列管式换热器课程结构设计.docx
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列管式换热器课程结构设计
列管式换热器课程结构设计
•、化工原理课程设计任务书
某生产过程中,需用循环冷却水将有机料液从102C冷却至40C。
已知有机料液的流量为
(2.5—0.01X24)X104=2.26X104kg/h,循环冷却水入口温度为30C,出口温度为40C,并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa,试设计一台列管换热器,完成该生产任务。
已知:
定性温度下流体物性数据
、、物性
流体
密度
kg/m3
粘度
Pa•s
比热容G
kJ/(kg-°C)
导热系数
W/(m-C)
有机化合液
986
3
0.54*10-
4.19
0.662
水
994
3
0.728*10-
4.174
0.626
注:
若采用错流或折流流程,其平均传热温度差校正系数应大于0.8
、确定设计方案
1.选择换热器的类型
两流体的温度变化情况:
热流体进口温度102C,出口温度40C;冷流体进口温度30C,出口温度40C,该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,考虑到这一因素,估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大,故而初步确定选用带有膨胀节的管板式换热器。
。
2.管程安排
已知两流体允许压强降不大于60kPa;两流体分别为有机料液和冷却水。
与有机料液相比,水的对流传热系数一般较大。
由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会加快污垢增长速度,使换热器的热流量下降,考虑到散热降温方面的因素,应使循环冷却水走管程,而使有机料液走壳程
三、确定物性数据
定型温度:
对于一般低粘度和水等粘度低流体,其定性温度可取流体进出口的平均值。
故壳程
有机料液的定性温度为
T1024071C
2
管程流体的定性温度为
T304035C
2
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据有机料液在71C下的有关物性数据如下:
密度
3
1986kg/m
定压比热容
CP14.19kj/(kgC)
热导率
10.662W/(mC)
粘度
10.54103Pas
循环水在35C下的物性数据:
密度
2994kg/m3
定压比热容
CP24.174kj/(kgC)
热导率
20.626W/(mC)
粘度
3
10.72810Pas
四、估算传热面积
1.热流量
Q0m0Cp0t0226004.19(10240)5.87106kJ/h1.63106W
2.平均传热温差
暂按单壳程、多管程进行计算。
平均传热温差为
t1t2
In匕
t2
(10240)(4030)284C
ln^0
4030
2.管程数和传热管数
可依据传热管径和流速确定单程传热管数
Ns亠di2u4
按照单程管设计,
140632.5/(3600994)1252
0.7850.0221
所需的传热管长度为
112.54
Ld°Ns3.140.025125.2
11.5m
3.传热面积
设总传热系数为
则所需的传热面积为
2
S=Q/(K△t沪1630000/(500X21.3)=153m
4.冷却水的用量
m电泅1061406325kg/h
cpit4.174(4030)
五、工艺结构尺寸
1.管径和管流速选用
252.5mm的碳钢管,初步选用管流速u1.0m/s。
取L=12m按单程管设计,传热管过长,宜采用多管程结构。
根据本设计的实际情况,才用非
标设计,现取传热管长
l6m
则该换热器的管程数为
NpL
传热管总根数为
Nt125.22
250
3.传热平均温差校正与壳程数
平均温差校正系数:
R口6.2
t2t14030
pt?
J
T1t1
4030
10230
0.139
按单壳程,双壳程结构,查图4-19b单壳程的温差校正系数可得:
t0.98
平均传热温差
tmttm0.9828.427.8K
由于平均传热温差校正系数大于0.8,
同时壳程流体流量较大,故壳程合适。
4.传热管排列和分
换热管标准
宦
有以下几种:
本设计中采用正三角形排列
直
〔门正方形搀列
转角正-.角莊洋列
■:
dJ特角正方彩拇列
扌:
谎时垂宣干折裤板缺口
在上述几种排列中,a、d排列更为合理,因为在相同折流板间距条件下,其流通截面比其他两种要大,有利于提高流速。
故本换热器采用混合排列,即在隔板附近采用正方形排列,在其他部分采用正三角形排列
t1.25d。
1.252531.2532mm
隔板中心到离其最近一排管中心距
S-616622mm
2
各程相邻管的管心距为44mm
5.壳体径
采用多管程结构,进行壳体径计算。
取管板的利用率0.7,则壳体径为:
fN?
