用水冷却甲苯的列管式换热器设计

化工原理课程设计 1 一 设计题目 用水冷却甲苯的列管式换热器设计 二 设计任务及操作条件 1 设计任务 1 选择适宜的列管式换热器 2 核算 3 在 A3 图纸中绘制换热 器结构图 管板结构图 折流结构图 设计说明书一份 A3 图纸一张 2 操作条件 处理能力 甲苯进料量 吨 年 操作时间 8000 小时 年 甲苯 入口温度 90 出口温度 60 操作压力 0 4 0 6 MPa 水 入口温度 30 出口温度 50 操作压力 0 4 0 6 MPa 允许压降不大于0 1 Mpa 厂址 宁波地区 三 设备型式 列管式换热器 四 设计项目 说明书格式 1 封面 任务书 目录 2 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 3 换热器的工艺计算 确定换热器的传热面积 并初选换热器规格 4 核算总传热系数 计算压力降 5 换热器的主要结构尺寸设计 6 绘制水冷却甲苯的列管式换热器设计的换热器装配简图 7 对本设计进行评述 8 参考文献 化工原理课程设计 2 目目 录录 1 设计方案简介设计方案简介1 1 1 工艺流程概述 1 1 2 选择列管式换热器的类型 1 1 2 1 列管式换热器的分类 4 1 2 2 类型的确定 3 1 3 流动路径的选择 5 2 换热器的工艺计算及选型换热器的工艺计算及选型 5 2 1 确定物性数据 5 2 2 初算换热器的传热面积 6 2 3 初选换热器规格 6 3 换热器核算换热器核算 7 3 1 压力降的核算 7 3 1 1 管程压力降 8 3 1 2 壳程压力降 8 3 2 总传热系数的核算 9 4 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计固定管板式换热器的主要结构尺寸设计 9 4 1 壳体壁厚的确定 9 4 2 管子拉脱力计算 9 4 3 换热器的主要结构尺寸设计参数 10 5 换热器装配简图换热器装配简图12 6 设计评述设计评述12 7 参考文献参考文献12 化工原理课程设计 3 1 设计方案简介 1 1 工艺流程概述 由于循环冷却水较易结垢 为便于水垢清洗 应使循环水走管程 甲苯走壳 程 如图 1 甲苯经泵抽上来 经管道从接管 A 进入换热器壳程 冷却水则由 泵抽上来经管道从接管 C 进入换热器管程 两物质在换热器中进行交换 甲苯 从 90 被冷却至 60 之后 由接管 B 流出 循环冷却水则从 30 升至 50 由接管 D 流出 PUMPPUMP2 HEATX C7H8 A B H2O C D 图 1 工艺流程草图 1 2 选择列管式换热器的类型 列管式换热器 又称管壳式换热器 是目前化工生产中应用最广泛的传热设 备 其主要优点是 单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好 此外 结构简单 制造的材料范围广 操作弹性也较大等 因此在高温 高压和大型 装置上多采用列壳式换热器 1 2 1 列管式换热器的分类 根据列管式换热器结构特点的不同 主要分为以下几种 固定管板式换热器 固定管板式换热器 结构比较简单 造价较低 两管板由管子互相支承 因 而在各种列管式换热器中 其管板最薄 其缺点是管外清洗困难 管壳间有温 差应力存在 当两种介质温差较大时 必须设置膨胀节 固定管板式换热器适用于壳程介质清洁 不易结垢 管程需清洗及温差不大 或温差虽大但壳程压力不高的场合 浮头式换热器 浮头式换热器 一端管板式固定的 另一端管板可在壳体内移动 因而管 化工原理课程设计 4 壳间不产生温差应力 管束可以抽出 便于清洗 但这类换热器结构较复杂 金属耗量较大 浮头处发生内漏时不便检查 管束与壳体间隙较大 影响传热 浮头式换热器适用于管 壳温差较大及介质易结垢的场合 填函式换热器 填函式换热器 管束一端可以自由膨胀 造价也比浮头式换热器低 检修 清洗容易 填函处泄漏能及时发现 但壳程内介质有外漏的可能 壳程中不宜 处理易挥发 易燃 易爆 有毒的介质 U 形管式换热器 U 形管式换热器 只有一个管板 管程至少为两程 管束可以抽出清洗 管 子可以自由膨胀 其缺点是管内不便清洗 管板上布管少 结垢不紧凑 管外 介质易短路 影响传热效果 内层管子损坏后不易更换 U 形管式换热器适用于管 壳壁温差较大的场合 尤其是管内介质清洁 不 易结垢的高温 高压 腐蚀性较强的场合 1 2 2 类型的确定 所设计的换热器用于冷却甲苯 甲苯 入口温度 90 出口温度 60 水 入口温度 30 出口温度 50 该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足 Tm tm 75 40 35 50 两流体温度差不大 加上固定管板式换热器结构简单 造价低廉 所以本设计选用固定管板式换热器 且不需考虑热补偿 1 3 流动路径的选择 本设计为两流体均不发生相变的传热过程 因水的对流传热系数一般较大 且易结垢 故选择冷却水走换热器的管程 甲苯走壳程 