化工原理课程设计—蒸汽二次冷凝器

化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 1 - 课程设计 院 系：化学与化工学院 班 级：应化 0 5 2 学 号： 200508020229 姓 名： 张磊 指导教师： 赵强 时间： 20067.07.10 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 2 - 目 录 . 任务书 3 . 设计说明 4-7 . 工艺计算 8-15 . 设备的结构计算 15-20 . 课程设计说明及汇总 20-21 . 设计评论 22 . 参考文献 22 . 附页 23-24 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 3 - 任务书 一 .设计题目： 蒸汽 二次 冷凝器 二 .设计原始数据： （ 1）质量流量： Wh=（ 2000+30*29） *1.4=3612kg/h 真空度： （ 100+3*29） *1.4=219mmHg （ 2）冷却水 进口温度： 20 出口温度：自定（ 26） （ 3）当地大气压： 750mmHg 三 .设计任务： （ 1）设计计算列管式换热器的热负荷、传热面积、换热管、壳体、管板、 封头、隔板及接管等。 （ 2）绘制列管式换热器的装配图。（ 2 号图纸 594*420mm） （ 3）编写课程设计说明书。 四 设计时间： 2007 年 7 月 8 日 2006 年 7 月 13 日 设计 学生：张 磊 指导教师： 赵 强 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 4 - 设计说明 一、 设计目的 课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。 二、 该设备的 作用及在生产中的应用 换热器是实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。 三、 工 溢流程示意图 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 5 - 饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水由壳程下方排出，冷却水从换热器下方的入口进入，上方的出口排除。 四、 说明运用该设备的理由 这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用 的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。 五、 设备的结构特点 该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走 管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈 (或称膨胀节 )，通过补偿圈发生弹性变形 (拉伸或压缩 )来适应外壳和管束不同的膨胀程度。 六、 在设计中遇到的问题的处理 在设计中，在工艺计算过程中，由于选取 K0 不当或其他条件选取不当，造成 在校核时 K0 不符合要求。在重新选取 K0 的同时，改变了其他的条件，如： n，L 等，经过二次校核达到了预期的目的。 七、 设计方案的确定 （ 1） 对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。 设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史， 具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料 广阔、适应性 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 6 - 强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。 固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两 管板 之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于 50时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于 70和壳程流体压强小于600kpa 的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。 2）工艺流程图 （ 3）流体流经的空间：冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或井水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的沉积。管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。被加热的流体应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散溶 液 换 热 器 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 7 - 失。饱和蒸汽由于比较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。 （ 4）流体的流动方向选择：饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝 水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高 ；冷却水一般从换热器的下方的入口进入 ,上方的出口排出 ,可减少冷却水流动中的死角 ,以提高传热面积的有效利用 .故采用逆流 . (5)流速的选择 :换热器内流体的流速大小 ,应有经济衡算来决定 .增大器内流体的流速 ,可增强对流传热 ,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性 ,即降低了污垢的热阻 ,使总传热系数增大 ,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费 ,但是流速增大 ,又使流体阻力增大 ,动力消耗也就增多 ,从而致使操作费用增加 ,若流速过大 ,还会使换热器产生震动 ,影响寿命 ,因此选取合适的流速是十分重要的 . (6)冷却剂及出口温度的确定 :选取水做冷却剂 ,它们可以直接取自大自然 ,不必特别加工 .由于本地水源丰富 ,可以降低传热面积 ,减少设备费用 ,故取出口温度为 28 . 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 8 - 换热过程工艺计算 根据任务书所下达的换热任务，进行完整的换热过 程的工艺计算。其目的是确定设备的主要工艺尺寸和参 数，如换热器的传热面积；换热管管径、长度、根数； 管程数和壳程数；换热管的排列和壳体直径，以及管壳 程流体的压强降等；为结构设计提供依据。化工工艺计 算的步骤大致如下： （一） 传热面积 S0 的初定 在稳定传热过程中，总传热系数 K 随温度变化不大 时，根据总传热速率方程式 ：tKQSm00有效 （ 1） K 0 总传热系速 Cmw o2； S 0 换热管外表 面积 2m ； mT 平均温度差 Co 。 Q 有效 传热速率（热负荷 ） w 1、 传热速率 Q 有效 的计算 由公式 P 绝 =大气压强真空度 （ 2） = 750-（ 300-3 27） = 513mmHg =70.8KPa 由算得数据查表得： T=90.2 r = 2.2826 106J/ 由 Q=Wh r （ 3） 注： K 化学原理上册课本 S 化学原理实验及课程设计 （ 1 ）S-P93 页2-1 （ 2） K-P17 页 （ 3 ）K-P225页 4-32 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 9 - =3600 27704000 2.2826 106J/ =1.3379 106J/s 式中： Q 换热器的热负荷 Wh 饱和蒸气的质量流量 r 饱和蒸气的冷凝热 Q 有效 =Q 95% =1.3379 106 95% =1.271 106J/S K0初选为 1282 2、平均温度 tm计算 对逆流和并流 tttttm2121ln （ 4） 式中： t1、 t2 分别为换热器两端的温度差， Co T1 =T2 =TS t1 =20Co t2 =28Co CtTt 0111 2.70 CtTt 0222 2.62 tm=2.622.70ln2.622.70 =66.1Co 3、假设 K0=1282W/ Co S初0 = tmKQ0有效=1.661282 10271.16m2=15 m2 （二）主要尺寸的 确定 1、换热管的类型、尺寸及材料的确定 （ 1） 管子的直径 当采用小直径的管子时，换热器单位体积传热面积较 （ 4） S-P93页 2-2 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 10 - 大，设备较为紧凑，单位传热面积的金属耗用量较小，管 程流体的对流传热系数也较高，但制造，加工较麻烦，且 容易结垢，不易清洗，因此小直径一般用于清洁流体，而 大直径的管子常用于粘性大或污垢的流体。本设计为清洁 流体，故可选用 5.225 （ 2） 管子的长度 我国现有的管子长度规格常见的有 1500， 2000， 3000， 4500， 6000， 9000等，根据换 热器工艺计算和设备设 计，本设计可选用长度 3000规格的管子。 （ 3） 管子的材料 列管式换热器设计中，正确选用管子的材料是很重要 的，既要满足工艺条件的要求，又要经济合理。选材 时应按照操作压强，工作温度，及流体的物化性质来选 择，所选的材料最好满足下述要求：导热，耐磨蚀性能 好，机械强度高，制造加工容易，价格低廉。换热器常 用的材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜镍合金、铝合 金。 （ 5） 本设计为低压列管换热器，可用含碳量低于 0.5% 的优 质碳钢的无缝钢管，其钢号以 20 为多，这号钢强 度虽低些，但塑性好，焊接性能好。 2、 管心距 t 的确定： 管板上两管子中心的距离称为管间距，用 t 表示 （ 5） S-P96页 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 11 - t=(1.3-1.5) （ 6） 且两管外径之间的距离不能小于 6mm,即 t (d0+6)mm 所以 t=1.5 d0=1.5 25mm=37.5mm 外层管子 中心到隔板的距离： b, b,= (1-1.5)d0且不能小于 1/2d0+10mm （ 7） 所以 b,=1.5d0=37.5mm 3、管子在管板上的排列形式 管子的排列方式按照三角形 排列。这样排列的优点是： 在一定的管板面积上可以配置较多的管子数，而且由于管 子间的距离相等，管板的加工制作方 便。 （ 8） （三） 管程数的确定（ m） um u 适（ 9） 式中： u适 管程流体的 适宜流速， m/s u 单管程流体的实际流速， m/s ndwiu初水 24 （ 10） 式中 w水 冷却水流量， /s di 管内径， m 冷却水密度 ， n初 总管数 n初 = LdS00初 （ 11） n初 列管中的总管数 ， S初0 传热面积的估算值 d0 选定的换热管外径， m L 换热管有效长度， m （ 6）（ 7）S-P96 页 （ 8）（ S-P97页 （ 9）（ S-P99页 （ 10 ）S-P100 页 （ 11） S-P96页 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 12 - 代入数值： w水= ttCQpc 12 有效 = 2028271.1 10 6C pc查表得： Cpc=4179J/ Co 故 ， w水=30.82 /s 根据公式 LdSnT00（ 12） 其中 nT 列管式换热器的总管数，必须取整数 L 选定的换热管有效长度 L=3m 2（伸长量 +管板厚） =3-2（ 0.005+0.025） =2.94m 所以由公式得管子数 为LdSn00初初 =94.202 5.014.3 15 =65 由ndwiu初水 24 =414.3659 9 7 . 202.002.002.38=1.87 m/s u适 =(1-3) m/s 查表 取 u适 =1.87m/s （ 13） um u 适=87.187.1=1, 故选单程 （四） 壳体的内径 D 根据公式 DI=t(nc 1)+2b, （ 14） 其中： nc=1.1 Tn =9 由公式的 DI=37.5 (9-1)+2 37.5=375mm 所以取 DI为 400mm （ 12 ）S-P96 页2-6 （ 13 ）k-P331页 （ 14 ）S-P100页2-9 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 13 - 根据 L/D=3/0.400=7.5 在 610之间，所以选用卧式。 （五） 确定准确的管子数 按照 正 三角形排列 ，见坐标纸。 由图得准确管子数为 n=65。 根据公式 42 Ti nudW 水 （ 15） 得 u=2)02.0(6514.32.9974*02.38 =1.87m/s （六） 校核 K0 根据公式 K0= 10000 1 somisiii RdbdddRdd （ 16） 式中： RS 传热壁面两侧污垢热阻 b 传热壁面的厚度 传热壁面材料的导热系数 1、 管内对流传热系数 i的计算 根据公式 i=0.023 4.08.0 PiiCudd（ 17） 当流体被加热时， n=0.4；被冷却时， n=0.3。 所以取 n=0.4 由公式得 i=0.023 4.05.8.05 6064.0328.92417910328.922.99787.102.002.06064.0 10 =5324（注明） （ 15 ）S-P100页2-8 （ 16） S-P103页 2-20 （ 17 ）S-P104 页2-21a 注明：式中所有参数均在 24条件下查得 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 14 - 注明 ： 由 24 查表 =997.2kgm3 =60.64 10-2W/(m ) =9.2328 10-4 Pa s r=2282.6 kJ/ （ 19 ）S-P104 2-23 2、 RSi=0.00021 RS0=0.000086 查表 （ 18） 3、 饱和蒸汽在换热管外作膜状冷凝时 0的计算 采用试差法计算 TW 设 TW=80 , TS=90.2 则 t=10.2 ， tm=(t1+t2)/2=24 （注明） 假设条件合理，则根据公式 0=0.725 4/103/232 tdnrgm （ 19） 其中： nm=75.075.0275.01 21 zznnnnnn （ 20） 得 nm=1.43 算得 0=8231 验证 TW 根据公式 TW= TS00 SaQ有效 得 TW=79.8 | TTSW |=|79.8-80|=0.2 1 所以假设合理。 所以最后得 0=8231 4、计算 K0， K0， = 1382311000086.05.2245105.225202500021.053242025 =1411.8 所以 K0， /K0=1411.8/1282=1.101（适合） （ 18 ）S-P103 页 （ 20） S-P105页 2-24 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 15 - （七） 校核面积 S0 根据公式 S0=mtKQ0,有效 = 26 1.668.1411 10271.1 m =13.62 m2 S 设 = Lnd0（ 21） =3.14 0.025 2.94 65=15m2 所以 S 设 / S0=15/13.62=1.101（合适） 故，设计合 理。 设备的结构设计 （一 ）壳体 1、壳体内径 400 2、壁厚 选最小壁厚 10 （ 22） 3、材质的选取 导垫耐腐蚀性要好，机械强度高，制造加工容易，价格 低廉。一般中、低压管式换热器的；列管常用含碳量低于 0.25%的优质低碳钢的无缝钢管，所选低碳钢为 A3F （二） 管板的材质及管板的结构 1、在选用管板的材料时，当换热介质无腐蚀有轻微 腐蚀时，可按规定采用低碳钢或 普通低合金，处理腐 蚀性介质时，应采用优质的耐腐蚀材料。本设计可采 用低碳钢。 （ 23） （ 21 ）S-P105页 （ 22 ）S-P105页 （ 23 ）S-P107页 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 16 - 2、管板与壳体的连接 管板尺寸：根据 Dg=400 mm 查表（ S-P109 页表 2-10）得管板尺寸： Pg =1.0MPa Dg D D1 D2 D3 D4 D5 b 400mm 515mm 480mm 390mm 398mm 438mm 400mm 30mm 图见附页 图 -1 （三）管子在管板上的固定： 管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。