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文档简介
1、根据给定的原始条件, 确定各股物料的进出口温度, 计算换热器所需 的传热面积, 设计换热器的结构和尺寸, 并要求核对换热器压强降是 否符合小于 30 kPa 的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标 准来完成。具体项目如下:设计要求:1. 某工厂的苯车间,需将苯从其正常沸点被冷却到 40;使用的冷 却剂为冷却水,其进口温度为 30,出口温度自定。2. 物料(苯)的处理量为 1000 吨 /日。3. 要求管程、壳程的压力降均小于 30 kPa。1、换热器类型的选择。列管式换热器2、管程、壳程流体的安排。水走管程,苯走壳程,原因有以下几点:1. 苯的温度比较高,水的温度比较低,高温的适合走管程,
2、低温适合走壳程2. 传热系数比较大的适合走壳程,水传热系数比苯大3. 干净的物流宜走壳程。而易产生堵、结垢的物流宜走管程。3、热负荷及冷却剂的消耗量。冷却介质的选用及其物性。 按已知条件给出,冷却介质为水,根进口温度 t 1=30, 冷却水出口温度设计为 t 2=38,因此平均温度下冷却水物性如下: 密度 =994kg/m3粘度 2=0.727 10-3Pa.s导热系数 =62.610-2 W/(m.K)比热容 Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下:进口温度: 80.1出口温度: 40密度 =880kg/m3粘度2=1.1510-3Pa.s导热系数 =14.810-2 W/(m.
3、K)比热容 Cpc=1.6 kJ/(kg.K)苯处理量: 1000t/day=41667kg/h=11.57kg/s热负荷: Q=WhCph( T2-T1)=11.571.61000(80.1-40)=7.4 105W 冷却水用量: Wc=Q/cpc(t2-t1)=7.4 105/4.1841000(38-30)=22.1kg/s1 / 284、传热面积的计算平均温度差确定 R 和 P 值查阅化工原理上册 203 页得出温度校正系数为 0.8,适合单壳程换热器,平 均温度差为tm=tm0.9=27.20.9=24.5由化工原理上册表 4-1 估算总传热系数 K (估计)为 400W/(m2)
4、估算所需要的传热面积:S0=估计=75m25、换热器结构尺寸的确定,包括:(1)传热管的直径、管长及管子根数;由于苯属于不易结垢的流体,采用常用的管子规格 19mm2mm管内流体流速暂定为 0.7m/s所需要的管子数目:,取 n 为 123管长:=12.9m按商品管长系列规格,取管长 L=4.5m,选用三管程 管子的排列方式及管子与管板的连接方式 : 管子的排列方式,采用正三角形排列;管子与管板的连接,采用焊接法。 (2)壳体直径;e 取 1.5d0 ,即 e=28.5mmDi=t(nc1)+2e=19 (1)+228.5=537.0mm,按照标准尺寸进行整圆,壳体直径为 600mm。此时长径
5、比为 7.5,符合 6-10 的范围 壳体壁厚的计算pD i2p选取设计压力 p=0.6MPa,壳体材料为 Q235,查的相应的许用应力113MPa ;2 / 28焊接系数0.65(单面焊),腐蚀裕度 C 4mm ,所以0.6 9004 7.2 8mm 8mm2 113 0.6 5 0.6排管方式:横过中心的管子数目: nc=21.1,取整 21 根有排管图得出,中心有 21 根管道时,按照正三角形排列,可排 331 根,每边各 加 8 根,总共可以排列 379 根,除去 6根拉杆,总共可以排出 373,与上述计算 相差不大,所以实际管子数目为 373 根。实际传热面积 S0=N do(L-0
6、.1 )=3733.140.019( 4.5-0.1)=97.9m2 实际传热系数 K=W/(m2K)(3)折流板尺寸和板间距;选取折流板与壳体间的间隙为 3.5mm,因此,折流板直径 Dc=600-2 3.5=593mm 切去弓形高度 h=0.25D=0.25 600=150mm取折流板间距 ho=300mm那么 NB=(4.5-0.1 )/0.3=14.6 , 取整得 NB=15 块实际折流板间距 h= (L-0.1 )/(N+1)= (4500-100)/ (15+1)=275mm 拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用 12mm钢拉杆,数量 6 条。定距管采用与换热管相同的管子,即 19
7、mm 2mm钢管。温度补偿圈的选用。由于( 80.1+40)/2-(30+38)/2=26.05 50,故需不虑设置温度补偿圈。(4)流体进出口接管直径等。苯的进出口管道直径: =0.15m经圆整采用 159mm10mm 热轧无缝钢管,实际苯的进出口管内流速为=0.867m2=0.106m水的进出口管道直径: 经圆整采用 108mm5mm 热轧无缝钢管,实际水的进出口管内流速为=2.5m6、管、壳程流体的压力降计算管程压降:pi=(p1+p2)FtNsNp管程数 Np=3,串联壳程数 Ns=1,对于 19mm2mm的换热管,结构校正系数为3 / 28Ft=1.5 。Re=查表,得到 =0.04
