用水冷卻甲苯的列管式換熱器設計

1、一、設計題目：用水冷卻甲苯的列管式換熱器設計二、設計任務及操作條件1、設計任務：（1）選擇適宜的列管式換熱器；（2）核算；（3）在A3圖紙中繪制換熱器結構圖、管板結構圖、折流結構圖設計說明書一份、A3圖紙一張； 2、操作條件處理能力：甲苯進料量：110000噸/年 操作時間：  8000 小時年甲苯：入口溫度90，出口溫度60； 操作壓力     （0.40.6）MPa 水： 入口溫度30，出口溫度50操作壓力      （0.40.6）MPa 

2、        允許壓降不大于0.1 Mpa，廠址：寧波地區(qū)。三、設備型式列管式換熱器四、設計項目(說明書格式) 1、封面、任務書、目錄。2、設計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。3、換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積，并初選換熱器規(guī)格4、核算總傳熱系數(shù)，計算壓力降5、換熱器的主要結構尺寸設計。 6、繪制水冷卻甲苯的列管式換熱器設計的換熱器裝配簡圖。7、對本設計進行評述。 8、參考文獻目 錄1 設計方案簡介11.1工藝流程概述11.2選擇列管式換熱器的類型11.2.1列管式換熱器的分類41.2

3、.2類型的確定31.3流動路徑的選擇52 換熱器的工藝計算及選型52.1確定物性數(shù)據(jù)52.2初算換熱器的傳熱面積62.3初選換熱器規(guī)格63 換熱器核算73.1壓力降的核算73.1.1管程壓力降83.1.2殼程壓力降83.2總傳熱系數(shù)的核算94 固定管板式換熱器的主要結構尺寸設計94.1殼體壁厚的確定94.2管子拉脫力計算94.3換熱器的主要結構尺寸設計參數(shù)105 換熱器裝配簡圖126 設計評述127 參考文獻121 設計方案簡介1.1工藝流程概述由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。如圖1，甲苯經(jīng)泵抽上來，經(jīng)管道從接管A進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從

4、接管C進入換熱器管程。兩物質在換熱器中進行交換，甲苯從90被冷卻至60之后，由接管B流出；循環(huán)冷卻水則從30升至50，由接管D流出。 圖1 工藝流程草圖1.2選擇列管式換熱器的類型列管式換熱器，又稱管殼式換熱器，是目前化工生產(chǎn)中應用最廣泛的傳熱設備。其主要優(yōu)點是：單位體積所具有的傳熱面積大以及竄熱效果較好；此外，結構簡單，制造的材料范圍廣，操作彈性也較大等。因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列殼式換熱器。1.2.1列管式換熱器的分類根據(jù)列管式換熱器結構特點的不同，主要分為以下幾種：固定管板式換熱器固定管板式換熱器，結構比較簡單，造價較低。兩管板由管子互相支承，因而在各種列管式換熱器中，其管板最

5、薄。其缺點是管外清洗困難，管殼間有溫差應力存在，當兩種介質溫差較大時，必須設置膨脹節(jié)。固定管板式換熱器適用于殼程介質清潔，不易結垢，管程需清洗及溫差不大或溫差雖大但殼程壓力不高的場合。浮頭式換熱器浮頭式換熱器，一端管板式固定的，另一端管板可在殼體內(nèi)移動，因而管、殼間不產(chǎn)生溫差應力。管束可以抽出，便于清洗。但這類換熱器結構較復雜，金屬耗量較大；浮頭處發(fā)生內(nèi)漏時不便檢查；管束與殼體間隙較大，影響傳熱。浮頭式換熱器適用于管、殼溫差較大及介質易結垢的場合。填函式換熱器填函式換熱器，管束一端可以自由膨脹，造價也比浮頭式換熱器低，檢修、清洗容易，填函處泄漏能及時發(fā)現(xiàn)。但殼程內(nèi)介質有外漏的可能，殼程中不宜處

