用水冷却甲苯的列管式换热器设计.docx
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
一、设计题目:
用水冷却甲苯的列管式换热器设计
二、设计任务及操作条件
1、设计任务:
(1)选择适宜的列管式换热器;
(2)核算;(3)在A3图纸中绘制换热器结构图、管板结构图、折流结构图
设计说明书一份、A3图纸一张;
2、操作条件
处理能力:
甲苯进料量:
110000吨/年
操作时间:
8000 小时/年
甲苯:
入口温度90℃,出口温度60℃;
操作压力 (~)MPa
水:
入口温度30℃,出口温度50℃
操作压力 (~)MPa
允许压降不大于Mpa,厂址:
宁波地区。
三、设备型式
列管式换热器
四、设计项目(说明书格式)
1、封面、任务书、目录。
2、设计方案简介:
对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。
3、换热器的工艺计算:
确定换热器的传热面积,并初选换热器规格
4、核算总传热系数,计算压力降
5、换热器的主要结构尺寸设计。
6、绘制水冷却甲苯的列管式换热器设计的换热器装配简图。
7、对本设计进行评述。
8、参考文献
1设计方案简介
工艺流程概述
由于循环冷却水较易结垢,为便于水垢清洗,应使循环水走管程,甲苯走壳程。
如图1,甲苯经泵抽上来,经管道从接管A进入换热器壳程;冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。
两物质在换热器中进行交换,甲苯从90℃被冷却至60℃之后,由接管B流出;循环冷却水则从30℃升至50℃,由接管D流出。
图1工艺流程草图
选择列管式换热器的类型
列管式换热器,又称管壳式换热器,是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。
其主要优点是:
单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好;此外,结构简单,制造的材料范围广,操作弹性也较大等。
因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。
1.2.1列管式换热器的分类
根据列管式换热器结构特点的不同,主要分为以下几种:
⑴固定管板式换热器
固定管板式换热器,结构比较简单,造价较低。
两管板由管子互相支承,因而在各种列管式换热器中,其管板最薄。
其缺点是管外清洗困难,管壳间有温差应力存在,当两种介质温差较大时,必须设置膨胀节。
固定管板式换热器适用于壳程介质清洁,不易结垢,管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。
⑵浮头式换热器
浮头式换热器,一端管板式固定的,另一端管板可在壳体内移动,因而管、壳间不产生温差应力。
管束可以抽出,便于清洗。
但这类换热器结构较复杂,金属耗量较大;浮头处发生内漏时不便检查;管束与壳体间隙较大,影响传热。
浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。
⑶填函式换热器
填函式换热器,管束一端可以自由膨胀,造价也比浮头式换热器低,检修、清洗容易,填函处泄漏能及时发现。
但壳程内介质有外漏的可能,壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。
⑷U形管式换热器
U形管式换热器,只有一个管板,管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。
其缺点是管内不便清洗,管板上布管少,结垢不紧凑,管外介质易短路,影响传热效果,内层管子损坏后不易更换。
U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合,尤其是管内介质清洁,不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。
1.2.2类型的确定
所设计的换热器用于冷却甲苯,甲苯:
入口温度90℃,出口温度60℃;水:
入口温度30℃,出口温度50℃;该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足Tm-tm=75-40=35℃﹤50℃,两流体温度差不大。
加上固定管板式换热器结构简单、造价低廉,所以本设计选用固定管板式换热器,且不需考虑热补偿。
流动路径的选择
本设计为两流体均不发生相变的传热过程,因水的对流传热系数一般较大,且易结垢,故选择冷却水走换热器的管程,甲苯走壳程。
2换热器的工艺计算及选型
确定物性数据
水的定性温度
℃,甲苯定性温度
℃,查得水、甲苯在各自定性温度下的物性数据:
表1定性温度下各流体物性[1]
密度/(kg/m3)
比热容/(kJ/(kg·℃))
黏度/(Pa·s)
导热系数/(w/m·℃)
水
×10-3
甲苯
×10-3
初算换热器的传热面积
⑴计算热负荷和冷却水流量
Q=Whcph(T1-T2)=13750××103×(90-60)/3600=213930W
⑵计算两流体的平均温度差。
先按单壳程单管程进行计算,逆流时的平均温度差为
℃
有关参数
,
根据R,P值,查《化工原理》[1]P-280图4-19可读得,温度校正系数φΔt=,则平均温度差Δtm=Δtm’φΔt=×=31.98℃
⑶按经验数值初选总传热系数K0(估)
选取K0(估)=450W/(m2·℃)
⑷初算出所需传热面积
初选换热器规格
对于易结垢的流体,为方便清洗,采用外径为Φ25mm的管子。
由于Tm-tm=35℃,因此不需考虑热补偿。
再由换热面积,查《换热器设计手册》[2]P-17表1-2-1,选定G273Ⅰ型换热器,有关参数见下表2。
表2所选换热器结构基本参数
公称直径/mm:
300
公称压强/MPa:
公称面积/m2:
管程数:
2
管子尺寸/mm:
Φ25×
管长/m:
6
管子总数:
37
管子排列方法:
正三角形排列
查《化工设备机械基础》[3]p-215表7-10,壳体直径为159~325时,拉杆数量为4个。
