化工原理課程設(shè)計(jì)——板式塔精餾

1、 化工原理設(shè)計(jì)2012年化工原理課程設(shè)計(jì)題 目 煤油冷卻器的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 席洋學(xué) 號 1505100924指導(dǎo)教師 符劍剛學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院專 業(yè) 應(yīng)用化學(xué)1005完成時(shí)間 2012年9月18日目錄一.化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書21.1.題目21.2.任務(wù)及操作條件21.3.列管式換熱器的選擇與核算21.4.繪制換熱器裝配圖2二.概述321換熱器的應(yīng)用322管殼式換熱器的分類及特點(diǎn)31)固定管板式72）浮頭式換熱器93）U型管式換熱器6三換熱器設(shè)計(jì)方案簡介7四.列管式換熱器的選型計(jì)算104.2確定物性數(shù)據(jù)：124.3計(jì)算總傳熱系數(shù)124.4換熱器核算15五.換熱器主體設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型235.1管

2、板235.2封頭、圓筒255.3殼體內(nèi)徑和壁厚275.5零件的連接方式265.6膨脹節(jié)的選用與否265.7接管確定265.8折流板的尺寸及數(shù)量275.10.換熱管295.11管箱305.12分程隔板305.13支座305.14.墊片31六.工藝設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表31七.參考文獻(xiàn)33一.化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1.題目煤油冷卻器的設(shè)計(jì) 1.2.任務(wù)及操作條件處理能力：19.0萬噸/年煤油設(shè)備形式：列管式換熱器操作條件煤油：入口溫度140，出口溫度40冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度30，出口溫度40允許壓強(qiáng)降：不大于100kPa煤油定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：密度825kg/m3，黏度7.15×10

3、-4Pa.s，比熱容2.22kJ/(kg.)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14W/(m.)每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行1.3.列管式換熱器的選擇與核算1.3.1.傳熱計(jì)算1.3.2.管、殼程數(shù)的確定及管、殼程流體阻力計(jì)算1.3.3.管板厚度計(jì)算1.3.4.U形膨脹節(jié)計(jì)算（浮頭式換熱器除外）1.3.5.管束振動1.3.6.管殼式換熱器零部件結(jié)構(gòu)1.4.繪制換熱器裝配圖（見A1圖紙另附）二.概述 過程設(shè)備在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,是在化工、煉油、輕工、交通、食品、制藥、冶金、紡織、城建、海洋工程等傳統(tǒng)部門所必需的關(guān)鍵設(shè)備，而換熱設(shè)備則是廣泛使用的一種通用的過程設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占總

4、投資的10%20%;在煉油廠,約占總投資的35%40%。21換熱器的應(yīng)用在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的差別。在化工、石油、動力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，并占有十分重要的地位。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換

5、熱器相繼問世。隨著換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的地位和作用不同，換熱器的類型也多種多樣，不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能各異。列管式換熱器的應(yīng)用已有很悠久的歷史?，F(xiàn)在，它被當(dāng)作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門所使用的換熱設(shè)備中，列管式換熱器仍處于主導(dǎo)地位。同時(shí)板式換熱器也已成為高效、緊湊的換熱設(shè)備，大量地應(yīng)用于工業(yè)中。22管殼式換熱器的分類及特點(diǎn) 管殼式換熱器是目前化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的傳熱設(shè)備。與前述的各種換熱器相比，主要優(yōu)點(diǎn)是：單位體積具有的傳熱面積較大以及傳熱效果較好；此外，結(jié)構(gòu)簡單，制造的材料范圍較廣，操作彈性也較大等。因此在高溫、高壓和大型裝置上

6、多采用管殼式換熱器。參考化工原理課程設(shè)計(jì)賈紹義 柴誠敬主編 天津大學(xué)出版社 2002.8參考化工原理上 修訂版 夏清 陳長貴主編 天津大學(xué)出版社 2005束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫度差較大（50以上）時(shí)，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備變形，甚至彎曲破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據(jù)熱補(bǔ)償方法的不同，管殼式換熱器有下面幾種形式。1)固定管板式 圖1所示的單程殼管換熱器即為固定管板式換熱器。固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時(shí)，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補(bǔ)償

