化工原理课程设计-换热器

化工原理课程设计任务书学院专业班学生姓名学号：设计题目：设计时间：年月日一一年月日指导老师：设计任务：某炼油厂用柴油将原油预热。柴油和原油的有关参数如下表，两侧的污垢热阻均可取1.72X10-4m2・K/W,换热器热损失忽略不计，管程的绝对粗糙度s=0.1mm，要求两侧的阻力损失均不超过0.3X105Pa。试设计一台适当的列管式换热器。(y：学号后2位数字)物料温度°C质量流量kg/h比热kJ/(kg・C)密度kg/m3导热系数W/(m・C)粘度Pa.s工作压力入口出口柴油175T234000+100*y2.487150.1330.64X10-3常压原油7011044000+150*y2.208150.1283.0X10-3常压设计内容：设计方案的确定及流程说明换热面积的估算(3)管子尺寸及数目计算管子在管板上的排列壳体内径的确定附件设计(选型)换热器校核(包括换热面积、压力降等)设计结果概要或设计一览表对本设计的评述或有关问题的分析讨论参考文献图纸要求：1、换热器化工设备图(1#图纸)目录第一章文献综述第一节概述一、换热器的概念二、换热器的分类三、列管式换热器的标准简介四、列管式换热器选型的工艺计算步骤第二节换热器设备应满足的基本要求一、合理的实现所规定的工艺条件二、安全可靠性三、安装、操作及维护方便四、经济合理第三节列管式换热器结构及基本参数一、管束及壳程分程二、传热管三、管的排列及管心距四、折流板和支撑板五、旁路挡板和防冲挡板六、其他主要附件七、列管式换热器结构基本参数第四节设计计算的参数选择一、冷却剂和加热剂的选择二、冷热流体通道的选择三、流速的选择四、流向的选择第二章列管式换热器的设计计算第一节换热面积的估算一、计算热负荷二、估算传热面积第二节换热器及主要附件的试选一、试选管型号二、换热器结构一些基本参数的选择第三节换热器校核一、核算总传热系数二、核算压强降第四节设计结果一览表第五节设计总结及感想一、设计总结二、感想参考文献第一章文献综述(略)第二章列管式换热器的设计计算第一节换热面积的估算一、计算热负荷(不考虑热损失)由于设计条件所给为无相变过程。由设计任务书可知热负荷为Q=w原油Cp原油(t2-t1)=(50000/3600)X2.20X1000X(110-70)=1222222W.由热量守恒可计算柴油出口温度T2Q=w柴油Cp柴油(T1-T2)=(38000/3600)X2.48X1000X(175-T2)=1222222WT2=128.31°C二、计算平均温度差：ti=175-110=65Ct2=128.31-70=58.31C逆流温度差At=七了2=65—5V=61.6Cm逆lAtm65nAt4"58.312三、确定流体走向由于原油温度低于柴油，为减少热损失和充分利用柴油的热量，选择原油走壳程，柴油走管程。换热面积估算由《化工原理课程设计》的表4-6，取K估=200W/(m2・。0.先假设换热器为单管程、单壳程的，且冷热流体逆流接触。则A估二Q/(K估乂乙tm逆)=1222222/(200X61.6)=99.2m2.预先估算传热面积为99.2m2。五、选柴油的流速为ui=1m/s取换热管的规格为①25X2.5mm碳素钢管(8.3kg/6m)。估算单管程的管子根数n'="柴油n=38000X4=47.02e473600Xp柴油X彳d「u13600x715x3.14x(0.02)2x1根。根据传热面积A估计算管子的长度L’,有A99.2,L=一—==26.9n27m兀d2n'3.14x0.025x47式中：q换热管的内径，为0.02md0----换热管的外径，为0.025m五、管程数Nt的确定由于L’数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择管程的长度为6m，则Nt=L76=27/6=4.5^4.(管程数通常选择偶数)六、校正温度差R=(T1-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167P=(t2-ti)/(Ti-ti)=(110-70)/(175-70)=0.381根据R,P的值，查化工原理教材中图4-25(a),得温度校正系数9=0.91>0.9,说明换热器采用单壳程，四管程的结构是合适的。△tm=^XAtm逆=0.91*61.6=56.06°C。七、求实际换热面积A实际换热管数为n’XNt=47X4=188根。A实际二LX(nXd0)Xn’=6X(3.14X0.025)X188=88.55m2.实际换热面积为88.55m2.八、选择换热器壳体尺寸选择换热管为三角形排列，换热管的中心距为t=32mm。横过管束中心线的管数：n=1.1.