機械畢業(yè)設計55化工原理課程設計—蒸汽二次冷凝器

化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 1 - 課程設計 院 系：化學與化工學院 班 級：應化 0 5 2 學 號： 200508020229 姓 名： 張磊 指導教師： 趙強 時間： 20067.07.10 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 2 - 目 錄 . 任務書 3 . 設計說明 4-7 . 工藝計算 8-15 . 設備的結構計算 15-20 . 課程設計說明及匯總 20-21 . 設計評論 22 . 參考文獻 22 . 附頁 23-24 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 3 - 任務書 一 .設計題目： 蒸汽 二次 冷凝器 二 .設計原始數(shù)據： （ 1）質量流量： Wh=（ 2000+30*29） *1.4=3612kg/h 真空度： （ 100+3*29） *1.4=219mmHg （ 2）冷卻水 進口溫度： 20 出口溫度：自定（ 26） （ 3）當?shù)卮髿鈮海?750mmHg 三 .設計任務： （ 1）設計計算列管式換熱器的熱負荷、傳熱面積、換熱管、殼體、管板、 封頭、隔板及接管等。 （ 2）繪制列管式換熱器的裝配圖。（ 2 號圖紙 594*420mm） （ 3）編寫課程設計說明書。 四 設計時間： 2007 年 7 月 8 日 2006 年 7 月 13 日 設計 學生：張 磊 指導教師： 趙 強 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 4 - 設計說明 一、 設計目的 課程設計是化工原理課程教學中綜合性和實際性較強的教學環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。通過化工原理課程設計，要求學生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的主要程序和方法，培養(yǎng)學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是，嚴肅認真，高度負責的工作作風。 二、 該設備的 作用及在生產中的應用 換熱器是實現(xiàn)傳熱過程的基本設備。而此設備是比較典型的傳熱設備，它在工業(yè)中的應用十分廣泛。例如：在煉油廠中作為加熱或冷卻用的換熱器、蒸餾操作中蒸餾釜和冷凝器、化工廠蒸發(fā)設備的加熱室等。 三、 工 溢流程示意圖 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 5 - 飽和水蒸氣應從換熱器殼程上方進入，冷凝水由殼程下方排出，冷卻水從換熱器下方的入口進入，上方的出口排除。 四、 說明運用該設備的理由 這種換熱器的特點是殼體和管板直接焊接，結構簡單、緊湊。在同樣的殼體直徑內，排管較多。管式換熱器具有易于制造、成本較低、處理能力達、換熱表面清洗比較方便、可供選用 的結構材料廣闊、適應性強、可用于調溫調壓場合等優(yōu)點，由于兩管板之間有管子相互持撐，管板得到加強，故在各種列管換熱器中他的管板最薄，其造價比較低，因此得到了廣泛應用。 五、 設備的結構特點 該結構能夠快速的降低物料的溫度，工作時熱流體走殼程，冷流體走 管程，使接觸面積大大增加，加快了換熱速度。同時，對溫差稍大時可在殼體的適當部位焊上補償圈 (或稱膨脹節(jié) )，通過補償圈發(fā)生彈性變形 (拉伸或壓縮 )來適應外殼和管束不同的膨脹程度。 六、 在設計中遇到的問題的處理 在設計中，在工藝計算過程中，由于選取 K0 不當或其他條件選取不當，造成 在校核時 K0 不符合要求。在重新選取 K0的同時，改變了其他的條件，如： n，L 等，經過二次校核達到了預期的目的。 七、 設計方案的確定 （ 1） 對于列管式換熱器，首先根據換熱流體的腐蝕性或其它特性選項定其結構材料，然后再根據所選項材料的加工性能，流體的壓強和溫度、換熱的溫度差、換熱器的熱負荷、安裝檢修和維護清洗的要求以及經濟合理性等因素來選項定其型式。 設計所選用的列管換熱器的類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設備，在工業(yè)中應用已有悠久歷史， 具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結構材料 廣闊、適應性 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 6 - 強、可用于調溫調壓場合等優(yōu)點，故在大型換熱器中占優(yōu)勢。 