7、因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在殼體中設(shè)置有管束，管束兩端用焊接或脹接的方法將管子固定在管板上，兩端管板直接和殼體焊接在一起，殼程的進(jìn)出口管直接焊在殼體上，管板外圓周和封頭法蘭用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接和封頭焊在一起，管束內(nèi)根據(jù)換熱管的長度設(shè)置了若干塊折流板。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。這類換熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜，但殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直

8、于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。固定管板式換熱器的特點(diǎn)1、 造價(jià)低；2、 無內(nèi)漏；3、 固定管板式換熱器的缺點(diǎn)是，殼體和管壁的溫差較大，易產(chǎn)生

9、溫差力，殼程無法清洗，管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低，不適用于殼程易結(jié)垢場合。圖1 固定管板式換熱器2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。新型浮頭式換熱器浮頭端結(jié)構(gòu)，它包括圓筒、外頭蓋側(cè)法蘭、浮頭管板、鉤圈、浮頭蓋、外頭蓋及絲孔、鋼圈等組成，其特征是：在外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面設(shè)凹型或梯型密封面，并在靠近密封面外側(cè)鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，浮頭處取消鉤圈及相關(guān)零部件，浮頭管板密封槽為原凹型槽并另在同一端面開一個(gè)以該管板中心為圓心，半徑稍大于管束外徑的梯型凹槽，且管板分程凹槽只與梯型凹槽相連通，而

10、不與凹型槽相連通；在凹型和梯型凹槽之間鉆孔并套絲或焊設(shè)多個(gè)螺桿均布，設(shè)浮頭法蘭為凸型和梯型凸臺雙密封，分程隔板與梯型凸臺相通并位于同一端面的寬面法蘭，且凸型和梯型凸臺及分程隔板分別與浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽相對應(yīng)匹配，該浮頭法蘭與無折邊球面封頭組配焊接為浮頭蓋，其法蘭螺孔與浮頭管板的絲孔或螺桿相組配，用螺栓或螺帽緊固壓緊浮頭管板凹型和梯型凹槽及分程凹槽及其墊片，該結(jié)構(gòu)必要時(shí)可適當(dāng)加大浮頭管板的厚度和直徑及圓筒的內(nèi)徑，同時(shí)相應(yīng)變更加大相關(guān)零部件的尺寸；另配置一無外力輔助鋼圈，其圈體內(nèi)徑大于浮頭管板外徑，鋼圈一端設(shè)法蘭與外頭蓋側(cè)法蘭內(nèi)側(cè)面凹型或梯型密封面連接并密封，另一端設(shè)法蘭或其他結(jié)構(gòu)與

11、浮頭管板原凹型槽及其墊片或外圓密封。浮頭換熱器的特點(diǎn)：浮頭式換熱器的一端管板固定在殼體與管箱之間，另一端管板可以在殼體內(nèi)自由移動，這個(gè)特點(diǎn)在現(xiàn)場能看出來。這種換熱器殼體和管束的熱膨脹是自由的，管束可以抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高（比固定管板高20%），在運(yùn)行中浮頭處發(fā)生泄漏，不易檢查處理。浮頭式換熱器適用于殼體和管束溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的條件。圖2 浮頭式換熱器3）U型管式換熱器U形管式換熱器僅有一個(gè)管板，管子兩端均固定于同一管板上，如圖3所示。這類換熱器的特點(diǎn)是：管束可以自由伸縮，不會因管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補(bǔ)償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱

