化工設(shè)計(jì)-列管式換熱器

1、西南交通大學(xué)生物工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)列管換熱器的設(shè)計(jì) 姓名：熊劍銳學(xué)號(hào)：20074870 班級(jí)：07級(jí)生物工程2班指導(dǎo)老師：王樞 2010年7月10日設(shè)計(jì)任務(wù)書一設(shè)計(jì)題目：甲苯-水混合液體的冷卻二設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)(1)待冷卻流體：甲苯-水混合（甲苯：66%（質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同）；水：34%）處理量  1000m3/h          溫度：入口溫度 82    出口溫度 62 壓強(qiáng)：管程操作壓強(qiáng)：1.6MPa 殼程操作壓強(qiáng)：  4.0M

2、Pa  (2)冷卻水：管網(wǎng)水進(jìn)口溫度   29    出口溫度    40    (3)當(dāng)?shù)卮髿鈮?#160;  成都：約為96KPa     三設(shè)計(jì)任務(wù)：(1)設(shè)計(jì)計(jì)算列管式換熱器的熱負(fù)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。(3)編寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。四設(shè)計(jì)時(shí)間：2010年 7  月   9 日

3、60;2010年  7  月  14 日設(shè)計(jì)學(xué)生 熊劍銳            指導(dǎo)教師    王樞      目錄第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介4第二節(jié) 工藝流程草圖及說(shuō)明5第三節(jié) 工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型6 第一部分 列管換熱器結(jié)構(gòu)和工藝條件的確定6 第二部分 物性計(jì)算9 第三部分 主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型13第四節(jié) 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型21第五節(jié)

4、 設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表25第六節(jié) 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述26第七節(jié) 附圖(工藝流程簡(jiǎn)圖)27第八節(jié) 參考文獻(xiàn)28設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介本次的設(shè)計(jì)任務(wù)是將甲苯-水混合液體通過(guò)某一型號(hào)的換熱器由82冷卻至62。由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知其處理量為1000m3/h ；操作壓強(qiáng)分別為：管程操作壓強(qiáng)：1.6MPa，殼程操作壓強(qiáng)：4.0MPa。通過(guò)查閱資料，成都當(dāng)?shù)卮髿鈮杭s為96KPa。在此總體任務(wù)的基礎(chǔ)上，需完成以下幾個(gè)任務(wù)：1、設(shè)計(jì)方案的確定；2、設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式；3、設(shè)備材料的選擇和保溫。接下來(lái)，針對(duì)前面提出的三個(gè)任務(wù)分別做闡釋：（1）設(shè)計(jì)方案的確定：設(shè)計(jì)方案的確定應(yīng)符合三點(diǎn)基本原則：滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定的要求，經(jīng)濟(jì)上要合理，

5、保證安全生產(chǎn)。設(shè)計(jì)方案的確定，實(shí)質(zhì)上就是工藝條件、設(shè)備選型和流程配置的確定。根據(jù)任務(wù)要求，以管網(wǎng)水作為冷卻水，其進(jìn)口溫度和出口溫度分別為29、40 。就成都當(dāng)?shù)囟裕芫W(wǎng)水硬度不大，基本屬于軟水，不易結(jié)垢，可減少設(shè)備的清洗費(fèi)用。根據(jù)管內(nèi)外流動(dòng)的流體不同，采用不同的操作壓力，管程操作壓強(qiáng)：1.6MPa，殼程操作壓強(qiáng)：4.0MPa 。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算和核算，最終確定冷卻水流速為：2.3705m/s，物料流速為1.717m/s（具體確定過(guò)程，將在后邊的說(shuō)明書中做詳細(xì)闡釋）。（2）設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式 根據(jù)處理量的大小、操作條件、物系性質(zhì)、是否含懸浮物、腐蝕性、結(jié)垢等情況，在比較各類設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，選定采用

