Word20133-设计文档4-2换热器设计

换热器设计2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛茂名石化6.5万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目换热器设计团队名称：在烯望的田野上指导老师：陈中合 牟宗刚 李平 倪献智 杨成团队成员：占杰 陈玉强 姜振朝 宋广 聂美华2018年8月15日换热器设计目 录目 录1第一章 总述31.1换热器概述31.2设计依据3第二章 换热器选择52.1换热器类型的选择52.2换热管规格的选择62.3工艺条件的选择72.3.1温度72.3.2压力72.3.3流体空间的选择72.3.4 流体流速的选择82.4换热器型号表示方法82.5换热器选型软件9第三章 E0303换热器详细设计103.1工艺参数103.2确定设计方案103.3类型选择193.3.1管壳程选择193.3.2温度193.3.3压力193.3.4传热系数193.3.5尺寸203.4设计条件203.5EDR选型结果203.6换热器详细尺寸223.7强度校核243.8设备条件图39第四章 E0404换热器详细设计404.1工艺参数404.2类型选择404.2.1管壳程选择414.2.2温度414.2.3压力414.2.4传热系数414.2.5尺寸414.3设计条件424.4EDR选型结果424.5换热器详细尺寸444.6强度校核45第五章 新型板翅式空冷器64第六章 高通量再沸器66在烯望的田野上 68茂名石化6.5万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目换热器设计 济南大学第一章 总述1.1换热器概述换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。因此,针对具体情况正确地选择换热器的类型，是很重要的。换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:（1）热负荷及流量大小 （2）流体的性质 （3）温度、压力及允许压降的范围 （4）对清洗、维修的要求 （5）换热环境要求在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、加工条件、密封性、安全性等方面加以考虑。所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化加以解决。针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以实现降低成本的目的。因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。对工程技术人员而言，在设计换热器时，对于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时，还得通过计算来进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。1.2设计依据本项目换热器设计依据见表1.1。表1.1 换热器设计依据内容出版日期及标准号化工设备设计全书换热器2003-5热交换器GB/T 151-2014压力容器GB 150-2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列HG/T 20553-2011钢制管法兰、垫片和紧固件HG/T 2059220635-2009容器支座JB/T 4712-2007补强圈JB/T 4736-2002第二章 换热器选择2.1换热器类型的选择当换热流股不允许进行混合时，就要求在间壁式换热器中进行。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器，它是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器，适用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠，本项目中均使用间壁式换热器中的管壳式换热器。换热器型式如表2.1所示：表2.1 换热器的结构分类换热器型式换热器特点管壳式固定管板式刚性结构：用于管壳温差较小的情况，管间不能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离套管式双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合，或固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋浸没式用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热盘管式喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可回收低温热能伞板式伞形传热板结构紧凑，通道较小，易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高板翅式结构十分紧凑，传热效率高，流体阻力大管翅式适用于气体和液体之间传热，传热效率高，用于化工、动力、空调、制冷工业回旋式盘式传热效率高，用于高温烟气冷却等鼓式用于空气预热器等固定格紧凑式适用于低温到高温的各种条件室式非紧凑式可用于高温及腐蚀性气体场合2.2换热管规格的选择管子的外形：列管换热器的管子外形有光滑管和螺纹管两种。一般按光滑管设计。当壳程膜系数低，采取其他措施效果不显著时，可选用螺纹管，它能强化壳程的传热效果，减少结垢的影响。管子的排列方式：相同壳径时，采用正三角形排列要比正方形排列可多排布管子，使单位传热面积的金属耗量降低。一般壳程流体不易结垢或可以进行化学清洗的场合下，推荐用正三角形排列。必须进行机械清洗的场合，则采用正方形排列。管子直径：管径越小换热器越紧凑、越便宜。但是，管径越小换热器的压降越大，为了满足允许的压力降一般选用19mm的管子。对于易结垢的物料，为方便清洗，采用外径为 25mm 的管子。对于有气液两相流的工艺物流，一般选用较大的管径。直径小的管子可以承受更大的压力，而管壁较薄，有利传热；相同的壳径，可以排较多的小管子，使传热面积增大，单位传热面积的金属耗量降低。所以，在管程结垢不是很严重，又允许压力降较高的情况下，采用19mm2mm 的管子是合理的。