12、性能好；承壓能力強(qiáng)；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，且結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜。但管內(nèi)清洗不便，管束中間部分的管子難以更換，又因最內(nèi)層管子彎曲半徑不能太小，在管板中心部分布管不緊湊，所以管子數(shù)不能太多，且管束中心部分存在間隙，使殼程流體易于短路而影響殼程換熱。此外，為了彌補(bǔ)彎管后管壁的減薄，直管部分必須用壁較厚的管子。這就影響了它的使用場合，僅宜用于管殼壁溫相差較大，或殼程介質(zhì)易結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)的情形。圖3 U型管換熱器（4）填料函式換熱器此類換熱器的管板也僅有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封，如圖4所示。它的管束也可以自由膨脹，所以管殼之間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程

13、和殼程都能清洗，結(jié)構(gòu)較浮頭式簡單，造價(jià)較低，加工制造方便，材料消耗較少。但由于填料密封處易于泄露，鼓殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。2.3.設(shè)計(jì)背景及設(shè)計(jì)要求在換熱器設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇適用的類型，然后計(jì)算換熱所需傳熱面積，并確定換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求： （1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)這參考化工原理課程設(shè)計(jì)賈紹義 柴誠敬主編 天津大學(xué)出版社 2002 版38面些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力

14、學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。其具體做法如下。 增大傳熱系數(shù) 在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的前提下，盡量選擇高的流速。 提高平均溫差 對于無相變的流體，盡量采用接近逆流的傳熱方式。因?yàn)檫@樣不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。在允許的條件時(shí)，可提高熱流體的進(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。 妥善布置傳熱面 例如在管殼式換熱器中，采用合適的管間距或排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。錯(cuò)列管束的傳熱方式比并列管束的好。如果換熱器中的一側(cè)有相變，另一側(cè)流體為氣相，可在氣相一側(cè)的傳熱

15、面上加翅片以增大傳熱面積，更有利于熱量的傳遞。 （2）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動時(shí)不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟(jì)合理 評價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）的總和為最小。在設(shè)計(jì)或

16、選型時(shí)，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務(wù)的需要，這一指標(biāo)尤為重要。 動力消耗與流速的平方成正比，而流速的提高又有利于傳熱，因此存在一最適宜的流速。 傳熱面上垢層的產(chǎn)生和增厚，使傳熱系數(shù)不斷降低，傳熱量隨之而減少，故有必要停止操作進(jìn)行清洗。在清洗時(shí)不僅無法傳遞熱量，還要支付清洗費(fèi)，這部分費(fèi)用必須從清洗后傳熱條件的改善得到補(bǔ)償，因此存在一最適宜的運(yùn)行周期。 嚴(yán)格地講，如果孤立地僅從換熱器本身來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算以確定適宜的操作條件與適宜的尺寸是不夠全面的，應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)中全部設(shè)備為對象進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算或設(shè)備的優(yōu)化。但要解決這樣的問題難度很大，當(dāng)影響換熱器的各項(xiàng)因素改變后對整個(gè)系統(tǒng)的效益關(guān)系影響不大時(shí)，按照上述

17、觀點(diǎn)單獨(dú)地對換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算仍然是可行的。三換熱器設(shè)計(jì)方案簡介 3.1.列管式換熱器的選用步驟 （1）了解生產(chǎn)任務(wù)、工藝特點(diǎn)和基本數(shù)據(jù)冷、熱流體的流量，進(jìn)、出口溫度，操作壓力；冷、熱流體的已知物性參數(shù)；冷、熱流體的工藝特點(diǎn)，包括腐蝕性、懸浮物含量、有無相變等。（2）確定流體流動途徑（流程），確定換熱器類型（3）進(jìn)行選擇設(shè)備型號的有關(guān)計(jì)算計(jì)算兩流體的定性溫度，在此溫度下查取流體的有關(guān)物性參數(shù)，如密度、粘度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。根據(jù)生產(chǎn)換熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷。計(jì)算對數(shù)平均溫度差，并根據(jù)溫差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則決定殼程數(shù)。根據(jù)總傳熱系數(shù)K值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值范圍，初步選定總傳熱系數(shù)K值。根據(jù)總傳熱速率