6、理易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的介質。U形管式換熱器U形管式換熱器，只有一個管板，管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點是管內(nèi)不便清洗，管板上布管少，結垢不緊湊，管外介質易短路，影響傳熱效果，內(nèi)層管子損壞后不易更換。U形管式換熱器適用于管、殼壁溫差較大的場合，尤其是管內(nèi)介質清潔，不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性較強的場合。1.2.2類型的確定所設計的換熱器用于冷卻甲苯，甲苯：入口溫度90，出口溫度60；水：入口溫度30，出口溫度50；該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差滿足Tm-tm=75-40=3550，兩流體溫度差不大。加上固定管板式換熱器結構簡單、造價低廉，所以本設計選用固定管板式

7、換熱器，且不需考慮熱補償。1.3流動路徑的選擇本設計為兩流體均不發(fā)生相變的傳熱過程，因水的對流傳熱系數(shù)一般較大，且易結垢，故選擇冷卻水走換熱器的管程，甲苯走殼程。2 換熱器的工藝計算及選型2.1確定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度，甲苯定性溫度，查得水、甲苯在各自定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： 表1 定性溫度下各流體物性1 密度/(kg/m3)比熱容/(kJ/( kg·)黏度/(Pa·s)導熱系數(shù)/(w/m·)水992.24.1740.656×10-30.6338甲苯812.61.8670.350×10-30.1452.2初算換熱器的傳熱面積計算熱負荷和冷卻水流量

8、 Q=Whcph(T1-T2)=13750×1.867×103×(90-60)/3600=213930W計算兩流體的平均溫度差。先按單殼程單管程進行計算，逆流時的平均溫度差為 有關參數(shù) ， 根據(jù)R，P值，查化工原理1P-280圖4-19可讀得，溫度校正系數(shù)t=0.92，則平均溫度差tm=tm t=34.76×0.92=31.98按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K0(估)選取K0(估) =450W/(m2·)初算出所需傳熱面積2.3初選換熱器規(guī)格對于易結垢的流體，為方便清洗，采用外徑為25mm的管子。由于Tm-tm=35，因此不需考慮熱補償。再由換熱面積

9、，查換熱器設計手冊2P-17表1-2-1，選定G273-2-2.5-11.1型換熱器，有關參數(shù)見下表2。表2 所選換熱器結構基本參數(shù)公稱直徑/mm： 300公稱壓強/MPa： 1.6公稱面積/m2： 15.27管程數(shù)： 2管子尺寸/mm： 25×2.5管長/m： 6管子總數(shù)： 37管子排列方法： 正三角形排列查化工設備機械基礎3p-215表7-10，殼體直徑為159325時，拉桿數(shù)量為4個。由換熱器設計手冊2P-18式1-2-1，計算實際傳熱面積：So=nd(L-2-0.006)=（37-4）×3.14×0.025×(6-2×0.05-0.00

10、6)=15.27m2若選該型號的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為 W/(m2·)3 換熱器核算3.1壓力降的核算管程壓力降pi=(p1 +p2)FtNp 其中，F(xiàn)t=1.4，Np=2。管程流通面積 設管壁粗糙度=0.1mm，/di=0.1/20=0.005，查化工原理1P-54圖1-27第一章中-Re關系圖中查得：=0.036，所以 則pi=（1393+387）×1.4×2=4984Pa殼程壓力降po=(p1 +p2)FsNs 其中，F(xiàn)s=1.15，Ns=1，查化工原理1P-284：管子為正三角形排列，F(xiàn)=0.5。nc=1.1n=1.1377查換熱器設計手冊2P-

11、14表1-2-3，取折流擋板間距h=0.2m，殼程流通面積Ao=h(D-ncdo)=0.2×（0. 3-7×0.025）=0.025m2fo=5.0Reo-0.228=5.0×9082-0.228=0.63所以 po=（970+922）×1.15=1088Pa計算表明，管程和殼程壓強都能滿足題設（不大于0.1 MPa）的要求。3.2總傳熱系數(shù)的核算管程對流傳熱系數(shù)iRei=15430（湍流）4.32W/(m2·)殼程對流傳熱系數(shù)o 由化工原理1P-253式4-77a計算，即查化工設備機械基礎3p-208表7-5，取換熱器列管之中心距t=32mm

