磷酸鉀冷卻器的設(shè)計

磷酸鉀冷卻器的設(shè)計1概論1.1設(shè)備綜述在化工生產(chǎn)中為了實(shí)現(xiàn)物料之間能量傳遞過程需要一種傳熱設(shè)備。這種設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換熱器就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工煉油，動力，原子能和其他許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，對于迅速發(fā)展的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。而在諸多種類的換熱器中，列管式換熱器的應(yīng)用則最為廣泛。列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。同時板式換熱器也已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。在此，我們只對列管式換熱器進(jìn)行介紹。1.2列管式換熱器簡介(1)(1)(1)固定管板式換熱器(1)固定管板式換熱器固定管板式換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%。隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟(jì)效益。固定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同溫度的流體，通過熱交換完成Ap2=p^=3X05"2x998-537,1(Pa)2 2LAPi=(2014.2+537.1)XI.5X2二7653.9(Pa)管程流體阻力在允許范圍內(nèi)。②殼程阻力Ep0=(Ap1+Ap2)FtNsNs=l,Ft=l.15流體流經(jīng)管束的阻力：APi=Fforic(NB+l)F=0.5fo=5X6968。228=0.6649nc=16> Nb=39>uo=O.32O(m/s)A' c.%1300x0.3202Api=0.5X0.6649X16X(39+1)2=14161.8(Pa)流體流經(jīng)折流板缺口的阻力：Ap；=Nb(3.5-史)還

12 D2B=0.15(m)、D=0.55(m)八’“-2x0.15、1300X0.322Ap2=39X(3.5---)X---vJeOO 4=7670(Pa)總阻力Epo=(14161.8+7670)X1XL15=25106.57(pa)=2.5X104(Pa)由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體流動阻力也比較適宜。③換熱器主要尺寸和計算結(jié)果。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見表10

