化工原理預(yù)熱器課程設(shè)計(jì)

1、目錄目錄1.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)11.2設(shè)計(jì)任務(wù)11.3選擇換熱器的目的和型號(hào)11.3.1 選擇換熱器的目的11.3.2 換熱器的型號(hào)選擇11.4工藝條件的選擇21.4.1 流體流入空間的選擇21.4.2 流體流向的選擇22.1確定物性數(shù)據(jù)32.1.1涉及到的物質(zhì)的物性常數(shù)32.1.2 飽和水蒸汽的物理常數(shù)32.2流速的確定33.1估算傳熱面積53.1.1換熱器的熱負(fù)荷Q53.1.2 飽和水蒸汽用量53.1.3 平均溫度差（按折流計(jì)算）53.1.4 傳熱面積63.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸63.2.1管徑和管內(nèi)流速63.2.2 傳熱管、程數(shù)63.2.3傳熱管排列和分程方法63.2.4 殼程內(nèi)徑73.2.5 折流

2、擋板73.2.6 接管73.2.7 導(dǎo)流管與防沖擋板73.2.8 材料選用73.2.9法蘭設(shè)計(jì)83.2.10筒體法蘭83.2.11接管法蘭84.1熱流量核算94.1.1 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)94.1.2 管程對(duì)流傳熱系數(shù)94.1.3 確定污垢熱阻104.2校核壁溫104.2.1 核算壓強(qiáng)降104.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)114.3.1 殼程筒體計(jì)算與校核114.3.2 管箱筒體設(shè)計(jì)及校核124.3.3 管箱封頭設(shè)計(jì)及校核124.3.4 封頭高度計(jì)算124.3.5 換熱管與管板連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)134.3.6 殼體與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)134.3.7 管板厚度計(jì)算13設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表15參考文獻(xiàn)15第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)要求

3、1.1設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)(1)乙醇水處理量流量：833kg/h（年處理乙醇水混合液6000t，開(kāi)工率300天/a，24h/d）；進(jìn) 口 溫度：30, 進(jìn)料熱狀況參數(shù)q=1.0；出 口 溫度：83.26（泡點(diǎn)溫度）。(2)飽和水蒸汽：壓強(qiáng)：2.5kgf/cm2（表壓）= 0.25MPa(絕壓），（1 kgf/cm2=98.066kPa)；進(jìn) 口 溫度：127.2 出 口 溫度：127.2。(3)設(shè)備：允許壓強(qiáng)降：不大于Pa；設(shè)備最大承受壓力：P=2.5Mpa。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)(1) 根據(jù)所需設(shè)計(jì)的換熱器工藝條件計(jì)算其熱負(fù)荷、傳熱面積等有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而選擇換熱管、殼體、管板、封頭、隔板及接管等。(2) 繪制

4、列管式換熱器的設(shè)計(jì)裝配圖。(3) 編寫(xiě)列管式換熱器的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。(4)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件：用2.5kgf/cm2（表壓）的飽和水蒸汽加熱833kg/h的乙醇水的混合物從30加熱到泡點(diǎn)，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管管殼式的換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。1.3選擇換熱器的目的和型號(hào)1.3.1 選擇換熱器的目的 為了完成生產(chǎn)任務(wù)，即：用2.5kgf/cm2（表壓）的飽和水蒸汽將乙醇-水混合物由30加熱到泡點(diǎn)溫度，故選擇換熱器來(lái)給乙醇水混合物加熱，現(xiàn)選擇列管式換熱器來(lái)加熱。1.3.2 換熱器的型號(hào)選擇 熱流體（飽和蒸汽）進(jìn)口溫度為127.2，出口溫度為127.2；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度82.57，估計(jì)冷熱流體溫差較