8、4, 取 =0.2mm,即 /d i=0.2/14=0.015=5066.6Pa p2=3 /2=3X880X0.72/2=58.8Pa pi=5066.631.5+58.8=22849.7Pa 30Kpa,满足条件 壳程压降: po=(p1+p2)FsNs, 由于管子排列方式对压强降的校正因 子: F=0.5 (正三角形排列)uoVshD(1 do ) t=0.401m/sh(D ncdo )de=0.0136mRe=p1=FfoNc(NB+1)uo22=0.50.12821X(15+1)9940.401 2/2=1718.5Pa=7456.5, f o=5 Re-0.228 =0.132h
9、 u 2p2=NB(3.5- 2h ) uo =15(3.5-2 0.275/0.6) 9940.401 2/2=3096.8Papi=(p1+p2)FtNs=(1718.5+3096.8) 1.15=5537.6Pa 0.8,可见用单壳程合适,因此平均温度差 t m=t m 0.99=27(3) 按经验数值初选总传热系数 Ko(估),选取 Ko(估) =500W/(m2.K)(4) 所需传热面积 So :So=QK o tm2534 1000500 272=187.7m2(五)、主要工艺及结构基本参数的计算(1) 换热管规格及材质的选定。选用 25mm2.5mm钢管。(2) 换热管数量及长度
10、的确定管数 n= 4V 2 =4 (125000/3600)/2838 =176根ui d i2 0.75 3.14 0.022管长 l = S o = 187.7 =13.6mn d o 176 3.14 0.025 按商品管长系列规格,取管长 L=4.5m,Np = l =3.02 选用四管程。(3) 管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式,采用正 三角形排列;管子与管板的连接,采用焊接法。(4) 计算外壳内直径 DiDi=t(n c-1)+2b 由于管中心距 t=1.25do=1.25 25=32mm横过管束中心线的管数 n c=1.1 n=1.1 2 704 =29
11、.1 取整 nc=29根 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b =1.5d o=1.5 0.025=0.038m 所以Di=0.032(29-1)+20.038=0.972m, 按壳体直径标准系列尺寸圆整,取 D=1000m。m 因为 L/D=4500/1000=4.5 ,管长径比在 425 之间,合适。9 / 28(5) 排管:根据 壳体直径 Di 、管 中心距 t 、横过 管束中心线的 管数 nc 及其排 列方式,绘出排 管图。由图可知, 中心排 29 根管 时,按正三角形 排列,可排 631 根,若在六角形 每边各加 14 根(12+2, 两层 ) , 共排 715 根,除 去
12、 6 根拉杆位置,实际排出 709 根。因此,实际管子数 N=n=709根。(6) 计算实际传热面积 So 及过程的总传热系数 Ko(选)2So=Ndo(L-0.1)=406 3.14 0.025 (9-0.1)=284m 2SoQtm = 2254354.23/ 282070 =382.7W/(m2.K)(7) 折流板直径 Dc 、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为 4.5mm,因此,折流板直径Dc=1000-24.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25 1000=250mm 折流板数量NB=L 0.1-1hoNB=L 0.1-1=ho4500 100600-1
13、=6.3取折流板间距 ho=600mm,那么取整得 NB=7 块 实际折流板间距4500 100h= =550mm71(8) 拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用 12mm钢拉杆,数量 6 条。定距管采用与换热管相同的管子,即 25mm 2.5mm钢管。(9) 温度补偿圈的选用。由于 80.1 40 25 35 30.05 50 ,故无需考虑设置温度补偿圈。22(10) 列出所设计换热器的结构基本参数外壳直径:D i =1000mm换热面积:S o=245.23mm换热管数量:N=709 根管长: L=4500mm管子规格:25mm2.5mm(钢管)管中心距:t=32mm管子排列方式: 正三角
14、形管程数:4壳程数:1折流板数量:N B=7( 块)折流板间距:h=600mm拉杆数量:6 根拉杆直径:12mm定距管:与换热管相同规格通过管板中心的管子数:nc=29 根六)、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管 有:流体进出口接管,排液管等。(1) 筒体壁厚的确定pDi2p选取 设计压 力 p=0.6MPa, 壳体 材料 为 Q235,查 的相应的 许用 应力113MPa ;焊接系数0.65 (单面焊),腐蚀裕度 C 2mm ,所以0.6 9002 113 0.65 0.62 5.28mm根据钢板厚度标准,取厚度为12mm,即