'250
D1.05t、T1.0532•——634.98mm
下\0.7
按照卷制壳体的进级档,可取D=700mm
筒体的直径校核计算:
壳体的径Di壳体应等于或大于(在浮头式换热器中)管板的直径,所以管板直径的计算可以决
定壳体的径,其表达式为:
Ditg1)2e,
因为,管子按正三角形排列,管数:
nc1.19Nt1.1925019
取e1.2d01.22530mm
Di32(191)230636mm按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得:
Di700mm
6.折流挡板
采用圆缺形折流挡板,去折流挡板圆缺高度为壳体径的25%则切去的圆缺高度为
h0.25700175mm
故,可圆整取h200mm
取折流板的间距B550mm。
折流板数Nb-16000110
B550
7.其他附件
拉杆数量与直径选取,本换热器壳体径为700mm故其拉杆直径为①12拉杆,数量为8,
8.接管
壳程流体进出口接管:
取接管流体流速为U10.6m/s,则接管径为:
fr4V(422600/(3600986)
D1—们0.116m
丫丫3.140.6
圆整后得到管径为:
D1120mm
管程流体进出口接管:
取接管液体流速U21.5m/s,则接管径为:
淫J4140632.5/(3600画0289
:
:
.3.141.5'
圆整后得到管径为:
D2300mm
六、换热器核算
1.热流量核算
(1)壳程对流传热系数
对圆缺形折流板,可采用凯恩公式
0.36只©。
。
%1/]
de
)0.14
w
当量直径,由正三角形排列得
de
J322
do
0.0322
2
严5)
3.140.025
0.020m
壳程流通截面积
d25
SoBD(1亠)0.550.7(1—)0.0842m2
t32
壳程流体流速及其雷诺数分别为
Uo
22600/(3600986)
Re。
0.0842
0.020.08986
0.54103
0.08m/s
2922
普兰特准数
Pr
Cp
33
4.19100.5410
0.662
3.42
粘度校正
(―严
w
0.95
0.36
0.662
0.02
05513
2922.3.4230.95
2
1377w/mK
(2)管程对流传热系数
管程流通截面积:
Si
0.785
0.022250/20.04m
管程流体流速:
Ui
Rei
mi
iAi
diUi
普兰特准数:
Pr
(3)污垢热阻和管壁热阻:
140632.5/(3600994)0.98m/s
0.04
0.020.98994
0.000728
3
100.000728
0.626
0.6260.8
0.02326762
0.02
4.174
26762
4.85
4.850.44716.1W/(m2K)
取壳程污垢热阻:
Ro
0.0002m2
k/w
取管程污垢热阻:
Ri
0.0004m2
k/w
该件下的热导率为45w/(m•
K)。
所以Rw
0.0025
45
2
0.00006mk/w
(4)传热系数Ke有:
Rd。
Rwd。
didm
Ro
1)
o
25
4716.120
°.000425°.00006250.0002丄
1337
20
22.5
2
562w/mK
因为2计=562
K估500
1.124,介于
1.12至1.5之间符合要求。
(5)传热面积裕度:
计算传热面积
Ac
Q1
Ketm
1630000
562
28.4
22
101m
该换热器的实际传热面积为:
Apd°l(N
nc)
3.14
0.0256(25019)
109m2
该换热器的面积裕度为:
H
Ac
109
101
101
7.9%
综上所述,传热面积裕度合适,
该换热器能够完成生产任务。
2.壁温计算
因为管壁很薄,而且壁热阻很小,
故管壁温度可按式
tw
tm
..0计算。
11
cn
由于该换热器用
循环水冷却,冬季操作时,循环水的进口温度将会降低。
为确保可靠,取循环冷却水进口温度为15C,
tw
Tw
(102+40)/2=71C=344K
出口温度为40C计算传热管壁温。
另外,由于传热管外侧污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,降
低了壳体和传热管壁温之差。
但在操作初期,污垢热阻较小,壳体和传热管间壁温差可能较大。
计算中,应该按最不利的操作条件考虑,因此,取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。
于是有:
TwTtm
cn
1c1n
式中循环水的平均温度tm和有机料液的平均温度Tw分别计算为
tm
0.4X40+0.6X15=25°C=298K
i4716.1w/旷K
o1377w/m「K
传热管平均壁温
壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即
T=344K3壳体壁温和传热管壁温之差为
t344308.535.550CC
该温差较小,故不需设温度补偿装置。
344
298
4716.1
1377
1
1
4716.1
1377
308.5K
tw
3•换热器流体的流动阻力
(1)管程流体阻力
Pi
(Pi
Pr)NsNpFt
Ns1,
Np
2,Ft1.4
Pi
_l__u2idTV
由Re=26762传热管对粗糙度
0010.0005
20
查莫狄图得i0.016W/(mC),流速Ui=0.98m/s,
994.kg/m3,所以:
994
2
2
2291Pa
60.98
p10.016
0.02
P2
13994°9821432Pa
22
P1
(22911432)21.410424.4Pa
所以,管程流体阻力在允许围之。
0.4
(2)壳程阻力:
P1FfonJNB
壳程流通截面积:
A
h(Dincd。
)0.2
(0.719
0.025)
0.045ms
Uo
22600/(3600986)
0.0842
0.08m/s
则:
P1Ff°nc(Nb
P2Nb3.5
Reo业
0.0250.08
o5.0Reo0.228
1)
2
Uo
2
0.4
0.54
5.0
0.77
986
103
0.228
3652
19(10
3652
0.77
1)心理203.1Pa
2
2B
D
2
OUO
2
10
(3.5
20.55)
0.7
2
9860.08一厂
61Pa
2
P1P2FtNs
其中Ft1.15,Ns1
(203.161)1.151303.7Pa
由此可知本换热器符合要求。
注:
Nb
折流板数目;
B-
折流板间距,m;
壳体径,m;
管子排列方式对压力降的校正因数,对于正三角形排列,
f0
壳程流体的摩擦系数。
nc
横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列:
nc=1.1N;管子按正方形排列:
nc
=1.19、N;
u0壳程流体横过管束的最小流速,m/s,
设计结果
参数
管程(循环水)
壳程(有机料液)
流量(kg/h)
140632.5
22600
进/出口温度/c
30/40
102/40
压降/kPa
<60
<60
物性
定性温度/c
35
71
密度/(kg/m3)
994
986
定压比热容/[kJ/(kg?