2 换热器的工艺计算及选型 2 1 确定物性数据 水的定性温度 甲苯定性温度 查得水 40 2 5030 t75 2 6090 T 甲苯在各自定性温度下的物性数据 表 1 定性温度下各流体物性 1 密度 kg m3 比热容 kJ kg 黏度 Pa s 导热系数 w m 水992 24 1740 656 10 30 6338 甲苯812 61 8670 350 10 30 145 2 2 初算换热器的传热面积 化工原理课程设计 5 计算热负荷和冷却水流量 hkgWh 13750 8000 10110000 3 Q Whcph T1 T2 13750 1 867 103 90 60 3600 W hkg ttc Q W pc c 9226 3050 10174 4 3600213930 3 12 计算两流体的平均温度差 先按单壳程单管程进行计算 逆流时的平均温 度差为 76 34 30 40 ln 3040 ln 1 2 12 t t tt tm 有关参数 5 1 20 30 3050 6090 12 21 tt TT R33 0 3090 3050 11 12 tT tt P 根据 R P 值 查 化工原理 1 P 280 图 4 19 可读得 温度校正系数 t 0 92 则平均温度差 tm tm t 34 76 0 92 31 98 按经验数值初选总传热系数 K0 估 选取 K0 估 450W m2 初算出所需传热面积 2 86 14 98 31450 213930 m tK Q S m 2 3 初选换热器规格 对于易结垢的流体 为方便清洗 采用外径为 25mm 的管子 由于 Tm tm 35 因此不需考虑热补偿 再由换热面积 查 换热器设计手册 2 P 17 表 1 2 1 选定 G273 2 2 5 11 1 型换热器 有关参数见下表 2 表 2 所选换热器结构基本参数 公称直径 mm 300 公称压强 MPa 1 6 公称面积 m2 15 27 管程数 2 管子尺寸 mm 25 2 5 管长 m 6 管子总数 37 管子排列方法 正三角形排列 查 化工设备机械基础 3 p 215 表 7 10 壳体直径为 159 325 时 拉杆数量为 4 个 由 换热器设计手册 2 P 18 式 1 2 1 计算实际传热面积 So n d L 2 0 006 37 4 3 14 0 025 6 2 0 05 0 006 15 27m2 化工原理课程设计 6 若选该型号的换热器 则要求过程的总传热系数为 W m2 438 98 3181 14 213930 mo o tS Q K 3 换热器核算 3 1 压力降的核算 3 1 1 管程压力降 pi p1 p2 FtNp 其中 Ft 1 4 Np 2 管程流通面积 222 2 005181 0 2 33 02 0 4 02 0 44 m N n N n dA pp ii sm A V u i s i 51 0 005181 0 2 9923600 9226 400015430 10656 0 2 99251 0 02 0 Re 3 湍流 ii i ud 设管壁粗糙度 0 1mm di 0 1 20 0 005 查 化工原理 1 P 54 图 1 27 第 一章中 Re 关系图中查得 0 036 所以 Pa u d l p1393 2 51 0 2 992 02 0 6 036 0 2 22 1 Pa u p387 2 51 0 2 992 3 2 3 22 2 则 pi 1393 387 1 4 2 4984Pa 3 1 2 壳程压力降 po p1 p2 FsNs 其中 Fs 1 15 Ns 1 2 1 2 1 o Bco u NnFfp 查 化工原理 1 P 284 管子为正三角形排列 F 0 5 nc 1 1 n 1 1 37 7 查 换热器设计手册 2 P 14 表 1 2 3 取折流挡板间距 h 0 2m 291 2 0 6 1 h L NB 壳程流通面积 Ao h D ncdo 0 2 0 3 7 0 025 0 025m2 smuo 19 0 025 0 6 8123600 13750 化工原理课程设计 7 5009082 10425 0 6 81219 0 025 0 Re 3 oo o ud fo 5 0Reo 0 228 5 0 9082 0 228 0 63 所以 Pa u NnFfp o Bco 970 2 19 0 6 812 129 763 0 5 0 2 1 2 2 1 Pa u D h Np o B 922 2 19 0 6 812 3 0 2 02 5 3 29 2 2 5 3 2 2 2 po 970 922 1 15 1088Pa 计算表明 管程和壳程压强都能满足题设 不大于 0 1 MPa 的要求 3 2 总传热系数的核算 管程对流传热系数 i Rei 15430 湍流 4 32 6338 0 10656 0 10174 4 Pr 33 p i c W m2 2935 32 4 15430 02 0 6338 0 023 0 PrRe023 