化工原理換熱器設計說明

1、|化工原理課程設計任務書0703020228專業(yè)班級：07過控02學生姓名：趙凱 學號：一設計題目：正戊烷冷凝器的設計二 課題條件（文獻資料，儀器設備，指導力量）（一）設計任務設計一冷凝器，冷凝正戊烷蒸氣；1）處理能力：6萬噸/年。，蒸發(fā)潛熱為83kcal/kg40oC2）正戊烷蒸氣壓力：0.75kgf/cm2，其飽和溫度為52 C3）冷卻劑：自來軟水，進口溫度ti 25 C 出口溫度t2（二）操作條件：（1）生產(chǎn)方式：連續(xù)操作（2）生產(chǎn)時間：每年以300天計算，每天24小時30kpa（3）冷凝器操作壓力為常壓，管程和殼程的壓力均不大于三.設計任務1. 確定設計方案，繪制工藝流程圖。2. 熱力

2、學計算2.1熱力學數(shù)據(jù)的獲取2.2估算傳熱面積2.3工藝尺寸的計算2.4面積核算2.5壁溫校核2.6壓降校核3. 結(jié)構(gòu)設計3.1冷凝器的安裝 3.2管設計3.3管心距設計3.4管板設計3.5折流板設計3.6殼體設計3.7接管設計3.8圭寸頭設計3.9法蘭設計3.10支座設計3.11其他4. 設計計算結(jié)果匯總表5. 設計結(jié)果評價6. 繪制裝配圖7. 編制設計說明書設計流程圖裕 度 過 大 或 過 小工藝流程圖熱力學計算1.熱力學數(shù)據(jù)的獲取正戊烷液體在定性溫度（52C）下的物性數(shù)據(jù)（查化工原理附錄）596kg/m3,1.8 10 4 Pa s， cp 2.34kJ/kg C，0.13W/m C,

3、r 347.5kJ/kg。循環(huán)水的定性溫度：入口溫度為鮎25 C，出口溫度為t2 40oC循環(huán)水的定性溫度為tm25 40 /2 32.5 C兩流體的溫差Tm tm 52 32.519.5 C 50 C，故選固定管板式換熱器兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下物性溫度密度粘度比熱容導熱系數(shù)流體fkg/m3mPa- skJ/(kgC)W/(m -C )正戊烷525960.182.340.157循環(huán)水32.59940.7254.080.6262.估算傳熱面積(1) 計算熱負荷ms1 =6 107/(30024)=8333.3kg/h=2.31kg/sQ ms1r 8333.3 347.5/3600 8

4、04.3kW(2) 冷卻水用量ms2=Q/Cp2 t =804.3/4.08(40-25)=13.1kg/s(3) 計算有效平均溫度差逆流溫差tm,逆5225524018.5 Cln 5225 / 5240(4) 選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)根據(jù)管程走循環(huán)水,殼程走正戊烷，總傳熱系數(shù) K現(xiàn)暫取:K 650W/m(5)估算換熱面積ApQK tm，逆3804.3 10266.8m650 18.53.工藝尺寸計算(1)管徑和管內(nèi)流速選用25X 2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速Ui=0.8m/s(2)管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Vns= 2di u4按單程管計算，所需的傳熱

5、管長度為13.1/99453(根)0.785 0.022 0.8L=66.816md°ns3.14 0.025 53血44.5N=53X 4=212(根)按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設計實際情況，現(xiàn) 取傳熱管長l=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為LI傳熱管總根數(shù)(3) 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)有：R=0P=40 250.555225單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查得1.0平均傳熱溫差tmt tm塑 1.0 18.5 18.5 C由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼 程合適。(4) 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下式估算。

6、取管板利用率n=0.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05tN/ 1.05 32.212/0.7584mm按卷制殼體的進級檔，可取D=600mm則橫過管數(shù)中心線管的根數(shù)nc 1.19 N 1.19212 17.3 18 (根)臥式固定管板式換熱器的規(guī)格如下：公稱直徑D 600mm公稱換熱面積S 66.8m2管程數(shù)np 4管數(shù)n 212管長L 4.5m管子直徑25 2.5mm管子排列方式正三角形(5) 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的20%則切去的圓缺高度為h=0.20*600=120mm取折流板間距B=0.3D,則B=0.3*600=180mm 可取 B=200mm折流板數(shù)N= 專