其 原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生 泄露。 （ 1）胀接法 此法是利用胀管器挤压 伸入管板孔中的管 子端部使管端发生塑性变形，管板同时也产生弹性性形变， 当取去胀管 器后由于管板孔的弹性收缩，使管板与管子间 同时产生一定的挤紧力而紧密地贴在一起，从而达到密封 固紧连接的目的。采用胀接时，管板的硬度应比管端硬度 高，以保证胀接质量，这样可免除因管板孔的塑性变形， 而影响胀接的紧密性。 图见附页 图 -2 （ 24） （ 2）焊接法 由于此法具有高温 高压下仍能保持连接的紧密性，对管板 孔的加工精度要求低，加工工艺较简单，当压强不太高时 ，可用较薄管板等优点，因此焊接法的应用较广泛 。但焊 接法工艺要求管子与管孔之间应留有一定的间隙。 （ 24 ）S-P106页 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 17 - 由于本设计要求在常温常压下工作，可采用胀接法。 （四）管板与壳体的连接 固定管板式换热器的管板与壳体间采用不可拆连接。可采 用焊接的方式。图见附页 图 -3 （ 25） （五）封头 封头又称端盖（或顶盖），按其形状可分为凸形封头、锥 形封头和平板封头三类。其中凸形封头按结构形状又可分 为球形、椭圆形、蝶形和无折边球形的四种封头。 对于列管式换热器一般取用椭圆形封头为多。椭圆形封头 是由 半椭球和具有一定高度的短圆筒两部分所组 成。直边 的作用是避免壳体与封头间环向焊缝的边缘应力，由于椭 球封头各点曲率的变化是连续的，当其承受内压时封头内 的应力分布不会发生突变，所以其承受能力较大。 椭圆形封头的壁厚与其长短值的比值有关。即 D/2h=2。 大多数椭圆封头的壁厚是与筒体厚度相等或比筒稍短。 直边的内径与壳体内径相同。 （ 26） 根据本实验可选 材料：碳素钢 其中 R=D=400mm；r=0.15D=60mm；S=b=10mm；H=0.25D=100mm； h=3S=30mm 图见附页 图 -4 （六）封 头或管箱的法兰与垫片 （ 25 ）S-P117页 （ 26 ）S-P119页 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 18 - 法兰是压力容器用的法兰。压力容器法兰分为平焊法兰和 对称法兰两类，平焊法兰又分为甲型和乙型两种。甲型平 焊法兰适用于公称压强（ MPa） Pg0.25、 0.6、 1.0、 1.6 四个压强等级的较小范围。乙型平焊法兰适用公称压强 Pg2.5 4.0两个压强等级的较小范围，其最高工作温度 为 350Co 。 （ 27） 本设计选用甲型平焊法兰 ，图见附页 图 -5、图 -6 公称尺寸： Pg =1.0MPa （ 28） Dg D D1 D2 D3 D4 b a a1 d 400mm 515mm 480mm 450mm 440mm 438mm 30 mm 15 mm 13 mm 18mm （七）接管 接口管有焊接管、铸造接管和螺纹接管三种。 本实验设计可选焊接接管，且二次蒸汽选用上进下出的 形式 1、 蒸汽进口管 di =u4VS=气 u4WH式中： di 接管的 内径 Vs 通过接管流体的体积流量 u 接管内流体的适宜流速 u=30m/s 气=0.42675 kgm3 （ 27 ）S-P119页 （ 28 ）S-P120页 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 19 - 所以： di =42675.014.330360021104 m=241mm 圆整 成 250 2、 冷凝水管： di =u4VS=水 u4WH=9 6 5 .1 6 2214.3360021104 =20mm 水通过查表得出： t=90.2 ,查得 3/162.965 mkg水3、 冷却水管： di =水冷却水 u4W C=997.2314.338.024 =127mm 圆整 150 水通过查表得出： t=t1 t2/2=24 ,查得 3/2.997 mkg水4、 不凝气体排除管： di =u4VS=气 u05.04W H = 300 .4 2 6 7 514.33600 0 .0 521104 =54 圆整 70 （八）容器开孔的补强 补强圈的材料一般与器壁材料相同，其厚度也与器壁厚 度相等，直径与管子一样。故补强圈可选：碳素钢 10 直径 200 图见附页 图 -7 （九）接管法兰与法兰盖 根据上述计算出的接管的 di 通过查表（ S-P151 附表 7）得到管法 兰尺寸 化工原理课程设计 蒸汽 二次 冷凝器 - 20 - Pg=0.98MPa（ 10kgf/cm2） Dg 管子 法兰 螺栓 dH S D D1 D2 D3 D4 b f d 数量 直径 250 272 8 390 350 320 283 312 21 3 23 12 M20 70 76 4 180 145 122 86 109 8 3 4 4 M16 150 159 4.5 280 240 212 171 203 11 3 18 8 M20 20 25 3 105 75 58 33 - 6 2 4 4 M12 （十）容器法兰 图见附页图 -8 （十 一 ）支座 图见附页 图 -9 课程设计技术说明 一、 接管表 序号 连接方式 用途 公称 尺寸 连接尺寸 1 平面连接 冷却水进出口 Dg150mm Pg1.0MPa Dg150mm 2 平面连接