用水冷卻甲苯的列管式換熱器設(shè)計

化工原理課程設(shè)計PAGE12一、設(shè)計題目：用水冷卻甲苯的列管式換熱器設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及操作條件1、設(shè)計任務(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)計說明書一份、A3圖紙一張；2、操作條件處理能力：甲苯進料量：110000噸/年操作時間：

8000

小時／年甲苯：入口溫度90℃，出口溫度60操作壓力

（0.4~0.6）MPa

水：入口溫度30℃，出口溫度操作壓力

（0.4~0.6）MPa

允許壓降不大于0.1Mpa，廠址：寧波地區(qū)。三、設(shè)備型式列管式換熱器四、設(shè)計項目(說明書格式)1、封面、任務(wù)書、目錄。2、設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。3、換熱器的工藝計算：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)，計算壓力降5、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。6、繪制水冷卻甲苯的列管式換熱器設(shè)計的換熱器裝配簡圖。7、對本設(shè)計進行評述。8、參考文獻目錄1設(shè)計方案簡介 11.1工藝流程概述 11.2選擇列管式換熱器的類型 11.2.1列管式換熱器的分類 41.2.2類型的確定 31.3流動路徑的選擇 52換熱器的工藝計算及選型 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 73.1.1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 94.1殼體壁厚的確定 94.2管子拉脫力計算 94.3換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計參數(shù) 105換熱器裝配簡圖 126設(shè)計評述 127參考文獻 121設(shè)計方案簡介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，經(jīng)管道從接管A進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管C進入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進行交換，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)點是：單位體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)特點的不同，主要分為以下幾種：⑴固定管板式換熱器固定管板式換熱器，結(jié)構(gòu)比較簡單，造價較低。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)溫差較大時，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合。⑵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，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)垢的場合。⑶填函式換熱器填函式換熱器，管束一端可以自由膨脹，造價也比浮頭式換熱器低，檢修、清洗容易，填函處泄漏能及時發(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)。⑷U形管式換熱器U形管式換熱器，只有一個管板，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、腐蝕性較強的場合。1.2.2類型的確定所設(shè)計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=351.3流動路徑的選擇本設(shè)計為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數(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換熱器的工藝計算及選型2.1確定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度℃，甲苯定性溫度℃，查得水、甲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812.61.8670.350×10-30.1452.2初算換熱器的傳熱面積⑴計算熱負(fù)荷和冷卻水流量Q=Whcph(T1-T2)=13750×1.867×103×(90-60)/3600=213930W⑵計算兩流體的平均溫度差。先按單殼程單管程進行計算，逆流時的平均溫度差為℃有關(guān)參數(shù)，根據(jù)R，P值，查《化工原理》[1]P-280圖4-19可讀得，溫度校正系數(shù)φΔt=0.92，則平均溫度差Δtm=Δtm’φΔt=34.76×0.92=31.98⑶按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K0(估)選取K0(估)=450W/(m2·℃)⑷初算出所需傳熱面積2.3初選換熱器規(guī)格對于易結(jié)垢的流體，為方便清洗，采用外徑為Φ25mm的管子。由于Tm-tm=35℃，因此不需考慮熱補償。再由換熱面積，查《換熱器設(shè)計手冊》[2]P-17表1-2-1，選定G273Ⅰ-2-2.5-11.1型換熱器表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/MPa：1.6公稱面積/m2：15.27管程數(shù)：2管子尺寸/mm：Φ25×2.5管長/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)備機械基礎(chǔ)》[3]p-215表7-10，殼體直徑為159~325時，拉桿數(shù)量為4個。由《換熱器設(shè)計手冊》[2]P-18式1-2-1，計算實際傳熱面積：So=nπd(L-2δ-0.006)=（37-4）×3.14×0.025×(6-2×0.05-0.006)=15.27m若選該型號的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為W/(m2·℃)3換熱器核算3.1壓力降的核算3.1.1管程壓力降∑Δpi=(Δp1+Δp2)FtNp其中，F(xiàn)t=1.4，Np=2。