用水冷卻甲苯的列管式換熱器設(shè)計(jì)

1、一、設(shè)計(jì)題目：用水冷卻甲苯的列管式換熱器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、設(shè)計(jì)任務(wù)：（ 1）選擇適宜的列管式換熱器； （2）核算；（3）在 A3 圖紙中繪制換熱器結(jié) 構(gòu)圖、管板結(jié)構(gòu)圖、折流結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份、 A3 圖紙一張；2、操作條件處理能力：甲苯進(jìn)料量： 110000噸 /年操作時(shí)間： 8000 小時(shí)年 甲苯：入口溫度 90，出口溫度 60；操作壓力 （ 0.40.6）MPa 水： 入口溫度 30，出口溫度 50操作壓力（ 0.40.6）MPa允許壓降不大于 0.1 Mpa，廠址：寧波地區(qū)。三、設(shè)備型式列管式換熱器四、設(shè)計(jì)項(xiàng)目 （說(shuō)明書(shū)格式 ）1、封面、任務(wù)書(shū)、目錄。2、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)確

2、定的工藝流程及換熱器型式進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。3、換熱器的工藝計(jì)算：確定換熱器的傳熱面積，并初選換熱器規(guī)格4、核算總傳熱系數(shù)，計(jì)算壓力降5、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。6、繪制水冷卻甲苯的列管式換熱器設(shè)計(jì)的換熱器裝配簡(jiǎn)圖。7、對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)述。8、參考文獻(xiàn)目錄1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 11.1工藝流程概述 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.2選擇列管式換熱器的類型 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.2.1 列管式換熱器的分類 41.2.2 類型的確定 31.3 流動(dòng)路徑的選擇 52 換熱器的工藝計(jì)算及選型 52.1 確定物性數(shù)據(jù) 52.2 初算換熱器的傳熱面積 62.3 初選換熱器規(guī)格 63 換熱器核算 73.1 壓力降的核算 73.

3、1.1 管程壓力降 83.1.2 殼程壓力降 83.2 總傳熱系數(shù)的核算 94 固定管板式換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 94.1 殼體壁厚的確定 94.2 管子拉脫力計(jì)算 94.3換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù) 105 換熱器裝配簡(jiǎn)圖 126 設(shè)計(jì)評(píng)述127 參考文獻(xiàn)121 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1 工藝流程概述 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，甲苯走殼 程。如圖 1，甲苯經(jīng)泵抽上來(lái)，經(jīng)管道從接管 A 進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵 抽上來(lái)經(jīng)管道從接管 C 進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行交換，甲苯從 90被冷卻至 60之后，由接管 B 流出；循環(huán)冷卻水則從 30升至 50，由

4、接 管 D 流出。ADPUMPPU MP2H2O圖1 工藝流程草圖1.2 選擇列管式換熱器的類型 列管式換熱器，又稱管殼式換熱器，是目前化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè) 備。其主要優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)挝惑w積所具有的傳熱面積大以及竄熱效果較好；此外，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，制造的材料范圍廣，操作彈性也較大等。因此在高溫、高壓和大型裝置 上多采用列殼式換熱器。1.2.1列管式換熱器的分類 根據(jù)列管式換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，主要分為以下幾種： 固定管板式換熱器 固定管板式換熱器，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。兩管板由管子互相支承，因 而在各種列管式換熱器中， 其管板最薄。 其缺點(diǎn)是管外清洗困難， 管殼間有溫差 應(yīng)力存在，當(dāng)兩種介質(zhì)溫

5、差較大時(shí)，必須設(shè)置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢，管程需清洗及溫差不大 或溫差雖大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。浮頭式換熱器 浮頭式換熱器，一端管板式固定的，另一端管板可在殼體內(nèi)移動(dòng)，因而管、 殼間不產(chǎn)生溫差應(yīng)力。管束可以抽出，便于清洗。但這類換熱器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，金 屬耗量較大；浮頭處發(fā)生內(nèi)漏時(shí)不便檢查；管束與殼體間隙較大，影響傳熱。浮頭式換熱器適用于管、殼溫差較大及介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。填函式換熱器 填函式換熱器，管束一端可以自由膨脹，造價(jià)也比浮頭式換熱器低，檢修、 清洗容易， 填函處泄漏能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。 但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能， 殼程中不宜處 理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質(zhì)。 U

6、形管式換熱器U 形管式換熱器，只有一個(gè)管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管 子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管內(nèi)不便清洗，管板上布管少，結(jié)垢不緊湊，管外介 質(zhì)易短路，影響傳熱效果，內(nèi)層管子損壞后不易更換。U 形管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大的場(chǎng)合，尤其是管內(nèi)介質(zhì)清潔，不 易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)合。1.2.2 類型的確定 所設(shè)計(jì)的換熱器用于冷卻甲苯，甲苯：入口溫度 90，出口溫度 60；水： 入口溫度 30，出口溫度 50 ；該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差滿足 Tm-tm=75-40=35 50，兩流體溫度差不大。 加上固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 造價(jià)低廉，所以本設(shè)計(jì)選用固定管板式換

