化工原理课程设计-42134吨年乙苯冷却列管式换热器的设计.doc
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1、银川能源学院化工原理课程设计成绩银川能源学院化工原理课程设计说明书 题目: 42134吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计 学生姓名 学 号 指导教师 院 系 石油化工学院 专业班级 能源化学工程(本)1402班 设计时间 2015年6月10日 化学工程教研室制目录摘 要1abstract11设计任务书21.1设计题目21.2工艺原始数据及操作条件21.3 设计内容21.4设计时间22课程设计概述32.1设计目的32.2换热器设备的在生产中作用及应用32.3 工艺流程32.4. 列管式换热器的特点32.4.1应用特点32.4.2设备的结构特点42.5设计方案的确定42.5.1换热器类型的选择42.
2、5.2换热器内流体通入空间的选择42.5.3流速的选择53 换热过程工艺计算53.1基本物性参数53.2计算总传热系数63.2.1计算热负荷和冷却水流量63.2.2计算两流体的平均传热温差63.2.3初算传热面积73.3工艺结构尺寸的计算83.3.1管径和管内流速83.3.2管程数和传热管数83.3.3传热管的排列83.3.4壳体内径93.3.5折流板93.3.6接管104换热器主要传热参数的校核104.1热流量核算104.1.1管程流体流速104.1.2课程流速流体104.2换热器内流体的流动阻力124.2.1管程流动阻力125课程设计说明及汇总136主要零部件146.1封头146.2法兰1
3、56.3管板156.4垫片156.5管子在管板上的固定156.5.1胀接法156.5.2焊接法157课程设计心得体会158致谢16参考文献16II摘 要换热器是化工、石油以及其它许多工业部门的通用设备,在生产制造中占有及其重要的地位。所以,在本次课程设计中我们设计列管式换热器。设计内容包括设计任务书、课程设计概述、换热工艺计算等。设计过程主要通过设计任务书和国标准则,计算两流体的定性温度,查找资料确定物性参数,计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定主要的零部件。设计结果为单壳程和四管程的固定管板式换热器。优点结构简单、紧凑,制造成本低;管内不易积垢,即使产生污垢也便于清洗。关键词:换热器;设计计算
4、;固定管板式换热器abstractHeat exchanger is chemical, oil and many other industrial sectors of general equipment, and its important position in the production and manufacturing. So, in this course we design in the design of shell and tube heat exchanger. Design content includes the design plan descriptions o
5、f the overview, curriculum design, so the heat exchange process calculation, etc. Mainly through the design plan descriptions of the design process and gb standards, calculated two fluid temperature, and to find the data to determine physical parameters, calculate the total heat transfer coefficient
6、, process structure size and to determine the main components. The shell side of the design results for single fixed tube plate heat exchanger and four sides. The advantages of simple structure, compact, low manufacturing cost; Tube is not easy to fouling, even cause fouling also facilitate clean. K
7、ey words: heat exchanger; Design calculation; Fixed tube-sheet181设计任务书1.1设计题目处理能力为5320Kg/h的乙苯冷却;1.2工艺原始数据及操作条件(1) 管程进口温度为136,出口温度为60;允许压力降:不大于105Pa;(2) 壳程进口温度为30,出口温度50;允许压力降:不大于105MPa;l ?l ?(3) 每年按330天计,每天24小时连续运行。1.3 设计内容(1)工艺设计:确定设备的主要工艺尺寸,如:管径、管长、管子数目、管程数目等,计算K0。(2)结构设计:确定管板、壳体、封头的结构和尺寸; 确定连接方式、
8、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。(3)绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书。1. ?2. ?1.4设计时间2016年12月5日2016年12月16日设计学生:李凯 指导教师:刘荣杰1.?2课程设计概述2.1设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节,是理论联系实际的桥梁,是使我们体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过课程设计使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识,进行融会贯通的独立思考,在规定的时间内完成指定的化工设计任务,从而得到化工设计的主要程序和方法,进而提高我们分析和解决工程实际问题的能力。同时,通过课程设计,还可以培养我们树
9、立正确的设计思想,培养实事求是,严肃认真,高度负责的工作作风。2.2换热器设备的在生产中作用及应用换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂,换热器的费用约占总费用的10%20%,在炼油厂约占总费用35%40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此,设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。2.3 工艺流程冷却水从换热器左侧封头的下方进入,从换热器右侧封头的上方排出,乙苯从换热器左侧上方的入口进入,经过个管程再从左侧下方排出。2.4. 列管式换热器的特点2.4.1应用特点列管换热器的特点是壳体和
10、管板直接焊接,结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内,排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点,由于两管板之间有管子相互持撑,管板得到加强,故在各种列管换热器中他的管板最薄,其造价比较低,因此得到了广泛应用。2.4.2设备的结构特点列管式换热器的结构特点是管束以焊接或胀接在两块管板上,管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比,结构简单,制造成本较低。管内不易积累污垢,即使产生了污垢也便于清洗,但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗,因而不适宜处理