18、方程，由初選的K值，計(jì)算出傳熱面積，由此在換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中初步選出合適的設(shè)備型號。計(jì)算管程、殼程壓力降。根據(jù)初選的換熱器型號，計(jì)算兩流體的流速和壓力降，檢計(jì)算結(jié)果是否合理或是否滿足工藝要求。若壓力降不符合要求，則要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或另選一種規(guī)格的換熱器，再重新計(jì)算壓力降，直至滿足要求為止。 核算總傳熱系數(shù)。分別計(jì)算管程、殼程的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計(jì)算總傳熱系數(shù)，并與開始初選的總傳熱系數(shù)進(jìn)行比較。如果相差較多，則應(yīng)再次設(shè)定總傳熱系數(shù)，重復(fù)以上計(jì)算步驟，直至接近為止。核算傳熱面積。根據(jù)核算后的K值，進(jìn)行比較，與初選的K比較，一般以留一定的裕量。3.2.列管換熱器選型中相

19、關(guān)計(jì)算公式 1傳熱速率基本方程式在穩(wěn)定傳熱下，總傳熱系數(shù)K隨溫度變化不大時(shí)，則Q=KA式中Q傳熱速率，W; K總傳熱系數(shù)，W/(·k); A與K對應(yīng)的傳熱面積，； t平均溫度差,K。2對數(shù)平均溫度差（1）在無相變理想逆流或并流換熱器中，對數(shù)平均溫差為 分別為換熱器兩端熱冷流體的溫差，單位K。（2）在冷、熱流體復(fù)雜流向（錯(cuò)流或折流）的換熱器中，無相變時(shí)，對數(shù)平均溫差為 按理想逆流情況下求得的對數(shù)平均溫度差；溫度差校正系數(shù)，是R和P兩因數(shù)的函數(shù)，可于教材圖中查得。在函數(shù)式中熱流體的溫降/冷流體的溫升參考化工原理課程設(shè)計(jì)賈紹義 柴誠敬主編 天津大學(xué)出版社 2002 版4752面 冷流體的溫

20、升/兩流體的最初溫度差強(qiáng)調(diào):值不可小于0.8。3總傳熱系數(shù)K值的計(jì)算公式為基于外表面積的總傳熱系數(shù)，W/(·); 傳熱管內(nèi)、外側(cè)流體的對流傳熱系數(shù)，W/(·); 傳熱管內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻，·/W；，傳熱管內(nèi)徑、外徑及平均直徑，m;傳熱管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(·)；b傳熱管壁厚，m。4流動阻力計(jì)算（1）管程壓強(qiáng)降管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。對于多程換熱器，其總阻力等于各程直管阻力、回彎阻力及進(jìn)出口阻力之和。一般進(jìn)出口阻力可忽略不計(jì)，故管程總阻力的計(jì)算式為式中分別為直管和回彎管中摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，且：結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，對于的管子，取為1.4,

21、；對于的管子，取為1.5；:殼程數(shù);:管程數(shù);（2）殼程壓強(qiáng)降殼程內(nèi)流體流動狀態(tài)復(fù)雜，較為常用的計(jì)算公式為：式中，：流體橫過管束的壓強(qiáng)降； ：流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降； ：殼程壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，無因次，對液體取1.15，氣體取1.0；而 其中，：管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對正方形排列為0.5,對正方形斜轉(zhuǎn)45度為0.4，三角形排列為0.3；：殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)時(shí)，；:折流板數(shù)；折流板間距，取h=0.15m;：按殼程流通面積計(jì)算的流速，而D：殼徑，m；：換熱管外徑，m.5.換熱器的實(shí)際傳熱面積S四.列管式換熱器的選型計(jì)算4.1確定設(shè)計(jì)方案4.1.1流體流動空間的選擇與煤油相比，水易結(jié)