管程流通面積設(shè)管壁粗糙度ε=0.1mm，ε/di=0.1/20=0.005，查《化工原理》[1]P-54圖1-27第一章中λ-Re關(guān)系圖中查得：λ=0.036，所以則∑Δpi=（1393+387）×1.4×2=4984Pa3.1.2殼程壓力降∑Δpo=(Δp1’+Δp2’)FsNs其中，F(xiàn)s=1.15，Ns=查《化工原理》[1]P-284：管子為正三角形排列，F(xiàn)=0.5。nc=1.1√n=1.1√37≈7查《換熱器設(shè)計手冊》[2]P-14表1-2-3，取折流擋板間距h=0.2m，殼程流通面積Ao=h(D-ncdo)=0.2×（0.3-7×0.025）=0.025mfo=5.0Reo-0.228=5.0×9082-0.228=0.63所以∑Δpo=（970+922）×1.15=1088Pa計算表明，管程和殼程壓強都能滿足題設(shè)（不大于0.1MPa）的要求。3.2總傳熱系數(shù)的核算⑴管程對流傳熱系數(shù)αiRei=15430（湍流）4.32W/(m2·℃)⑵殼程對流傳熱系數(shù)αo由《化工原理》[1]P-253式4-77a計算，即查《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》[3]p-208表7-5，取換熱器列管之中心距t=32mm，則流體通過管間最大截面積為A。=hD(1-)=0.2×0.3×(1-殼程中甲苯被冷卻，取，所以W/(m2·℃)⑶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·⑷總傳熱系數(shù)Ko管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數(shù)Ko為=513W/(m2·℃)由上面計算可知，選用該型號的換熱器時要求過程的總傳熱系數(shù)為438W/(m2·℃），在規(guī)定的流動條件下，計算出的Ko’為513W/(m2·℃），有故所選的換熱器是合適的，其安全系數(shù)為%=17.1%。4固定管板式換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計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)計壓力pc=1.6Mpa，殼體材料為Q-235B，查《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》[3]p-311附錄9得，其相應(yīng)的許用應(yīng)力[σ]t=113Mpa；查《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》[3]p-96表4-8，焊縫系數(shù)取為0.85，Di=300mm，故計算厚度：根據(jù)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》p-97，取C2=1.0mm，負(fù)偏差C2取0.25mm圓整后，δn=4mm，即殼體壁厚為4mm。4.2管子拉脫力計算根據(jù)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》p-205，取脹接長度l=50mm；根據(jù)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》p-295附表1-1，查地碳鋼線膨脹系數(shù)αl=11.2×10-6mm/(mm·℃)，彈性模量E取為200×103Mp根據(jù)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》p-218,表7-11，許用拉脫力取為4Mpa。在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中，mm2P=0.6Mpa，l=50mm，溫差應(yīng)力導(dǎo)致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中，，As=πD中δn=π×308×4=3868mm2則又因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]=4.0Mpa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)計參數(shù)表2主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計參數(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/MPa0.4~0.60.4~0.6操作溫度/℃90（進口）/60（出口）30（進口）/50（出口）流量/kg/h137509226流體密度/kg/812.6992.2流速/m/s0.260.51傳熱量/W213930總傳熱系數(shù)W/(m2·℃）513對流傳熱系數(shù)W/(m2·℃）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)3管尺寸Φ25×2.5mm管程數(shù)Np2管長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管數(shù)nc7管心距32mm5換熱器裝配簡圖詳見附圖。6設(shè)計評述本次化工原理課程設(shè)計是對列管式換熱器的設(shè)計，經(jīng)過查閱有關(guān)文獻資料，對換熱器參數(shù)進行了設(shè)計及反復(fù)核算，以確保設(shè)計的準(zhǔn)確性。以下是對本設(shè)計的一些評述。從工藝要求和經(jīng)濟性出發(fā)，選用了固定管板式換熱器作為設(shè)計對象。根據(jù)已知條件選定換熱器規(guī)格后，經(jīng)過很多次核算，K’/K值始終達不到要求的1.15~1.25范圍。然后，通過查閱更多資料、反復(fù)再次核算，加上和同學(xué)的激烈討論，終于取得了階段性的勝利，基本上完成了換熱器設(shè)計這塊。繪制換熱器的裝配圖，需要對換熱器有全面的認(rèn)識，許多細(xì)節(jié)問題必須注意到，主視圖、剖視圖、局部放大圖等才能較好的完成。整個流程下來，對固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的選型有了更理性的認(rèn)知。通過本次設(shè)計，真的學(xué)到了很多。首先，熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程，學(xué)會