6、固定管板式換熱器。冷卻水與物料采用逆流流向，較利于傳熱的進(jìn)行。 為減小阻力損失，物料與冷卻水應(yīng)盡可能在湍流流動(dòng)下操作。換熱管規(guī)格：外形為光滑管、正三角排列、管子直徑19mm*2mm，管長(zhǎng)6000mm，使用單殼程的一臺(tái)換熱器。最終確定：BEM900321.96（3）材料設(shè)備的選擇和保溫選擇設(shè)備的材料，必須根據(jù)設(shè)備的操作條件和物系的性質(zhì)，考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式，要便于加工制造，經(jīng)濟(jì)合理。由于該操作是在低壓和中壓條件下進(jìn)行，故采用Q235鋼，利于操作。本次任務(wù)是冷卻過(guò)程，無(wú)需過(guò)多考慮保溫的問(wèn)題。工藝流程草圖及說(shuō)明工藝計(jì)算及主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型第一部分：列管換熱器結(jié)構(gòu)和工藝條件的確定換熱器結(jié)構(gòu)的確定包括

7、：類型和型式的選定；換熱管的外形、排列方式、管徑和管長(zhǎng)；殼程數(shù)或設(shè)備臺(tái)數(shù)等。工藝條件的確定包括：流體流入空間及流向的選擇；流速的影響和選擇；冷卻劑及溫度的選定等。一、 換熱器結(jié)構(gòu)的確定1、 列管換熱器型式的選擇固定管板式換熱器理由：從經(jīng)濟(jì)角度看，只要工藝條件允許，應(yīng)優(yōu)先選用固定管板式換熱器。2、 換熱管規(guī)格選擇（1） 管子的外形：光滑管。減小阻力損失，從而減少能耗及操作費(fèi)用。（2） 管子的排列方式：正三角排列方式。相同殼徑時(shí)，采用正三角排列要比正方形排列多排布管子，使單位面積的金屬耗量降低。由于殼程流體為管網(wǎng)水，不易結(jié)垢，故采用正三角比較合適。（3） 管子直徑：直徑小的管子可以承受更大的壓力，

8、而管壁較薄，有利于傳熱；相同的殼徑可以排列更多的小管子，使傳熱面積增大，單位傳熱面積的金屬耗量降低。所以，在管程結(jié)垢不是很嚴(yán)重，又允許壓力降較高的情況下，采用19mm*2mm的管子是合理的。注：管程操作壓力為：1.6MPa，為中壓，壓力較高，管徑小利于承受壓力。該管程的壓力降為0.025-0.18（MPa），較高，適于用管徑較小的管子。（4）管長(zhǎng) 殼徑較大的換熱器采用較長(zhǎng)的管子可降低單位傳熱面積的金屬耗材，更為經(jīng)濟(jì)。通過(guò)后面的計(jì)算，可以看出，選擇6000mm的管子最佳。3、 殼程數(shù)和臺(tái)數(shù)換熱器的殼徑越大，傳熱面積也越大單位傳熱面積的金屬耗量也越低。采用一臺(tái)較大的換熱器比采用多臺(tái)小換熱器更經(jīng)濟(jì)，

9、阻力更小，且便于操作管理。采用單殼程換熱器。雙殼程的隔板在制造和檢修時(shí)都較困難，若把兩個(gè)換熱器的殼程串聯(lián)起來(lái)，相當(dāng)于雙殼程了，但殼程壓力降比單殼程約增加6-8倍。二、 工藝條件的確定1、 流體流入空間的選擇設(shè)計(jì)列管換熱器之前，要首先考慮哪一種流體走管程或殼程，這關(guān)系到設(shè)備使用是否合理。根據(jù)下面幾點(diǎn)：(1) 不潔凈或易結(jié)垢的流體應(yīng)流經(jīng)易清洗的一側(cè)。對(duì)直管管束，上述流體應(yīng)走管內(nèi)。冷卻水常為江河水，若硬度高，受熱易結(jié)垢，走管內(nèi)便于清洗；若為軟水，也可以走管外。(2) 需提高流速以增大對(duì)流給熱系數(shù)的流體應(yīng)走管內(nèi)。因管內(nèi)截面積一般比管間小，且易于采用多程結(jié)構(gòu)以增大流速。(3) 有毒的流體走管內(nèi)，泄露機(jī)會(huì)

