物料名称苯水流量（/h）操作温度（）操作压力（MPa）物性参数定性温度（） 密度（/m3）定压比热（kJ/）粘度（mPas）导热系数（w/m）主要工艺性能参数流速（m/s）对流传热系数（w/m2）污垢热阻（m2/ w）阻力损失（MPa）热负荷（w）传热总系数（w/m2）传热平均温差（）传热面积（）设计裕度（%）设备结构参数换热器的型式材质碳钢碳钢程数1换热管规格（mm）直径（mm）500长度（m）折流挡板型式弓型数目（个）数目19排列方式正三角形排列间距（mm）150管心距（mm）8.设计的评述本次课程设计历时一周，在此