22、垢，且對流傳熱系數(shù)一般比較大，所以冷卻水走換熱器的管程，煤油走換熱器的殼程，這也有利于降溫。4.1.2選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140，出口溫度40；冷流體(循環(huán)水)進(jìn)口溫度30，出口溫度40。平均溫度差傳熱溫差不大于50，因此初步確定選用固定管板式換熱器。4.1.3流程安排由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，煤油走殼程。選用25×2.5的碳鋼管。4.1.4 流體流速的選擇在固定管板式式換熱器中，對于流體流徑的選擇一般可以考慮以下幾點(diǎn)： (1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，

23、以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 (3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。 (4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。換熱器內(nèi)

24、適宜的流速應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)核算選擇, 一般流體盡可能使Re>104 ，粘度高的流體常按滯流設(shè)計(jì)。表2、表3列出一些工業(yè)上常用的流速范圍.表2列管式換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速m/s管程殼程一般液體0.530.21易結(jié)垢液體>1>0.5氣體530315表3 不同粘度液體的流速( 以普通鋼壁為例)液體粘度最大流速>15000.615005000.755001001.1100351.53511.8<12.44.2確定物性數(shù)據(jù)：取流體進(jìn)口溫度的平均值。煤油的定性溫度為：T=(140+40)/2=90 ()冷卻水的定性溫度為 ：t=(30+40)/2=35)根據(jù)定性溫度，分

25、別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 煤油在90下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度 o=825 kg/m3定壓比熱容cpo=2.22 KJ/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù) o=0.14 W/(m·)粘度 o=7.15×10-4 Pa·s循環(huán)冷卻水在35下的物性數(shù)據(jù)： 密度 i=994 kg/m3定壓比熱容 cpi=4.17 KJ/(kg·)導(dǎo)熱系數(shù) i=0.626 W/(m·)粘度 i=7.23×10-4 Pa·s4.3計(jì)算總傳熱系數(shù)4.3.1熱流量mo=1.9×105×103/（330×24×

26、;3600）=6.66kg/sQo=moCpoto=6.66×2.22×103×(140-40)=1.4794×W4.3.2平均傳熱溫差tm= =39.0874.3.3冷卻水用量mi =35.48 kg/s4.3.4校正平均傳熱溫差 R=按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查閱相關(guān)溫差校正系數(shù)圖得0.8查得溫差校正系數(shù)大于0.8，由此可知，可選用單殼程的列管式換熱器所以平均傳熱溫差4.3.5初選換熱器規(guī)格根據(jù)管程流體為自來水，殼程流體為沒有，查表化工原理上 修訂版 夏清 陳長貴主編 天津大學(xué)出版社 2005 230面 式4-45化工原理上 修訂版 夏清 陳長貴主編 天

27、津大學(xué)出版社 2005 231面可得：K的取值范圍為280710W/()由傳熱速率方程式,得總傳熱面積S的范圍是65.0164.8,初選），則估算面積為查表得循環(huán)水管程流速范圍為1.02.0m/s,取管內(nèi)冷卻水的流速ui=1.0m/s。換熱器選用傳熱管（碳鋼10），管內(nèi)徑di=0.02m.根據(jù)傳熱管內(nèi)徑及管內(nèi)流速來確定單程傳熱管數(shù)： 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為：按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取管長為L=6m。據(jù)此，查詢附錄選定型號為G600-2.5-107.5的換由此可得換熱器的實(shí)際傳熱面積107.51該換熱器要求的總傳熱系數(shù)為4.4換熱器核算4.4.

28、1熱流量核算4.4.1.1管程對流傳熱系數(shù)： 管程流通截面積為：管程冷卻水流速：雷諾數(shù)為：普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：則其對流傳熱系數(shù)為： = =4728.85W/()4.4.1.2殼程對流傳熱系數(shù)采用克恩公式：天大化工原理P247由正三角形排列得當(dāng)量直徑：=殼程流通截面積為：取h=0.15m,則殼程煤油流速為：殼程雷諾數(shù)為：因在2×范圍內(nèi)，故可用下式計(jì)算普蘭特準(zhǔn)數(shù)為：為粘度校正系數(shù)，且為0.95則殼程對流傳熱系數(shù)=823.18W/() 4.4.1.3 污垢熱阻參考天大版化工原理課程設(shè)計(jì)P51表3-6，3-7，?。汗軆?nèi)測污垢熱阻 =0.00034./W管外側(cè)污垢熱阻 =0.00017./W4.4.