10、較少。(4) 溫度和壓力高的流體走管內(nèi)，可降低對(duì)管程材料的要求。所要冷卻的流體是甲苯和水的混合物。由于甲苯屬于有毒物質(zhì)，且該流體屬于高溫流體（82），故宜走管程。成都地區(qū)的管網(wǎng)水較軟，不易結(jié)垢，故冷卻水走殼程。即：殼程：冷卻水（管網(wǎng)水）管程：甲苯水混合物2、 流體流向的選擇逆流：兩流體在傳熱面積兩側(cè)分別以相對(duì)的方向流動(dòng)。當(dāng)逆流時(shí)的載熱體用量比并流小時(shí)，無(wú)論是加熱或冷卻，逆流的平均溫差可能比并流的小，所需傳熱面積增大。在設(shè)計(jì)中，有時(shí)降低平均溫差，減少載熱體用量，在一定限度內(nèi)增大傳熱面積總是合算的。因?yàn)橐淮涡栽O(shè)備投資的折舊費(fèi)與操作費(fèi)用相比，后者起決定性作用，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，逆流優(yōu)于并流。3、 流速

11、的選擇流速的大小將影響設(shè)備的投資和操作費(fèi)用，是換熱器實(shí)際中的一個(gè)重要因素。選擇流速應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 流速高則傳熱系數(shù)也高，同時(shí)壓力降增大，能耗隨之增加。 參與換熱的流體以泵輸送對(duì)增加流速、提高給熱系數(shù)、減少垢層熱阻非常有利。若流體是利用設(shè)備之間的位差或者前后工序的壓差流動(dòng)的，通?？衫脡翰羁鄢欢ǖ陌踩禂?shù)后，作為允許壓降以計(jì)算流速。 一般流體盡可能在湍流流動(dòng)下操作，粘度大的流體可按層流設(shè)計(jì)，以減少阻力損失。根據(jù)下列兩個(gè)圖表，可初步推測(cè)所選流速的范圍，至于準(zhǔn)確值，需通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可知：殼程中為管網(wǎng)水（軟水），即為一般流體，且平均粘度=0.7314mpa.s，故：殼程流速：0.5-2.4（m/s

12、）管程為甲苯-水混合物，為一般流體，平均粘度=0.4028mpa.s，故：管程流速：0.5-2.4（m/s）三、 冷卻劑的選用1、常用冷卻劑（1）水垢熱阻慎重選用，選用太高的水垢熱阻，會(huì)使傳熱面積增加很多，也不一定安全；若水質(zhì)差，選較低的水垢熱阻時(shí)，將給夏季操作帶來(lái)困難。（2）冷卻水的進(jìn)口溫度越低越好，但受季節(jié)和水源的限制。江河水以夏季最高溫度為準(zhǔn)，地下水溫則較恒定。成都地區(qū)夏季管網(wǎng)水的最高溫度大約為30左右。冷卻水的出口溫度不宜太高，否則各種無(wú)機(jī)鹽類析出形成污垢。經(jīng)過(guò)處理后凈化良好的軟水，出口溫度不宜高于60，有時(shí)不高于50.對(duì)凈化較差或循環(huán)水，建議出口溫度不超過(guò)40。一般，冷卻水出口溫度差