7、熱管長/折流板間距-1=4500/200-仁22 (塊)4. 面積核算(1) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1.51 (4 豈131.51 (483333/36004.529.480.210.000181F13)(0.21)30.000182/(5962 9.81 0.1573)1F 1558(2) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù).，有0.023Re0.8 Pr0'4di管程流體流通截面積2 212 2 Si0.785 0.0220.0166( m2)4管程流體流速ui13.1/9940.01660.79m/sRei 0.02 0.79 994/(0.725 10 3)21662普朗特數(shù)33- 4.08 10 0

8、.725 10.Pr4.7250.626i 0.023 0626 208400'8 4.7250.43940.2W/(m2 ° C)0.02(3) 污垢熱阻和管壁熱阻*2 1 1( 3)1.51RegMm14M0.495-,Re, ns 2.08 NtLnsns2.08 2120'49529.48管外側(cè)污垢熱阻 Rso0.000172m2 °C/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻Rs 0.00021m2 °C/W管壁熱阻計算，碳鋼在該條件下的熱導率為50.29w/(m K)。所以0.00252Rw0.00005m k/w50.29(4) 傳熱系數(shù)K依式3-21有(d

9、o(藥RidoRwdodidmRo丄)/0.0250.00021 0.0250.00005 0.025 1、0.0001723940 0.0200.0200.02251558690.6W/(m2 OC)(5) 傳熱面積裕度：可得所計算傳熱面積Ap為ApQK tm804.3 103690.6 18.562.9m2該換熱器的實際傳熱面積為AcAcd°LN3.14 0.025 212 ( 4.50.06)74.8m2該換熱器的面積裕度為AcApAp74.8 62.962.919.06%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。5. 壁溫核算與冷凝液流型核算壁溫時，一般忽略管壁熱阻，按以下

10、近似計算公式計算T twt tw52 twt w321Rsoo1 Rsii1n HO Ad "7010.00021U.000 1/215583940.2tw 39.2 C，這與假設相差不大，可以接受 核算流型一卄ms8333.3/3600冷凝負何M-0.139kg/m sb 3.14 0.025 212Re 如 4 0.1397671800 (符合層流假設)0.0007256. 壓降校核(1) 計算管程壓降g單1 g FtNpNs ( Ft結(jié)垢校正系數(shù)，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù))取碳鋼的管壁粗糙度為0.1mm 則 e/d 0.005，而 Rei 21662，于是0.23P1P2對

11、69;25e0.1 - d68Rei2Ui0.10.1200.0334.50.0200.79220.236821662994 0.7922862.1Pa2.5mm的管子有Ft 1.5,且Np0.0332303Pa2, Ns 1Pi» P2 RNpNs2303 862.1 1.5 2 1 9495.2Pa<30KPa故，管程壓降在允許范圍之內(nèi)。(2) 計算殼程壓降按式計算Ps ( PoPi)FsNs , Ns 1 , Fs 1流體流經(jīng)管束的阻力FfoNTC(NB1)2Uo2F=0.5plSo BD(1 寸)0.2 0.6 (1殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：取 uo 10m/sRe

12、。deUo 氣 0.02 10 4.76e氣11900氣0.00008fo5 11900 02880.335Ntc1.1Nt0.51.1 2120.516.01Po0.5 X 0.335 X 16.01 X (22+1) X24.76 1022=14679PaNb 22流體流過折流板缺口的阻力2B u 2PiNB(3.5) , B=0.2m , D=0.6mD 2Pi14(3.52 0.20.6 )4.76 10229429 Pa總阻力ps 14679+9429=24108Pa<30KPa由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜結(jié)構(gòu)設計1. 冷凝器的安裝（1）采用

