化工原理 换热器设计.docx

|化工原理课程设计任务书专业班级：07过控02 学生姓名：赵凯 学号： 0703020228一 设计题目：正戊烷冷凝器的设计二 课题条件（文献资料，仪器设备，指导力量）（一）设计任务设计一冷凝器，冷凝正戊烷蒸气;1) 处理能力：6万吨/年。2) 正戊烷蒸气压力：0.75kgf/cm2，其饱和温度为52，蒸发潜热为83kcal/kg3) 冷却剂：自来软水，进口温度 出口温度（二）操作条件：（1）生产方式：连续操作（2）生产时间：每年以300天计算，每天24小时（3）冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力均不大于30kpa三设计任务1.确定设计方案，绘制工艺流程图。2.热力学计算2.1热力学数据的获取2.2估算传热面积2.3工艺尺寸的计算2.4面积核算2.5壁温校核2.6压降校核3.结构设计3.1冷凝器的安装3.2管设计3.3管心距设计3.4管板设计3.5折流板设计3.6壳体设计3.7接管设计3.8封头设计3.9法兰设计3.10支座设计3.11其他4.设计计算结果汇总表5.设计结果评价6.绘制装配图7.编制设计说明书设计流程图确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间估计传热总数，计算传热面积初值计算选择传热管参数，并计算管程相应参数计算值与假定值相差较大估计冷凝给热系数计算值与假定值相差较大压降大于设计压力裕度过大或过小核算冷凝给热系数计算管内给热系数总传热系数核算计算值与假定值相差不大折流板计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较压降小于设计压力裕度系数校验考虑夏冬季的温度差异，改变冷流体进口温度裕度合适计算换热器其余零件确定换热器基本尺寸工艺流程图l 热力学计算 1.热力学数据的获取正戊烷液体在定性温度（52）下的物性数据（查化工原理附录） 循环水的定性温度：入口温度为，出口温度为循环水的定性温度为两流体的温差，故选固定管板式换热器两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·)导热系数W/(m·)正戊烷525960.182.340.157循环水32.59940.7254.080.626 2.估算传热面积 （1）计算热负荷 =6/(30024)=8333.3kg/h=2.31kg/s （2）冷却水用量 =804.3/4.08(40-25)=13.1kg/s （3）计算有效平均温度差 逆流温差 （4）选取经验传热系数K值 根据管程走循环水，壳程走正戊烷，总传热系数K现暂取： （5）估算换热面积 3.工艺尺寸计算（1）管径和管内流速 选用25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8m/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 =(根） 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，现 取传热管长l=4.5m，则该换热器的管程数为 = 传热管总根数 N=53×4=212(根） （3）平均传热温差校正及壳程数: 平均温差校正系数有 : R= P= 单壳程，双管程结构，查得 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，故取单壳 程合适。 （4）壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。取管板利用率=0.7 ，则壳 体内径为 D=1.05t 按卷制壳体的进级档，可取D=600mm 则横过管数中心线管的根数 （根） 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D600mm 公称换热面积S66.8m2 管程数4 管数n212 管长L4.5m 管子直径 管子排列方式正三角形（5）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*600=120mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3*600=180mm，可取B=200mm。折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=4500/200-1=22（块）4. 面积核算 （1）壳程表面传热系数 （2）管内表面传热系数.， 有 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(m·K)。所以 （4） 传热系数依式3-21有 （5）传热面积裕度 :可得所计算传热面积Ap为 该换热器的实际传热面积为 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.壁温核算与冷凝液流型 核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算 ，这与假设相差不大，可以接受。 