列管式换热器设计课程设计说明书 精品.docx
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列管式换热器设计课程设计说明书精品
化工原理课程设计说明书
列管式换热器设计
专业:
过程装备与控制工程
学院:
机电工程学院
化工原理课程设计任务书
某生产过程的流程如图3-20所示。
反应器的混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后,进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。
已知混合气体的流量为220301
,压力为6.9
,循环冷却水的压力为0.4
,循环水的入口温度为29℃,出口的温度为39℃,试设计一列管式换热器,完成生产任务。
已知:
混合气体在85℃下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值)
密度
定压比热容
℃
热导率
℃
粘度
循环水在34℃下的物性数据:
密度
定压比热容
K
热导率
K
粘度
目录
1、确定设计方案-5-
1.1选择换热器的类型-5-
1.2流程安排-5-
2、确定物性数据-5-
3、估算传热面积-6-
3.1热流量-6-
3.2平均传热温差-6-
3.3传热面积-6-
3.4冷却水用量-6-
4、工艺结构尺寸-6-
4.1管径和管内流速-6-
4.2管程数和传热管数-6-
4.3传热温差校平均正及壳程数-7-
4.4传热管排列和分程方法-7-
4.5壳体内径-7-
4.6折流挡板-8-
4.7其他附件-8-
4.8接管-8-
5、换热器核算-9-
5.1热流量核算-9-
5.1.1壳程表面传热系数-9-
5.1.2管内表面传热系数-9-
5.1.3污垢热阻和管壁热阻-10-
5.1.4传热系数-10-
5.1.5传热面积裕度-10-
5.2壁温计算-10-
5.3换热器内流体的流动阻力-11-
5.3.1管程流体阻力-11-
5.3.2壳程阻力-12-
5.3.3换热器主要结构尺寸和计算结果-12-
6、结构设计-13-
6.1浮头管板及钩圈法兰结构设计-13-
6.2管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计-14-
6.3管箱结构设计-14-
6.4固定端管板结构设计-15-
6.5外头盖法兰、外头盖侧法兰设计-15-
6.6外头盖结构设计-15-
6.7垫片选择-15-
6.8鞍座选用及安装位置确定-15-
6.9折流板布置-16-
6.10说明-16-
7、强度设计计算-16-
7.1筒体壁厚计算-16-
7.2外头盖短节、封头厚度计算-17-
7.3管箱短节、封头厚度计算-17-
7.4管箱短节开孔补强校核-18-
7.5壳体接管开孔补强校核-19-
7.6固定管板计算-20-
7.7浮头管板及钩圈-21-
7.8无折边球封头计算-21-
7.9浮头法兰计算-22-
参考文献-23-
1、确定设计方案
1.1选择换热器的类型
两流体温的变化情况:
热流体进口温度110℃出口温度60℃;冷流体进口温度29℃,出口温度为39℃,该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,考虑到这一因素,估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,因此初步确定选用浮头式换热器。
1.2流程安排
从两物流的操作压力看,应使混合气体走管程,循环冷却水走壳程。
但由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,所以从总体考虑,应使循环水走管程,混和气体走壳程。
2、确定物性数据
定性温度:
对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。
故壳程混和气体的定性温度为
T=
=85℃
管程流体的定性温度为
t=
℃
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
对混合气体来说,最可靠的无形数据是实测值。
若不具备此条件,则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据,然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。
混和气体在85℃下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值):
密度
定压比热容
℃
热导率
℃
粘度
循环水在34℃下的物性数据:
密度
定压比热容
k
热导率
k
粘度
3、估算传热面积
3.1热流量
Q1=
=220301×3.297×(110-60)=3.64×107kj/h=10098kw
3.2平均传热温差
先按照纯逆流计算,得
=
3.3传热面积
由于壳程气体的压力较高,故可选取较大的K值。
假设K=313W/(m2·k)则估算的传热面积为
Ap=
3.4冷却水用量
m=
=
=
4、工艺结构尺寸
4.1管径和管内流速
选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管(碳钢),取管内流速u1=1.3m/s。
4.2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
ns=
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,采用非标设计,现取传热管长l=7m,则该换热器的管程数为
Np=
(管程)
传热管总根数NT=596×2=1192(根)
4.3传热温差校平均正及壳程数
平均温差校正系数:
R=
P=
按单壳程,双管程结构,查【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
图5-19得:
平均传热温差
K
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。
4.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。