15、=12mm11 / 28(2) 封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件(3) 流体进、出口接管直径计算变换器进出口接管 d1, 取 u1=2m/s 那么4 125000 d13600 838 3.14 20.1625m经圆整采用 168mm 12mm 热轧无缝钢管( GB8163-87)实际苯的进出口管内流 速为4 125000u12 2.55m / s3600 838 3.14 0.1442水进出口接管d2, 取 u2=2m/s,那么4 218561 3600 838 2d20.197m经圆整采用 203mm 12mm 热轧无缝钢管( GB8163-87)实际水流速u24 2185613600
16、 995.7 3.14 0.179 22.42m/s七)、管、壳程压强降的校验(1) 管程压强降: pi =(p1+ p2) Ft NsNp据上述结果可知:管程数 Np=4,串联壳程数 Ns=1,对于 25mm2.5mm的换热管,结构校正系数为 Ft =1.4 。流体流经直管段的压力降为p1=( l +e+c)du2i 2 =(2d +1.5 )ui由于Gi=12500036000.022 1774=624Rei = diGi =0.02 6210.39 10 3=3200012 / 28取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01, 可查得 =0.041,故4.5p1=(0.041 +
17、1.5)0.022838 0.7522=2527.7 N/m 2流体流经回弯管的压力降为22ui 2838 0.7522 p2=3( i )=3()=707.06 N/m222所以pi=(2527.7+707.06)1.414=18114.66 N/m2 50080.07 10 5f o =5 (9294.2 ) 0.228 =0.623p1=0.5 0.623 29( 7+1)=4925.5 N/m2995.7 0.372p2=NB(3.5-2Dh)uo2=7( 3.5-2 0.612995.7 0.3722=1097.31 N/ m13 / 28Ns=1(单壳程 ) F s=1.15 (液
18、体)所以 p o =1.15 ( 4925.5+1097.31 ) =6926 N/m2 0.8,可见用单壳程合适,因此平均温度差 t m=t m 0.99=27(3) 按经验数值初选总传热系数 Ko(估),选取 Ko(估) =500W/(m2.K)(4) 所需传热面积 So :So=Q =2534 1000 =187.7m2K o tm500 27(五)、主要工艺及结构基本参数的计算(1) 换热管规格及材质的选定。选用 25mm2.5mm钢管。(2) 换热管数量及长度的确定管数 n= 4V 2 =4 (125000 /3600)/2838 =176根ui d i20.75 3.14 0.02
19、220 / 28管长 l = S o = 187.7 =13.6m n d o 176 3.14 0.025按商品管长系列规格,取管长 L=4.5m,lNp = l =3.02 选用四管程。 L(3) 管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式,采用正 三角形排列;管子与管板的连接,采用焊接法。(4) 计算外壳内直径 DiDi=t(n c-1)+2b 由于管中心距 t=1.25do=1.25 25=32mm横过管束中心线的管数 n c=1.1 n=1.1 2 704 =29.1 取整 nc=29根 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b =1.5d o=1.5 0.02
20、5=0.038m 所以Di=0.032(29-1)+20.038=0.972m, 按壳体直径标准系列尺寸圆整,取 D=1000m。m 因为 L/D=4500/1000=4.5 ,管长径比在 425 之间,合适。21 / 28(5) 排管:根据 壳体直径 Di 、管 中心距 t 、横过 管束中心线的 管数 nc 及其排 列方式,绘出排 管图。由图可知, 中心排 29 根管 时,按正三角形 排列,可排 631 根,若在六角形 每边各加 14 根 (12+2, 两层 ) , 共排 715 根,除去 6 根拉杆位置,实际排出 709 根。因此,实际管子数 N=n=709根。(6) 计算实际传热面积 S
21、o 及过程的总传热系数 Ko(选)So=Ndo(L-0.1)=406 3.14 0.025 (9-0.1)=284m 2Ko( 选)=QSo t m=2534 1000= 245.23 27=382.7W/(m2.K)(7) 折流板直径 Dc 、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为 4.5mm,因此,折流板直径Dc=1000-24.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25 1000=250mm 折流板数量NB=L 0.1-1ho取折流板间距 ho=600mm,那么NB=L 0.1ho-1=4500 100600-1=6.3取整得 NB=7 块实际折流板间距4500 1
