列管式換熱器的工藝設計和選用

1、無化工原理課程設計化工原理課程設計說明書說明書題題目：目：列管式換熱器的工藝設計和選用列管式換熱器的工藝設計和選用課程名稱：課程名稱：化工原理課程設計化工原理課程設計設設 計計 人：人：吳琳瑜吳琳瑜專專業(yè)：業(yè)：化學工程與工藝化學工程與工藝班班級：級：化工化工 B081B081學學號：號：200801034119200801034119指導老師：指導老師：李辰明李辰明日期：2010.12.19學校：華北科技學院無目錄目錄設計條件 3設計題目3設計任務 3設計原則 3設計流程3一、確定設計方案31.選擇換熱器類型32.確定冷、熱流體流徑途徑4二、流體有關物性數(shù)據(jù)4三、估算傳熱面積41.計算熱負荷4

2、2.冷卻水用量43.傳熱平均傳溫差4四、初算傳熱面積4五、工藝結構尺寸51.選管子規(guī)格52.總管數(shù)和管程數(shù)53.初選換熱器類型與型號54.確定管子在管板上的排列方式 55管子與管板、管板與殼體的連接 66.殼體內徑的確定 67.確定實際管子數(shù)目 68.折流擋板 69.其他附件 710.接管 7六、換熱器核算 81. 總傳熱系數(shù) K 的計算 8 管內傳熱膜系數(shù) 8 管外傳熱膜系數(shù) 8 污垢熱阻和管壁熱阻 9 總傳熱系數(shù) K 9 傳熱面積校核 92. 壁溫的計算 93.核算壓力降 10 管程壓力降 10 殼程壓力降 10七、設計計算結果匯總表 11八、總結12參考文獻13CAD 圖紙14無設計題目

3、：列管式換熱器的工藝設計和選用設計題目：列管式換熱器的工藝設計和選用設計條件設計條件煉油廠用原油將柴油從 175冷卻到 130。柴油流量為 12500 kg/h 原油初溫為70，經(jīng)換熱后升溫到 110。換熱器的熱損失可忽。管、殼程阻力壓降不大于30kpa。污垢熱阻均取 0.0003 m2W-1。試設計一臺列管式換熱器，完成該生產任務。設計任務設計任務（1） 根據(jù)設計條件選擇合適的換熱器型號，并核算換熱面積，壓力降是否滿要求， 并設計管道與殼體的連接， 管板與殼體的連接， 折流板數(shù)目、 形式等。（2） 繪制列管式換熱器的裝配圖。（3） 編寫課程設計說明書。設計原則設計原則1.1.滿足工藝和操作要

4、求滿足工藝和操作要求設計出來的流程和設備首先要保證質量，操作穩(wěn)定，這就必須配置必要的閥門和計量儀表等，并自確定方案時，考慮到各種流體的流程，溫度和壓強變化使采取什么措施來調節(jié)，而在設備發(fā)生故障時，加修應方便。2.2.滿足經(jīng)濟上的要求滿足經(jīng)濟上的要求在確定某些操作指標和治標和選定設備型式以及儀表配置時， 要有經(jīng)濟核算的觀點，既能滿足工藝和操作要求，又使施工簡便，材料來源容易，造價低廉。如果有廢熱可以利用，要盡量節(jié)省熱能，充分利用，或者采取適當?shù)拇胧┻_到降低成本的目的。3.3.保證安全生產保證安全生產在工藝流程和操作中若有爆炸、燃燒、中毒、燙傷等危險，就要考慮必要的安全措施。又如設備的材料強度的演

5、算，除按規(guī)定應有一定的安全系數(shù)外，還應考慮防止由于設備中壓力突然升高或者造成真空而需要裝置安全閥等， 以上提到的都是為了保證安全生產所需要的。 設計方案也可能一次定不好， 后來需要修改，但各物料流通路線和操作指標的改動都對后面的計算的影響， 所以最好第一次確立就考慮周到些。設計流程設計流程一、確定設計方案一、確定設計方案1.1.選擇換熱器類型選擇換熱器類型兩流體的溫度變化情況：熱流體進口溫度為 175，出口溫度為 130。冷流體進口溫度為 70，出口溫度為 110由于冷、熱流體溫差較大，同時為了便于拆卸清洗，選用浮頭式列管換熱無器。2.2.確定冷、熱流體流徑途徑確定冷、熱流體流徑途徑由于柴油較

