化工设计-列管式换热器

1、西南交通大学生物工程专业课程设计列管换热器的设计 姓名：熊剑锐学号：20074870 班级：07级生物工程2班指导老师：王枢 2010年7月10日设计任务书一设计题目：甲苯-水混合液体的冷却二设计原始数据(1)待冷却流体：甲苯-水混合（甲苯：66%（质量分数,下同）；水：34%）处理量1000m3/h 温度：入口温度82 出口温度 62 压强：管程操作压强：1.6MPa 壳程操作压强：4.0MPa(2)冷却水：管网水进口温度 29出口温度40 (3)当地大气压成都：约为96KPa 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

2、换热器的装配图。(3)编写课程设计说明书。四设计时间：2010年7 月 9 日2010年7 月 14 日设计学生熊剑锐 指导教师王枢 目录第一节 设计方案简介4第二节 工艺流程草图及说明5第三节 工艺计算及主体设备设计计算及选型6 第一部分 列管换热器结构和工艺条件的确定6 第二部分 物性计算9 第三部分 主体设备设计计算及选型13第四节 辅助设备的计算及选型21第五节 设计结果概要或设计一览表25第六节 对本设计的评述26第七节 附图(工艺流程简图)27第八节 参考文献28设计方案简介本次的设计任务是将甲苯-水混合液体通过某一型号的换热器由82冷却至62。由设计任务书可知其处理量为1000m

3、3/h ；操作压强分别为：管程操作压强：1.6MPa，壳程操作压强：4.0MPa。通过查阅资料，成都当地大气压约为96KPa。在此总体任务的基础上，需完成以下几个任务：1、设计方案的确定；2、设备的结构型式；3、设备材料的选择和保温。接下来，针对前面提出的三个任务分别做阐释：（1）设计方案的确定：设计方案的确定应符合三点基本原则：满足设计任务书规定的要求，经济上要合理，保证安全生产。设计方案的确定，实质上就是工艺条件、设备选型和流程配置的确定。根据任务要求，以管网水作为冷却水，其进口温度和出口温度分别为29、40 。就成都当地而言，管网水硬度不大，基本属于软水，不易结垢，可减少设备的清洗费用。

4、根据管内外流动的流体不同，采用不同的操作压力，管程操作压强：1.6MPa，壳程操作压强：4.0MPa 。经过一系列计算和核算，最终确定冷却水流速为：2.3705m/s，物料流速为1.717m/s（具体确定过程，将在后边的说明书中做详细阐释）。（2）设备的结构型式 根据处理量的大小、操作条件、物系性质、是否含悬浮物、腐蚀性、结垢等情况，在比较各类设备的结构特点后，选定采用固定管板式换热器。冷却水与物料采用逆流流向，较利于传热的进行。 为减小阻力损失，物料与冷却水应尽可能在湍流流动下操作。换热管规格：外形为光滑管、正三角排列、管子直径19mm*2mm，管长6000mm，使用单壳程的一台换热器。最终

5、确定：BEM900321.96（3）材料设备的选择和保温选择设备的材料，必须根据设备的操作条件和物系的性质，考虑设备的结构型式，要便于加工制造，经济合理。由于该操作是在低压和中压条件下进行，故采用Q235钢，利于操作。本次任务是冷却过程，无需过多考虑保温的问题。工艺流程草图及说明工艺计算及主体设备设计计算及选型第一部分：列管换热器结构和工艺条件的确定换热器结构的确定包括：类型和型式的选定；换热管的外形、排列方式、管径和管长；壳程数或设备台数等。工艺条件的确定包括：流体流入空间及流向的选择；流速的影响和选择；冷却剂及温度的选定等。一、 换热器结构的确定1、 列管换热器型式的选择固定管板式换热器理