12、，則流體通過管間最大截面積為A。=hD(1-)=0.2×0. 3×(1-殼程中甲苯被冷卻，取，所以 W/(m2·)污垢熱阻參考化工原理1附錄p-355表22，污垢系數(shù)取為0.52m2·K/kW，則管、內(nèi)外側污垢熱阻分別為Rsi= 0.000066m2·/W，Rso= 0.000112m2·/W總傳熱系數(shù)Ko管壁熱阻可忽略時，總傳熱系數(shù)Ko為 =513W/(m2·)由上面計算可知，選用該型號的換熱器時要求過程的總傳熱系數(shù)為438W/(m2·），在規(guī)定的流動條件下，計算出的Ko為513W/(m2·），有故所選

13、的換熱器是合適的，其安全系數(shù)為%=17.1%。4 固定管板式換熱器的主要結構尺寸設計固定管板式換熱器的主要構件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板（或支撐板）、接管、支座等。4.1殼體壁厚的確定選取設計壓力pc=1.6Mpa，殼體材料為Q-235B，查化工設備機械基礎3p-311附錄9得，其相應的許用應力t=113 Mpa；查化工設備機械基礎3p-96表4-8，焊縫系數(shù)取為0.85，Di=300mm，故計算厚度： 根據(jù)化工設備機械基礎p-97，取C2=1.0mm，負偏差C2取0.25 mm。圓整后，n=4mm，即殼體壁厚為4mm。4.2管子拉脫力計算根據(jù)化工設備機械基礎p-205，取脹接長度l

14、=50mm；根據(jù)化工設備機械基礎p-295附表1-1，查地碳鋼線膨脹系數(shù)l=11.2×10-6mm/(mm·)，彈性模量E取為200×103 Mpa；根據(jù)化工設備機械基礎p-218,表7-11，許用拉脫力取為4 Mpa。 在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力 其中，mm2P=0.6Mpa，l=50mm， 溫差應力導致管子每平方米脹接周邊上所受到的力其中，As=D中n=×308×4=3868mm2則又因qp與qt作用方向相同，都使管子受壓，則管子的拉脫力：Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpaq=4.0 Mpa因此，拉脫力在

15、許用范圍內(nèi)。4.3換熱器的主要結構尺寸設計參數(shù)表2主要結構尺寸設計參數(shù)換熱器型式：固定管板式換熱器面積/m2：15.27工藝參數(shù)名稱殼程管程物料名稱甲苯水操作壓力/MPa0.40.60.40.6操作溫度/90（進口）/60（出口）30（進口）/50（出口）流量/kg/h137509226流體密度/kg/812.6992.2流速/m/s0.260.51傳熱量/W213930總傳熱系數(shù)W/(m2·）513對流傳熱系數(shù)W/(m2·） 7522935污垢系數(shù)/W/(m2·）0.0001120.000066壓力降/Pa10884984推薦使用材料碳鋼碳鋼殼徑D(DN)300

16、mm管尺寸25×2.5mm管程數(shù)Np2管長L6m管子總根數(shù)37（拉桿4）管排列方式正三角形排列中心排管數(shù)nc7管心距32mm5 換熱器裝配簡圖 詳見附圖。6 設計評述本次化工原理課程設計是對列管式換熱器的設計，經(jīng)過查閱有關文獻資料，對換熱器參數(shù)進行了設計及反復核算，以確保設計的準確性。以下是對本設計的一些評述。從工藝要求和經(jīng)濟性出發(fā)，選用了固定管板式換熱器作為設計對象。根據(jù)已知條件選定換熱器規(guī)格后，經(jīng)過很多次核算，K/K值始終達不到要求的1.151.25范圍。然后，通過查閱更多資料、反復再次核算，加上和同學的激烈討論，終于取得了階段性的勝利，基本上完成了換熱器設計這塊。繪制換熱器的裝配圖，需要對換熱器有全面的認識，許多細節(jié)問題必須注意到，主視圖、剖視圖、局部放大圖等才能較好的完成。整個流程下來，對固定管板式換熱器結構及其內(nèi)部結構的選型有了更理性的認知。通過本次設計，真的學到了很多。首先，熟悉了化工原理課程設計的流程，學會了如何根據(jù)工藝要求查找相關資料，并從各種資料