13、5-15，水源豐富地區(qū)取較小溫差。2、流體終溫的確定當(dāng)換熱器的冷熱流體進(jìn)出口溫度都由工藝條件所規(guī)定，就不存在確定終溫的問(wèn)題。但需注意的是：用水冷卻工藝物流時(shí)，兩流體同在高溫端的溫差不應(yīng)小于20；低溫端的溫度差不應(yīng)小于5.對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行冷卻時(shí)，為了控制反應(yīng)溫度，應(yīng)維持反應(yīng)物與冷卻劑之間的溫差不低于10。對(duì)于單殼程列管換熱器，不希望冷流體的出口溫度高于熱流體的出口溫度，否則會(huì)出現(xiàn)反傳熱現(xiàn)象。綜上所述，確定流體及冷流體的進(jìn)出口溫度分別為：冷卻劑（管網(wǎng)水）：入口溫度 29 出口溫度40物 料：入口溫度 82 出口溫度 62 第二部分：物性計(jì)算一、 混合物物性的確定：1、 密度（kg/m3）在82：甲苯=

14、807.83 水=970.5在62：甲苯=827.23 水=982.1在29：水=995.90 在40：水=992.2故：平均后甲苯= =817.53 水= =976.3混合物：將數(shù)據(jù)帶入： = + m=865.38 kg/m3冷卻水： 水= =994.05 kg/m32、定壓比熱容(kJ/kg.)在82：Cp甲苯=1.8968 Cp水=4.198在62：Cp甲苯=1.8254 Cp水=4.186在29：Cp水 =4.1803 在40：Cp水=4.179故，平均后：Cp甲苯= Cp水=Cpm=1.8611*0.66+4.192*0.34=2.6536kJ/kg.Cp水= 4.17965 kJ/

15、kg. 3、粘度（mPa.s）在82：甲苯=0.3174 水=0.3452在62：甲苯=0.4402 水=0.4587在29：水 =0.8123 在40：水=0.4587故，平均后：甲苯= = 甲苯和水的混合液為非締合液:根據(jù)公式：混合液中：W甲苯=0.66 W水=0.34X甲苯= X水=1-0.2752=0.7248帶入公式 4.導(dǎo)熱系數(shù)（）在82：甲苯=0.1187 水=0.671在62：甲苯=0.1265 水=0.656在29：水=0.614 在40：水=0.631故，平均后：甲苯= 根據(jù)公式：混合液中：=0.66 =0.34x甲苯= x水=1-0.2843=0.7157m=0.9（0.

16、1226*0.2752+0.663*0.7248）=0.4628 水= 二、 熱負(fù)荷與載熱體用量的計(jì)算qmT=qv*=1000/3600*865.83=240.508kg/m3Cpm=1.8611*0.66+4.192*0.34=2.6536 kJ/kg.Cp水= 4.174 kJ/kg. T1=82 T2=62 t1=40 t2=29Q=240.508*2.6536*(82-62)= J/sqmt= 三、 有效平均溫度差的計(jì)算由于是逆流：管程：8262 殼程：2940 t1=82-40=42 t2=62-29=33帶入公式：第三部分：主體設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算及選型一、 總傳熱系數(shù)的選取總傳熱系數(shù)K的

17、來(lái)源主要有兩個(gè)方面：一是直接選用生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是串聯(lián)熱阻的概念進(jìn)行計(jì)算。列管換熱換熱器選型時(shí)，首先選取總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值作為計(jì)算依據(jù)。由上圖可知：水：14002840（W/m2.）甲苯：430850（W/m2.）由于混合液體是甲苯與水的混合物，故，最終取K=1150（W/m2.）m2根據(jù)所需的傳熱面積，在列管換熱器標(biāo)準(zhǔn)系列中選擇換熱器的規(guī)定及臺(tái)數(shù)。根據(jù)上表，選出的列管換熱器為：公稱直徑：900mm 公稱壓力：1.6MPa 管程：6 管子根數(shù)：914（19mm*2mm）中心排管數(shù)：34 管程流動(dòng)面積：0.0269m2 管長(zhǎng)：6000mm A=321.9m2二、 列管換熱器的標(biāo)準(zhǔn)系列BEM900