核算流型 冷凝负荷 （符合层流假设） 6.压降校核 （1）计算管程压降 （结垢校正系数，管程数，壳程数） 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是 对的管子有 <30KPa 故, 管程压降在允许范围之内。 （2）计算壳程压降 按式计算 , , 流体流经管束的阻力 F=0.5 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 取 0.5×0.335×16.01×(22+1)×=14679Pa 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.6m Pa 总阻力 14679+9429=24108Pa<30KPa 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。 l 结构设计1.冷凝器的安装 （1）采用卧式换热器 卧式换热器相对立式换热器，其占地面积虽然大一些，但其传热系数高， 不易积气，易于安装和维修等 。为了减少液膜在列管上的包角及液膜的厚度， 管板在装配时留有1%左右的坡度，或 者将其轴线与设备水平线偏转一定的角度 ，其计算公式为： 得： （2）随蒸汽冷凝，流通截面积逐渐缩小，以保持蒸汽的流速。 （3）冷凝器的组合方式：单台。 （4）冷凝器内部安装折流板 在对流传热的换热器中，为了加强壳层流动的速度和湍流程度，以提高传 热效率，再在壳层内可安置折流板，折流板还起支撑的作用。 （5）通入蒸汽前要用一排气管排出里面的空气和不凝气，但传热冷凝过程中必须 关闭。2.管子的设计 （1）采用光滑管 光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为了提高换 热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，螺纹管 等。 （2）选用 的管子。 （3）管长 我国生产的无缝钢管长度一般为6m，故系列中换热管的长度 分为1.5，2,3,4.5,6 米几种， 本设计中采用4.5米长的管子。 （4）管子的排列形式 管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形错列，正方形直列和正方 形错列。 .正三角形错列 .正方形直列 .正方形错列 正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好， 但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结 垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错 列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。 本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。 （5）管数 标准管数为212根。 3.管心距的设计： 采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接在挤压作用下发生变形，失去 管子与管板之间的连接力。故采用焊接法。 根据经验公式： 隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22 各程相邻管的管心距为44。 4.管板的设计 （1）管板的作用：固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁，将管程 流体分隔开来。 （2）管板上的管孔数：即为壳体中的传热系数（包括圆缺形板区安置的）。 （3）管板上的孔间距不宜过大，避免布管疏松，不利传热；也不宜过小，避 免焊接时引起较大的应力，影响焊接质量，另外也不利于清扫壳程管束。 （4）管板与壳体连接采用不可拆式，即直接焊在壳体上，稍微延伸，兼作法 兰，便于对胀口进行检查和维修以及清洗管子。 （5）管板直径与厚度 管板与壳体直径应保持一致。 管板厚度与材料强度，介质压力，温度和压差，温差以及管子和外壳的 固定方式和受力因素有关。对于管子与管板胀接时，为保证胀接的可靠性， 管板的最小厚度为0.75。管子与管板焊接时，由于焊接可以达到甚至超过 管子本身的强度，只要管子强度足够，管子厚度可不受限制，而由焊接工艺 及焊接变形等要求来确定。 本设计中选用由于管子与管板采用 ，但焊接式，故取。 （6）采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。 （7）管子在管班上的固定方法，必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接 处产生泄漏。连接方式一般有三种：胀接法，焊接法，胀焊并用法；一般采 用的事胀接法和焊接法。由于焊接法在高温高压下仍能使用，保持连接的紧 密性，管孔加工要求低节约空的加工工时，同时焊接工艺比胀接工艺简单等 优点，故本设计中采用焊接法。