见【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
图6-13。
取管心距t=1.25d0,则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
隔板中心到离其最近一排管中心距离:
S=t/2+6=32/2+6=22(mm)
各程相邻管的管心距为44mm。
管束的分程方法,每程各有传热管596根,其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
图6-8选取。
4.5壳体内径
采用多管程结构,进行壳体内径估算。
取管板利用率η=0.7,则壳体内径为:
D=1.05t
按卷制壳体的进级档,可取D=1400mm
筒体直径校核计算:
壳体的内径
应等于或大于(在浮头式换热器中)管板的直径,所以管板直径的计算可以决定壳体的内径,其表达式为:
管子按正三角形排列:
取e=1.2
=1.2
25=30mm
=32
(39-1)+2
30=1276mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整:
=1400mm
4.6折流挡板
采用圆缺形折流挡板,去折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为
h=0.25×1400=350m,故可
取h=350mm
取折流板间距B=0.3D,则
B=0.3×1400=420mm,可取B为450mm。
折流板数目
(块)
折流板圆缺面水平装配,见图:
【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
图6-9。
4.7其他附件
拉杆数量与直径选取,本换热器壳体内径为1400mm,故其拉杆直径为Ф12拉杆数量8,其中长度5950mm的六根,5500mm的两根。
壳程入口处,应设置防冲挡板。
4.8接管
壳程流体进出口接管:
取接管内气体流速为u1=10m/s,则接管内径为
(m)
圆整后可取管内径为300mm。
管程流体进出口接管:
取接管内液体流速u2=2.5m/s,则接管内径为
(m)
圆整后去管内径为360mm
5、换热器核算
5.1热流量核算
5.1.1壳程表面传热系数
用克恩法计算,见式【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
式(5-72a):
当量直径,依【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
式(5-73a)得
=
壳程流通截面积:
壳程流体流速及其雷诺数分别为
普朗特数
粘度校正
5.1.2管内表面传热系数
管程流体流通截面积:
管程流体流速:
雷诺数:
普朗特数:
5.1.3污垢热阻和管壁热阻
【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
表5-5取:
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
管壁热阻按【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
图5-4查得碳钢在该件下的热导率为50w/(m·K)。
所以
5.1.4传热系数
5.1.5传热面积裕度
计算传热面积Ac:
该换热器的实际传热面积为Ap
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。
5.2壁温计算
因为管壁很薄,而且壁热阻很小,故管壁温度可按式
计算。
由于该换热器用循环水冷却,冬季操作时,循环水的进口温度将会降低。
为确保可靠,取循环冷却水进口温度为15℃,出口温度为39℃计算传热管壁温。
另外,由于传热管内侧污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,降低了壳体和传热管壁温之差。
但在操作初期,污垢热阻较小,壳体和传热管间壁温差可能较大。
计算中,应该按最不利的操作条件考虑,因此,取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。
于是有:
式中液体的平均温度
和气体的平均温度分别计算为
0.4×39+0.6×15=24.6℃
(110+60)/2=85℃
5858w/m2·K
891.3w/m2·K
传热管平均壁温
℃
壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即T=85℃。
壳体壁温和传热管壁温之差为
℃。
该温差较大,故需要设温度补偿装置。
由于换热器壳程压力较大,因此,需选用浮头式换热器较为适宜。
5.3换热器内流体的流动阻力
5.3.1管程流体阻力
由Re=34841,传热管对粗糙度0.01,查莫狄图:
【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:
图1-27得
,流速ui=1.3m/s,
所以
管程流体阻力在允许范围之内。
5.3.2壳程阻力
按式计算
流体流经管束的阻力
F=0.5
0.5×0.2435×38×(14+1)×
=70757Pa
流体流过折流板缺口的阻力
B=0.45m,D=1.4m
Pa
总阻力
70757+41100=1.12×
Pa
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。
5.3.3换热器主要结构尺寸和计算结果
参数
管程
壳程
流率
870855
220301
进/出口温度/℃
29/39
110/60
压力/MPa
0.4
6.9
物性
定性温度/℃
34
85
密度/(kg/m3)
994.3
90
定压比热容/[kj/(kg•K)]
4.174
3.297
粘度/(Pa•s)
0.742×
1.5×
热导率(W/m•K)
0.624
0.0279
普朗特数
4.96
1.773
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/㎜
1400
台数
1
管径/㎜
Φ25×2.5
管心距/㎜
32
管长/㎜
7000
管子排列
正三角形排列
管数目/根
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