列管式换热器课程结构设计 20页

'列管式换热器课程结构设计一、化工原理课程设计任务书某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102℃冷却至40℃。已知有机料液的流量为（2.5－0.01×24）×104=2.26×104kg/h，循环冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。已知：定性温度下流体物性数据物性流体密度kg/m3粘度Pa·s比热容CPkJ/（kg·℃）导热系数W/（m·℃）有机化合液9860.54*10-34.190.662水9940.728*10-34.1740.626注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8。二、确定设计方案1.选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度102℃，出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。。2.管程安排已知两流体允许压强降不大于60kPa；两流体分别为有机料液和冷却水。与有机料液相比，水的对流传热系数一般较大。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，考虑到散热降温方面的因素，应使循环冷却水走管程，而使有机料液走壳程。20 三、确定物性数据定型温度：对于一般低粘度和水等粘度低流体，其定性温度可取流体进出口的平均值。故壳程有机料液的定性温度为管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。有机料液在71下的有关物性数据如下：密度定压比热容热导率粘度循环水在35下的物性数据：密度定压比热容热导率粘度四、估算传热面积1.热流量2.平均传热温差暂按单壳程、多管程进行计算。逆流时，=-=102-40=62；=-=40-30=1020 平均传热温差为2.传热面积设总传热系数为K0=500W/(m.K)则所需的传热面积为S=Q/(K0Δtm)=1630000/(500×21.3)=153m24.冷却水的用量五、工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用的碳钢管，初步选用管内流速m/s。2.管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数按照单程管设计，所需的传热管长度为取L=12m，按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，才用非标设计，现取传热管长则该换热器的管程数为传热管总根数为3.传热平均温差校正与壳程数平均温差校正系数：20 按单壳程，双壳程结构，查图4-19b单壳程的温差校正系数可得：平均传热温差由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故壳程合适。4.传热管排列和分程方法换热管标准排列形式有以下几种：本设计中采用正三角形排列.20 在上述几种排列中，a、d排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。隔板中心到离其最近一排管中心距各程相邻管的管心距为44mm。5.壳体内径采用多管程结构，进行壳体内径计算。取管板的利用率，则壳体内径为：按照卷制壳体的进级档，可取D=700mm。筒体的直径校核计算：壳体的内径壳体应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：，因为，管子按正三角形排列，管数：取按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得：6.折流挡板采用圆缺形折流挡板，去折流挡板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为20 故，可圆整取取折流板的间距。折流板数7.其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为700mm，故其拉杆直径为Φ12拉杆，数量为8，8.接管壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为，则接管内径为：m圆整后得到管内径为：管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为：圆整后得到管内径为：六、换热器核算1.热流量核算（1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式当量直径，由正三角形排列得壳程流通截面积20 壳程流体流速及其雷诺数分别为普兰特准数粘度校正（2）管程对流传热系数管程流通截面积:管程流体流速:普兰特准数:（3）污垢热阻和管壁热阻：20 取壳程污垢热阻:取管程污垢热阻:该件下的热导率为45w/(m·K)。所以（4）传热系数有：因为，介于1.12至1.5之间符合要求。（5）传热面积裕度：计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为:综上所述，传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式20 计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15℃，出口温度为40℃计算传热管壁温。另外，由于传热管外侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：式中循环水的平均温度和有机料液的平均温度分别计算为0.4×40+0.6×15=25℃=298K(102+40)/2=71℃=344K4716.1w/㎡·K1377w/㎡·K传热管平均壁温壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=344K。壳体壁温和传热管壁温之差为℃。该温差较小，故不需设温度补偿装置。3．换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力,,,由Re=26762,传热管对粗糙度查莫狄图得，流速=0.98m/s,,所以：20 所以，管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力：：则：由此可知本换热器符合要求。注：———折流板数目；B———折流板间距,m；Di———壳体内径,m；F———管子排列方式对压力降的校正因数,对于正三角形排列,f0———壳程流体的摩擦系数。nc———横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列:nc=1.1N；管子按正方形排列:nc=1.19；20 u0———壳程流体横过管束的最小流速,m/s,²设计结果参数管程（循环水）壳程（有机料液）流量（kg/h）140632.522600进/出口温度/℃30/40102/40压降/kPa<60<60物性定性温度/℃3571密度/（kg/m3）994986定压比热容/[kJ/（kg•℃）]4.1744.19粘度/（Pa•s）0.728×0.54×热导率（W/m•℃）0.6260.662普朗特数4.853.42设备结构参数形式固定管板式管程数2壳体内径/㎜700壳程数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜44管长/㎜6000管子排列混合管数目/根250折流板数/个10传热面积/㎡153折流板间距/㎜550管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.980.08表面传热系数/[W/（㎡•k）]4716.11377污垢热阻/（㎡•k/W）0.00040.0002阻力/Pa10424.4303.7热流量/kW1630传热温差/K28.420 传热系数/[W/（㎡•K）]562裕度/%7.9%七、结构设计1、固定管板结构设计：由于换热器的内径已确定，采用标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为：固定管板外径：固定管板外径与壳体内径间隙：取垫片宽度：按《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）:表4-16：取固定管板密封面宽度：外头盖内径：2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计：依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径700，按JB4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）。