表1換熱器型式：固定管板式換熱器面積Ap(m2)：78.2工藝參數(shù)參數(shù)管程冗程物料名稱循環(huán)水磷酸鉀操作壓力P/(MPa)0.20.04操作溫度t/T(℃)20/3265/32流量qm(kg/s)7.515.6流體密度P/(kg/m3)9981300流速u/(m/s)0.5990.320傳熱量Q/(W)784327.5總傳熱系數(shù)K/(W/(m2?℃))699.3對流傳熱系數(shù)a/(W/(m2?℃))29242951污垢系數(shù)Rs/(m2.K/W)0.0003440.000172阻力降A(chǔ)p/(MPa)0.00770.025程數(shù)2管程1殼程使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格4)25mmX4)2.5mm管數(shù)：166管長/mm 6000管間距a/mm32排列方式正三角形折流擋板型式上下間距150切口高度25%殼體內(nèi)徑D/(mm)550保溫層厚度/(mm)無保溫層④核算數(shù)據(jù)。見下表2項(xiàng)目yUZ.I4~l數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)傳熱面積AP(m2)78.2換熱管管尺傳熱管尺寸25mmX2.5mm管程數(shù)Np(N)2管長l/(mm)6.0管數(shù)N/(根)166管排列方式正三角形排列中心排管數(shù)nJ(根)16管心距32mm殼徑D/(mm)550管數(shù)N/(根)166折流板數(shù)Nb/(塊)39塊管程對流傳熱系數(shù)ai/(W/(m2?℃))2924面積裕度H19.2%殼程對流傳熱系數(shù)a0/(W/(m2?℃))2951磷酸鉀流量qmo/(kg/s)7.5管程流通面枳A/m20.0261冷卻水流量qmi/(kg/s)15.6殼程流通面積A0/m20.018057主要符號說明磷酸鉀的定性溫度Tm冷卻水定性溫度tm磷酸鉀密度Po冷卻水密度Pi磷酸鉀定壓比熱容CpO冷卻水定壓比熱容Cpi磷酸鉀導(dǎo)熱系數(shù)篩冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)入i磷酸鉀粘度Uo冷卻水粘度Ui磷酸鉀流量QmO冷卻水流量Qmi熱負(fù)荷Qo平均傳熱溫差A(yù)tm總傳熱系數(shù)K管程雷諾數(shù)Re：溫差校正系數(shù)A<Pt管程、殼程傳熱系數(shù)初算初始傳熱面積A傳熱管數(shù)N初算實(shí)際傳熱面積Ap管程數(shù)NP殼體內(nèi)徑D橫過中心線管數(shù)nc折流板間距B管心距d折流板數(shù)Nb接管內(nèi)徑d管程壓力降△Po當(dāng)量直徑dm殼程壓力降△PiOi面枳裕度H8換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。參考文獻(xiàn)1馬江權(quán)，冷一欣?化工原理課程設(shè)計?第二版?北京：中國石化出版社，20092王志魁，劉麗英，劉偉-化工原理-第四版?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20103匡國柱，史啟才?化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20084化工工藝算圖-第四冊-化工傳熱及燃燒?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19905張洪流，張茂潤-化工單元操作設(shè)備設(shè)計-華東理工大學(xué)出版社，2011換熱。當(dāng)兩流體的溫度差較大時，為了避免較高的溫差應(yīng)力，通常在殼程的適當(dāng)位置上，增加一個補(bǔ)償圈（膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。定管板式換熱器管程和殼程中，流過不同溫度的流體，通過熱交換完成換熱。當(dāng)兩流體的溫度差較大時，為了避免較高的溫差應(yīng)力，通常在殼程的適當(dāng)位置上，增加一個補(bǔ)償圈（膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。定管板式換熱器管程和固定管板式換熱器由管箱、殼體、管板、管子等零部件組成，其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在相同直徑下面積較大，制造較簡單。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。當(dāng)膨脹之差較大時，可在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，以減少因管、殼程溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。（2）浮頭式換熱器新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個螺桿均布,浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而不與凹型槽相連通。浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時,管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設(shè)多個螺桿均布，設(shè)浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭,且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對應(yīng)匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結(jié)構(gòu)必要時可適當(dāng)加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內(nèi)徑，同時相應(yīng)變更加大相關(guān)零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設(shè)法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設(shè)法蘭或其他結(jié)構(gòu)與浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。(3)填料函式換熱器這種設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封結(jié)構(gòu)，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內(nèi)可以抽出，管內(nèi)、管間都能進(jìn)行清洗，維修方便。因填料處易產(chǎn)生泄漏，填料函式換熱器一般適用于4MPa以下的工作條件,且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì)，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。(4)U型管式換熱器管殼式換熱器的一種，屬石油化工設(shè)備，由管箱、殼體及管束等主要部件組成，因其換熱管成u形而得名。u形管式換熱器僅有一個管板，管子兩端均定于同一管板上。此類換熱器的特點(diǎn)是管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能較好;承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分需用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)清潔及不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。2設(shè)計方案(1)選擇換熱器的類型兩流體溫度變化情況：熱流體(磷酸鉀)進(jìn)口溫度65°C,出口溫度32°C。冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度20℃,出口溫度32℃。考慮到該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫相差不大，因此，初步確定選用固定管板式換熱器。(2)流動空間及流速的確定由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為了便于對水垢進(jìn)行清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程,磷酸鉀溶液走殼程。選用625nmiX62.5mm的碳鋼管，管內(nèi)流速取u=0.6m/s。3確定物性參數(shù)定性溫度：可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。殼程磷酸鉀的定性溫度為(65+32)/2=48.5(℃)管程循環(huán)水的定性溫度tm=(20+32)/2=26(℃)根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)數(shù)據(jù)。磷酸鉀在48.5c下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：Po=13OOkg/m3定壓比熱容：Cpo=3.169X103J/(kg?℃)導(dǎo)熱系數(shù)：入o=O.57W/(m?℃)黏度：Uo=L194Xl(rpa?s循環(huán)冷卻水在26℃下的物性數(shù)據(jù)如下:密度：Pi=998kg/m3定壓比熱容：Cpi=4.18X103J/(kg?℃)導(dǎo)熱系數(shù)：入i=o.61W/(m?℃)黏度：Ui=8.737X10-4Pa>s4計算總傳熱系數(shù)和傳熱面積(1)熱流量Qo=qmoCpo△to=7.5X3.169X103X(65-32)=784327.5(W)(2)平均傳熱溫差A(yù)ti-AtAti-At2A"臉Ati-At2A"臉(65-32)-(32-20)InAti-At2A"臉(65-32)-(32-20)In65-3232-20=20.8℃(3)冷卻水用量(3)冷卻水用量(3)冷卻水用量Qo784325.5qmi= =T 15.6(kg/s)MAtjCpi(32-20)x4.18xl03 5/7(4)總傳熱系數(shù)KdjUjOi管程傳熱系數(shù)：口步丁djUjOi管程傳熱系數(shù)：口步丁=djUjOi管程傳熱系數(shù)：口步丁= T=13708.737x10-4aR.023號(小吧嚴(yán)