根据标准规定，管子外径为25mm时，管板 孔的直径为25.8mm,允许偏差；相邻孔中心距32mm，管孔中心距偏 差：相邻孔间，任意孔间；支撑板孔直径25.6mm,允许偏 差。 管子露出管板的长度，采用1.5mm。 5.折流板设计 （1）采用圆缺形性折流板。 （2）圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两 种。上下方向排列者可造成液体的剧烈湍动，增大传热膜系数，这种结构最为 常用。故本设计中选用圆缺上下方向排列。 （3）圆缺折流板的圆缺高度一般为%至40%，本设计中采用 h=20%=20%600mm=120mm。 （4）允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距B=0.3D， 则B=0.3×600mm=180mm，取B为200mm。 折流板数目= 折流板圆缺面水平装配 (5)折流板外径为600-5=595mm。 （6）折流板厚度为5mm 6.壳体设计 壳体厚度计算： 其中 ，,，（双面焊缝）， 故 考虑到开孔的削弱及安全，以及开孔的强度补偿措施，取壳体厚度为11mm。 壳体总重约155Kg。 7.壳程接管的设计 （1）壳程流体进口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为m 圆整后可取接管规格为。 （2）管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.0m/s，则接管内径为m 圆整后可取接管规格为。 （3）壳层流体出口接管，为方便计算，取与管程进出口管规格相同。 （4）接管的外伸长度 8.封头设计 由于椭圆形封头制造方便，结构合理，用材较少，故本设计采用标准椭圆 形封头： 为了与筒体配套和焊接方便，标准椭圆形封头内径为600mm，厚度为10mm， 曲面高度为120mm，直径高度为30mm，重量约为15.5Kg。 9.法兰设计 （1）壳层流体进出口接管法兰，查表得： 焊缝 （2）管层流体进出口接管法兰，查表得： 焊缝 10.支座设计 化工设备中的支座是支撑设备位置用的一种必不可少的部件，在某些场合 ，支座还可以承受设备操作时的震动，地震载荷，风雪载荷等。支座的结构形 式和尺寸往往取决于设备的型号，载荷情况及构造材料。常用的有：悬挂式支 座，支撑式支座和鞍式支座。本设计中采用鞍式支座，以满足卧式冷凝器的要 求。查表得选用 支座一个 ，支座一个。 11.其他 （1）拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为600mm,故其拉杆直径为12 拉杆数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板。 （2）其他附属部件可根据国家标准的有关规定及容器设计规范进行选用，计 算和制造。l 换热器主要结构尺寸和计算结果列表如下： 项目 结果 单位 换热器公称直径D 600 换热器管程数p 4 - 换热器管子总数Nt 212 根 换热器单管长度L 4.5 换热器管子规格 换热器管子排列方式 正三角形错列 - 管心距 32 隔板中心到最近 管中心距S 22 各程相邻管管心距2S 44 管板厚度T 22 折流板间距B 200 折流板个数NB 22 根 折流板外径 595 折流板厚度 5 壳体厚度d 11 壳程流体进口接管规格 壳程流体出口接管规格 管程流体进出口接管规格 封头厚度d 10 封头内径 600 封头曲面高度 120 封头直径高度 30 传热负荷Q 804.3 KW 正戊烷蒸汽流量m1 2.31 Kg/s 循环水流量m2 13.1 Kg/s 初选总传热系数Ko 650 W/m2.K 初步估算传热面积A 66.8 m2 管程流速 0.79 m/s 壳程传热系数o 1558 W/m2.K 管程传热系数i 3940 W/m2.K 总传热系数K 690.6 W/m2.K 所需传热面积Ap 62.9 m2 实际传热面积Ac 74.8 m2 传热面积裕度F 19.06% - 校核壁温tw 39.2 oC 管程压降Pt Pa 壳层压降Ps 24108 Pal 设计结果评价(1) 通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,说明在采用能量系数/来评 价强化传热时,应更着眼于提高其换热性能。本设计中： ，=1+2+3+4=33603Pa K/N=0.0253 满足要求，性能良好。（2） 本设计通过对面积校核，压降校核，壁温校核等计算可知均满足要求，且传热效率为70%，能很好的完成任务。（3） 经济和环境效益评价：生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的过程,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再利用、维护、再循环及最终处置。本设计中使用水作冷却剂，无污染，耗资少，无有害气体产生，整个过程简单，易操作，环境和经济效益良好。（4） 本设计中面积，传热系数，压降等均有比较好的裕度保证，即使生产使用中出现比较大的误差，设备结构也能保证不出现打的安全损伤的事故，具有良好可靠的安全保证。- 17 -