0 4 08 0 4 08 0 ii i i d 壳程对流传热系数 o 由 化工原理 1 P 253 式 4 77a 计算 即 14 0 3 155 0 36 0 w p oe e o c ud d 查 化工设备机械基础 3 p 208 表 7 5 取换热器列管之中心距 t 32mm 则 流体通过管间最大截面积为 A hD 1 0 2 0 3 1 t do 2 013 0 032 0 025 0 m sm A V u s o 36 0 013 0 6 8123600 13750 m d dt d o o e 027 0 025 0 14 3 025 0 4 14 3 032 0 4 4 4 22 2 2 22567 1035 0 6 81236 0 027 0 3 oe eo ud R 化工原理课程设计 8 51 4 145 0 1035 0 10867 1 33 p ro c P 壳程中甲苯被冷却 取 所以95 0 14 0 w W m2 75295 0 51 4 22567 027 0 145 0 36 0 3 155 0 o 污垢热阻 参考 化工原理 1 附录 p 355 表 22 污垢系数取为 0 52m2 K kW 则 管 内外侧污垢热阻分别为 Rsi 0 m2 W Rso 0 m2 W 总传热系数 Ko 管壁热阻可忽略时 总传热系数 Ko为 202935 25 20 25 000066 0 000112 0 752 1 1 1 1 ii o i o siso o o d d d d RR K 513W m2 由上面计算可知 选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为 438W m2 在规定的流动条件下 计算出的 Ko 为 513W m2 有 25 1 15 1 17 1 438 513 O O K K 故所选的换热器是合适的 其安全系数为 17 1 100 438 438513 4 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计 固定管板式换热器的主要构件有封头 筒体法兰 管板 筒体 折流板 或 支撑板 接管 支座等 4 1 壳体壁厚的确定 选取设计压力 pc 1 6Mpa 壳体材料为 Q 235B 查 化工设备机械基础 3 p 311 附录 9 得 其相应的许用应力 t 113 Mpa 查 化工设备机械基础 3 p 96 表 4 8 焊缝系数 取为 0 85 Di 300mm 故 计算厚度 mm p Dp c t ic 5 2 6 185 0 1132 3006 1 2 根据 化工设备机械基础 p 97 取 C2 1 0mm 负偏差 C2取 0 25 mm 圆整后 n 4mm 即壳体壁厚为 4mm 化工原理课程设计 9 4 2 管子拉脱力计算 根据 化工设备机械基础 p 205 取胀接长度 l 50mm 根据 化工设备机械基础 p 295 附表 1 1 查地碳钢线膨胀系数 l 11 2 10 6mm mm 弹性模量 E 取为 200 103 Mpa 根据 化工设备机械基础 p 218 表 7 11 许用拉脱力取为 4 Mpa 在操作压力下 管子每平方米胀接周边上所受到的力 ld pf q o p 其中 mm239625 4 32866 0 4 866 0 22 2 2 o dtf P 0 6Mpa l 50mm MPaqp06 0 502514 3 3966 0 温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力 ld ddt q o io t 4 22 其中 As D中 n 308 4 3868mm2 s t st t A A ttE 1 22222 653537 2025 4 4 mmndidoAt 则MPa t 15 29 3868 6535 1 35102 010 2 11 66 Mpaqt31 1 50254 2025 15 29 22 又因 qp与 qt作用方向相同 都使管子受压 则管子的拉脱力 Q qp qt 0 06 1 31 1 37Mpa q 4 0 Mpa 因此 拉脱力在许用范围内 化工原理课程设计 10 4 3换热器的主要结构尺寸设计参数 表 2 主要结构尺寸设计参数 换热器型式 固定管板式 换热器面积 m2 15 27 工艺参数 名称壳程管程 物料名称甲苯水 操作压力 MPa0 4 0 60 4 0 6 操作温度 90 进口 60 出口 30 进口 50 出口 流量 kg h137509226 流体密度 kg 3 m 812 6992 2 流速 m s0 260 51 传热量 W 总传热系数 W m2 513 对流传热系数 W m2 7522935 污垢系数 W m2 0 0 压力降 Pa10884984 推荐使用材料碳钢碳钢 壳径 D DN 300mm管尺寸 25 2 5mm 管程数 Np2管长 L6m 管子总根数37 拉杆 4 管排列方式正三角形排列 中心排管数 nc7管心距32m