固定管板式冷却器的设计

1、化工课程设计说明书massachusettsinstituteoftechnology1 .目的培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力。2 .目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。3 .题目固定管板式冷却器的设计4 .设计条件管程和壳程的压力均不大于0o6MPa,管程和壳程的压力降均不大于30KPa。被冷却的物料为己烷，物料从正常温度(工)被冷却，出口温度(T2)自定。冷却剂为自来软水，进口温度为30C(t)出口温度(t2)自定。5 .设计步骤6 .方案设计(1)冷却剂的选用：自来软水(2

2、)换热器型式的选择：固定管板式(3)流体壳程的选择：自来软水走管程，己烷走壳程(4)流体流动方向的选择：双管程+单壳程7 .工艺设计(1)查出己烷的正常沸点(进口温度)Ti=68.74七(2)选定己烷的出口温度T2=44C选定冷却剂的出口温度t2=38七(4)计算逆流传热的平均温度差=21.28oC州-At2=(68.7438)(44-30),t1_68.74-38lnlnt244-30(5)校正传热平均温度差c工F68.74-4438-30t2738-3068.74-30R=-23.093=0.2065由小=出尸)查表得小=0.93,因为0.85<0.93<0.95,满足要求。由

3、此得:tm斤=小蛰却逆=0.93m21.28=19.79°C1 一_、Tm=(T+T)21 /.、tm=-t1-t22(6)计算定性温度Tm和tm1 -、0-=(68.74+44)=56.37°C21 C=-30+38)=34°C2(7)查出物料和冷却剂的物性参数物料名称己烷质量qm1=1400t/d比热容Cp=2428.34J求g*粘度产0.00023pa今密度p=624.89kg/m3导热系数入=0.1047wa水查出冷却剂的物性参数密度一,3p=994.3kg/m粘度-0.00074pa器比热容Cp=4174J敢gk，导热系数入=0.6248w酊k(8)计算

4、热负荷/、14001000/、_Q=qm1cpiT-TJ=x2428.34父68.74-44=973473.64J/SMm1p11243600(9)根据总传热系数K的大致范围，初选总传热系数Ko=470W/(m2豕)(10)初算传热面积SocQ973473.642So-i04.m4Ko：tm折47019.79(11)根据工艺条件，选取公称压力PN=1.0MPa(12)根据流体物性，选定换热管材为：碳素钢(13)由初算传热面积So和选定的公称压力PN,根据管壳式换热器行业标准JB/T4715-92,初定换热器的工艺尺寸：1 .从行标中直接查取计算换热面积：S=109.3m22 .公称直径DN取6

5、00mm(卷制圆筒，圆筒内径为公称直径)3 .管长L=4500mm4 .管壁父壁厚0doMbmm：:19M2mm5 .总管数：n=4166 .中心排管数：Nc=237 .管程流通面积A=0.0368m28 .管子排列方式：正三角形9 .管心距：t=25mm10 .管程数：NP=211 .壳程数：NS=112 .折流板间距：h=300mm13 .折流板型式：25%圆缺形14 .计算冷却剂的流量973473.644174M(38-30)=29.153kg/s15.计算管程流速u29.153Uiqmi994.30.0368=0.796©/因为0.5<0.7967<3m/s,所以

6、满足要求16 .计算管程对流传热系数aiNu=0.023Re0.8Prn入/diuipx0.8ai=0.023(-J-L±)di卜自来水被加热，n取0.4,代入数值：0.6248.0150.796否904.3ai=0.02-3-)C-0.0150.000742z2.x=4197.87w/(m.k)41740.)0.62480Q074217 .计算壳程当量直径de和流速U0de二d0/32,只2、4(0.0252-0.0192)24二0.019=0.01727m2A0=h(D-Ncd0)=0.3(.6-23.019)=0.0489mU0qv0qmoaT=7A01400100024360

7、0624.890.0489=0.53m/s因为0.2<0.53<1.5m/s,所以满足要求18 .计算壳程对流传热系数a。Nu=0.36ReRe°.55Pr1/3(")°4。物料被冷却，(“)04取0.95,将数值代入上式:%a0=0.36(明”de0.950.104,001727X0.53>624.89、0.55z2428.34=0.00023、=0.36()父()0.017270.000230.1047=947.726w/(m2k)19 .根据冷热流体的性质及温度，在(GB151-99P140-141逸取污垢热阻Rd0和RdiRd=0.000