由內(nèi)0.61=0.023X——X137070.02(m2?℃)].aR.023號(小吧嚴(yán)

由內(nèi)0.61=0.023X——X13707aR.023號(小吧嚴(yán)

由內(nèi)0.61=0.023X——X137070.02(m2?℃)].0.4o.8 z8.737x10-4x4.18x103a04 「,X( )u,，=2927?3[W/0.61殼程傳熱系數(shù)：假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)a。=2941W/(m2?℃)污垢熱阻Rsi=0.000344m2?℃/W,Rs0=0.000172m2?℃/W壁管的導(dǎo)熱系數(shù)入=45[W/(m?℃)]110.025 ,八八八八。,-0.025.0.0025x0.025,八八八2, 11295冰。,02。+°-°0°344><述+75茄,。五5一十°?（）°（）172+兩=700[W/(m2?℃)]784327.5-20.8x700計算傳熱面積:784327.5-20.8x700=53.9(m2)考慮到15%的面積裕度,A=1.15XAx=62.0（m2）5工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計算（1）管徑和管內(nèi)流速選用625mmX62.5mm的傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速Ui=u=0.6m/s.（2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)。15.6/998H-42.12x0.6=82.97仁15.6/998H-42.12x0.6=82.97仁83(根)按單程管計算，所需的傳熱管總長度為L=——ndons=9.51（m）按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長i=6m,則該換熱器管程數(shù)為NP=-差=2（管程）1 6傳熱管總根數(shù)N=nsNp=83X2=166（根）⑶平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù):R=11一1212Tl65-32-32-20=2.R=11一1212Tl65-32-32-20=2.75Ti-ti32-20一65-20=0.27按單殼程，管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)應(yīng)查有關(guān)圖表。查圖表可得，在R=2.75,P=0.27的情況下，<pAt=0.82.平均傳熱溫差△tm=<pAtAtm=0.82X20.8=17.1(℃)(4)傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角巷排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距a=l.25d,則：a=l.25X25=31.25弋32(mm)橫過管束中心線的管束乙=1.19西=1.197166=15.3^16(^)(5)殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率n=0.7,則殼體內(nèi)徑為：D=l.OSa^NTn=L05X32,166/0,7=517.4(mm)整可取D=550mm(6)折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%,則切去的圓缺高度為h=0.25X550=137.5(mm),故可取h=150mm。取折流板間距B=0.3D=0.3X550=165(mm)，可取B=150mm。折流板數(shù)用=傳熱管長/折流板間距-1=6000/150-1=39(塊)折流板圓缺面水平裝配。(7)接管殼程流體進(jìn)、出樓接管：取接管內(nèi)磷酸鉀流速為u=1.0m/s,則接管內(nèi)徑為：(4v /4X7.5/1300 、d=/——=/ =0.086(m)ynu7取標(biāo)準(zhǔn)管徑為689mmX3.5mmo管程流體進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=l.5m/s,則接管內(nèi)徑為:4v4x15.6/998—= -=0.115(m)ini\3.14x1.5 ''取標(biāo)準(zhǔn)管徑為4)127mmX6.0mm。6換熱器核算(1)熱量核算①殼程對流傳熱系數(shù)。對圓缺形折流板，可采用凱恩公式:ao=O.36y-RegS5pr1/3(A)0.14當(dāng)量直徑，由正三角形排列得：4de=一(空a2一抖)4de=一(空a2一抖)4(^x0.0322~x0.0252)Kd0=0.020(m)殼程流通截面積：AO=BD(1-—)=0.15X0.55Xa(1-^||)=0.01805(m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：7.5/1300=o320(m/s)

u0.01805 0025Iccccc“40025,0.0°25x°.025,0025Iccccc“40025,0.0°25x°.025,宣『一八安 ~~2924x0.020-^0,000344X0.020+45x0.0225+0000172+2951=699.3[W/(m2?℃)]④傳熱面積AA倉磊*65.6W該換熱器的實(shí)際換熱面積Ap：Ap=nd0lN=3.14XO.