6、易結垢，為便于清洗，應使柴油走管程，原油的粘度大，在裝有折流擋板的殼程中流動。有利于提高湍動，增大傳熱系數(shù)，原油走殼程。二、流體有關物性數(shù)據(jù)二、流體有關物性數(shù)據(jù)物料，kg/m3,pckJ/(kg)Wm-1-1，Pas原油815310.220.1283103柴油715310.4820.1333104.60三、估算傳熱面積三、估算傳熱面積1.1. 計算熱負荷（忽略熱損失）計算熱負荷（忽略熱損失）531 ,1 ,1075.831301751048. 2360012500TQCqpmW2. 冷卻水用量冷卻水用量(忽略熱損失忽略熱損失)40. 4)70110(102 . 210875. 3352,2,T

7、cQqpmkg/s3. 傳熱平均傳溫差傳熱平均傳溫差先按逆流計算mt=12211221()()656062.565lnln60TtTtCTtTt溫度校正：R1221ttTT70175701100.38P1112tTtt701101301751.13據(jù) R、P 值，查溫差校正系數(shù)圖，得溫度校正系數(shù)92. 0tmt=tmt=0.9262.5=57.50四、初算傳熱面積四、初算傳熱面積參照傳熱系數(shù) K 的大致范圍，取K=230 W/ (m2),則估算面積為：0AmtKQ=25m30. 9257.50230103.875無取實際面積為估算面積的 1.1 倍，則實際估算面積為：A=1.10A=1.129

8、.30=32.23 m2五、工藝結構尺寸五、工藝結構尺寸1.選管子規(guī)格選管子規(guī)格選用252.5mm的無縫鋼管，管長 L=6m。2.2.總管數(shù)和管程數(shù)總管數(shù)和管程數(shù)總管數(shù)686025. 014. 323.32n0LdA根單程流速iu=smndiv/227. 06802. 0785. 07153600125004q221 ,單程流速較低，為提高傳熱效果考慮采用多管程。按管程流速的推薦范圍，選管程流速為u=1m/s，所以管程數(shù)為pN=4227. 01iuu取 4 管程3.3. 初選換熱器類型與型號初選換熱器類型與型號由于冷、熱流體溫差較大，同時為了便于拆卸清洗，選用浮頭式列管換熱器為宜，且初步選定的

9、具體型號為BES400-1.0-31.6-6/25-4IIBES400-1.0-31.6-6/25-4BES400-1.0-31.6-6/25-4IIII 的具體參數(shù)的具體參數(shù)殼徑/mm400管子尺寸25mm2.5mm公稱壓力/MPa1.00管長/m6計算換熱面積/m231.6管子總數(shù)68管程數(shù)4管子排列方式四邊形錯列殼程數(shù)1折流擋板形式弓形4.4. 確定管子在管板上的排列方式確定管子在管板上的排列方式管子布置應在換熱器的截面上均勻而緊湊的分布，此外還有考慮流體的性質和結構設計及制造等方面的問題無管子的排列方式有等邊三角形和正方形兩種。如圖（a） 、圖（b）所示。與正方形相比，等邊三角形排列比

10、較緊湊，管外流體湍動稱帝高、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。正方形排列雖比較松散，傳熱效果也較差，但管外清洗方便， 對易結垢流體更為適用。 如將正方形排列的管束轉 45 度安裝如圖 （c）可在一定的程度上提高對流傳熱系數(shù)，采用正方形錯列。5 5管子與管板、管板與殼體的連接管子與管板、管板與殼體的連接 在管殼式換熱器的結構設計中，管子與管板的連接是否緊密十分中。如果連接不緊密，在操作時連接處發(fā)生泄漏，冷熱流體互相混合，會造成物料和熱量損失；若物料帶有腐蝕性、放射性或者兩種流體接觸會產生易燃易爆物質，后果將更加嚴重。在固定管板式換熱器的連接方法處還應考慮能承受一定的軸向力， 以避免溫度變化較大時，產生的熱應力使管

11、子從管板脫出。焊接法由于具有很多的優(yōu)點（加工簡單、對管空的加工要求不高，較強的抗脫能力使之在高溫高壓下仍能保持連接處的緊密性，同時在壓力不太高時還可采用薄型管板） ，在一些要求較高的場合被廣泛應用。管子與管板采用焊接結構。 浮頭式換熱器通常是把管板夾在殼體法蘭與管箱法蘭之間便于管殼程一起清洗。管心距取 a=1.25d0=1.2525=31.2532mm隔板兩側相鄰管心距mmac4 . 46. 殼體內徑的確定殼體內徑的確定取管板利用率=0.8，則殼體內徑為：mmnaD3108 . 0683205. 105. 1按殼體標準圓整取D=400mm7.7.確定實際管子數(shù)目確定實際管子數(shù)目N=688.8.