由《换热器设计手册》[2]P-18式1-2-1,计算实际传热面积:
So=nπd(L-2δ=(37-4)×××(6-2×15.27m2若选该型号的换热器,则要求过程的总传热系数为
W/(m2·℃)
3换热器核算
压力降的核算
3.1.1管程压力降
∑Δpi=(Δp1+Δp2)FtNp其中,Ft=,Np=2。
管程流通面积
设管壁粗糙度ε=0.1mm,ε/di=20=,查《化工原理》[1]P-54图1-27第一章中λ-Re关系图中查得:
λ=,所以
则∑Δpi=(1393+387)××2=4984Pa
3.1.2壳程压力降
∑Δpo=(Δp1’+Δp2’)FsNs其中,Fs=,Ns=1,
查《化工原理》[1]P-284:
管子为正三角形排列,F=。
nc=√n=√37≈7
查《换热器设计手册》[2]P-14表1-2-3,取折流挡板间距h=0.2m,
壳程流通面积Ao=h(D-ncdo)=×(0.3-7×)=0.025m2
fo=所以
∑Δpo=(970+922)×=1088Pa
计算表明,管程和壳程压强都能满足题设(不大于MPa)的要求。
总传热系数的核算
⑴管程对流传热系数αi
Rei=15430(湍流)
W/(m2·℃)
⑵壳程对流传热系数αo
由《化工原理》[1]P-253式4-77a计算,即
查《化工设备机械基础》[3]p-208表7-5,取换热器列管之中心距t=32mm,则流体通过管间最大截面积为
A。
=hD(1-
)=×0.3×(1-
壳程中甲苯被冷却,取
,所以
W/(m2·℃)
⑶污垢热阻
参考《化工原理》[1]附录p-355表22,污垢系数取为0.52m2·K/kW,则
管、内外侧污垢热阻分别为Rsi=0.000066m2·℃/W,Rso=0.000112m2·℃/W
⑷总传热系数Ko
管壁热阻可忽略时,总传热系数Ko为
=513W/(m2·℃)
由上面计算可知,选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为438W/(m2·℃),在规定的流动条件下,计算出的Ko’为513W/(m2·℃),有
故所选的换热器是合适的,其安全系数为
%=%。
4固定管板式换热器的主要结构尺寸设计
固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板(或支撑板)、接管、支座等。
壳体壁厚的确定
选取设计压力pc=,壳体材料为Q-235B,查《化工设备机械基础》[3]p-311附录9得,其相应的许用应力[σ]t=113Mpa;查《化工设备机械基础》[3]p-96表4-8,焊缝系数
取为,Di=300mm,故
计算厚度:
根据《化工设备机械基础》p-97,取C2=1.0mm,负偏差C2取0.25mm。
圆整后,δn=4mm,即壳体壁厚为4mm。
管子拉脱力计算
根据《化工设备机械基础》p-205,取胀接长度l=50mm;
根据《化工设备机械基础》p-295附表1-1,查地碳钢线膨胀系数αl=×10-6mm/(mm·℃),弹性模量E取为200×103Mpa;
根据《化工设备机械基础》p-218,表7-11,许用拉脱力取为4Mpa。
1在操作压力下,管子每平方米胀接周边上所受到的力
其中,
mm2
P=,l=50mm,
2温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
其中,
,As=πD中δn=π×308×4=3868mm2
则
又因qp与qt作用方向相同,都使管子受压,则管子的拉脱力:
Q=qp+qt=+=<[q]=Mpa
因此,拉脱力在许用范围内。
换热器的主要结构尺寸设计参数
表2主要结构尺寸设计参数
换热器型式:
固定管板式
换热器面积/m2:
工艺参数
名称
壳程
管程
物料名称
甲苯
水
操作压力/MPa
~
~
操作温度/℃
90(进口)/60(出口)
30(进口)/50(出口)
流量/kg/h
13750
9226
流体密度/kg/
流速/m/s
传热量/W
213930
总传热系数W/(m2·℃)
513
对流传热系数W/(m2·℃)
752
2935
污垢系数/W/(m2·℃)
压力降/Pa
1088
4984
推荐使用材料
碳钢
碳钢
壳径D(DN)
300mm
管尺寸
Φ25×2.5mm
管程数Np
2
管长L
6m
管子总根数
37(拉杆4)
管排列方式
正三角形排列
中心排管数nc
7
管心距
32mm
5换热器装配简图
详见附图。
6设计评述
本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计,经过查阅有关文献资料,对换热器参数进行了设计及反复核算,以确保设计的准确性。
以下是对本设计的一些评述。
从工艺要求和经济性出发,选用了固定管板式换热器作为设计对象。
根据已知条件选定换热器规格后,经过很多次核算,K’/K值始终达不到要求的~范围。
然后,通过查阅更多资料、反复再次核算,加上和同学的激烈讨论,终于取得了阶段性的胜利,基本上完成了换热器设计这块。
绘制换热器的装配图,需要对换热器有全面的认识,许多细节问题必须注意到,主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。
整个流程下来,对固定管板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。
通过本次设计,真的学到了很多。
首先,熟悉了化工原理课程设计的流程,学会了如何根据工艺要求查找相关资料,并从各种资料中筛选出较适合的资料,继而对换热器进行准确设计;其次,巩固了以前学习的化工知识,理解得相对更深入、透彻了些;此外,学习时要跟同学探讨,一个思想加一个思想,或许会碰撞出更多思维的火花。
第一次做本次课程设计,我们大都是在摸索中前进,走了不少曲折的路。
加上可利用文献资源有限、时间有限,这次设计仍存在许多地方需要去改进与完善。
7参考文献
[1]夏清,陈长贵.化工原理[M].天津:
天津大学出版社,2010.
[2]钱颂文.二换热器设计手册[M].化学工业出版社,2002.
[3]刁玉玮,王立业,喻键良.化工设备机械基础[M].大连:
大连理工大学出版社,2010.