29、1.4 核算總傳熱系數(shù)=466.67W/()則選則該換熱器時(shí)，要求過程的總傳熱系數(shù)為414.23W/(.)，在傳熱條件所規(guī)定的流動條件下，計(jì)算出K=466.67W/(.)，故所選的換熱器是合適的。總傳熱系數(shù)的裕度為：× 100%=12.66%該換熱器的面積裕度為：安全系數(shù)處于10%25%之間，面積裕度也處于10%25%之間，故初選的設(shè)備符合要求4.4.2核算壓強(qiáng)降4.4.2.1管程壓強(qiáng)降其中，F(xiàn)t=1.4,Ns=1,Np=6傳熱管的相對粗糙度為：天大化工原理P227式4-41天大化工原理P284式4-121查莫狄圖得則由于流體與管壁摩擦產(chǎn)生的壓降為：=則管程的總阻力為：管程流動阻力在

30、允許范圍之內(nèi)。4.4.2.2殼程壓強(qiáng)降其中，=1.15, =1, 管子為正三角形排列，F(xiàn)=0.5。殼程流通面積 計(jì)算表明，管程和殼程壓強(qiáng)都能滿足題設(shè)的要求。五.換熱器主體設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型5.1管板（1）分類及特點(diǎn)管板是管殼式換熱器的主要部件，用來固定換熱管并起著分隔管程、殼程的作用。管板的設(shè)計(jì)是否合理對確保換熱器的安全、降低制造成本都是至關(guān)重要的。管板形式有平管板、橢圓形管板和雙管板。其中最常見的是平管板。當(dāng)流體有腐蝕性的時(shí)候，管板應(yīng)采用耐腐蝕性材料，比如軋制成的復(fù)合不銹鋼板；當(dāng)換熱器承受高溫高壓時(shí)，多采用薄型管板，既降低了溫差應(yīng)力，又滿足了高壓對機(jī)械應(yīng)力的要求。（2）管板結(jié)構(gòu)如下：5.2封頭

31、、圓筒以內(nèi)徑為公稱直徑的封頭，筒體所對應(yīng)的封頭公稱直徑等于封頭內(nèi)直徑，封頭由兩塊或左右對稱的三塊鋼板制成時(shí)，其拼接焊縫與封頭中心線的距離應(yīng)小于公稱直徑的四分之一，封頭由瓣片和頂圈板拼接制成時(shí)，焊縫方向至允許是徑向和環(huán)向的，焊縫之間最小距離應(yīng)不小于名義厚度的3倍，且不小于100mm。由于當(dāng)公稱直徑小于2000時(shí)，直邊高度宜選25mm，經(jīng)查閱JB/T4737-95可知DN=600,曲面高度 345.3殼體內(nèi)徑和壁厚對于多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑采用下式計(jì)算:由于本設(shè)計(jì)采用混合排列，取管板利用率為=0.8，則殼體內(nèi)徑為： 圓整后取D=600mm。殼體厚度選用10mm。5.4法蘭壓力容器法蘭，選擇甲型平焊法

32、蘭如圖：法蘭特性表如下JB/T 4701-2000表15化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)湯善甫 朱思明主編 華東理工大學(xué)出版社 P325按上表選取DN=600mm時(shí)的法蘭規(guī)格5.5零件的連接方式 因?yàn)闈q接法使用于壓強(qiáng)低于40，操作溫度低于30的場合。而對于高溫高壓流體則多采用焊接法?？紤]到本換熱器的工作壓力為低壓，且為低溫操作，故綜合考慮各種連接工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍確定采用焊接法。在采用焊接法連接管子和管板時(shí)，管板的硬度應(yīng)該大于管子的硬度，以保證在膨脹時(shí)，管子發(fā)生變形時(shí)，管板僅彈性變形。通常管子選用10、20優(yōu)質(zhì)碳鋼，管板采用25、35、Q225或低合金鋼16Mn、Cr5Mo等。結(jié)合本次設(shè)計(jì)采用16MnR5