际=1.1^188=15.1牝16C最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b'=(1——1.5)d0，此处b’取一倍d0,即b'=0.025m壳体内径：D=t(n-1)+2b'=0.032x15+2x0.025=0.53mc圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=550mm，壳体厚度选择8mm。长度定为5996mm。壳体的标记：筒体DN5506=8L=5910。筒体材料选择为Q235-A，单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为110*(5.910-0.156)=632.94kg。(波形膨胀节的轴向长度为0.156m，见本设计设备图)九、确定折流挡板形状和尺寸选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为540mm,厚度为6mm。缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4，本设计圆整为120mm。折流挡板上换热管孔直径为25.6mm，共有188-22-13/2=159.5个；拉杆管孔直径为16.6mm，每个折流挡板上有4个。折流挡板上的总开孔面积=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972mm2。折流挡板的实际面积=191126.3264-82963.2972=108163.0292mm2，重量为5.1kg。选择折流挡板间距h=400mm。折流挡板数NB=L/h-1=6000/400-1=14块.换热管排列的横截面如下图所示：图中圆环形的剖切面表示换热器壳体的剖面.换热管分为四个管程,每个管程47根换热管(图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心).图中8个”十”字形表示拉杆的开孔，拉杆直径为16mm.十、波形膨胀节冷流体原油为黏度较高的流体，其定性温度为(110*0.4+70*0.6)=86°C;热流体柴油的定性温度为(175*0.5+128.31*0.5)

=87.5+64.155=151.66°C.冷热流体的定性温度差二151.66-86=65.66°C>50°C,所以换热器壳体上要安装波形膨胀节。波形膨胀节的壁厚与壳体相同，为8mm。根据换热器壳体的公称直径550mm,可知波形膨胀节的公称直径也是550mm，根据公称直径，查《化工设备机械基础》（化学工业出版社，2008）书中表16-9的对应条目，获得波形膨胀节的具体尺寸（见换热器设备图）。单个波形膨胀节的质量=4579586.3154mm3X7.8X10-3X10-3kg•mm-3=35.721kg。十一、传热系数K的计算1.管程对流传热系数aI4x4x38000u=W柴油/3600===1.00m/s1兀3600x3.14x0.022x715x47—xd2xp柴油xn，雷诺数Re=d1U1P柴油=0.02xL00x715=22344，1旦0.64x10-31普兰德数Pr=£Zl=2.48x103x0.64x10一3=1193，0.1331人•10.133柴油的黏度小于常温水黏度的两倍，是低黏度液体，且是被冷却，所以0.02a=0.023卓Re0.8Pr0.3=0.023x01133x(22344)0.8x(11.93)0.3=970.2w/(m2•iC)0.022.壳程对流传热系数ao壳程流通截面积:S=hD(1-L)=0.400X0.550x(1-25)=0.0481m2t32壳程流速：七油/3600=50000/3600=0.354m/sP柴油S815x0.0481换热管为三角形排列，壳程的当量直径为4^2312-§d22)4X(号x0.0322-罕X0.0252)d福3.14x0.0252=4x(8.87-4.91)x10-4/0.0785=0.0202m雷诺数Re2du2P柴油旦20.0202x0.354x815=1943，3.0x10-3普兰德数Pr22.20x103x3.0x10-30.128=51.56，原油被加热，所以a=0.36二Re0.55Pr0.333甲=0.36x0.128x(1943)0.55x(51.56)0.333x1.05odR0.0202e=2.28x64.37x3.72x1.05=573.2w/(m2・°C)3.污垢热阻根据设计任务书，两侧的污垢热阻Rso=Rsj1.72X10-4m2・C/W。4.总传热系数KoK=1;取管壁Aw=45w/(m，C)o1+r*bd*rd*daso人dsidad2mmi1i1573.2+1.72x10-4+0.0025x0.02545x0.0225+1.72x10-4x0.0250.025+0.020970.2x0.0200.001745+1.72x10-4+6.17x10-5+2.15x10-4+0.001288=287.2w/(m2・°C)A需要二Q/(KX△^)=1222222/(287.2X56.06)=75.91m2.