22、00h= =550mm71(8) 拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用 12mm钢拉杆,数量 6 条。定距管 采用与换热管相同的管子,即 25mm 2.5mm钢管。(9) 温度补偿圈的选用。80.1 40 25 35由于 80.1 40 25 35 30.05 50 ,故无需考虑设置温度补偿圈。22 / 28(10) 列出所设计换热器的结构基本参数外壳直径:D i =1000mm换热面积: S o=245.23mm换热管数量:N=709 根管长: L=4500mm管子规格:25mm2.5mm(钢管)管中心距:t=32mm管子排列方式: 正三角形管程数:4壳程数: 1折流板数量:N B=7( 块
23、)折流板间距: h=600mm拉杆数量:6 根拉杆直径: 12mm定距管:与换热管相同规格通过管板中心的管子数:nc=29 根六)、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管 有:流体进出口接管,排液管等。(1) 筒体壁厚的确定pDi2p选取 设计压 力 p=0.6MPa, 壳体 材料 为 Q235,查 的相应的 许用 应力113MPa ;焊接系数0.65 (单面焊),腐蚀裕度 C 2mm ,所以0.6 9002 113 0.65 0.62 5.28mm根据钢板厚度标准,取厚度为12mm,即=12mm (2) 封头、筒体法兰、管板、支座
24、选取标准件(3) 流体进、出口接管直径计算。变换器进出口接管 d1, 取 u1=2m/s 那么0.1625md 4 125000d 3600 838 3.14 2经圆整采用 168mm 12mm 热轧无缝钢管( GB8163-87)实际苯的进出口管内流 速为4 125000u12 2.55m / s1 3600 838 3.14 0.1442水进出口接管 d2, 取 u2=2m/s,那么23 / 28d24 2185613600 838 20.197m经圆整采用 203mm 12mm 热轧无缝钢管( GB8163-87)实际水流速u24 2185613600 995.7 3.14 0.179
25、22.42m/s七)、管、壳程压强降的校验(1) 管程压强降: pi =(p1+ p2) Ft NsNp据上述结果可知:管程数 Np=4,串联壳程数 Ns=1,对于 25mm2.5mm的换热管,结构校正系数为 Ft =1.4 。流体流经直管段的压力降为2p1=(dl +e+c) u2i =(2 dl +1.5) u2i125000由于 Gi=624236000.022 1774取 =0.2mm,那么 / di=0.2/20=0.01,Rei=diGi =00.3092 160213 =32000可查得 =0.041,故24.5 838 0.75 2p1=(0.041+1.5 )=2527.7
26、N/m 20.02 222ui838 0.75 2流体流经回弯管的压力降为p2=3(i )=3()=707.06 N/m222所以pi=(2527.7+707.06)1.414=18114.66 N/m2 50080.07 10 5f o =5 (9294.2 ) 0.228 =0.623p1=0.5 0.623 29( 7+1)995.7 0.372 =4925.5 N/m22h p2=NB(3.5-)Du2o2 =7(3.5-222 0.6 995.7 0.372) =1097.31 N/ m1Ns=1(单壳程 ) F s=1.15 (液体)所以po =1.15 ( 4925.5+1097
27、.31 )=6926 N/m2 30kpa ,壳程压强降满足题给要求(八)、总传热系数的校验总传热系数由下式计算: 1 = 1 +Rso+ bdo +Rsido + doKo(计) odmdiidi其中,管内变换气的传热系数 i 的计算 i =0.023 i Rei 0.8 Pr0.3di33=0.023 0.136 (32000)0.8 (1.8 10 0.39 10 )0.3=1031.9 W/( m 2.K) 0.02 0.13625 / 28管间水的传热系数 o的计算 o=0.36 o Reo0.55 Pr1/3 w0.14 de由于水被加热,取粘度校正系数 w0.14 =1.050.
28、6176 0.55o =0.36 (9294.2)0.55 o 0.020233( 4.174 103 0.8007 10 3)1/3 1.050.6176=2802 W/( m 2 .K)取水侧与苯侧污垢热阻分别为 0.2610-3(m2K/W)、1.719710 4 ( m2K)/W,钢管导热系数 =51 W/( mK),故1Ko(计)=28020.26 100.0025 2551 22.51.7197 10 4 25 2520 1031.9 20=2.098 10 3 m2 K/WKo(计)=476.6 W/( m 2 K)所以,K o(计) 476.6K o(选) 382.7般 Ko(计)/ K o(选)应在 1.151.25 之间。本设计的换热器可适用九)、换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式:固定管板式换热器面积( ):245.23工艺参数名称管程壳程物料名称苯循环水操作压力, N/18114.666926操作温度,60.0530流量, kg/h125000218561流体密度, kg/ m3838995.7流速, m/s0.750.3726
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