5、大，從而該換熱器的管壁溫度和殼體壁溫之差較大，故初步確定：用浮頭式換熱器。1.4工藝條件的選擇1.4.1 流體流入空間的選擇 設(shè)計(jì)列管換熱器之前，要考慮哪一種流體走管程或殼程，這關(guān)系到設(shè)備使用是否合理。一般選擇原則如下：（1）不干凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)清洗比較方便。（2）腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。（3）壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼程金屬消耗量。（4）飽和蒸汽宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，對(duì)清洗無(wú)要求。（5）有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機(jī)會(huì)比較少。（6）被冷卻流體宜走管間，可利用外殼向外散熱作用，增強(qiáng)冷卻效果

6、。（7）黏度大的液體或流量較小的流體宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re值（Re>100）下即可達(dá)湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。（8）對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的傳熱器，若兩流體的溫度差較大，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間，因壁面溫度與大的流體溫度相近，可以減少熱應(yīng)力。 綜上述條件可確定：換熱器里飽和水蒸汽走殼程，乙醇水混合物走管程。1.4.2 流體流向的選擇 參與換熱的兩種流體在間壁兩側(cè)流向有并流，逆流，錯(cuò)流，折流四重類(lèi)型。實(shí)際生產(chǎn)中，流體多是比較復(fù)雜的多程流動(dòng)，考慮到經(jīng)濟(jì)性與效率等實(shí)際問(wèn)題，我選擇折流。 綜上所述各條件的確定：可知換熱器中飽和水蒸汽走殼程，乙醇水混合

7、物走管程；流徑選擇折流。第二章 換熱器尺寸的初步設(shè)計(jì)2.1確定物性數(shù)據(jù)2.1.1涉及到的物質(zhì)的物性常數(shù) 乙醇水混合物的定性溫度：t=(30+82.57）/2=56.29（管程乙醇水混合物流體的定性溫度）。表2-1 56時(shí)乙醇，水，乙醇水混合物和飽和水蒸氣的一些物理常數(shù)： 物性流體T /m3）µ Pa·sCp kJ/（·K） w/(m.) r kJ/kg乙醇 （液體）56780.565.16×10-52.88 0.151846水（液體）56988.154.94×10-54.1740.6482258乙醇-水（液體）56853.1661.58

8、5;10-53.340.3251340.22.1.2 飽和水蒸汽的物理常數(shù) 飽和水蒸汽的定性溫度：T=（127.2+127.2）/2=127.2（殼程飽和水蒸汽的定性溫度）假設(shè)壁溫tw=116.3;則水的定性溫度tm=(T+tw)/2 =(127.2+116.3)÷2 = 121.75;表2-2 水在127.2下的物理常數(shù)： 物性流體 溫度 （） /m3）µ Pa·sCp kJ/（·K）o w/(cm.)r kJ/kg飽和水蒸汽127.21.37521.42×10-50.790.6862113.22.2流速的確定 換熱器內(nèi)流體速度大小必須通過(guò)經(jīng)

9、濟(jì)核算進(jìn)行選擇。因此，一般流體都盡可能使Re>4000 ,粘度高的流體常按滯流設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，下面列出一些工業(yè)上常用的流速范圍。見(jiàn)下表：表23 列管式換熱氣中常用的流速范圍：流 體 的 種 類(lèi)一 般 流 體易 結(jié) 垢 液 體 氣 體 流速/（m/s） 管 程 0.53.0 > 1 5 30 殼 程 0.21.5 > 0.5 315表2-4 列管式換熱器易燃、易爆液體允許的安全流速： 液體名稱(chēng)乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油 丙酮 安全流速（m/s） < 1 < 2 3 10 表2-5 列管式換熱器中不同黏度液體的常用流量：流體黏度/ mpa.s > 1 5