面积裕量："实际—A需要x100%=88.55—7'91x100%=16.65%〉15%A75.91需要符合换热器设计规范的要求。十二、压强降的计算管程压强降已知管程直管的绝对粗糙度£=0.1mm，则£/d=0.1/20=0.005,雷1诺准数Re=叩1「柴油=22344，查摩擦系数图1-28，得到入二0.035,所以，每程1口1直管的压降：Ap=XL「柴油U「=0.035x—x715x12=3753.75Pa；1d、20.0202柴油在每管程中局部阻力导致的压强降按经验公式计算如下：Ap=3x'柴油U「=3x715x12=1072.5Pa；222一般地，流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。对于①25X2.5的换热管，结垢校正系数F=1.4；因为是单壳程、t四管程的换热器，所以Ns=1，Np=4；£Ap=(Ap1+Ap2)xFxNpxN=(375375+10725)x1.4x4x1=27027Pa<30000Pa,符合任务书的要求。2.壳程压强降流体横过管束的压强降：管子排列方法对压强降的校正因数F=0.5(正三角形排列)；壳程流体的摩擦系数f。，当Re?500时，fo=5.0XRe2-0.228=5.0X1943-0.228=0.89；横过管束中心线的管子数nc=15；折流板数N=14；B壳程流速u2=0.354m/s；p原油二815kg/m3△p'=Ffn(N+1)P原油U22=0.5x0.89x15x(14+1)x815*0.3542=5113P1oc、B'22a；流体通过折流板缺口的压强降：折流板间距h=400mm=0.400m；壳体内径D=550mm=0.550mXp=N(3.5-当^2=14x(3.5-^400)x815x庭542=1462Pa2B、D20.5502一般地，流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。壳程总压降：对于液体壳程压强降的结垢校正系数F=1.15；s壳程数Ns=1£询=(Ap1'+Ap2')xFxN=(5113+1462)x1.15x1=7561Pa<30000Pa.符合任务书的要求。十三、主要附件的选择1.接管及法兰的选型1）管口A管口A为柴油出口。接管管径的确定：流量为38000kg/h，密度为715kg/m3,相当于q=38000/715/3600=0.01476m3/s。柴油为低粘度流体，在接管中的合理流速u=12m/s。本设计取u=1m/s。则接管的内径二：亶=：'4x0.01476=0.1371m=137mm。接管的外径选择为159mm，壁厚"兀xu\3.14x1选择为4.5mm,材质为20钢，每米管子的重量17.14kg（GB-T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差）。接管长度的选择：接管的长度L选择150mm，则重量为2.6kg。接管的标记：接管①159X4.5L=150接管法兰的选择：查《大学工程制图》（华东理工大学出版社，2005）表14-5，接管外径d=159mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=150mm。选择公H称压力PN=0.6MPa的突面法兰，材料为Q235-A，标记为：HG20592法兰PL150（B）-0.6RFQ235-A。重量为5.14kg。该法兰有8个均布在外周的螺孔，使用8个M16螺栓、螺母、垫片与工艺管道连接。2）管口B管口B为原油出口。原油的流量为50000kg/h,密度为815kg/m3,相当于q=50000/815/3600=0.01704m3/s。原油在接管中的合理流速u=1——2m/s。本设计取u=1m/s。则接管的内径二：互二：'4xO.°17°4=0.147m=147mm。选择接管的外径、壁厚、材质、侦XU\3.14x1长度和接管法兰都与管口A的相同。3）管口C管口C为排气口。接管管径的确定：接管的外径选择32mm，壁厚选择为3.5mm，材质为20钢，每米管子的重量2.46kg（GB-T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差）。接管长度的选择：接管的长度L选择150mm，则重量为0.369kg。接管的标记：接管①32X3.5L=150接管法兰的选择：查《大学工程制图》（华东理工大学出版社，2005）表14-5，接管外径d=32mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=25mm。