年处理量6万吨的乙苯冷却器的设计方案

1 年处理量 6万吨的乙苯冷却器的设计方案 热器分类 换热器的类型按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛，如表 2 表 2传热器的结构分类 类型 特点 间 壁 式 管 壳 式 列 管 式 固定管式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般 50），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U 型管式 管内外均能承受高压，管内 清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 套管式 能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的 液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能 伞板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 板壳式 板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高 混合式 适用于允许换热流体之间直接接触 蓄热式 换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合 管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构 2 简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为 以下几种： （ 1） 固定管板式换热器 固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于 50且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。 带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于 70且壳方流体压强不高于 600 （ 2） 浮头式换热器 浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物 料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。 （ 3） 填料涵式换热器 填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。 蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。 套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用 管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面 积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。 热器材质的选择 3 在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响 换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （ 1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。 （ 2） 不锈钢 奥氏体系不锈钢以 1是标准的 18稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构 更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 二 换热器设计任务书 计题目： 设计一台乙苯冷却器 作条件： 口温度 100 ，出口温度 70 。 环水，入口温度 20 ，出口温度 40 大于 30天计，每天 24小时连续运行。 备型式： 自选一种列管式换热器 4 理能力： 处理能力 6 万吨 /年 三 设计过程 计方案的确定 择换热器的类型 两流体温度变化情况： 热流体进口温度 00，出口温度 0 冷流体进口温度 0，出口温度 0。 考虑到冷热流体间温差较小 00 =60 70 。采用固定管板式换热器。 程安排 与乙苯相比，水易于结垢，如果其走壳程，流速太小，会加快污垢增长速度使换热器传热速率下降。乙苯被冷却，走壳程便于散热。因此，冷却水走管程，乙苯走壳程。 艺流程草图及说明 图 1 工艺流程草图 说明：如图，乙苯经离心泵抽入管道，并从接管 环冷却水则由离心泵抽入管道，并从接管 物质在换热器中进行热交换后，乙苯从 100被冷却到 70之后，由接管 环冷却水则从 20被加热到 40，由接管 循环水 乙苯 离心泵 换热器 A B C D 5 定流体的定性温度、物性数据并选择管壳换热器的型式 性温度： 可取流体进出口温度的平均值。 壳程流体的定性温度为： T= 1 0 0 7 0 = 8 52 管程流体的定性温度为 ：t= 4 0 2 0 = 3 02 管程冷却水的定性温度为 t=30 C 壳程有机物的定性温度为 T=85 C 性参数： 根据物质的定性温度，分别查询壳程和管程流体的有关物性数据。 介质 性质 密度 Kg/热 ) 粘度 s 热 导 率W/(m ) 乙苯 热流体 10 冷流体 10艺计算及主体设备设计 算传热面积 热负荷： . p . h 12q c T - （ ）= 7 6 1 0 1 . 9 3 4 303 3 0 2 4 =105KJ/h=流时 1 2均传热温差： （ / （ = 1 0 0 4 0 7 0 2 0= 5 4 . 91 0 0 4 0 0 2 0 （ ） （ ） 查表预设 K=346W/( )则估算的传热面积为 :S=1 2 2 . 2 1 0= = 6 . 4 4 4 6 5 4 . 9， 逆考虑到外界因素的影响，根据经验取传热面积为估算值的 度 15%），则传热面积为： S=用量m c =p c 2 1331 2 2 . 2 1 0q = = 1 . 4 6 k g / sc t t 4 . 1 7 8 1 0 4 0 2 0Q ， （ - ） （ ） 6 艺结构尺寸 管径和管内流速： 考虑到管内流体为循环水水，易结垢，选用 25 钢），取管内流速 s。 管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数： 21 . 4 6 / 9 9 5 . 7 3 . 8 9 40 . 7 8 5 1 . 2 0 . 0 22i 按单程管计算，所需的传热管长度为：0 4 1 = 2 3 . 6 1 4 0 . 0 2 5 4 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准 管 设 计 ， 现 取 传 热 管 长 L = 6 m ，则 该 换 热 器 的 管 程 数 为 ：p 2 3 . 6 （ 管 程 ）传热管总根数： N = 4 4 = 16（根） 平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数： 1 4 0 7 0 1 . 54 0 2 0R 4 0 2 0 0 . 