18、321.96三、 列管換熱器的校核下面列出總傳熱系數(shù)計(jì)算公式1、 總傳熱系數(shù)的計(jì)算與校核傳熱面為圓筒壁時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)系列中常用的外表面為基準(zhǔn)計(jì)算傳熱面積，相應(yīng)的傳熱系數(shù)用下式計(jì)算：由以下三個(gè)表可推出：鋼=45W/m.K R0=0.176 Ri=0.1762、 對(duì)流給熱系數(shù)的計(jì)算流體在管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)：di=15mm do=19mm dm=管子截面積=d2/4=3.14*0.015*0.015/4=0.000177m2所以，物料的流速為：u甲苯-水=又因?yàn)椋簃= 0.4028 mPa.s Cpm=2.6536kJ/kg. m=0.4628 W/m.Pr= = Re=>4000為湍流根據(jù)下列圖表流體

19、在管外強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)：Cp水=4.179 kJ/kg. 水=0.7314 mPa.s水=0.623 W/m. 水=994.05kg/m3Pr= t=25mm do=0.019m 管外流速：D=900mm h=600mm 式中由下表確定，其值為0.95。 由式可計(jì)算出K，其中鋼=45W/m.K R0=0.176m2./KW Ri=0.176m2./KWdo=0.019m di=0.015m =0.002mK=1248W/m2.A= 綜上所述：符合范圍，無(wú)需再次校正壓力降的計(jì)算影響壓力降的因素有很多，換熱器合理的壓力降范圍參見(jiàn)下表：1、管程壓力降(1)，其中 (2) 其中，及由（1）中的數(shù)據(jù)可得：(3

20、) 5623.62(4) 由可得：由壓力降圖表可得該壓力降是合理的。2、殼程壓力降 由，其中D=0.9m, n=914, ,可得：；由，其中，得；由，可得：。則由，其中N=10，可得。由合理壓力降表可知，該壓力降是合理的。輔助設(shè)備的計(jì)算及選型一、 管板：1、管板厚度常用的兼做法蘭的固定管板式換熱器管板厚度由上表可以查出：管板厚度為：54mm2、 脹接時(shí)管板的最小厚度換熱器與管板脹接時(shí)，管板必須有足夠的厚度以保證脹管的可靠性，故，根據(jù)上表，管板的最小厚度為：20mm3、 薄管板在中低壓下，當(dāng)管壁與殼壁的壁溫差小于50時(shí)，可按殼體公稱直徑選擇薄管板的厚度：根據(jù)所選公稱直徑，薄管板的厚度為：14mm

21、4、 管板與換熱器的連接焊接：由于管孔不需開槽，對(duì)粗糙度要求也不高，管子端部不需退火和磨光，故制造加工方便。二、換熱管在管板上的排列1、管子的排列方式：正三角排列方式。相同殼徑時(shí)，采用正三角排列要比正方形排列多排布管子，使單位面積的金屬耗量降低。由于殼程流體為管網(wǎng)水，不易結(jié)垢，故采用正三角比較合適。2、管心距所選換熱管外徑為19mm，則根據(jù)下表：管心距為：25mm注：管束最外層換熱管與殼體內(nèi)壁的距離不應(yīng)小于10mm，故設(shè)為20mm三、殼體直徑與壁厚所選公稱直徑為900mm，則根據(jù)下表：結(jié)合操作壓力，可確定殼體壁厚為100mm四、折流板和支承板生產(chǎn)上用的最多的是：弓形折流板折流板最小間距為殼體內(nèi)

22、徑的20%或50mm；其最大間距的確定，可根據(jù)下表：由于所選的換熱管外徑為19mm，故折流板間距在50mm1500mm之間，確定為600mm，故折流板數(shù)目為10個(gè)。折流板的厚度與殼體直徑和折流板間距有關(guān)，根據(jù)下表：有于殼體公稱直徑為900mm，折流板間距為600mm，故，可確定折流板最小厚度為8mm，則確定折流板厚度為15mm2、折流板的固定形式一般采用拉桿和定距套管固定在管板上。換熱器的拉桿直徑和數(shù)量參考下表：根據(jù)上表，可確定，拉桿直徑：12mm 拉桿數(shù)量：10根五、防短路結(jié)構(gòu)旁路擋板一般采用點(diǎn)焊的方法將縱向長(zhǎng)窄條固定在兩折流板之間，旁路擋板的間距為：100-200mm,最終確定為150mm