10、001 500 500 500 100 100 35 35 1 < 1最大流量/ (m/s) 0. 6 0. 75 1. 1 1. 5 1. 8 2. 4根據(jù)上面所述表格中的數(shù)據(jù)可選擇乙醇水的流速為：ui = 2.4m/s。第三章 始算設(shè)計(jì)換熱器的規(guī)格3.1估算傳熱面積3.1.1換熱器的熱負(fù)荷Q30時(shí)乙醇水的比熱容為：2.25KJ/(Kg.);82.57時(shí)乙醇水的比熱容為：3.49 KJ/(Kg.)；此處取乙醇水在3082.57下的平均溫度下的比熱容為：2.84KJ/(Kg.);乙醇水的流量為：Wc =833kg/hQ = WcCpc(T1-T2)=(833÷3600)

11、5;2.84×103×(82.57-30) =34.55KW Q總 = Q/0.95 = 36.37 KW3.1.2 飽和水蒸汽用量0.25MPa的飽和水蒸氣的焓：氣體Ih1=2718.4KJ/Kg;液體Ih2=527.05 KJ/Kg;Wh = Q總 /(Ih1 - Ih2)=3637÷(2718.4-527.05)×3600 = 5974.8Kg/h3.1.3 平均溫度差（按折流計(jì)算） 熱流體(飽和水蒸汽)：127.2（g ,進(jìn)口） 127.2（l ,出口）冷流體（乙醇-水）：82.57（l ,出口） 30（l ,進(jìn)口）tm = ttm '式

12、中 tm ' 按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫度差，單位：； t 溫度差校正系數(shù)，量綱為 1。溫度差校正系數(shù)t與冷、熱流體的溫度變化有關(guān)，是P和R兩因數(shù)的函數(shù)，即t =f(P,R)式中 顯然因?yàn)榇藭r(shí)R=0而不能用查表取得對(duì)應(yīng)的t 值。又當(dāng)換熱器中某一側(cè)流體有相變而保持溫度不變時(shí)，不論何種流動(dòng)形式，只要流體的進(jìn)、出口的溫度相同，其平均溫度差均相同。故可按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫度差代替此處的平均溫度差，即：tm = tm ' = 67.543.1.4 傳熱面積表3-1 管程有機(jī)物µ<0.5×10-3有機(jī)物µ=0.5×10-31×103有機(jī)

13、物µ>1×103 殼程 水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝水蒸汽冷凝傳熱系數(shù)K值 5821193 291582 116349K值大致范圍：5821193 W/（m2·K）基于乙醇-水的黏度，根據(jù)表31中的數(shù)據(jù)假設(shè)傳熱系數(shù)K = 600W/(m2·K）則估算傳熱面積為：S' = Q總 / (K × tm)=36.37×103÷(600×67.54) = 0.897m2 考慮15%的面積裕度，S = 1.15S'=1.03m2；3.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.2.1管徑和管內(nèi)流速a. 管徑的確定：由表21知乙醇水的黏度并

14、不是很大，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道在82.57時(shí)乙醇-水幾乎不會(huì)黏在管壁?？梢赃x用的冷拔鋼管作為傳熱管。b. 管內(nèi)流速的確定：由表23，表24可知，乙醇-水的流速應(yīng)在0.52.0之間，取ui=1m/s；3.2.2 傳熱管、程數(shù)取1m管長(zhǎng)。按單程管計(jì)算器流速為按單程管計(jì)算流速太小則管程數(shù)為按單殼程單管程計(jì)算，總傳熱管數(shù)為4根3.2.3傳熱管排列和分程方法采用正三角形排列，取管心距則 橫過(guò)管束中心的管數(shù)： 3.2.4 殼程內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7取標(biāo)準(zhǔn)管3.2.5 折流擋板采用弓形折流擋板，取弓形折流擋板圓缺高度為課題內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度h=0.25×325mm=81.2