2 51 0 0 2 0P 按单壳程，双管程结构，查图得： 由于平均传热温差校正系数大于 时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。 平均传热温差： 0 . 9 7 5 4 . 9 5 3 . 3mt mt t C 逆 7 传热 管排列和分程方法 采用正三角形排列。取管心距 t= t=25=32板中心到离其最近一排管中心距离： S=t/2+6=32/2+6=22程相邻管的管心距为： S 2=44体内径 采用多管程结构，取管板利用率 =则壳体内径为D 1 . 0 5 t / 1 . 0 5 3 2 1 6 / 0 . 8 0 1 5 0 . 3N m m 可圆整到标准尺寸 325 流挡板 采用弓形折流板 ,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为： H=325=81 折流板间距 h= h=325=97.5 故可取 h=100 折流板数目： 61 1 5 90 . 1 传 热 管 长折 流 板 间 距接管： 壳程流体进出口接管： 取接管内流体流速为 m/s，则接管内径为 7114 V 4 6 1 0 / ( 3 3 0 2 4 3 6 0 0 8 1 3 . 6 ) 0 . 0 0 4 0 63 . 1 4 2 管程流体进出口接管： 取接管内液体流速 .4 m/s，则接管内径为 24 1 . 4 6 / 9 9 5 . 7 0 . 0 2 83 . 1 4 2 . 4 8 热器核算 热量核算 程对流 传热系数： 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式（教材 算： 10 . 5 5 0 . 1 41 3000 . 3 6 R e P r ( )当量直径： () . ( )22t 0 0 2 0 壳程流通截面积： 20 . 0 2 5( 1 ) 0 . 1 0 . 3 2 5 ( 1 ) 0 . 0 0 7 30 . 0 3 2oo dA h D 壳程流体流速： / ( . ) ./ 1 0 3 3 0 2 4 3 6 0 0 8 1 3 6u 0 3 6 m 0 0 7 3 雷诺数： . . e o 0 2 0 3 6 8 1 3 6 165480 3 5 4 1 0 普朗特数： , .P r .h 9 3 4 1 0 0 3 5 4 1 0 5 8 6 6 60 1 1 6 7 粘度校正：0 ( ) 0 w 10 . 5 5 320 . 1 1 6 70 . 3 6 1 6 5 4 8 5 . 8 6 6 6 0 . 9 50 . 0 27 5 2 . 5 /oW m K （ ）程对流传热系数： 8 0 2 3 R P 管程流体流通截面积： 6A d 0 0 0 1 2 6 管程流体流速： . / . ./ ci 4 6 9 9 5 7u 1 1 6 m 0 0 1 2 6 雷诺数： . . i i 0 2 1 1 6 9 9 5 7 288210 8 0 1 5 1 0 9 普朗特数： .P r . 7 8 1 0 0 8 0 1 5 1 0 5 4 20 6 1 7 3 . . /. 0 8 0 4 2i 0 6 1 7 30 0 2 3 2 8 8 2 1 5 4 2 4 3 5 7 W m 2 （ ） 垢热阻 管外侧污垢热阻： 0 0 0 1 7 管内侧污垢热阻： 20 . 0 0 0 5 8 /m K W总传热系数（以管外表面积为基准） 0000011 0 0 0002011 / ( )1 0 . 0 2 5 0 . 0 0 2 5 0 . 0 2 5 0 . 0 2 51 / ( 0 . 0 0 0 1 7 6 0 . 0 0 0 1 5 8 )7 5 2 0 . 0 2 4 5 0 . 0 2 2 5 4 3 5 7 0 . 0 23 8 7 W / m . m i id b d R s id d d （ ）热面积裕度 计算传热面积为： . . 2 2 2 1 0S 5 9 3 mK t 3 8 7 5 3 3 换热器的实际传热面积为： 23 . 1 4 0 . 0 2 5 6 1 6 7 . 5 4n d l m 传热面积裕度 : 7 . 5 4 5 . 9 3 x 1 0 0 % 2 7 %5 . 9 3 传热面积裕度合适 （ 1030%左右），该换热器能够完成生产任务。 热器内流体的流动阻力核算： 程流体阻力 ()t i r s p sp p p N N F 2 1 5 由 8821，传热管相对粗糙度为 0. 1/20=莫狄图，得 =(m K)，流速 m/s， i=995.7 kg/以： . . 2 1 6 9 9 5 7p 0 0 3 6 0 2 9 P 2 2 . 9 5 7 1 1 6p 6 4 0 1 9 P a 10 1 ( 6 0 2 9 4 0 1 9 ) 1 4 1 . 4 5 6 2 6 9p P a P a 程阻力 ()s 1 2 s sp p p F N 1 1 ( )F 液 体 流体流经管束的阻力 21 ( 1 ) 2c f n N 0 . 5 0 . 51 . 1 1 . 1 1 6 4 . 4 5 9B 壳程流通面积： 20 . 0 2 5( 1 ) 0 . 1 0 . 3 ( 1 ) 0 . 0 0 7 30 . 0 3 2oo dA h D 706 1 0 / ( 3 3 0 2 4 3 6 0 0 8 1 3 . 6 ) = 0 . 3 5 /0 . 0 0 7 3u m s 0 30 . 0 2 5 0 . 3 5 8 1 3 . 6R e 2 0 1 1 00 . 3 5 4 1 0o o 、 0 . 2 8 8 0 . 2 8 805 . 0 R e = 5 . 0 2 0 1 1 0 0 . 2 9 28 1 3 . 6 0 . 3 50 . 5 0 . 2 9 4 . 4 5 9 1 1 9 0 7 . 6 P 2022( 3 . 5 ) 2 h=22 0 . 1 8 1 3 . 6 0 . 3 55 9 ( 3 . 5 )0 . 3 2 5 2= 8 4 6 7 . 6 1 9 0 7 . 6 8 4 6 7 . 6 1 1 . 1 5 1 1 9 3 1 . 5 a P a （ ） 程流体阻力在允许范围之内。 四 换热器设计结果一览表 参数 壳程 管程 11 流量 kg/h 256 进出口温度 / 100/70 20/40 压力 /性 定性温度 / 85 30 密度 /（ kg/ 热容 / ) 度 /导率 /W/(m ) 朗特数 备 结构 参数 形式 固定管板式 壳程数 1 壳体内径 /25 台数 1 管径 / 225 心距 /4 管长 /000 管子排列 正三角 管数目 /根 16 折流板数 /个 59 传热面积 /流板间距 /00 管程数 4 材质 碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速 /m/s 流传热系数 / 2/W m K（ ） 357 污垢热阻 2 力 /56269 热流量 /热温差 /k 传热系数 w 2/ ） 387 裕度 27% 五 对本设计的评述 本次课程设计，在张燕杰老师的细心指导下，同时也我们准备了很多相关的资料的前提下，让我们在具体设计过程中轻松了许多，将理论知识用于具体实践的能力也得到一定的提升，课程设计不同于平时的作业，在设计过程中需要我们自己做出决策，即自己确定方案，选择工艺参数和条件，查阅资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选择最理想的方案和最合理的设计。所以这