固定管板式列管換熱器的特點是，殼體與管板直接焊接，結構簡單緊湊，在同樣的殼體直徑內排管最多。由于兩 管板 之間有管板的相互支撐，管板得到加強，故各種列管換熱器中它的管板最薄，造價最低且易清洗。缺點是，管外清洗困難，管壁與殼壁之間溫差大于 50時，需在殼體上設置膨脹節(jié)，依靠膨脹節(jié)的彈性變形以降低溫差壓力，使用范圍僅限于管、殼壁的溫差不大于 70和殼程流體壓強小于600kpa 的場合，否則因膨脹節(jié)過厚，難以伸縮而失去溫差補償作用。 2）工藝流程圖 （ 3）流體流經的空間：冷卻水走管程原因有以下幾個方面，冷卻水常常用江水或井水，比較臟硬度較高，受熱容易結垢，在管內便于清理，此外，管內流體易于維持高速，可避免懸浮顆粒的沉積。管程可以采用多管程來增大流速，用以提高對流傳熱系數(shù)。被加熱的流體應走管程，以提高熱的有效利用，被冷卻的流體走殼程，以便于熱量散溶 液 換 熱 器 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 7 - 失。飽和蒸汽由于比較清潔應于殼程流過，易便于冷凝液的排出。綜上所述冷卻水走管程蒸汽走殼程。 （ 4）流體的流動方向選擇：飽和水蒸氣應從換熱器殼程上方進入，冷凝 水從殼程的下方排出，這樣既便于冷凝水的排放，又利于傳熱效率的提高 ;冷卻水一般從換熱器的下方的入口進入 ,上方的出口排出 ,可減少冷卻水流動中的死角 ,以提高傳熱面積的有效利用 .故采用逆流 . (5)流速的選擇 :換熱器內流體的流速大小 ,應有經濟衡算來決定 .增大器內流體的流速 ,可增強對流傳熱 ,減少污垢在換熱管表面上沉積的可能性 ,即降低了污垢的熱阻 ,使總傳熱系數(shù)增大 ,從而減少換熱器的傳熱面積和設備的投資經費 ,但是流速增大 ,又使流體阻力增大 ,動力消耗也就增多 ,從而致使操作費用增加 ,若流速過大 ,還會使換熱器產生震動 ,影響壽命 ,因此選取合適的流速是十分重要的 . (6)冷卻劑及出口溫度的確定 :選取水做冷卻劑 ,它們可以直接取自大自然 ,不必特別加工 .由于本地水源豐富 ,可以降低傳熱面積 ,減少設備費用 ,故取出口溫度為 28 . 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 8 - 換熱過程工藝計算 根據任務書所下達的換熱任務，進行完整的換熱過 程的工藝計算。其目的是確定設備的主要工藝尺寸和參 數(shù)，如換熱器的傳熱面積；換熱管管徑、長度、根數(shù)； 管程數(shù)和殼程數(shù)；換熱管的排列和殼體直徑，以及管殼 程流體的壓強降等；為結構設計提供依據?；すに囉?算的步驟大致如下： （一） 傳熱面積 S0 的初定 在穩(wěn)定傳熱過程中，總傳熱系數(shù) K 隨溫度變化不大 時，根據總傳熱速率方程式 ：tKQSm00有效 （ 1） K 0 總傳熱系速 Cmw o2； S 0 換熱管外表 面積 2m ； mT 平均溫度差 Co 。 Q 有效 傳熱速率（熱負荷 ） w 1、 傳熱速率 Q 有效 的計算 由公式 P 絕 =大氣壓強真空度 （ 2） = 750-（ 300-3 27） = 513mmHg =70.8KPa 由算得數(shù)據查表得： T=90.2 r = 2.2826 106J/ 由 Q=Wh r （ 3） 注： K 化學原理上冊課本 S 化學原理實驗及課程設計 （ 1 ）S-P93 頁2-1 （ 2） K-P17頁 （ 3 ）K-P225頁 4-32 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 9 - =3600 27704000 2.2826 106J/ =1.3379 106J/s 式中： Q 換熱器的熱負荷 Wh 飽和蒸氣的質量流量 r 飽和蒸氣的冷凝熱 Q 有效 =Q 95% =1.3379 106 95% =1.271 106J/S K0 初選為 1282 2、平均溫度 tm計算 對逆流和并流 tttttm2121ln （ 4） 式中： t1、 t2 分別為換熱器兩端的溫度差， Co T1 =T2 =TS t1 =20Co t2 =28Co CtTt 0111 2.70 CtTt 0222 2.62 tm=2.622.70ln2.622.70 =66.1Co 3、假設 K0=1282W/ Co S初0 = tmKQ0有效=1.661282 10271.16m2=15 m2 （二）主要尺寸的 確定 1、換熱管的類型、尺寸及材料的確定 （ 1） 管子的直徑 當采用小直徑的管子時，換熱器單位體積傳熱面積較 （ 4） S-P93頁 2-2 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 10 - 大，設備較為緊湊，單位傳熱面積的金屬耗用量較小，管 程流體的對流傳熱系數(shù)也較高，但制造，加工較麻煩，且 容易結垢，不易清洗，因此小直徑一般用于清潔流體，而 大直徑的管子常用于粘性大或污垢的流體。