管长：无相变换热时，管子较长，传热系数增加。在相同传热面时，采用长管管程数较少，压力降小，而且每平方米传热面的比价也低。但是，管子过长给制造带来困难。壳径较大的换热器采用较长的管子可降低单位传热面积的金属耗量，更为经济。因此，一般选用管长 46m。对于大面积或无相变的热器可以选用 89m 的管长。管心距：管心距小、设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大，一般选用范围为管外径的 1.251.5 倍。上述情况，在选用标准系列设备或设计非定型设备时，结合任务的要求，作出适当的选择。2.3工艺条件的选择2.3.1温度冷却水的温度不宜高于60，以免结垢严重；高温端的温差不应小于20，低温端不应小于5；当两工艺流体之间进行热交换时，低温端的温差不应小于20；当采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并用水作为冷却剂时，冷却剂的出口温度不应高于工艺流体的出口温度。在冷却或冷凝工艺流体时，冷却剂的入口温度应高于工艺流体中易结冻组分的冰点，一般应高于5；当冷凝带有惰性气体的工艺流体时，冷却剂的出口温度应该低于工艺流体的露点，一般低于5；在冷却反应物时，为了控制反应，应维持反应流体和冷却剂之间的温差不小于10。2.3.2压力管壳式换热器工作时，增加工艺流体的流速，可相应增加传热膜系数，从而提高总的传热系数，使换热器结构更紧凑。但流速增加后将相应增大换热器的压力降，从而加剧换热器的磨蚀和振动破坏等；同时，压力降的增大也使得换热器运行过程中的动力消耗增大。因此，一般应限制管壳式换热器的最大压力降，具体限制如表2.2所示：表2.2 换热器压力降允许范围工艺流体的压力/Pa允许的压力降P/Pa16.710410000， Ldi60时可采用公式管程流通截面积管程循环水流速及其雷诺数分别为:普兰特准数：传热系数K传热面积S该换热器的实际传热面积Sp：该换热器的面积裕度为:传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（2）换热器内流体的压力降管程流动阻力由Re20835，传热管相对粗糙度，查莫狄图得i0.037W/m，流速ui1.74m/s，998.59 kg/m3，所以管程压力降在允许范围之内。壳程压力降其中NS=1，Ft=1流体流经管束的阻力 其中F=0.5流体流过折流板缺口的阻力其中B=0.2m，D=0.6m壳程压力降也在允许压力降范围内。 经上述计算和核算，可知所选工艺参数符合条件，即设计的换热器能满足生产要求。3.3类型选择选择工业上最常见的管壳式换热器中的管板式换热器。封头为椭圆形封头，单管程，后管箱为椭圆形。3.3.1管壳程选择由于出口物料为被冷却物质，为了加快冷却速度，使其走壳程，一方面能与管程的冷物料换热，另一方面壳程外的空气也能与之换热转移走部分热量。3.3.2温度该换热器的壳程工作温度为50.730，管程工作温度为2025，进出口最小温差大于10，符合工业实际。设计温度以工作温度为依据，一般为工作温度+（1530）。这里取壳程的设计温度为80，管程设计温度为55。3.3.3压力该换热器的操作压力为壳程0.1 MPa，管程0.1MPa。换热器的设计压力为设计温度下的最大工作压力，一般为正常工作压力的1.1倍。这里取壳程设计压力为0.2MPa，管程设计压力为0.2 MPa。EDR中换热器的压降设置为自动默认值，也可自己设置压降，出口绝压小于0.1MPa（真空条件），压降不大于进口压强的40%，出口绝压大于0.1MPa，压降不大于进口压强的20%。3.3.4传热系数传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算得到。其中传热膜系数和固壁热阻为EDR自动默认值。该换热器管程为冷却水，根据GB/T 151-2014，水温52以下，流速大于1m/s的河水最小污垢系数为0.00017m2K/W，壳程为工艺物流，查得标准上的流程混合物料的污垢系数取值为0.00035 m2K/W。3.3.5尺寸根据EDR推荐的设计方案，选择其中较为合理的一组。结合JB/T 4715-92规定，选择换热管内径为19mm，管厚2mm，管心距25mm，排列方式为正三角形。壳程公称直径（内径）为700mm，壁厚9.5mm，换热管长度4500mm。折流板间距为200mm，换热管数量为607根。其余参数为EDR默认值。3.4设计条件由上可得到初步设计换热器的参数信息，表3.1给出了其设计条件。表3.1 换热器E0303设计条件表工 艺 参 数项 目管 程壳 程项 目管 程壳 程单 位介质名称冷却水中水进出温度20 /25 4050.7 / 30介质组成H2OH2O操作压力0.10.1MPa设计温度5580设计压力0.20.2MPa结 构 参 数换热器结构形式固定管板式壳程公称直径700 mmmm折流板型式单弓形，水平切口管直径壁厚192 mmmm折流板间距200 mmmm管计算长度4500 mmmm接 管 尺 寸项 目壳程入口壳程出口管程入口管程出口公称直径160 mm160 mm270mm219 mm开口方位BottomTopBottomTop3.5EDR选型结果在使用EDR进行Design后，将EDR改为Rating/Checking模式，并将设计条件表中的尺寸数据在Geometry选项卡中输入。得到结果如下：图3.2 E0303冷却器TEMA图3.3 E0303冷却器热性能参数表由上述计算结果可以看到，换热器换热面积为160.2 m2 ，面积余量为30%，符合要求 壳程工艺流体流速为0.64 m/s，管程冷却水流速为0.7 m/s，流速合理；由管壳程的雷诺数判断，管壳程流体均为湍流形态，符合要求；壳程压降为0.008 MPa，管程压降为0.005 MPa，均小于进口压强的20%，符合要求。总传热系数（含污垢热阻）为803.1W/(m2K)，在经验范围之内，并且基于传热膜系数、污垢热阻和固壁热阻得到，符合要求。参考GB/T 28712.2-2012选择标准型号换热器，E0303冷却器的型号为：BEM700-0.2/0.2-160.2-4500/19-1 I。