12、折流擋板折流擋板換熱器內安裝折流擋板是為了提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)。 為了獲得良好效果，折流擋板的尺寸和間距必須適當。對于常用的圓缺形擋板，弓形切口太大或太小，都會產生流動“死區(qū)” ，如圖所示，不利于傳熱，且增加流體阻力。 一般切口高度與直徑之比為0.15-0.45， 常見的有0.20和0.25兩種。無擋板的間距對殼程的流動有重要的影響， 間距太大不能保證流體垂直流過管束，使得管外給熱系數(shù)降低，間距太小又不方便檢修，阻力損失也很大。一般采用間距為殼體的 0.2-1.0 倍。取板間距 B200mm。而對圓缺形擋板而言， 弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有中重要的影響。弓形缺口太大還是太小都有

13、可能造成流體“死區(qū)” ，既不利于傳熱也不利于流體的流動。一般來說，弓形口的高度可取殼程的 0.1-0.4。據(jù)以上原理可以選擇的缺口高度以及擋板常采用 0.2 和 0.25 采用弓形折流板。折流板數(shù)BN=折流板間距傳熱管長1=60002001=29 (塊)9.9.其他附件其他附件拉桿選拉桿直徑為 16mm，拉桿數(shù)量為 4 根。封頭封頭有方形和圓形兩種，方形用于小直徑（400mm）的殼體圓形用于較大直徑的殼體。緩沖擋板為防止殼程流體進入換熱器時對管束的沖擊，可在進料口裝設緩沖擋板。導流桶殼程流體的進、出口和管板間必存在有一段流體不能流動的空間 （死角） ， 為了提高傳熱效果， 常在管束外增設導流桶

14、， 使流體進、出殼程時必然經(jīng)過這個空間放氣孔、排液孔換熱器的殼體上常安有放氣孔和排液孔，以排除不凝氣體和冷凝液等。10.10.接管接管管程流體進出口接管。取管內流速smu/8 . 1則接管內徑muqdV0586. 08 . 114. 3715360012500441按管子標準圓整，取管程流體進出口接管規(guī)格為mmmm5 . 35 .63無縫鋼管。殼程流體進出口接管。取管內流速smu/8 . 1則接管內徑m0618. 08 . 114. 381540. 4442uqdV按管子標準圓整， 取殼程流體進出口接管規(guī)格為mmmm5 . 368無縫無鋼管。六、換熱器核算六、換熱器核算1.1. 總傳熱系數(shù)總傳

15、熱系數(shù) K K 的計算的計算 管內傳熱膜系數(shù)管內傳熱膜系數(shù)由4 . 08 . 0PrRe023. 0iiid計算。流體被加熱，取 n=0.4管程流體流速iu=smNNdiv/910. 046802. 0785. 07153600125004q221 ,93.11133. 01064. 01048. 2Pr331 ,iipicC)(mW/ 150093.112826702. 0133. 0023. 0PrRe023. 024 . 08 . 04 . 08 . 0 iiid 管外傳熱膜系數(shù)管外傳熱膜系數(shù)由14. 03/1055. 0000)(PrRe36. 0wed計算。傳熱當量直徑ed=2222

16、440.0320.785 0.02540.0273.14 0.025ootdmd殼程流通截面積0175. 0)32251 (4 . 02 . 0)1 (00tdBDSm2殼程流體流速smSqum/309. 00175. 081540. 402,02263103815027. 0309. 0Re30000du無56.51128. 0103102 . 2Pr53002,pc殼程中柴油被冷卻，取14. 0)(w0.9514. 03/1055. 0000)(PrRe36. 0wed4 .42295. 056.512263027. 0128. 036. 03/155. 0W/ (m2 ) 污垢熱阻和管壁

17、熱阻污垢熱阻和管壁熱阻管內、外側的熱阻均取WCmRRi/0003. 020 。 已 知 管 壁 厚m0025. 0；取碳鋼導熱系數(shù))/(4 .452CmW 。 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) K K總傳熱系數(shù) K 為：)/(2504 .42210003. 00225. 04 .45025. 00025. 002. 0025. 00003. 002. 01500025. 0111200000CmWRddddRddKmiiii 傳熱面積校核傳熱面積校核所需傳熱面積2597.2650.5725010875. 3mtKQAm前已算出換熱器的實際傳熱面積223.32mA ,則：%7 .17%10097.2697.