13、臥式換熱器臥式換熱器相對立式換熱器，其占地面積雖然大一些，但其傳熱系數(shù)高，不易積氣，易于安裝和維修等。為了減少液膜在列管上的包角及液膜的厚度，管板在裝配時留有1M右的坡度，或 者將其軸線與設備水平線偏轉(zhuǎn)一定的角度 ，其計算公式為：d 25sin（30 ） d 250.392t 2 32得： 30 arcsi n0.39 T（2）隨蒸汽冷凝，流通截面積逐漸縮小，以保持蒸汽的流速。（3）冷凝器的組合方式：單臺。（4）冷凝器內(nèi)部安裝折流板在對流傳熱的換熱器中，為了加強殼層流動的速度和湍流程度，以提高傳熱效率，再在殼層內(nèi)可安置折流板，折流板還起支撐的作用(5) 通入蒸汽前要用一排氣管排出里面的空氣和不

14、凝氣，但傳熱冷凝過程中必須 關(guān)閉。2. 管子的設計(1) 采用光滑管光滑管結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。缺點是它強化傳熱的性能不足。為了提高換 熱器的傳熱系數(shù)，可采用結(jié)構(gòu)形式多樣化的管子，如異性管，翅片管，螺紋管 等。(2) 選用25 2.5mm的管子。(3) 管長我國生產(chǎn)的無縫鋼管長度一般為 6m，故系列中換熱管的長度 分為1.5，2,3,4.5,6 米幾種，本設計中采用4.5米長的管子。(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，正三角形錯列，正方形直列和正方 形錯列。正三角形排列比較緊湊，在一定的殼徑內(nèi)可排列較多的管子，且傳熱效果好, 但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗方便，

15、適用于殼程中的流體易結(jié) 垢的情況，其傳熱效果較正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯 列，用于殼側(cè)流體清潔，不易結(jié)垢，后者殼側(cè)污垢可以用化學處理掉的場合。本設計中米用正三角形錯列的排列方式，而在隔板兩側(cè)米用正方形直列。(5) 管數(shù)標準管數(shù)為212根。3. 管心距的設計：t 32mm采用脹接法固定時，管心距過小會造成脹接在擠壓作用下發(fā)生變形，失去 管子與管板之間的連接力。故采用焊接法。根據(jù)經(jīng)驗公式：t 1.25d01.25 25 32mm隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為2S 44伽。4. 管板的設計(1) 管板的作用：固定作為傳

16、熱面的管束，并作為換熱器兩端的間壁，將管程 流體分隔開來。(2) 管板上的管孔數(shù)：即為殼體中的傳熱系數(shù)(包括圓缺形板區(qū)安置的)。(3) 管板上的孔間距不宜過大，避免布管疏松，不利傳熱；也不宜過小，避 免焊接時引起較大的應力，影響焊接質(zhì)量，另外也不利于清掃殼程管束。(4) 管板與殼體連接采用不可拆式，即直接焊在殼體上，稍微延伸，兼作法蘭，便于對脹口進行檢查和維修以及清洗管子。(5) 管板直徑與厚度管板與殼體直徑應保持一致。管板厚度與材料強度，介質(zhì)壓力，溫度和壓差，溫差以及管子和外殼的 固定方式和受力因素有關(guān)。對于管子與管板脹接時，為保證脹接的可靠性， 管板的最小厚度為0.75 do。管子與管板焊

17、接時，由于焊接可以達到甚至超過 管子本身的強度，只要管子強度足夠，管子厚度可不受限制，而由焊接工藝 及焊接變形等要求來確定。本設計中選用由于管子與管板采用T 0.75d。C 0.75 25 422.75mm，但焊接式，故取 T 22mm。(6) 采用多管程，故管板中間要留有隔板的位置。(7) 管子在管班上的固定方法，必須保證管子和管板連接牢固，不會在連接 處產(chǎn)生泄漏。連接方式一般有三種：脹接法，焊接法，脹焊并用法；一般采 用的事脹接法和焊接法。由于焊接法在高溫高壓下仍能使用，保持連接的緊密性，管孔加工要求低節(jié)約空的加工工時，同時焊接工藝比脹接工藝簡單等 優(yōu)點，故本設計中采用焊接法。根據(jù)標準規(guī)定