本設計為清潔 流體，故可選用 5.225 （ 2） 管子的長度 我國現(xiàn)有的管子長度規(guī)格常見的有 1500， 2000， 3000， 4500， 6000， 9000等，根據換 熱器工藝計算和設備設 計，本設計可選用長度 3000 規(guī)格的管子。 （ 3） 管子的材料 列管式換熱器設計中，正確選用管子的材料是很重要 的，既要滿足工藝條件的要求，又要經濟合理。選材 時應按照操作壓強，工作溫度，及流體的物化性質來選 擇，所選的材料最好滿足下述要求：導熱，耐磨蝕性能 好，機械強度高，制造加工容易，價格低廉。換熱器常 用的材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅鎳合金、鋁合 金。 （ 5） 本設計為低壓列管換熱器，可用含碳量低于 0.5% 的優(yōu) 質碳鋼的無縫鋼管，其鋼號以 20為多，這號鋼強 度雖低些，但塑性好，焊接性能好。 2、 管心距 t 的確定： 管板上兩管子中心的距離稱為管間距，用 t 表示 （ 5） S-P96頁 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 11 - t=(1.3-1.5) （ 6） 且兩管外徑之間的距離不能小于 6mm,即 t (d0+6)mm 所以 t=1.5 d0=1.5 25mm=37.5mm 外層管子 中心到隔板的距離： b, b,= (1-1.5)d0且不能小于 1/2d0+10mm （ 7） 所以 b,=1.5d0=37.5mm 3、管子在管板上的排列形式 管子的排列方式按照三角形 排列。這樣排列的優(yōu)點是： 在一定的管板面積上可以配置較多的管子數(shù)，而且由于管 子間的距離相等，管板的加工制作方 便。 （ 8） （三） 管程數(shù)的確定（ m） um u 適（ 9） 式中： u適 管程流體的 適宜流速， m/s u 單管程流體的實際流速， m/s ndwiu初水 24 （ 10） 式中 w水 冷卻水流量， /s di 管內徑， m 冷卻水密度 ， n初 總管數(shù) n初 = LdS00初 （ 11） n初 列管中的總管數(shù) ， S初0 傳熱面積的估算值 d0 選定的換熱管外徑， m L 換熱管有效長度， m （ 6）（ 7）S-P96頁 （ 8）（ S-P97頁 （ 9）（ S-P99頁 （ 10 ）S-P100頁 （ 11） S-P96頁 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 12 - 代入數(shù)值： w水= ttCQpc 12 有效 = 2028271.1 10 6C pc查表得： Cpc=4179J/ Co 故 ， w水=30.82 /s 根據公式 LdSnT00（ 12） 其中 nT 列管式換熱器的總管數(shù)，必須取整數(shù) L 選定的換熱管有效長度 L=3m 2（伸長量 +管板厚） =3-2（ 0.005+0.025） =2.94m 所以由公式得管子數(shù) 為LdSn00初初 =94.2025.014.3 15 =65 由ndwiu初水 24 =414.3659 9 7 . 202.002.002.38=1.87 m/s u適 =(1-3) m/s 查表 取 u適 =1.87m/s （ 13） um u 適=87.187.1=1, 故選單程 （四） 殼體的內徑 D 根據公式 DI=t(nc 1)+2b, （ 14） 其中： nc=1.1 Tn =9 由公式的 DI=37.5 (9-1)+2 37.5=375mm 所以取 DI為 400mm （ 12 ）S-P96 頁2-6 （ 13 ）k-P331頁 （ 14 ）S-P100頁2-9 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 13 - 根據 L/D=3/0.400=7.5 在 610 之間，所以選用臥式。 （五） 確定準確的管子數(shù) 按照 正 三角形排列 ，見坐標紙。 由圖得準確管子數(shù)為 n=65。 