15、5mm取折流擋板間距B=0.5D=0.5×325mm=162.5mm折流擋板數(shù)公稱(chēng)直徑DN=325mm，查得折流擋板的最小厚度8mm。3.2.6 接管殼程流體接管直徑：取接管內(nèi)液體流速為則接管內(nèi)徑 取標(biāo)準(zhǔn)管徑 管程流體接管直徑：取接管內(nèi)液體流速為則接管內(nèi)徑 取標(biāo)準(zhǔn)管徑 3.2.7 導(dǎo)流管與防沖擋板殼程接管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響換熱器的傳熱效率與使用壽命，由于介質(zhì)為水蒸氣，進(jìn)入殼程時(shí)，換熱器將受到很大沖擊，甚至發(fā)生震動(dòng)，為了保護(hù)管束，在入口處要設(shè)置導(dǎo)流管或防沖擋板。3.2.8 材料選用 管殼式換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強(qiáng)、溫度及流體的腐蝕性等來(lái)選用。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼

16、鋼和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價(jià)格高且較稀缺，應(yīng)盡量少用。2表35 管殼式換熱器個(gè)部件的常用材料：部 件 或 零 件 名 稱(chēng) 材 料 牌 號(hào) 碳 素 鋼不 銹 鋼殼 體、法 蘭A3F、A3R、16MnR16Mn+0Cr18Ni9Ti法 蘭、法 蘭 蓋16Mn、A316Mn+1Cr18Ni9Ti管 板A41Cr18Ni9Ti膨 脹 節(jié)A3R、16MnR1Cr18Ni9Ti擋板和支承板A3f1Cr18Ni9Ti螺 栓16Mn、40Mn、40MnB換 熱 管10號(hào)1Cr18Ni9Ti螺 母A3、40Mn墊 片石棉橡膠板支 座A3F根據(jù)上表以及乙醇

17、-水的性質(zhì)，所有的材料均選擇為碳素鋼，所選擇的部件及零件的鋼材的牌號(hào)為上表中黑體字的。3.2.9法蘭設(shè)計(jì)法蘭連接從結(jié)構(gòu)功能和一般原則出發(fā)，應(yīng)滿足下列基本要求：工作條件下，法蘭泄漏量被控制在工藝允許的范圍內(nèi)，在各種情況下能經(jīng)受一定的外載和內(nèi)力，具有足夠的強(qiáng)度，便于多次拆裝而不致影響其密封性能；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉， 大批生產(chǎn)，對(duì)于管法蘭，由于連接對(duì)象是標(biāo)準(zhǔn)件，因此還應(yīng)特別突出互換性的要求。3.2.10筒體法蘭適用乙型平焊法蘭（JB4702-2000）查化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)附表10-2 P450得螺柱M20 16個(gè)3.2.11接管法蘭DLNC理論質(zhì)量管程150mm300mm250mm26mmM248個(gè)3

18、0mm10.8Kg殼程250mm395mm350mm22mmM2012個(gè)26mm11.9Kg第 四 章 換熱器的核算4.1熱流量核算4.1.1 殼程對(duì)流傳熱系數(shù)因?yàn)槭桥P式換熱器，殼程為蒸汽在水平管束外的冷凝傳熱。假定冷凝液膜為湍流，選用下式計(jì)算設(shè)管外壁溫度 ,則冷凝液膜的平均溫度為查出膜溫77.75下水的物性常數(shù)密 度 導(dǎo)熱系數(shù) 粘 度 對(duì)于正三角形排列，橫貫管束中心線的管數(shù)所以4.1.2 管程對(duì)流傳熱系數(shù)雷諾數(shù):普蘭特準(zhǔn)數(shù)：4.1.3 確定污垢熱阻 (因?yàn)樗魵鈧?cè)熱阻很小，計(jì)算中予以忽略) 核算總傳熱系數(shù)鋼材為碳鋼，導(dǎo)熱系數(shù)，所以選用該換熱器時(shí)要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為600，在傳熱任務(wù)所規(guī)定的