18、，管子外徑為25mm寸，管板孔的直徑為25.8mm允許偏差 0.2mm;相鄰孔中心距32mm管孔中心距偏差：相鄰孔間 0.3mm，任意孔間0.1mm;支撐板孔直徑25.6mm,允許偏0.4mm。管子露出管板的長度12，采用1.5mm5. 折流板設計(1) 采用圓缺形性折流板。(2) 圓缺形折流板在臥式換熱器中的排列分為圓缺上下方向和圓缺左右方向兩 種。上下方向排列者可造成液體的劇烈湍動，增大傳熱膜系數(shù)，這種結(jié)構(gòu)最為 常用。故本設計中選用圓缺上下方向排列。(3) 圓缺折流板的圓缺高度一般為10%至 40%Di，本設計中采用h=20% Dj =20% 600mm=120mm(4) 允許折流板的間距

19、與管徑有關(guān)，取折流板間距B=0.3D,貝U B=0.3X 600mm=180mm取 B 為 200mm折流板數(shù)目傳熱管長折流板間距45 10.222折流板圓缺面水平裝配(5) 折流板外徑為600-5=595mm(6) 折流板厚度為5mm6. 殼體設計殼體厚度計算：pDi2 t pC1C2其中Di 600mm， p 0.735MPa, t 113MPa，0.85 (雙面焊縫)，C1 4mm, C20.8mm600 0.7352 113 0.85 0.7350.87.1mm考慮到開孔的削弱及安全，以及開孔的強度補償措施，取殼體厚度為11mm殼體總重約155Kg。7. 殼程接管的設計(1) 殼程流體

20、進口接管：取接管內(nèi)氣體流速為ui=10m/s,貝U接管內(nèi)徑為(4V：4 8333.3/3600 D! 0.24 m4.76 3.14 10圓整后可取接管規(guī)格為260 6mm。(2) 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速U2=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為D24 13.1/994:3.14 2.00.0916 m圓整后可取接管規(guī)格為 108 4mm(3) 殼層流體出口接管，為方便計算，取與管程進出口管規(guī)格相同。(4) 接管的外伸長度I 250mm8. 封頭設計由于橢圓形封頭制造方便，結(jié)構(gòu)合理，用材較少，故本設計采用標準橢圓 形封頭：pDj2 tC1 C20.5p0.735 6002 113 0.85

21、 0.5 0.7354 0.87.1mm為了與筒體配套和焊接方便，標準橢圓形封頭內(nèi)徑為600mm厚度為10mm 曲面高度為120mm直徑高度為30mm重量約為15.5Kg。9. 法蘭設計(1)殼層流體進出口接管法蘭，查表得:Dg 250mm, D 400mm, D.J 350mm, D2328mm， f 5mm 焊縫 K 30mm, H 20mmb 20mm,d 20 mm,重量焊縫 K 8mm, H 10mm(2)管層流體進出口接管法蘭,Dg 120mm, D 25mm, D1 b 20mm,d 20mm,重量5.0Kg,螺栓8個，直徑M20查表得：200mm, D2168mm， f 5mm

22、3.0Kg,螺栓4個，直徑M2010. 支座設計化工設備中的支座是支撐設備位置用的一種必不可少的部件，在某些場合，支座還可以承受設備操作時的震動，地震載荷，風雪載荷等。支座的結(jié)構(gòu)形 式和尺寸往往取決于設備的型號，載荷情況及構(gòu)造材料。常用的有：懸掛式支 座，支撐式支座和鞍式支座。本設計中米用鞍式支座，以滿足臥式冷凝器的要 求。查表得選用 Dg400 BIM 200支座一個，Dg400 BIIM 200支座一個。11. 其他(1) 拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為600mm故其拉桿直徑為12 拉桿數(shù)量不得少于10。殼程入口處，應設置防沖擋板。(2) 其他附屬部件可根據(jù)國家標準的有關(guān)規(guī)定及容器設計規(guī)范進行選用，計 算和制造。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果列表如下:項目結(jié)果單位換熱器公稱直徑D600mm換熱器管程數(shù)np4-換熱器管子總數(shù)N212根換熱器單管長度L4.5m換熱器管子規(guī)格25 2.5mm換熱器管子排列方式正三角形錯列-管心距t32mm隔板中心到最近管中心距S22mm各程相鄰管管心距2S44mm管板厚度T22mm折流板間距B200mm折流板個數(shù)N322根折流板外徑595mm折流板厚度5mm殼體厚度 d11mm殼程流體進口接管規(guī)格260 6mm殼程流體出口接管規(guī)格108 4mm管程流體進出口接管規(guī)格108 4mm封頭厚度d10mm