换热器设计说明书.docx
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换热器设计说明书.docx
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换热器设计说明书
设计任务和设计条件
某生产过程的流程如图所示。
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110C进一步冷却至60C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237301kgh,压力为6.9MPa,循环冷却水的压力为0.4MPa,循环水的入口温度为29C,出口的温度为39C,试设计一列管式换热器,完成生产任务。
物性特征:
混和气体在35C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
190kg/m3
cpi=3.297kj/kgC
1=0.0279w/m
5
i1.510Pas
循环水在34C下的物性数据:
密度1=994.3kg/m3
定压比热容Cpi=4.174kj/kg°C
热导率i=0.624w/mC
粘度10.742103Pas
确定设计方案
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110C出口温度60C;冷流
体进口温度29C,出口温度为39C,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
2.管程安排
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。
浮头式换热器介绍
浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体,可以
沿轴向自由浮动。
这种结构不但完全消除了热应力的影响,且由于
固定端的管板以法兰与壳体连接,整个管束可以从壳体中抽出,因此便于清洗和检修。
故浮头式换热器应用较为普遍,但它的结构比较复杂,造价较高。
浮头式列管换热器
东方仿 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=11060=85°C 2 管程流体的定性温度为 t=392934°C 2 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35C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 190kg/m3 Cp1=3.297kj/kgC 1=0.0279w/m 5 1=1.5x10Pas 循环水在34C下的物性数据: 密度 定压比热容热导率 粘度 3 1=994.3kg/m Cpi=4.174kj/kgC i=0.624w/mC -3 1=0.742x10Pas 算传热面积 1. 热流量 Q=m)1Cp1t1 =237301x3.297x(110-60)=3.91x107kj/h=1.086x107kw2.平均传热温差先按照纯逆流计算,得 (WO39)(6029) m.11039. In 6029 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。 Ap= 旦迴四7伽2 Ktm32048.3 4.冷却水用量 假设K=320W/仲k)则估算的传热面积为 工艺结构尺寸 1.管径和管流速选用①25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢),取 管流速U1=1.35m/s。 2.管程数和传热管数 可依据传热管径和流速确定单程传热管数 按单程管计算,所需的传热管长度为 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=L伫2 l7 3.平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数按式(3-13a)和 式(3-13b)有R=1106053929 P=39290.124 11029 按单壳程,双管程结构,查图3-9得 t0.96 平均传热温差tmttm塑0.9648.346.4°C 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.传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程均按正三角形 排列,隔板两侧采用正方形排列。 见图3-13。 取管心距t=1.25d0,则t=1.25X25=31.25〜32mm 隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式(3-16)计算 S二"2+6=32/2+6=22m 各程相邻管的管心距为44mm。 管数的分成方法,每程各有传热管642根,其前后关乡中隔板设置 和介质的流通顺序按图3-14选取。 5.壳体径采用多管程结构,壳体径可按式(3-19)估算。 取管 板利用率n=0.75,则壳体径为 D=1.05t,Nt/1.05321236/0.71411.9mm 按卷制壳体的进级档,可取D=1400mm 6.折流板采用弓形折流板,去弓形之流板圆缺高度为壳体径的 25%则切去的圆缺高度为 H=0.25x1400=350m 取折流板间距B=0.3D,贝SB=0.3x1400=420mm可取B为 450mm 折流板数目 NB一传热官长17000114.514 折流板间距450 7.其他附件 拉杆数量与直径按表选取(换热管①25=>拉杆①16换热 管700根=>拉杆16根) 壳程入口处,应设置防冲挡板 8接管 壳程流体进出口接管: 取接管气体流速为Ui=10m/s,则接管径 4V4237301/(360090) V3.1410 圆整后可取管径为300mm 管程流体进出口接管: 取接管液体流速U2=2.5m/s,则接管径为 j‘4936655.5/(3600994.3) 3.142.5 D20.364m 圆整后取管径为360mm 当量直径,依式(3-23b) 壳程流通截面积,依式3-25得 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 i0.023」Re0.8Pr0.4 di 管程流体流通截面积 Si0.7850.02212360.194 2 936655.5/(3600994.3)1295m/s 0.1982. Re0.021.295994.3/(0.742103)34706.8 普朗特数 33 m4.174100.74210… Pr4.96 0.624 i0.02334706.80'84.96045840w/m2.k 0.02 (3)污垢热阻和管壁热阻按表3-10,可取 管外侧污垢热阻Ro0.0004m2k/w 管侧污垢热阻Ri0.0006m2k/w 管壁热阻按式3-34计算,依表3-14,碳钢在该条件下的热导率 (4)传热系数Kc依式3-21有 (5) Rwdo dm Ro 2 ’402w/mk 1 -) o (6)传热面积裕度依式3-35可得所计算传热面积Ac为 AQ11.086107—2 A-582.6m Ketm40246.4 该换热器的实际传热面积为Ap Apd°INT3.140.02571236681.3m2 该换热器的面积裕度为 Ac582.6 传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务 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3- 42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15C, 出口温度为39C计算传热管壁温。 另外,由于传热管侧污垢热阻较大,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,按式4-42有 Cm T 式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别计算为 tm0.4X39+0.6X15=24.6°C Tm(110+60)/2=85C ci5872w/m「k 921.5w/川.k 传热管平均壁温tw32.9°C 壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即T=85C。 壳体 壁温和传热管壁温之差为t8532.952.1C。 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。 3.换热器流体的流动阻力 (1)管程流体阻力 Pt(PipJNsNpFs Ns1,Np2, 由Re=34706.8,传热管对粗糙度0.01,查莫狄图得i0.04,流速 u=1.302m/s, 994.3kg/m3,所以, Pi0.04 2 71.302994.3一”ccPa 0.022 11/PO.O1« 2u 2 994.31.3022 Pr 3- 2528.44Pa 2 2 P1(11798.8 2528.44)21.5 42981.726Pa 管程流体阻力在允许围之 (2)壳程阻力按式计算 Ps(PoPi)FsNs,N 1,Fs1 流体流经管束的阻力 FfoNTC(NB 1) Uo 2 F=0.5 fo56120000.2880.2397 Ntc1.1Nt0.51.112620.539.07 NB14UO5.03m/s =74976a 流体流过折流板缺口的阻力 总阻力 Ps74976+43553=1.2X106Pa 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。 数 参 9 /3 9/ 2 pa 压 4 9 6 物性 C//度温性定 34 85 \73m ^/f\度密 90 kgf\ •」k-- Fk定? 97 2 3 \7 SSPPf\度粘 3 5 \7 市W/f\率 >热 数特朗普 6£ 4 73 .7 设备结构参数 式头浮 数程壳 mm径体壳 00 4 1 mm管 5 2 X 5 2 ① 32 mm 管 00 70 列•三一子管 △ 根目数管 个数板流折 4 m 帕mm 数程管 2 质材 钢碳 mm速流 02 .3 06 5 ? m2 工一一-- ‘一一衣 2 87 5 i? m2 3 48. --? m2z(\ 02 4 /%度裕 参考文献: 3.GB4557.1——84机械制图图纸幅面及格式 4.GB150——98钢制压力容器 5.机械工程学会焊接学会编,焊接手册,第3卷,焊接结构,;机械工业1992年。 6.杜礼辰等编,工程焊接手册,,原子能,1980 7.化工部六院编,化工设备技术图样要求,化学工业设备设计中心站,1991年。
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