c)]
4.174
4.19
粘度/(Pa?
s)
0.728X103
0.54X103
热导率(W/n?
c)
0.626
0.662
普朗特数
4.85
3.42
设备结构参数
形式
固定管板式
管程数
2
壳体径/mm
700
壳程数
1
管径/m
①25X2.5
管心距/m
44
管长/m
6000
管子排列
混合
管数目/根
250
折流板数/个
10
传热面积/
153
折流板间距/m
550
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
0.98
0.08
表面传热系数/[W/(卅?
k)]
4716.1
1377
污垢热阻/(卅?
k/W)
0.0004
0.0002
阻力/Pa
10424.4
303.7
热流量/kW
1630
传热温差/K
28.4
传热系数/[W/(tf?
K)]
562
裕度/%
7.9%
七、结构设计
1、固定管板结构设计:
由于换热器的径已确定,采用标准径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为:
固定管板外径:
D0Di2b170025690mm固定管板外径与壳体径间隙:
取b13mm垫片宽度:
按《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版):
表4-16:
取bn16mm
固定管板密封面宽度:
b2bn1.517.5mm
外头盖径:
DDi100700100800mm
2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计:
依工艺条件:
管侧压力和壳侧压力中的高值,以及设计温度和公称直径700,按JB4703-92
长颈对焊法标准选取。
并确定各结构尺寸,见《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版)。
3、管箱结构设计:
选用B型封头管箱,因换热器直径较大,且为二管程,其管箱最小长度可不按流道面积计算,只考虑相邻焊缝间距离计算:
L"gminhf2Cdgh1h2797mm
取管箱长为800mm管道分程隔板厚度取7mm
4、固定端管板结构设计:
依据选定的管箱法兰,管箱侧法兰的结构尺寸,确定固定端管板最大外径为:
D=806mm
5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计:
依工艺条件,壳侧压力、温度及公称直径Dn800mm;按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。
6、外头盖结构设计:
外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。
7、垫片选择:
a.管箱垫片:
根据管程操作条件(循环水压力18786pa,温度35C)选石棉橡胶垫。
结构尺寸如《化工
单元过程及设备课程设计》(化学工业出版):
图4-39(b)所示:
D808mm;d700mm.