8、用尔m/Rd0=0.0001m2生m/.-20 .计算总传热K其中1d0d0bd010Rdi0Rd0a0didi'dma0儿的确定:Tsm="2M(Tm+tm),然后查表，利用内差法得到九二51.54w酊,兴dmd°-diIn%di0.019-0.015,0.019In0.015=0.0169m10.000176947.72610.0190.0190.0020.0190.0001764197.870.0150.01551.540.0169解出k'=555.74w/(m2k)21 .由k'计算传热面积S973473.64555.7419.79=88.4

9、946m22 .因为SS=109.3一88.4946=0.19035=19.04%,15%19.04%25%,所选换热器S109.3能完成任务。23 .核算压力降diUi;官内Re=16010.050.01507967994.30.000742取绝对粗糙度；=0.00015m则一000竺:0.01d0.015查图得.=0.0419管程压力降工&R=1(九L+1.5)+3父°”iFt割sNpid22tsp对于619mm2mmS勺换热器，结构校正系数Ft=1.4,Np=2,Ns=1ps代入数值:450.0419+1.50.01522-994.3x0.7967994.3X0.796

10、7I十3K工1.5K2K122=16161.26Pa=16.16126KPa因为10KPa<16.16126KPa30KPa,故符合要求。管外Re=deUe：0.017270.53624.890.00023=24881.99L-0.14.5-0.1,一折流板数Nb=-1=14h0.3壳程压力降工%=（M+AR）FsNsun2P=Ff0Nc(Nb+1)-其中F=0.5,2f0=5Re228,Nc=23o代入数值得:-0.228P1=0.5524881.99624.890.532X(14+1)M23M=7538.35Pap2=Nb(3.5-2hDX。22=20x(3.5-20.3、624.8

11、90.53)x0.62=3075.01Pa对于液体Fs=1.15工PPQ=(AP+AFpFsNs=(7538.35+3075.01)M1.15父1=12205.37Pa=12.20537KPa因为10KPa2.20537KPa30KPa,故符合要求。3.结构设计(1)圆筒厚度查GB151-99P21表8得圆筒厚度为：8mm(2)椭圆形封头查JB/T4737-95,椭圆形封头与圆筒厚度相等，即8mm公称直径DN(mm)曲曲图度hi(mm)直边高度h2(mm)碳钢厚度6(mm)内表面积A2m容积V2m质量mkg6001502580.43740.035327.47(3)管箱短节厚度查GB151-99

12、P20,管箱短节厚度与圆筒厚度相等，即8mm(4)压力容器法兰(甲型)Diin寸PI型密封面DNDD1D3dd螺柱规格数量质量6007306906454023M202428.62(5)膨胀节因为Tm-72.7150tm=37CTm-tm=72.7150-370=35.7150<500,所以不需设置膨胀节(6)管板D445°查（化工单元设备设计P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸:公称直径DDiD3D4bcd螺栓孔数质量kg6007306905986453610232877分程隔板公称直径DN/mm隔板最小厚度6/mm碳素钢6008(8)分程隔板两侧相邻管中心距t=2

13、5mm,d0=19mm,d01.25=23.75mm：25mm换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，所设计的换热器不用机械方式清洗，采用正三角形排列换热器外径d/mm19换热器中心距S/mm25分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn/mm38(9)布管限定圆换热器型式Dj/mmb3/mm布管限定圆直径Dl/mm固定管板式6008584(10)拉杆的直径、数量和尺寸拉杆公称直径dn/mm数量基本尺寸拉杆直径d/mmLa/mmaLb/mmb/mm12419152.0(11)拉杆孔dn1x45dn=12mm,l2=1.5dn=1.512=18mm(12)换热管与管板的连接换热管规格换热管最小伸出长度最

14、小坡口深度外径m壁厚/mm11/mm13/mm19M21.52(13)折流板的厚度和外径公称直径DN/mm换热管无支跨距1W300mm(折流板或支撑板的最小厚度)折流板名义外直径/mm折流板外直径允许偏差6004595.50_0.8(14)接管已烷液体进出口接管的直径计算di414001000360024624.893.142=128.4mm采用如59M4.5mm热轧无缝钢管，实际已烷进出口管内流速为4140010002243600624.893.140.152=1.82m/s冷却水进出口接管d2，取u2=2m/s,则d2=.29.153=193.1mm,994.33.142采用由133M4mm热轧无缝钢管，实际已烷进出口管内流速为U229.1533.14994.30.19312=1.77m/s(15)管法兰A1管子直径A/mm法兰内径B1/mm螺栓孔