33、.6膨脹節(jié)的選用與否膨脹節(jié)是裝在固定管板式換熱器上面的元件,對管子和殼體的膨脹變形差進(jìn)行補(bǔ)充,以消除或減少不利的溫差應(yīng)力。由于50，因此需要考慮熱補(bǔ)償，需要選用膨脹節(jié)。5.7接管確定5.7.1管程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)水的流速為1.5m/s取標(biāo)準(zhǔn)管徑為200mm。5.7.2殼程流體進(jìn)出口接管取接管內(nèi)煤油流速為1.0m/s取標(biāo)準(zhǔn)管徑為100mm。5.8折流板的尺寸及數(shù)量5.8.1折流板的尺寸及數(shù)量JB 4707-2000 壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件 折流板的數(shù)量由前面的計(jì)算可知，本換熱器需要39塊折流板，但為了使循環(huán)水分別在換熱器的異側(cè)進(jìn)出，需要偶數(shù)塊折流板，故本換熱器實(shí)際采用38塊折流板。折流

34、板的外徑尺寸應(yīng)符合下表規(guī)定則該換熱器折流板外徑為：600-4.5,取為595.5mm切去高度為h=0.25d=0.25×595.5=148.875150mm,取為150mm。5.8.2折流板的厚度折流板的厚度選取應(yīng)滿足下表：考慮到腐蝕厚度1mm,選取折流板厚度為 4+1=5mm,選取標(biāo)準(zhǔn)厚度5mm。5.8.3折流板板孔級管束（適用于碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼換熱器）折流板或支持板管孔直徑及允許偏差如下?lián)Q熱管外徑或無支撐跨距d>32或l900l>900且d32管孔直徑d+0.8d+0.4允許偏差+0.40GB 151-1999管殼式換熱器GB 151-1999規(guī)定本換熱器采用

35、一級管束，則該換熱器的這六板管孔直徑為：25.425.8。5.8.4折流板分布設(shè)置折流板的目的是為了提高流速，增加湍流，改善傳熱，在臥式換熱器中還起支撐管束的作用，本換熱器采用弓形折流板。5.8.5折流板間距折流板最小間距一般不小于圓筒內(nèi)直徑的五分之一，且不小于50mm，特殊情況下也可取較小的間距。系列標(biāo)準(zhǔn)中采用的h值為：固定管板式的有150、300和600mm三種，浮頭式的有150、200、300、480和600mm五種。本次設(shè)計(jì)中取5.8.6折流板最大無間距支撐換熱管在其材料允許使用溫度范圍內(nèi)的最大無支撐跨距，應(yīng)按下表的規(guī)定：5.9.定距管與拉桿的選定常用的拉桿的形式有兩種，1）拉桿定距管

36、結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于換熱器外徑大于或等于19mm的管束；2）拉桿與折流板電焊結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于換熱器外徑小于或等于14mm的管束。本換熱器采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)拉桿的直徑和數(shù)量可以按下表選用。GB 151-1999規(guī)定拉桿直徑選為16mm，拉桿數(shù)量4根，拉桿的長度L按需要確定定距管的規(guī)格，一般和所用換熱器的換熱管規(guī)格相同，用定距管5.10.換熱管5.10.1 換熱管尺寸由上述計(jì)算可知，換熱管基本尺寸為：25×2.5，長6m。5.10.2 換熱管排布布管示意圖換熱管的排列形式換熱管標(biāo)準(zhǔn)排列形式見圖GB 151-1999規(guī)定選擇正三角形排列。5.11管箱DN400mm為平蓋管箱；500mmDN800mm為平蓋管箱和封頭管箱，推薦使用封頭管箱；DN900m