选择公称H压力PN=0.6MPa的突面法兰，材料为Q235-A，标记为：HG20592法兰PL25（B）-0.6RFQ235-A。该法兰有4个均布在外周的螺孔，使用4个M10螺栓、螺母、垫片与配套的法兰盖装配。4）管口D管口D为原油进口。接管、法兰与管口A和B的完全相同。5）管口E管口E为排污口。接管管径的确定：接管的外径选择57mm，壁厚选择为3.5mm，材质为20钢，每米管子的重量4.62kg。接管长度的选择：接管的长度L选择150mm，则重量为0.693kg。接管的标记：接管①57X3.5L=150接管法兰的选择：查《大学工程制图》（华东理工大学出版社，2005）表14-5，接管外径d=57mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=50mm。选择公称H压力PN=0.6MPa的突面法兰，材料为Q235-A，标记为：HG20592法兰PL50（B）-0.6RFQ235-A。重量为1.51kg。该法兰有4个均布在外周的螺孔，使用4个M12螺栓、螺母、垫片与配套的法兰盖装配。6）管口F管口F为柴油进口。接管、法兰与管口A、B和D的完全相同。左管板的选型1）管板厚度：《化工设备机械基础》（化学工业出版社，2008）中有表16-8管板厚度表。管板的设计压力为管、壳程设计压力中的大者。当设计压力小于1MPa时，取为1MPa；表中的设备壳体内径X壁厚最接近本课程设计值的是600X8；管、壳程的温度差=151.66-86=65.66^；根据上述的设计压力、壳体内径X壁厚以及温度差，查表得管板的厚度6=42mm。管板材料为16Mn（锻件）。2）管板形状：管板同时起到法兰的作用，密封面为凸面，可以和管箱的法兰（密封面为凹面）连接。管板直径与管箱法兰的相同，为665mm。外周均布24个①18螺孔，管板重量约为：（-x0.6652-188x-x0.0252-24x-x0.0182）x0.042x7800=82kg。444管板的大致形状如下图.④④④④④3）管板的开孔开孔和管程隔板密封槽分布情况:左管板共有188个安装换热管的开孔和8个拉杆安装孔以及2道管程隔板密封槽（见设备图）。安装换热管的开孔尺寸：为了便于在管板上焊接换热管，开孔的孔径比换热管的外径大0.4mm,即①25.4mm。开孔形状见设备图。（或者:为了便于在管板上胀接换热管，开孔的孔径比换热管的外径大0.3mm,即①25.3mm。开孔内表面有两道环向的槽，槽深0.5mm。管板开孔形状和内表面环向槽的位置、尺寸见下图：e©③拉杆安装孔和管程隔板密封槽的尺寸见设备图。e©③拉杆安装孔和管程隔板密封槽的尺寸见设备图。换热管的选择:1）选择20钢材质的无缝钢管，规格：①25X2.5。2）换热管的长度为6000mm。3）换热管与管板连接采用焊接。（或者:换热管与管板连接采用胀接。）具体见设备图。左管箱短节的选择：1）左管箱短节的内径与壁厚：左管箱短节为圆柱筒体，内径与壁厚选择与设备壳体相同。2）左管箱短节的长度：左管箱短节连接A和F管口。选择左管箱短节的长度为管口接管公称直径的两倍，即150X2=300mm。选择Q235-A材料制作，单位长度的短节重110kg/m,总重约为110*0.300=33kg。左管箱短节的标记：筒体DN5506=8L=300。3）左管箱短节的材质选择材质选择与换热器壳体相同：Q235-A左管箱封头的选择：选择公称直径为550mm的标准椭圆封头。壁厚与壳体相同，也是8mm。材质也是Q235-A。重量约24kg。标记：EHA550X8-Q235-AJB/T4746-2002o左管箱隔板的选择：1）材质选择普通的碳素钢：Q235-Ao2）管箱隔板厚度的选择：由于管程压强降较小，用公式计算隔板厚度会小于GB151规定的隔板最小厚度（换热器公称直径＜=600时，碳钢隔板的最小厚度为8mm），所以直接选择隔板厚度为10mm。3）数量：左管箱需要2块相同的隔板。4）形状：见下图。面积：217977.2468mm2，厚度：10mm。5）重量：单个左管箱隔板重二（217977.2468mm2X10mm）X7.8X10-3X10-3kg•mm-3=17kg。左管箱法兰和密封垫片的选型：1）法兰：根据公称直径，查《化工设备机械基础》（化学工业出版社，2008）书中表10-3。选择甲型平焊容器法兰，公称直径550mm，公称压力0.6MPa，密封面为凹面(FM),与凸密封面的左管板连接。外周均布24个①16螺孔，用M16双头螺柱与左管板连接。标记：法兰一FM550—0.6JB4701—2000。重量为26.4kg。密封垫片：选择甲型平焊容器法兰用非金属软垫片，公称直径550mm,公称压力0.6MPa。标记：垫片550—0.6JB4