用于60万吨年煤油换热列管式换热器的设计.doc

化工课程设计列管式换热器郝金龙 化学与材料工程 学院 应用化学 专业 化工原理 课程设计 题目 用于60万吨/年煤油换热的列管式换热器的设计 指导教师 000000 学生姓名 000000 学 号 12111100000 2015 年 4 月 17 日列管式换热器设计任务书一、设计题目： 用于60万吨/年煤油换热的列管式 换热器设计二、设计任务及操作条件 1、设计任务 处理能力： 60万吨 设备型式： 列管式换热器 2、操作条件 （1）煤油：入口温度 70 出口温度 30 （2）冷却介质：循环水 入口温度 20 出口温度 40 （3）允许压降：不大于0.1MPa（4）煤油定性温度下的物性数据（5）每年按300天计算，每天24小时连续运行。3、设备型式 列管式 4、厂址 温州大学 三、设计内容 1、概述 2、设计方案的选择 3、确定物理性质数据 4、设计计算（1） 计算总传热系数 (2)计算传热面积 5、主要设备工艺尺寸设计 （1）管径尺寸和管内流速的确定 (2)传热面积、管程数、管数和壳程数的确定 （3）接管尺寸的确定 6、设计结果汇总 7、工艺流程图及换热器工艺条件图 8、设计评述四、图纸要求1 工艺流程图2 列管式换热器装配图目 录一、概述2二、换热器的分类2 2.1.1 间壁式换热器2 2.1.2 蓄热式换热器2 2.1.3 流体连接间接式换热器 3 2.1.4 混合式换热器3 2.2.1 冷却器3 2.2.2 加热器32.2.3 预热器32.2.4 过热器32.2.5 蒸发器33、 设计方案54、 确定物理性质数据7五、设计计算81、热流量82、平均传热温差8 3、冷却水用量9 4、总传热系数 K 9 5、计算传热面积 10 6、主要设备工艺尺寸设计11 6.1、管径尺寸和管内流速的确定 11 6.2、传热面积、管程数、管数和壳程数的确定 11 6.3、管程数和传热管数 11 6.4、平均传热温差校正及壳程数 13 6.5、传热管排列和分程方法 13 6.6、壳体内径13 6.7、折流板14 6.8、接管14 7、换热器核算14 7.1、热量核算14 7.1.1壳程对流传热系数14 7.1.2、壳层对流传热系数15 7.2.1、传热系数 K15 7.2.2、传热面积 S16 7.3、换热器内流体的流动阻力16 7.3.1管程流动阻力16 7.3.2、壳层流动阻力18六、工艺流程图及装配图20七、设计小结 20八、参考文献22- 1 -一.概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。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。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。二.换热器的分类换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下： 2. 1 换热器按传热原理可分为： 2.1.1 间壁式换热器 间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。 2.1.2 蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。 2.1.3 流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。 2.1.4 混合式换热器混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如，冷水塔、气体冷凝器等。2.2 换热器按用途分为： 2.2.1 冷却器冷却器是把流体冷却到必要的温度，但冷却流体没有发生相的变化。 2.2.2 加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 2.2.3 预热器 预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 2.2.4 过热器过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。 2.2.5 蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。以下介绍几种列管式换热器。（1）固定管板式固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。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。优点：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。缺点：壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。（2）U形管式U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。优点：结构简单，只有一个管板，密封面少，运行可靠，造价低；管束可抽出，管间（壳程）清洗方便；质量轻，适用于高温和高压的场合。缺点：管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料；由于管子需要一定的弯曲半径，故管板利用率低；管束最内层间距大，壳程易短路；内层管子不能更换，因而抱人率高。U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。一般高温、高压、腐蚀性强的介质走管内，可是高压空间减小，密封易解决，并可节约材料和减少热损失。（3）浮头式 浮头式换热器浮头端结构，它包括圆筒、外头盖侧法兰、浮头管板、钩圈、浮头盖、外头盖及丝孔、钢圈等组成，其特征是：在外头盖侧法兰内侧面设凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外侧钻孔并套丝或焊设多个螺杆均布，浮头处取消钩圈及相关零部件，浮头管板密封槽为原凹型槽并另在同一端面开一个以该管板中心为圆心，半径稍大于管束外径的梯型凹槽，且管板分程凹槽只与梯型凹槽相连通，而不与凹型槽相连通。浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，因此管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力优点：管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于6.4兆帕；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合；完全消除温差应力，应用普遍。缺点：小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20%；结构复杂。 三.方案设计根据任务书给定的冷热流体的温度，两流体温度变化情况：热流体进口温度70，出口温度30；冷流体（循环水）进口温度20，出口温度40。