11、脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的,当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时,在壳体和管子中将产生很大的温差应力,以至管子扭弯或从管板上松脱,甚至损坏整个换热器。当管子和壳体的壁温差大于50时,应在壳体上设置温差补偿膨胀节,依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力,膨胀节的形式较多,常见的有形、平板形和形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好,所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时,宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于60和壳程压强超过0.6MPa时,由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构。2.5设计方案的确定2.5.1换热器类型的
12、选择对于列管式换热器,首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料,然后再根据所选项材料的加工性能,流体的压强和温度、换热的温度差、 换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备,在工业中应用已有悠久历史,具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点,故在大型换热器中占优势。 固定管板式列管换热器的特点是,壳体与管板直接焊接,结构简单紧凑,在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑,管板得到加强,故各种列管
13、换热器中它的管板最薄,造价最低且易清洗。缺点是,管外清洗困难,管壁与壳壁之间温差大于50时,需在壳体上设置膨胀节,依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力,使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70和壳程流体压强小于600kpa的场合,否则因膨胀节过厚,难以伸缩而失去温差补偿作用。2.5.2换热器内流体通入空间的选择在列管式换热器中,哪一种流体走管程,哪一种走壳程,一般可从下列几个方面考虑。(1)不洁净或易结垢的流体走易于清洗的一侧;对于固定管板式换热器, 一般走管程;U形管换热器,一般走壳程。(2)粘性大的或流量小的流体,宜走壳程,因流体在有折流板的壳程流动 时,在较低的雷诺数(Re100)下,即可达
14、到湍流,有利于提高传热系数。(3)有腐蚀性流体应走管程,这样,只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料,而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的(4)压力高的流体走管程,因为管子直径小,承受压力的能力好,还避免了采用高压壳体和高压密封。(5)有毒的流体走管程,减少泄漏的机会。(6)饱和蒸汽一般走壳程,便于冷凝液的排出,而且蒸汽较清洁,无清洗 要求。(7)被冷却的流体走壳程,便于散热。(8)对于固定管板式换热器,若两流体的温差较大,对流传热系数较大者宜走管程, 这样可以降低管壁与壳壁的温差。减少热应力。 以上原则,在实际中不可能同时兼顾,对具体情况仔细分析,抓住主要方面。例如首先从流体的压
15、力、腐蚀性以及清洗等方面考虑,然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核,以便作出较恰当的选择。2.5.3流速的选择换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的。3 换热过程工艺计算3.1基本物性参数(1)定性温度:可取流体进口温度的平均值。(2)壳程流体井水的定性温度为t=(136+60)/2=98
16、(3)管程流体残油的定性温度为t=(30+50)/2=40 (4)根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。表1基础物数据流体物性 kg/m3pasCp kJ/(kgk)w/(mc)乙苯797.80000312.000601148水992.20.00065324.1740.634表2常用流速黏度 (pas)15001500500500100100353511.0530壳程0.51.50.21.50.52153.2计算总传热系数3.2.1计算热负荷和冷却水流量热负荷:Qi =qmiCpiti=53202.0006(136-60) 103/3600=224690W冷却水流量:Wo=Q/C
17、p2t2=224690/4.174103(50-30)=9689.5 kg/h3.2.2计算两流体的平均传热温差按单壳程多管程进行计算,对逆流传热温度差进行校正得逆流传热温差为:而 由P和R查图一可得温度校正系数,图一因,故可行。所以修正后的传热温度差为:3.2.3初算传热面积K值大致范围为200800 W/(m2K)假设K=300 W/(m2K),则估算的传热面积为换热管实际面积按1.10A估,则A实=1.1015.5=17 m23.3工艺结构尺寸的计算3.3.1管径和管内流速选用252.5的传热管(碳钢钢管),管内径di=0.025-0.00252=0.02m,取管内流速ui=0.86m/
18、s;3.3.2管程数和传热管数依据传热内径和流速确定单程传热管数di=0.02m d0=0.025m按单管程计算,所需的传热管长度为按单管程设计,传热管过长,故采用多管程,取传热管长l=6m,则该换热器管程数为:热管总根数 NT=NPNs410=40(根)3.3.3传热管的排列表4正三角形排列时的管数六角形的层数对角线上的管数不计弓形部分时管子的根数弓形部分管数换热器内总管数在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第三排在弓形的总管数12345678910111213141516357911131517192123252729313371937619112716921727133139746954
19、7631721817345678910111225671824303642486690102114719376191127187241301367439517613721823913采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列。如右图二所示;管心距t=1.25do,则t=1.250.025=0.032m。图二3.3.4壳体内径采用多管程结构,取管板利用率=0.8,壳体内径为 壳程直径可选取的直径有(159 273 400 500 600 800 )mm故圆整可取D273mm。3.3.5折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25,则切去的圆缺高度为:h0.2527368.25mm,故
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