用水冷却甲苯的列管式换热器设计Word格式文档下载.docx

1、1.2.2类型的确定 31.3 流动路径的选择 52 换热器的工艺计算及选型 52.1确定物性数据 52.2初算换热器的传热面积 62.3初选换热器规格 63 换热器核算 73.1压力降的核算 73.1.1管程压力降 83.1.2壳程压力降 83.2总传热系数的核算 94固定管板式换热器的主要结构尺寸设计 94.1 壳体壁厚的确定 94.2管子拉脱力计算 94.3换热器的主要结构尺寸设计参数 105 换热器装配简图 126 设计评述 127 参考文献 121设计方案简介1.1工艺流程概述由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳 程。如图1,甲苯经泵抽上来，经管道从接管

2、 A进入换热器壳程；冷却水则由泵 抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，甲苯从 90C被冷却至60C之后，由接管B流出；循环冷却水则从30C升至50C，由接 管D流出。OH C7 HPUMPPU MP2图1工艺流程草图1.2选择列管式换热器的类型列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设 备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结 构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置 上多采用列壳式换热器。1.2.1列管式换热器的分类根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种：固定管板式换热器固

3、定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因 而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差 应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大 或温差虽大但壳程压力不高的场合。浮头式换热器浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、 壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金 属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。填函式换热器填函式换热器，管束一端可以自由

4、膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、 清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处 理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。U形管式换热器U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管 子可以自由膨胀。其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介 质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁，不 易结垢的咼温、咼压、腐蚀性较强的场合。122类型的确定所设计的换热器用于冷却甲苯，甲苯：入口温度 90C，出口温度60C ；水: 入口温度 30C，出口温度 50 C；该换热器的管壁温和

5、壳体壁温之差满足 Tm-tm=75-40=35C 50C,两流体温度差不大。加上固定管板式换热器结构简单、 造价低廉，所以本设计选用固定管板式换热器，且不需考虑热补偿。1.3流动路径的选择本设计为两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大， 且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，甲苯走壳程。2换热器的工艺计算及选型2.1确定物性数据水的定性温度t二辽型=40 C，甲苯定性温度T = 9-6 =75 C,查得水、甲2 2苯在各自定性温度下的物性数据：表1定性温度下各流体物性密度 /（kg/m3）比热容/（kJ/（ kgC）黏度/（Pa s）导热系数/（w/m C）水992.24.1

6、740.656 X0-30.6338甲苯812.61.86730.350 X00.1452.2初算换热器的传热面积计算热负荷和冷却水流量=13750kg/h” 110000x10Wh8000Q=WhCph（T1-T2）=13750 为.867 X03x（90-60）/3600=213930WW十 213930 3600 =9226kg/hCpC（t2 -tj 4.174 103 （50-30）计算两流体的平均温度差。先按单壳程单管程进行计算，逆流时的平均温 度差为,At2 Atm F-In.也40 - 30 34.76 C40In -有关参数R =Jt2 _t190-60 _ 30 550 -

7、 30 一 20 一 .50 -3090 -30-0.3330根据R, P值，查化工原理P-280图4-19可读得，温度校正系数 林=0.92, 则平均温度差 m=4m =34.76 0.92=31.98C按经验数值初选总传热系数 K0（估）2选取 K0（估）=450W/（m C ）初算出所需传热面积S二一Q 213930 14.86m2KAtm 450 汉31.982.3初选换热器规格对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为25mm的管子。由于Tm-tm=35C,因此不需考虑热补偿。再由换热面积，查换热器设计手册 2P-17表1-2-1,选定G273I -2-2.5-11.1型换热器，有关参

8、数见下表2。表2所选换热器结构基本参数公称直径/mm: 300公称压强/MPa： 1.6公称面积/m2： 15.27管程数： 2管子尺寸/mm： 25X 2.5管长/m: 6管子总数： 37管子排列方法： 正三角形排列查化工设备机械基础3p-215表7-10,壳体直径为159325时，拉杆数量为4个。由换热器设计手册P-18式1-2-1,计算实际传热面积：So=n nd（L-2 $0.006）= （37-4） X3.14 X.025 （6-2 X.05-0.006）=15.27m若选该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为3换热器核算3.1压力降的核算3.1.1管程压力降刀血=（Ap1 +Ap

9、2）FtNp其中，Ft=1.4, Np=2。设管壁粗糙度 F0.1mm, ydi=0.1/20=0.005,查化工原理P-54图1-27第章中入Re关系图中查得：2=0.036，所以P l =0.036 = 1393Pad 2 0.02 2则刀如二（1393+387）x 1.4X 2=4984Pa3.1.2壳程压力降查化工原理1P-284:管子为正三角形排列，F=0.5。nc=1.1 V n=1.1377查换热器设计手册2P-14表1-2-3，取折流挡板间距h=0.2m,Nb= -1 1 - 29h 0.2壳程流通面积 Ao=h（D-ncdo）=0.2X（ 0. 3-7X 0.025） =0.