18、266 .31AAA說明該換熱器有 17.7%的面積裕度，在 10%25%。滿足此要求，能完成生產任務。2.2. 壁溫的計算壁溫的計算換熱管壁溫可由下式估算2121mmwtTt已知：)/(4 .422201CmW ；)/(150022CmWi ；無CTTTm1481306 . 01754 . 06 . 04 . 021Ctttm86706 . 01104 . 06 . 04 . 012換熱管平均壁溫為Ctw6 .9915004 .4228615001484 .422殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即CTw 90， 。殼體壁溫與傳熱管壁壁溫之差為Ct6 . 9906 .99該溫差小于 50

19、，故不需設置溫差補償裝置。3.3.核算壓力降核算壓力降 管程壓力降管程壓力降pstiNNFPPP)(21已知湍流），(28267Re/910. 0414 . 1iipstsmuNNF。對于碳鋼管，取管壁粗糙度mm1 . 00.10.00520id由Re關系圖中查得0.03iPaudLPiiii4 .26642715910. 002. 0603. 02221PauPi1 .888)2910. 0715(3)2(3222PaPaPi3089.19414 . 1) 1 .8884 .2664( 殼程壓力降殼程壓力降已知15. 1SF;1SN,有ssNFppp)(2102) 1(2001uNbFfpS

20、管子按正方形錯列4 . 0F，1 . 9681 . 11 . 1nb折流擋板間距mB2 . 0折流擋板數(shù)29BN無殼程流通截面積200035. 0)025. 01 . 94 . 0 (2 . 0)(mbdDBS殼程流速smSquv/154. 0035. 081540. 4005001005. 1103815154. 0025. 0Re3300000ud024. 1)1005. 1 (0 . 5Re0 . 5228. 03228. 000f所以Pap10812154. 0815) 129(1 . 9024. 14 . 0212)25 . 3 (202uDBNpBPa7 .7002154. 081

21、5)4 . 02 . 025 . 3 (292KPaKPaPap30049. 22049115. 1) 7 .7001081(0計算結果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設計要求。三、設計計算結果匯總表三、設計計算結果匯總表換熱器的工藝計算及結構設計的主要結果和主要尺寸匯總于下表：工藝參數(shù)工藝參數(shù)管程管程殼程殼程質量流量/(kg/h)125001584015840進/出口溫度/175/13070/11070/110物性參數(shù)定性溫度/152.59090密度/(kg/m3)715815815定壓比熱熔/kJ/(kgK)2.482.22.2粘度/(Pas)0.6410-53 31010-3-3熱導率/

22、W/(mK)0.1330.1280.128工藝主要計算流速/(m/s)0.910污垢熱阻/m2K/ W0.00030.00030.0003阻力（壓降）/kPa19.892.0492.049對流傳熱系數(shù)/W/(m2K)1500422.4422.4無結果總傳熱系數(shù)K/W/(m2K)250250平均傳熱溫差/57.5057.50熱流量/kW387.5387.5傳熱面積裕度/%17.717.7設備結構設計程數(shù)41 1推薦使用材料碳鋼碳鋼碳鋼換熱器型式浮頭式換熱器臺數(shù)1 1殼體內徑/mm400傳熱面積/m231.631.6管徑/mm252.5折流板型式上下上下管數(shù)/根68折流板數(shù)/個2929管長/m6折流板間距/mm200200管子排列方式正方形錯列切口高度/mm管間距/mm32封頭2 個封頭法蘭隔板拉桿4 根d=16mm支座管箱（非標準）管箱法蘭定距管管板殼程接管殼程接管法蘭管程接管管程接管法蘭排氣液管排氣液管排氣液管法蘭排氣液管法蘭九、總結九、總結本次化工原