19、流動(dòng)條件下，計(jì)算出的，故所選擇的換熱器的安全系數(shù)為則換熱器的傳熱面積的裕度符合要求。4.2校核壁溫核算時(shí)，一般忽略管壁熱阻，根據(jù)下列近似關(guān)系核算tw值得與假設(shè)的相差甚微，原假設(shè)成立。4.2.1 核算壓強(qiáng)降因殼程為水蒸氣在等溫等壓下的冷凝傳熱，壓強(qiáng)降忽略，故下面僅計(jì)算管程的壓強(qiáng)降前已計(jì)算出 ， （湍流）取碳鋼管壁粗糙度 ，則由摩擦因數(shù)圖查得，所以對(duì)于的管子， ，所以從上面計(jì)算可知，該換熱器壓強(qiáng)降符合題設(shè)要求，故所選換熱器合適。4.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.3.1 殼程筒體計(jì)算與校核換熱器殼體直徑：殼體設(shè)計(jì)壓力： 計(jì)算壓力 ，設(shè)計(jì)溫度。殼體材料為 碳素鋼，假定材料在設(shè)定溫度下許用應(yīng)力 使用溫度下許用應(yīng)力采用

20、100%無(wú)損檢測(cè)，根據(jù)工藝要求，腐蝕裕量 殼體計(jì)算厚度：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，取鋼板厚度負(fù)偏差殼體名義厚度 ，取有效厚度 殼體水壓實(shí)驗(yàn)校核：水壓試驗(yàn)壓力：水壓試驗(yàn)應(yīng)力：圓筒殼最大許用工作壓力 故水壓試驗(yàn)合格。4.3.2 管箱筒體設(shè)計(jì)及校核由于設(shè)計(jì)壓力、使用材料、設(shè)計(jì)溫度、內(nèi)徑均與殼體相同，故水壓試驗(yàn)也完全相同，水壓試驗(yàn)合格。4.3.3 管箱封頭設(shè)計(jì)及校核管箱封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。根據(jù)前面計(jì)算，其內(nèi)徑，設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度，使用材料為 碳素鋼材料在設(shè)定溫度下許用應(yīng)力 使用溫度下許用應(yīng)力焊接頭系數(shù) 計(jì)算厚度： 取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1取鋼板厚度負(fù)偏差，腐蝕裕量 名義厚度，取有效厚度 最大許用工作壓力 故封頭滿足工作要

21、求。4.3.4 封頭高度計(jì)算得4.3.5 換熱管與管板連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)壓力為低于，設(shè)計(jì)溫度低于，操作中無(wú)劇烈的震動(dòng)，無(wú)過(guò)大的應(yīng)力變化、無(wú)明顯的腐蝕，故采用脹接。即將脹管器放入插在管板孔中的管子端頭內(nèi)，擠壓管端壁，使管壁產(chǎn)生塑性變形，依靠?jī)烧咧g的殘余應(yīng)力來(lái)達(dá)到密封不漏和牢固連接。4.3.6 殼體與管板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浮頭式換熱器管板與殼體采用可拆鏈接，分為管板兼做法蘭和不兼做法蘭兩種形式。管板不做法蘭時(shí)，管板夾在殼體法蘭與管箱法蘭之間，管板上不開(kāi)螺孔，他只是起到一個(gè)帶有兩面密封槽的墊片的作用。管板兼做法蘭時(shí)，殼體與管板并不焊接在一起，而是通過(guò)螺栓連接固定及密封。這是的管板兩面均設(shè)密封面，其中一面與殼體的法蘭形成密封；另一面與換熱器管箱上的法蘭形成密封?？刹鹗浇Y(jié)構(gòu)對(duì)換熱器的檢查、維修、清洗都較方便，故浮頭式換熱器常用此結(jié)構(gòu)，以利于管束從殼體內(nèi)抽出清洗管間。4.3.7 管板厚度計(jì)算采用B.S.法進(jìn)行換熱器管板厚度計(jì)算，參數(shù)如下：筒體：內(nèi)徑；厚度 ；碳素鋼；換熱管：數(shù)量 ；外徑；有效長(zhǎng)度材料殼程壓力；管程壓力。假設(shè)管板厚度一根管管壁金屬的橫截面積開(kāi)孔強(qiáng)度削弱系數(shù)（雙