该换热器用循环冷却水冷却，热流体为煤油，为不易结垢和清洁的流体。冬季操作时进口温度会降低，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较小，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度、比热容、导热系数、黏度，计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长为6m，算出传热管程，传热管总根数等等。流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速。管子的规格和排列方法：选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有252.5mm及19mm两种规格的管子。在这里，选择252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46(对直径小的换热器可大些)。在这次设计中，管长选择6m。管程和壳程数的确定：当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。管程数m可按下式计算，即 式中 管程内流体的是以速度，m/s； 单管程时管内流体的实际速度，m/s；当温度校正系数低于0.8时，可采用壳方多程四.确定物理性质数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程煤油的定性温度为：T=（70+30）/2=50管程循环冷却水的定性温度为：t=（20+40）/2=30根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，必要时按照相应的加和方法求出相应的物性数据。 煤油在50下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 h=825/m3 定压比热容 Cph =2.22KJ/（Kg）导热系数 h=0.14W/（m）粘度 h =7.0510-4PaS 循环冷水在30下的有关物性数据如下： 密度 c=995.7/m3 定压比热容 Cpc =4.174KJ/（Kg） 导热系数 c=0.6171W/（m） 粘度 c =8.01210-4PaS五.设计计算1、热流量 2、平均传热温差热流体：7030冷流体：4020 3、冷却水用量 4、总传热系数 K 管程传热系数 壳程传热系数假设壳程的传热系数，污垢热阻管外为煤油，根据表，管内为冷却水，根据表，管壁的导热系数总传热系数 5、计算传热面积 考虑15%的面积裕度 6、 主要设备工艺尺寸设计 6.1、管径尺寸和管内流速的确定选用传热管(碳钢),取管内流速 6.2、传热面积、管程数、管数和壳程数的确定计算传热面积 按单程管计算,所需的传热管长度为 按单程管设计,传热管过程,宜采用多管程结构。现取传热管长， 则该换热器管程程数为 传热管总根数为 6.3、平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数： 对数平均温度校正系数表（1）:对数平均温度校正系数表（2）: 若为单壳程,由上表可得：不可行，所以要选用双壳程，温度校正系数为： 0.8所以校正后的温度为：由于 50，两流体间的温差较小，不需要温度补偿，故可选用双壳程的列管式换热器。 6.4传热管排列和分程方法 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 则 隔板中心到离其最近一排管中心距离 横过管束中心线的管数 6.5壳体内径 采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为 圆整可取 6.6 折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为 ，则h可取350mm。取折流板间距，则，则B取750mm。 折流板数 折流板圆缺面水平装配。 6.7 接管壳程流体进出口接管:取接管内流体流速为，则接管内径为 取管径为156.7mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速，则接管内径为 取标准管径为142.3mm。 7、换热器核算 7.1、热量核算 7.1.1壳程对流传热系数 对圆缺形折流板,可采用克恩公式： 当量直径,由正三角形排列得 7.1.2 壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 7.2 管程对流传热系数 7.2.1 管程流通截面积 管程流体流速及其雷诺数分别为 /2、传热系数 K 7.2.2 传热面积 S该换热器的实际传热面积 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度适宜,该换热器能够完成生产任务。7.3 换热器内流体的流动阻力7.3.1 管程流动阻力因，传热管相对粗糙度，查图摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系，得。 当Re2100时，；当Re2100时，可知， 7.3.2 壳程阻力s 流体流经管束的阻力，s 流体流过折流板缺口的阻力；， s 总阻力； ,换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流体用量/（Kg/h)进（出）口温度/40（20）70（30）压力/MPa0.10.1物性定性温度/3050密度/Kg/m3995.7800.8定压比热容/kJ/(kg/)4.1742.145黏度/Pas热导率/W/(m)0.61760.1116普朗特数5.4118.52设备结构参数形式固定板式壳程数2壳体内径/mm1900台数1管径/mm25*2.5管心距/mm32管长/m87.70管子排列正三角形管数目/根152折流板数/个6传热面积/m2808.22折流板间距/mm985管程数14.62材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.000.1464对流传热系数/W/(m2）4584.35387.16污垢热阻/(m2*/W）0.00017190.0001719阻力/Pa105521.83331.96热流量/kg/h传热系数/W/m2*303.21裕度/%29.4六.工艺流程图及装配图（附图）七.设计小结这次化工原理课程设计是我们在大学期间中一次真正意义上的工程性设计实习，我们要在规定的时间内完成老师给定的设计任务，与以往的学习所不同的是这次任务考虑的更多的是活用知识能力。本次设计任务是完成规定产量的列管式换热器，从前期计算到其他零部件的选取，我们不在像以往一样依靠老师教授，而是更多的事通过自己查阅资料文献，以及大家交流讨论，最后自己确定方案进而得到设计成果。在查阅过程中，我认识到往往生产实际情况是很复杂的而不像是理论上的环境因素那样简单，因此往往我们要考虑很