23、六、 防沖板與導(dǎo)流板在殼程流體入口處的換熱管，經(jīng)常受到高速流體的沖擊和沖刷，造成侵蝕及振動(dòng)。為此，可在殼程流體入口處安裝防沖板。設(shè)置防沖板時(shí)，要避免防沖板的壓力降過(guò)大，應(yīng)注意：防沖板與殼體間的通道面積至少要等于進(jìn)口管截面積的1.25倍換熱管的外表面與臨近防沖板的距離，最小為6mm故，最終確定：防沖板與殼體間的通道面積：0.0005m2換熱管的外表面與臨近防沖板的距離：20mm七、 接管直徑qv=0.3056m3/s u=1.7112m/s帶入數(shù)據(jù)：d= 500mm換熱管的接管長(zhǎng)度，參看下表：由于接管公稱直徑為500mm，保溫厚度為50mm,故，接管長(zhǎng)度為250mm設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表 物

24、性82624025平均甲苯水甲苯水水水m 水（kg/m³）807.83970.5827.23982.1992.2995.9865.38944.05Cm(KJ/Kg.)1.89684.1981.82544.18154.1794.1742.65364.179（mPa.s）0.31740.34520.44020.45870.6534.18032.65360.7314(W/m.)0.11870.6710.12650.6560.6560.6140.6230.623管子規(guī)格管子外形光滑管程數(shù)臺(tái)數(shù)管程數(shù)6排列方式正三角形排列殼程數(shù)1管子直徑19mm*2mm臺(tái)數(shù)1管長(zhǎng)6000mm殼程流體：水管程流體

25、：甲苯水流向逆流流速管程：1.717m/s殼程：2.3705m/s計(jì)算結(jié)果Q（KJ）18094冷卻水用量288.49kg/s有效平均溫度37.319K/校對(duì)后K(W/.)1150/1248列管換熱器公稱直徑900mm管程6公稱壓力1.60MPa管子根數(shù)914中心排管數(shù)34管程流動(dòng)面積0.0269管長(zhǎng)6000mmA321.9管程壓力降0.00385MPa殼程壓力降1.18587MPa零配件管板管板厚度54折流板數(shù)目10脹接時(shí)管板最小厚度20折流板間距600mm薄管板14固定形式拉桿和定距套管管板與換熱器連接焊接類型弓形排列排列方式正三角排列折流板厚度15mm管心距25殼體壁厚100mm管束最外層

26、換熱管與殼體內(nèi)壁的距離20直徑900mm旁路擋板固定方式點(diǎn)焊防沖板面積接管直徑500mm間距150與外表面距離長(zhǎng)度250mm接頭類型標(biāo)準(zhǔn)橢圓厚度10mm直邊高度40mm支座立式支座一、 換熱管1、 管徑：；2、 管長(zhǎng)：6000mm；3、 管子數(shù)目：9144、 管程數(shù)：6二、管板管板厚度：54mm；三、換熱器在管板上的排列1、 換熱管的排列方式：正三角形排列2、 管心距：25mm；四、 殼體直徑與壁厚1、 殼體直徑：900mm；2、 殼體壁厚：100mm；五、 折流板與支承板1、 折流板間距：600mm；2、 折流板數(shù)量：10；3、 折流板厚度：15mm；4、 拉桿直徑：12mm；5.拉桿數(shù)量：10六、 防短路結(jié)構(gòu) 旁路當(dāng)班的間距：150mm；七、 防沖板與導(dǎo)流筒1、 防沖板與殼體間的通道面積：0.0005；2