3、管箱结构设计：选用B型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算：取管箱长为800mm，管道分程隔板厚度取7mm。4、固定端管板结构设计：依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：D=806mm。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径；按JB4703-9320 长颈法兰标准选取并确定尺寸。6、外头盖结构设计：外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。7、垫片选择：a.管箱垫片：根据管程操作条件（循环水压力，温度35）选石棉橡胶垫。结构尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-39（b）所示：b.外头盖垫片：根据壳程操作条件（有机料液，压力，温度71），选缠绕式垫片，垫片：（JB4705-92）缠绕式垫片。8、折流板布置：折流板尺寸：外径：；厚度取3mm前端折流板距管板的距离至少为450mm；结构调整为550mm；见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）实际折流板间距B=550mm，计算折流板数为10块。9、说明:在设计中由于给定压力等数及公称直径超出JB4730-92，长颈对焊法兰标准范围，对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值，只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算1、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度71，设计压力等于工作压力为5471，选低合金结构钢板16卷制，查得材料71时许用应力。取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0内压圆筒计算厚度公式：20 =从而：计算厚度：=mm设计厚度：mm名义厚度：圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足试验压力：2、外头盖短节、封头厚度计算：外头盖内径=800mm，其余参数同筒体：短节计算壁厚：S==短节设计壁厚：短节名义厚度：圆整取=22mm有效厚度：压力试验应力校核：20 压力试验满足试验要求。外头盖封头选用标准椭圆封头：封头计算壁厚：S==封头名义厚度：取名义厚度与短节等厚：3、管箱短节、封头厚度计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为35，设计压力为18.786M，选用16MnR钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm计算厚度：S==设计厚度：名义厚度：结合考虑开孔补强及结构需要取有效厚度：压力试验强度在这种情况下一定满足。管箱封头取用厚度与短节相同，取4、管箱短节开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，，=1mm20 接管计算壁厚：mm接管有效壁厚：开孔直径：接管有效补强高度：B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度：需补强面积：A=dS=363.71.94=705.6可以作为补强的面积：该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接管开孔补强校核：开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管钢管许用应力：，=1mm接管计算壁厚：接管有效壁厚：开孔直径：20 接管有效补强厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：需要补强面积：A=d=306.635.75=10960.95可以作为补强的面积为：尚需另加补强的面积为：补强圈厚度：实际补强圈与筒体等厚：；则另行补强面积：同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算：固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度b=100mm。总换热管数量n=256；一根管壁金属横截面积为：开孔温度削弱系数（双程）：两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L取6850mm计算系数K：20 K=3.256接管板筒支考虑，依K值查《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社：图4-45，图4-46，图4-47得：管板最大应力:或筒体内径截面积：管板上管孔所占的总截面积：系数系数壳程压力：管程压力:当量压差：管板采用16Mn锻：换热管采用10号碳系钢：管板管子程度校核：20 管板计算厚度满足强度要求。课程设计心得为期一个星期的课程设计即将结束了，根据老师的要求，我们要设计列管式换热器。在短短的一周里，大家都忙着找资料、讨论，努力将自己的设计做得最好。时间虽短，却受益匪浅。首先，这次虽然是一周时间段的课程设计，但所用到的知识很多，包括化工原理、工程热力学、工程流体力学、机械设计和机械制图等方面的知识。并且，这些知识都不是机械相加的，而是需要很全面的考虑和布局，仅仅是一次的考虑不周就要重新来过。例如，传热系数的计算，因为要与在设计开始时估计的值匹配，而我刚开始的时候选的是300，一直算到最后才发现结果错误。之后我将K值定为500，后来结果还是错误的。我请教别的同学，又很仔细分析了影响K值的因素才知道，估计的速度太大了。在我将假设速度由1.3m/s改为1m/s之后，一切就迎刃而解了。其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度。这次课程设计的工作量大，而且用到的知识也很多。虽然这是单独完成的设计，但我们要借阅资料，好要讨论，这样才能够发现自己的不足，改正错误，得出较合理的方案。接着就是画图了，根据自己所找的资料和老师给的图，每个人都要画一张CAD图纸。虽然之前有学过CAD制图，但是我们只是懂得画一些简单的图纸而已，加上已经很久没用过CAD了，所以开始的时候进度很慢。在制图过程中遇到的问题是最大的，有时候不知如何下手，但是又不甘草草了事，所以在很多方面都尽量做到最好。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解，但由于本课程设计时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。这次可生设计让我们把所学的知识得以运用，让我明白什么是严谨的科学态度。20 参考文献1.化工原理课程设计.柴诚敬.1版.天津:天津大学出版社,19942.夏清,陈常贵主编.化工原理（上册）[M].天津：天津大学出版社.20053.匡国柱.化工单元过程及设备课程设计.1版.北京:化学工业出版社,20024.李功祥.常用化工单元设备设计.1版.广州:华南理工大学出版社,20035.《过程设备设计》（第二版）化学工业出版社6.《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社7.《化工原理》姚玉英.上册,1版.天津:天津大学出版社,199920'