b.外头盖垫片:
根据壳程操作条件(有机料液,压力5471pa,温度71°C),选缠绕式垫片,
垫片:
909mm800mm(JB4705-92)缠绕式垫片。
&折流板布置:
折流板尺寸:
外径:
DDn37003697mm;厚度取3mm
前端折流板距管板的距离至少为450mm结构调整为550mm见《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版)
实际折流板间距B=550mm计算折流板数为10块。
9、说明:
在设计中由于给定压力等数及公称直径超出JB4730-92,长颈对焊法兰标准围,对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值,只能进行非标设计强度计算。
八、强度设计计算
1、筒体壁厚计算:
由工艺设计给定设计温度71C,设计压力等于工作压力为5471pa,选低
合金结构钢板16MnR卷制,查得材料71°C时许用应力t163Mpa
取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=1mm对16MnR钢板的负偏差C1=0
从而:
压圆筒计算厚度公式:
计算厚度:
0.054711400
27.9mm
2163
0.855.417
设计厚度:
dC2
27.9128.9mm
名义厚度:
ndC1
28.9mm
圆整取n30mm
有效厚度:
enC1
C229mm
2
Pc
PcDi
t
水式实验应力校核:
”822Mpa
所选材料的屈服应力s325Mpa
0.85325248.625Mpa水压强度满足
82.2Mpa0.9
s0.9
封头名义厚度:
SnSC1C215.95116.95mm
试验压力:
Pt
Pc5.417Mpa
2、外头盖短节、
封头厚度计算:
外头盖径
=800mr,其余参数同筒体:
短节计算壁厚:
S=
PcDi
2
6.9800
Pc
20.3mm
21630.855.417
短节设计壁厚:
SdS
C2
20.3121.3mm
短节名义厚度:
SnSdC1
21.3mm
圆整取Sn=22mm
有效厚度:
Se
Sn
C1
C2
21mm
压力试验应力校核:
Pt
Di
2e
S'7780021129.5Mpa
221
压力试验满足试验要求。
外头盖封头选用标准椭圆封头:
封头计算壁厚:
S=
_PcDi
2t0.5Pc21630.850.55.417
5.417800
15.95mm
取名义厚度与短节等厚:
Sn20mm
3、管箱短节、封头厚度计算:
由工艺设计结构设计参数为:
设计温度为359,设计压力为18.786Mpa,选用16MnR钢板,
材料许用应力t170Mpa,屈服强度s345Mpa,取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=1mm计算厚度:
PcDi18.786700
S=c——=48.6mm
2Pc21700.8518.786
设计厚度:
SdSC248.6149.6mm
名义厚度:
SnSdC149.6mm
结合考虑开孔补强及结构需要取Sn50mm
有效厚度:
SeSnC1C250-149mm
压力试验强度在这种情况下一定满足。
管箱封头取用厚度与短节相同,取Sn8mm
4、管箱短节开孔补强校核
开孔补强采用等面积补强法,接管尺寸为3779,考虑实际情况选20号热轧碳素钢管
t130Mpa,377
C2=1mm
接管计算壁厚:
St
PcDi
Pc
18.786377
0.4
2130
0.85
3.2mm
接管有效壁厚:
Set
Snt
C1
C2
9-1-9
0.15
6.65mm
开孔直径:
di2C
377
2.35
363.7mm
接管有效补强高度:
B=2d=2
363.7=727.4mm
接管外侧有效补强高度:
h1dSnt.363.7957.2mm
需补强面积:
A=dS=363.71.94=705.6mm2
可以作为补强的面积:
A1(B-d)(Se-S)(727.4363.7)(61.94)1476.6mm2
A22h1Set-Stfr
257.2(6.653.2)130/170
284.3mm
A1A21476.6284.31760.9A705.6mm2
该接管补强的强度足够,不需另设补强结构。
5、壳体接管开孔补强校核:
开孔校核采用等面积补强法。
选取
20号热轧碳素钢管32512
钢管许用应力:
t137MPa,
C2=1mm
接管计算壁厚:
St
PcDi
5.471325
21371
6.3mm
5.417
接管有效壁厚:
Set
SntC1
C2
12-1-12
0.159.2mm
开孔直径:
di2C
325
2122
(1120.15)306.6nm
接管有效补强厚度:
B=2d=2
306.6=613.2mm
接管外侧有效补强高度:
h1dSnt、306.61260.7mm
需要补强面积:
A=d
=306.635.75=10960.95mm2
可以作为补强的面积为:
A1(B-d)(e-)(613.2306.6)(3735.75)383.25nm
尚需另加补强的面积为:
A4
2
A-A1-A210960.95-383.25-283.710294mm
补强圈厚度:
Sk
A4
Bdo
1029435.7mm
613.2325
实际补强圈与筒体等厚:
Sk
36mm;
则另行补强面积:
A4SK(B-d0)36(613.2
325)10375.2mm2
22
A1A2A4383.25283.710375.211042.15mmA10960.95nm
同时计算焊缝面积A3后,该开孔补强的强度的足够。
6、固定管板计算:
固定管板厚度设计采用BS法。
假设管板厚度b=100mm
总换热管数量n=256;
一根管壁金属横截面积为:
22
a-(dodj
4
222
-(252202)176.6mm2
4
开孔温度削弱系数(双程)
0.5
两管板间换热管有效长度
(除掉两管板厚儿取6850mm
计算系数K:
K2
1.32訂:
Lb
na132型.256176.610.6
100V0.56850100
K=3.256
接管板筒支考虑,
依K值查《化工单元过程及设备课程设计》化学工业:
图4-45,
图4-46,图4-47得:
G12.9,G2-0.65,G32.8
管板最大应力:
t丄Pa
RPtG2
1641(5.4170.4)(0.65)
0.233.
0.607