3.6换热器详细尺寸换热器设备图和管板布置图如下所示：图3.4 E0303冷却器设备图图3.5 E0303冷却器换热管布置图3.7强度校核本项目在使用SW6软件对换热器E0303作机械强度校核后，得到详细校核结果如下：固定管板换热器设计计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 计 算 条 件壳 程管 程设计压力0.4MPa设计压力0.4MPa设计温度 55设计温度30壳程圆筒内径Di700 mm管箱圆筒内径Di700mm材料名称Q245R材料名称Q245R 简 图计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算管箱法兰校核计算管板校核计算表3.2 换热器E0303的强度校核前端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.40MPa设计温度 t 30.00 C内径 Di 700.00mm材料 Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 s 148.00MPa设计温度许用应力 st 147.88MPa试验温度下屈服点 ss 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 1.12mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.20mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 110.31Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.1500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 7.62 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.91073MPa设计温度下计算应力 st = = 17.27MPastf 125.69MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.50mm,合格前端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.40MPa设计温度 t 30.00 C内径 Di 700.00mm曲面深度 hi 175.00mm材料 Q245R (板材)设计温度许用应力 st 147.88MPa试验温度许用应力 s 148.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 0.1500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 7.58MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 1.11mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 8.20mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 46.11 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.92768MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.40MPa设计温度 t 30.00 C内径 Di 700.00mm材料 Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 s 148.00MPa设计温度许用应力 st 147.88MPa试验温度下屈服点 ss 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 1.12mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.20mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 94.90Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.1500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 7.62 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.91073MPa设计温度下计算应力 st = = 17.27MPastf 125.69MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.50mm,合格后端管箱封头计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.40MPa设计温度 t 30.00 C内径 Di 700.00mm曲面深度 hi 175.00mm材料 Q245R (板材)设计温度许用应力 st 147.88MPa试验温度许用应力 s 148.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 0.1500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 7.58MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 1.11mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 8.20mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 46.11 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.92768MPa结论 合格壳程圆筒计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.40MPa设计温度 t 55.00 C内径 Di 700.00mm材料 Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 s 148.00MPa设计温度许用应力 st 147.56MPa试验温度下屈服点 ss 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.50mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 