7、熱器，且不需考慮熱補(bǔ)償。1.3 流動(dòng)路徑的選擇 本設(shè)計(jì)為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過(guò)程，因水的對(duì)流傳熱系數(shù)一般較大， 且易結(jié)垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，甲苯走殼程。2 換熱器的工藝計(jì)算及選型2.1 確定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度 t 30 50 40 ，甲苯定性溫度 T 90 60 75 ，查得水、甲22 苯在各自定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：表 1 定性溫度下各流體物性 1密度/(kg/m3)比熱容/(kJ/( kg· )黏度/(Pa·s)導(dǎo)熱系數(shù) /(w/m · )水992.24.1740.656 ×10-30.6338甲苯812.61.867-30.350 &

8、#215;10-30.1452.2 初算換熱器的傳熱面積計(jì)算熱負(fù)荷和冷卻水流量313750 kg / h110000 103 Whh 80003Q=Whcph(T1-T2)=13750 ×1.867 ×103×(90-60)/3600=213930WWcQcpc (t 2 t1)213930 36004.174 103 (50 30)9226kg / h計(jì)算兩流體的平均溫度差。先按單殼程單管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)的平均溫度差為tm 't2t1mt240 30 34.76 ln t1ln4030有關(guān)參數(shù) RT1 T2t2 t190 60 3050 30 20t2

9、 t1T1 t150 3090 300.33根據(jù) R，P值，查化工原理1P-280圖 4-19可讀得，溫度校正系數(shù) =t0.92， 則平均溫度差 tm=tm'=t34.76 ×0.92=31.98按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù) K0(估)2選取 K0(估) =450W/(m2· )初算出所需傳熱面積SQK tm213930450 31.9814.86m22.3 初選換熱器規(guī)格對(duì)于易結(jié)垢的流體， 為方便清洗，采用外徑為 25mm的管子。由于 Tm-tm=35， 因此不需考慮熱補(bǔ)償。再由換熱面積，查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)2P-17 表 1-2-1，選定 G273-2-2.5-11.1

10、 型換熱器，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)下表 2。表 2 所選換熱器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)公稱直徑 /mm： 300公稱壓強(qiáng) /MPa： 1.6公稱面積 /m2： 15.27管程數(shù)： 2管子尺寸 /mm： 25×2.5管長(zhǎng) /m：6管子總數(shù)： 37 管子排列方法： 正三角形排列查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) 3p-215表 7-10，殼體直徑為 159325 時(shí)，拉桿數(shù)量為4 個(gè)。由換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 2P-18 式 1-2-1，計(jì)算實(shí)際傳熱面積：So=nd(L-2 -0.006)=(37-4) ×3.14 ×0.025 ×(6-2 ×0.05-0.006)=15.27m2 若選該型號(hào)的

11、換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為KoQSo tm213930 43814.81 31.982W/(m2)3 換熱器核算3.1 壓力降的核算3.1.1管程壓力降pi=(p1 +p2)FtNp其中， Ft=1.4，Np=2。管程流通面積 Ai 4di2Nnp 4 0.022 Nnp 4 0.022 323 0.005181m2uiVs9226Ai 3600 992.2 0.0051810.51m / sReidiui0.02 0.51 992.20.656 10 315430 4000(湍流 )設(shè)管壁粗糙度 =0.1mm，/di=0.1/20=0.005，查化工原理 1 P-54圖 1-27 第

12、章中 -Re 關(guān)系圖中查得： =0.036，所以u(píng)226 992.2 0.5120.036 1393Pap2 3u222992.2 0.5122387Pa0.02 2則pi=(1393+387)× 1.4×2=4984Pa3.1.2殼程壓力降po=(p1' +p2')FsNs其中， Fs=1.15，Ns=1， p1'Ff onc (NB1)查化工原理 1P-284：管子為正三角形排列， F=0.5。 nc=1.1 n=1.1377查換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè) 2 P-14表 1-2-3，取折流擋板間距 h=0.2m， NB L 1 6 1 29h 0.22 殼程

13、流通面積 Ao=h(D-n cdo)=0.2×( 0. 3-7×0.025)=0.025m2 13750uo0.19m/so 3600 812.6 0.025Reodouo0.025 0.19 812.60.425 10 39082 500fo=5.0Reo-0.228=5.0×9082-0.228=0.63所以p1' Ff onc(NB1)uo220.5 0.63 7 (29 1)812.6 0.1922970Pap2' N B(3.52 2h) uo D ) 229 (3.52 0.20.32812.6 0.1922922Papo=（970+9