根據公式 42 Ti nudW 水 （ 15） 得 u=2)02.0(6514.32.9974*02.38 =1.87m/s （六） 校核 K0 根據公式 K0= 10000 1 somisiii RdbdddRdd （ 16） 式中： RS 傳熱壁面兩側污垢熱阻 b 傳熱壁面的厚度 傳熱壁面材料的導熱系數(shù) 1、 管內對流傳熱系數(shù) i的計算 根據公式 i=0.023 4.08.0 PiiCudd（ 17） 當流體被加熱時， n=0.4；被冷卻時， n=0.3。 所以取 n=0.4 由公式得 i=0.023 4.05.8.05 6064.0328.92417910328.922.99787.102.002.06064.0 10 =5324（注明） （ 15 ）S-P100頁2-8 （ 16） S-P103頁 2-20 （ 17 ）S-P104頁2-21a 注明：式中 所 有參 數(shù) 均在 24條 件 下查得 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 14 - 注明 ： 由 24 查表 =997.2kgm3 =60.64 10-2W/(m ) =9.2328 10-4 Pa s r=2282.6 kJ/ （ 19 ）S-P104 2-23 2、 RSi=0.00021 RS0=0.000086 查表 （ 18） 3、 飽和蒸汽在換熱管外作膜狀冷凝時 0的計算 采用試差法計算 TW 設 TW=80 , TS=90.2 則 t=10.2 ， tm=(t1+t2)/2=24 （注明） 假設條件合理，則根據公式 0=0.725 4/103/232 tdnrgm （ 19） 其中： nm=75.075.0275.01 21 zznnnnnn （ 20） 得 nm=1.43 算得 0=8231 驗證 TW 根據公式 TW= TS00 SaQ有效 得 TW=79.8 | TTSW |=|79.8-80|=0.2 1 所以假設合理。 所以最后得 0=8231 4、計算 K0， K0， = 1382311000086.05.2245105.225202500021.053242025 =1411.8 所以 K0， /K0=1411.8/1282=1.101（適合） （ 18 ）S-P103頁 （ 20） S-P105頁 2-24 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 15 - （七） 校核面積 S0 根據公式 S0=mtKQ0,有效 = 26 1.668.1411 10271.1 m =13.62 m2 S 設 = Lnd0（ 21） =3.14 0.025 2.94 65=15m2 所以 S 設 / S0=15/13.62=1.101（合適） 故，設計合 理。 設備的結構設計 （一 ）殼體 1、殼體內徑 400 2、壁厚 選最小壁厚 10 （ 22） 3、材質的選取 導墊耐腐蝕性要好，機械強度高，制造加工容易，價格 低廉。一般中、低壓管式換熱器的；列管常用含碳量低于 0.25%的優(yōu)質低碳鋼的無縫鋼管，所選低碳鋼為 A3F （二） 管板的材質及管板的結構 1、在選用管板的材料時，當換熱介質無腐蝕有輕微 腐蝕時，可按規(guī)定采用低碳鋼或 普通低合金，處理腐 蝕性介質時，應采用優(yōu)質的耐腐蝕材料。本設計可采 用低碳鋼。 （ 23） （ 21 ）S-P105頁 （ 22 ）S-P105頁 （ 23 ）S-P107頁 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 16 - 2、管板與殼體的連接 管板尺寸：根據 Dg=400 mm 查表（ S-P109 頁表 2-10）得管板尺寸： Pg =1.0MPa Dg D D1 D2 D3 D4 D5 b 400mm 515mm 480mm 390mm 398mm 438mm 400mm 30mm 圖見附頁 圖 -1 （三）管子在管板上的固定： 管子在管板上的固定方法主要有脹接和焊接兩種。其 原則是必須保證管子與管板連接牢固，連接處不會產生 泄露。 （ 1）脹接法 此法是利用脹管器擠壓 伸入管板孔中的管 子端部使管端發(fā)生塑性變形，管板同時也產生彈性性形變， 當取去脹管 器后由于管板孔的彈性收縮，使管板與管子間 同時產生一定的擠緊力而緊密地貼在一起，從而達到密封 固緊連接的目的。采用脹接時，管板的硬度應比管端硬度 高，以保證脹接質量，這樣可免除因管板孔的塑性變形， 而影響脹接的緊密性。 圖見附頁 圖 -2 （ 24） （ 2）焊接法 由于此法具有高溫 高壓下仍能保持連接的緊密性，對管板 孔的加工精度要求低，加工工藝較簡單，當壓強不太高時 ，可用較薄管板等優(yōu)點，因此焊接法的應用較廣泛 。但焊 接法工藝要求管子與管孔之間應留有一定的間隙。 （ 24 ）S-P106頁 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 17 - 由于本設計要求在常溫常壓下工作，可采用脹接法。 （四）管板與殼體的連接 固定管板式換熱器的管板與殼體間采用不可拆連接。可采 用焊接的方式。圖見附頁 圖 -3 （ 25） （五）封頭 封頭又稱端蓋（或頂蓋），按其形狀可分為凸形封頭、錐 形封頭和平板封頭三類。其中凸形封頭按結構形狀又可分 為球形、橢圓形、蝶形和無折邊球形的四種封頭。 對于列管式換熱器一般取用橢圓形封頭為多。橢圓形封頭 是由 半橢球和具有一定高度的短圓筒兩部分所組 成。直邊 的作用是避免殼體與封頭間環(huán)向焊縫的邊緣應力，由于橢 球封頭各點曲率的變化是連續(xù)的，當其承受內壓時封頭內 的應力分布不會發(fā)生突變，所以其承受能力較大。 橢圓形封頭的壁厚與其長短值的比值有關。即 D/2h=2。 大多數(shù)橢圓封頭的壁厚是與筒體厚度相等或比筒稍短。 直邊的內徑與殼體內徑相同。 （ 26） 根據本實驗可選 材料：碳素鋼 其中 R=D=400mm;r=0.15D=60mm;S=b=10mm;H=0.25D=100mm; h=3S=30mm 圖見附頁 圖 -4 （六）封 頭或管箱的法蘭與墊片 （ 25 ）S-P117頁 （ 26 ）S-P119頁 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 18 - 法蘭是壓力容器用的法蘭。壓力容器法蘭分為平焊法蘭和 對稱法蘭兩類，平焊法蘭又分為甲型和乙型兩種。甲型平 焊法蘭適用于公稱壓強（ MPa） Pg0.25、 0.6、 1.0、 1.6 四個壓強等級的較小范圍。乙型平焊法蘭適用公稱壓強 Pg2.5 4.0兩個壓強等級的較小范圍，其最高工作溫度 為 350Co 。 （ 27） 本設計選用甲型平焊法蘭 ，圖見附頁 圖 -5、圖 -6 公稱尺寸： Pg =1.0MPa （ 28） Dg D D1 D2 D3 D4 b a a1 d 400mm 515mm 480mm 450mm 440mm 438mm 30 mm 15 mm 13 mm 18mm （七）接管 接口管有焊接管、鑄造接管和螺紋接管三種。 本實驗設計可選焊接接管，且二次蒸汽選用上進下出的 形式 1、 蒸汽進口管 di =u4VS=氣 u4WH式中： di 接管的 內徑 Vs 通過接管流體的體積流量 u 接管內流體的適宜流速 u=30m/s 氣=0.42675 kgm3 （ 27 ）S-P119頁 （ 28 ）S-P120頁 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 19 - 所以： di =4 2 6 7 5.014.3303 6 0 02 1 1 04 m=241mm 圓整 成 250 2、 冷凝水管： di =u4VS=水 u4WH=9 6 5 .1 6 2214.3360021104 =20mm 水通過查表得出： t=90.2 ,查得 3/162.965 mkg水3、 冷卻水管： di =水冷卻水 u4W C=997.2314.338.024 =127mm 圓整 150 水通過查表得出： t=t1 t2/2=24 ,查得 3/2.997 mkg水4、 不凝氣體排除管： di =u4VS=氣 u05.04W H = 300 . 4 2 6 7 514.33 6 0 0 0 . 0 52 1 1 04 =54 圓整 70 （八）容器開孔的補強 補強圈的材料一般與器壁材料相同，其厚度也與器壁厚 度相等，直徑與管子一樣。故補強圈可選：碳素鋼 10 直徑 200 圖見附頁 圖 -7 （九）接管法蘭與法蘭蓋 根據上述計算出的接管的 di 通過查表（ S-P151 附表 7）得到管法 蘭尺寸 化工原理課程設計 蒸汽 二次 冷凝器 - 20 - Pg=0.98MPa（ 10kgf/cm2） Dg 管子 法蘭 螺栓 dH S D D1 D2 D3 D4 b f d 數(shù)量 直徑 250 272 8 390 350 320 283 312 21 3 23 12 M20 70 76 4 180 145 122 86 109 8 3 4 4 M16 150 159 4.5 280 240 212 171 203 11 3 18 8 M20 20 25 3 105 75 58 33 - 6 2 4 4 M12 （十）容器法蘭 圖見附頁圖 -8 （十 一 ）支座 圖見附頁 圖 -9 課程設計技術說明 一、 接管表 序號 連接方式 用途 公稱 尺寸 連接尺寸 1 平面連接 冷卻水進出口 Dg150mm Pg1.0MPa Dg150mm 2 平面