1.12mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.20mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 785.81Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 0.1504 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 7.64 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.90458MPa设计温度下计算应力 st = = 17.27MPastf 125.43MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.50mm,合格延长部分兼作法兰固定式管板 设计单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 设 计 计 算 条 件 简 图设计压力 ps0.4MPa设计温度 Ts 55平均金属温度 ts40装配温度 to15壳材料名称Q245R设计温度下许用应力st147.6Mpa程平均金属温度下弹性模量 Es 2e+05Mpa平均金属温度下热膨胀系数as1.105e-05mm/mm圆壳程圆筒内径 Di 700mm壳 程 圆 筒 名义厚 度 ds10mm壳 程 圆 筒 有效厚 度 dse8.2mm筒壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef1.992e+05MPa壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 p Di23.848e+05mm2壳程圆筒金属横截面积 As=pds ( Di+ds )1.824e+04mm2管设计压力pt0.4MPa箱设计温度Tt30圆材料名称Q245R筒设计温度下弹性模量 Eh2.01e+05MPa管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)dh10mm管箱圆筒有效厚度dhe8.2mm管箱法兰设计温度下弹性模量 Et”2.001e+05MPa材料名称20(GB9948)换管子平均温度 tt23设计温度下管子材料许用应力 stt149.8MPa设计温度下管子材料屈服应力sst234.1MPa热设计温度下管子材料弹性模量 Ett1.992e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量 Et2.008e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数at1.093e-05mm/mm管管子外径 d19mm管子壁厚dt2mm管子根数 n607换热管中心距 S25mm换一根管子金属横截面积106.8mm2换热管长度 L4500mm管子有效长度(两管板内侧间距) L14427mm管束模数 Kt = Et na/LDi4202MPa管子回转半径 6.052mm热管子受压失稳当量长度 lcr400mm系数Cr =129.6比值 lcr /i66.1管子稳定许用压应力 () MPa管管子稳定许用压应力 () 87.19MPa材料名称16MnDR设计温度 tp55管设计温度下许用应力170MPa设计温度下弹性模量 Ep1.992e+05MPa管板腐蚀裕量 C2 4mm管板输入厚度dn36.51mm管板计算厚度 d29.21mm隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad0mm2板管板强度削弱系数 h0.4管板刚度削弱系数 m0.4管子加强系数 K = 5.959管板和管子连接型式胀接，开槽管板和管子胀接(焊接)高度l33.51mm胀接许用拉脱应力 q4MPa焊接许用拉脱应力 qMPa管材料名称16MnDR管箱法兰厚度 40mm法兰外径 830mm箱基本法兰力矩 1.067e+07Nmm管程压力操作工况下法兰力 6.979e+06Nmm法兰宽度 65mm法比值0.01171比值0.05714系数(按dh/Di ,df”/Di , 查图25)0.00兰系数w”(按dh/Di ,df”/Di ,查图 26) 0.0005745旋转刚度 13.85MPa材料名称16MnDR壳壳体法兰厚度30.51mm法兰外径 830mm体法兰宽度 65mm比值 0.01171法比值0.04359系数, 按dh/Di ,df”/Di , 查图25 0.00兰系数, 按dh/Di ,df”/Di , 查图26 0.0004747旋转刚度 9.781MPa法兰外径与内径之比 1.186壳体法兰应力系数Y (按 K 查表7-9) 11.49旋转刚度无量纲参数 0.001828膨胀节总体轴向刚度 0N/mm管板第一弯矩系数(按,查图 27) 0.2508系系数 23.11系数(按查图 29) 3.729换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 3.569数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 管板第二弯矩系数(按K,Q或查图28(a)或(b)2.652系数（带膨胀节时代替Q） 0.002895计系数 (按K,Q或Qex 查图30) 0.004421法兰力矩折减系数 0.2925管板边缘力矩变化系数 1.001算法兰力矩变化系数 0.7071管管板开孔后面积 Al = A - 0.25 npd 22.127e+05mm2板参管板布管区面积 (三角形布管) (正方形布管 ) 3.285e+05mm2数管板布管区当量直径 646.8mm系数 0.5528系系数 0.3048数系数 5.359计系数(带膨胀节时代替Q) 8.063算管板布管区当量直径与壳体内径之比 0.924管板周边不布管区无量纲宽度 k = K(1-rt) 0.453仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况 (Pt = 0)不计温差应力计温差应力 换热管与壳程圆筒热膨胀变形差 =(t-t)-(t-t)0.0-0.0001888 当量压力组合 0