14、22）×1.15=1088Pa計(jì)算表明，管程和殼程壓強(qiáng)都能滿足題設(shè)（不大于 0.1 MPa）的要求。3.2 總傳熱系數(shù)的核算 管程對(duì)流傳熱系數(shù) i Rei=15430（湍流）Pricp4.174 103 0.656 10 34.320.6338i 0.023 Rei0.8 Pri0.4 0.023 0.6338(15430)0.8(4.32)0.4 2935 W/(m 2· ) di0.02殼程對(duì)流傳熱系數(shù) o 由化工原理 1P-253 式 4-77a計(jì)算，即 o 0.36 (deuo )0.55(cp )1/3 ( )0.14 o de w 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) 3p-20

15、8 表 7-5，取換熱器列管之中心距 t=32mm，則 流體通過(guò)管間最大截面積為A。=hD(1- do )=0.2×0. 3×(1- 0.025) 0.013m2t 0.032Vs13750uos 0.36m/so A 3600 812.6 0.013deReo4(t24dodo2 ) 4(0.0322 3.14 0.0252 )4 0.027m3.14 0.0250.027 0.36 812.60.35 10 322567deuoPro331.867 103 0.35 10 30.1454.51殼程中甲苯被冷卻，取 ( w )0.14 0.95，所以o 0.36 0.14

16、5(22567)0.55(4.51)1/3 0.95 752 W/(m 2· )0.027污垢熱阻 參考化工原理 1附錄 p-355表 22，污垢系數(shù)取為 0.52m2·K/kW ，則 管、內(nèi)外側(cè)污垢熱阻分別為 Rsi= 0.000066m2·/W，Rso= 0.000112m2· /W 總傳熱系數(shù) Ko管壁熱阻可忽略時(shí)，總傳熱系數(shù) Ko 為Ko11doRso Rsi o odidoidi17520.000112 0.000066 25 2520 2935 20=513W/(m2·) 由上面計(jì)算可知，選用該型號(hào)的換熱器時(shí)要 求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為

17、 22438W/(m2·)，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的 Ko'為 513W/(m2·)，有KO'KO513 1.17 (1.15 1.25)438故所選的換熱器是合適的，其安全系數(shù)為 513 438 100 %=17.1%4384 固定管板式換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)固定管板式換熱器的主要構(gòu)件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板(或支 撐板)、接管、支座等。4.1 殼體壁厚的確定選取設(shè)計(jì)壓力 pc=1.6Mpa，殼體材料為 Q-235B，查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)3 p-311附錄 9得，其相應(yīng)的許用應(yīng)力 t=113 Mpa；查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) 3p-96 表 4-

18、8，焊縫系數(shù) 取為 0.85，Di=300mm，故計(jì)算厚度：ptcDi1.6 300 2.5mm2 tpc 2 113 0.85 1.6根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) p-97，取 C2=1.0mm，負(fù)偏差 C2取 0.25 mm。 圓整后， n=4mm，即殼體壁厚為 4mm。4.2 管子拉脫力計(jì)算 根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) p-205，取脹接長(zhǎng)度 l=50mm； 根據(jù)化 工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) p-295 附表 1-1，查 地碳鋼線膨脹系數(shù)l=11.2 ×10-6mm/(mm·)，彈性模量 E取為 200×103 Mpa； 根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) p-218,表 7-11，許用拉脫力取

19、為 4 Mpa。 在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力qppf dol其中， f 0.866t 2do2 0.866 32 2252 396 mm24 o 4P=0.6Mpa，l=50mm，qp0.6 3963.14 25 500.06MPa 溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力qt22 t(do2 di 2)4dol其中，E(tt ts ) ， As=D 中n= ×308×4=3868mm21 At，As=D 中n=×308×4=3868mmAsAt4(do22 2 2 2 di 2)n(252 202) 37 6535mm2411.

20、2 10 6 0.2 106 35 則tt 65351386829.15MPa2229.15 (252 202 )4 25 501.31Mpa又因 qp與 qt 作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力：Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpa<q=4.0 Mpa因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。4.3 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)表 2 主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)換熱器型式：固定管板式換熱器面積 /m2：15.27工藝參數(shù)名稱殼程管程物料名稱甲苯水操作壓力 /MPa0.40.60.40.6操作溫度 /90（進(jìn)口） /60（出口）30（進(jìn)口） /50（出口）流量 /kg/h137509226流體密度 /kg/ m 3812.6992.2流速 /m/s0.260.51傳熱量 /W213930總傳熱系數(shù) W/（m2·）513對(duì)流傳熱系數(shù) W/（m 2·）7522935污垢系數(shù) /W/（m2·）0.0001120.000066壓力降 /Pa10884984推薦使用材料碳鋼碳鋼殼徑 D(DN)300mm管尺寸25×2.5mm管程數(shù) Np2管長(zhǎng) L6m管子總根數(shù)37（拉桿 4）管排列方式正三角形排列中心排