10、025m13750uo 0.19m/ s3600 812.6 0.025doU。t _ 0.025 0.19 812.6 卩 0.425汇10fo=5.0Reo-.228=5.0 X 9082-0.228=0.63所以e 2 22h Puo 2x0.2 812.6x0.192.：P2Nb（3.5 ） = 29 （3.5 ） 922PaD 2 0.3 2E4o= （ 970+922）x 1.15=1088Pa计算表明，管程和壳程压强都能满足题设（不大于 0.1 MPa）的要求。3.2总传热系数的核算管程对流传热系数aRe=15430 （湍流）=4.32pF174 103 .656 :i =0.0

11、23 Ref Pr,4 =0.023 （15430）0.8（4.32）04 2935 W/（m2C ）di 0.02壳程对流传热系数a由化工原理P-253式4-77a计算，即：o =0.36 （）。.55（空）1/3（ ）014O de w查化工设备机械基础3p-208表7-5,取换热器列管之中心距t=32mm,则 流体通过管间最大截面积为A。=hD（1-d ）=0.2 X 0. 3X（1-0.0250.013m2t 0.032Vs 13750 /uo - 0.36m/ sA 3600 812.6 0.013Reo咛二 O.。27 0.36 严.6 = 22567卜 0.35壳程中甲苯被冷却，

12、取（尹“95，所以=0.36 0.145（22567）055（4.51）1/3 0.95 = 752 W/（m2C ）0.027污垢热阻参考化工原理附录p-355表22,污垢系数取为0.52m2 K/kW，贝U管、内外侧污垢热阻分别为 Rsi= 0.000066m2 C /W, Rso= 0.000112m2 C /W总传热系数Ko管壁热阻可忽略时，总传热系数 Ko为1 25 250.000112 0.000066752 20 2935 20Ko 1丄 +Rso +Rs2+Ao di :idi=513W/（m2 C）由上面计算可知，选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为438W/（m C）

13、，在规定的流动条件下，计算出的 Ko为513W/（m C），有KO 513O 1.17 （1.15 1.25）KO 438故所选的换热器是合适的，其安全系数为 513 一 438 100%=17.1%。4384固定管板式换热器的主要结构尺寸设计固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板（或支 撑板）、接管、支座等。4.1壳体壁厚的确定选取设计压力pc=1.6Mpa，壳体材料为Q-235B，查化工设备机械基础3p-311附录9得，其相应的许用应力=113 Mpa；查化工设备机械基础3p-96表4-8,焊缝系数取为0.85，Di=300mm，故计算厚度：岁 1-6 300 2.

14、5mm2 丨 - pc 2 113 0.85-1.6根据化工设备机械基础p-97, 取 C2=1.0mm,负偏差C2取0.25 mm。 圆整后，（n=4mm,即壳体壁厚为4mm。4.2管子拉脱力计算根据化工设备机械基础p-205,取胀接长度l=50mm ;根据化工设备机械基础p-295附表1-1 ,查地碳钢线膨胀系数a=11.2 X0-6mm/（mm C ），弹性模量 E 取为 200 X103 Mpa;根据化工设备机械基础p-218表 7-11，许用拉脱力取为4 Mpa。 在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力pf二 dl其中，f =0.866t2 d。2 =0.866 322 25

15、2 =396mm24 4其中，二t = 一 E（tt ，As= dD 中岔二 n X308X4=3868mm21 ，As2 2- 2 2 2At （do -di ）n （25 -20 ） 37 = 6535mm又因qp与qt作用方向相同，都使管子受压，贝U管子的拉脱力:Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpav q=4.0 Mpa因此，拉脱力在许用范围内4.3换热器的主要结构尺寸设计参数表2主要结构尺寸设计参数换热器型式：固定管板式换热器面积/m2：工艺参数名称壳程管程物料名称操作压力/MPa0.40.6操作温度/C90 （进口）/60 （出 口）30 （进口）/50 （出 口）流量

16、/kg/h9226流体密度/kg/m3流速/m/s0.260.51传热量/W213930总传热系数W/（m2 -C）513对流传热系数W/（m C）7522935污垢系数/W/（m2 C）0.0001120.000066压力降/Pa10884984推荐使用材料碳钢壳径D（DN）300mm管尺寸 25 x 2.5mm管程数Np管长L6m管子总根数37 （拉杆4）管排列方式正三角形排列中心排管数nc7管心距32mm5换热器装配简图详见附图。6设计评述本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，经过查阅有关文献资料， 对换热器参数进行了设计及反复核算， 以确保设计的准确性。 以下是对本设计的 一些评

17、述。从工艺要求和经济性出发， 选用了固定管板式换热器作为设计对象。 根据已 知条件选定换热器规格后，经过很多次核算，K 7K值始终达不到要求的1.151.25 范围。然后，通过查阅更多资料、反复再次核算，加上和同学的激烈讨论，终于 取得了阶段性的胜利，基本上完成了换热器设计这块。绘制换热器的装配图， 需要对换热器有全面的认识， 许多细节问题必须注意 到，主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。整个流程下来，对固定管 板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。通过本次设计，真的学到了很多。首先，熟悉了化工原理课程设计的流程， 学会了如何根据工艺要求查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料， 继而对换热器进行准确设计； 其次， 巩固了以前学习的化工知识， 理解得相对更 深入、透彻了些；此外，学习时要跟同学探讨，一个思想加一个思想，或许会碰 撞出更多思维的火花。第一次做本次课程设计， 我们大都是在摸索中前进， 走了不少曲折的路。 加 上可利用文献资源有限、 时间有限，这次设计仍存在许多地方需要去改进与完善。7参考文献1夏清，陈长贵化工原理 M 天津：天津大学出版社， 20102钱颂文二换热器设计手册 M 化学工业出版社， 2002 3刁玉玮，王立业，喻键良化工设备机械基础 M 大连：大连理工大学出版社， 2010