6、由：从经济角度看，只要工艺条件允许，应优先选用固定管板式换热器。2、 换热管规格选择（1） 管子的外形：光滑管。减小阻力损失，从而减少能耗及操作费用。（2） 管子的排列方式：正三角排列方式。相同壳径时，采用正三角排列要比正方形排列多排布管子，使单位面积的金属耗量降低。由于壳程流体为管网水，不易结垢，故采用正三角比较合适。（3） 管子直径：直径小的管子可以承受更大的压力，而管壁较薄，有利于传热；相同的壳径可以排列更多的小管子，使传热面积增大，单位传热面积的金属耗量降低。所以，在管程结垢不是很严重，又允许压力降较高的情况下，采用19mm*2mm的管子是合理的。注：管程操作压力为：1.6MPa，为中

7、压，压力较高，管径小利于承受压力。该管程的压力降为0.025-0.18（MPa），较高，适于用管径较小的管子。（4）管长 壳径较大的换热器采用较长的管子可降低单位传热面积的金属耗材，更为经济。通过后面的计算，可以看出，选择6000mm的管子最佳。3、 壳程数和台数换热器的壳径越大，传热面积也越大单位传热面积的金属耗量也越低。采用一台较大的换热器比采用多台小换热器更经济，阻力更小，且便于操作管理。采用单壳程换热器。双壳程的隔板在制造和检修时都较困难，若把两个换热器的壳程串联起来，相当于双壳程了，但壳程压力降比单壳程约增加6-8倍。二、 工艺条件的确定1、 流体流入空间的选择设计列管换热器之前，要

8、首先考虑哪一种流体走管程或壳程，这关系到设备使用是否合理。根据下面几点：(1) 不洁净或易结垢的流体应流经易清洗的一侧。对直管管束，上述流体应走管内。冷却水常为江河水，若硬度高，受热易结垢，走管内便于清洗；若为软水，也可以走管外。(2) 需提高流速以增大对流给热系数的流体应走管内。因管内截面积一般比管间小，且易于采用多程结构以增大流速。(3) 有毒的流体走管内，泄露机会较少。(4) 温度和压力高的流体走管内，可降低对管程材料的要求。所要冷却的流体是甲苯和水的混合物。由于甲苯属于有毒物质，且该流体属于高温流体（82），故宜走管程。成都地区的管网水较软，不易结垢，故冷却水走壳程。即：壳程：冷却水（

9、管网水）管程：甲苯水混合物2、 流体流向的选择逆流：两流体在传热面积两侧分别以相对的方向流动。当逆流时的载热体用量比并流小时，无论是加热或冷却，逆流的平均温差可能比并流的小，所需传热面积增大。在设计中，有时降低平均温差，减少载热体用量，在一定限度内增大传热面积总是合算的。因为一次性设备投资的折旧费与操作费用相比，后者起决定性作用，从经济观点出发，逆流优于并流。3、 流速的选择流速的大小将影响设备的投资和操作费用，是换热器实际中的一个重要因素。选择流速应注意以下几点： 流速高则传热系数也高，同时压力降增大，能耗随之增加。 参与换热的流体以泵输送对增加流速、提高给热系数、减少垢层热阻非常有利。若流

10、体是利用设备之间的位差或者前后工序的压差流动的，通常可利用压差扣除一定的安全系数后，作为允许压降以计算流速。 一般流体尽可能在湍流流动下操作，粘度大的流体可按层流设计，以减少阻力损失。根据下列两个图表，可初步推测所选流速的范围，至于准确值，需通过进一步计算可知：壳程中为管网水（软水），即为一般流体，且平均粘度=0.7314mpa.s，故：壳程流速：0.5-2.4（m/s）管程为甲苯-水混合物，为一般流体，平均粘度=0.4028mpa.s，故：管程流速：0.5-2.4（m/s）三、 冷却剂的选用1、常用冷却剂（1）水垢热阻慎重选用，选用太高的水垢热阻，会使传热面积增加很多，也不一定安全；若水质差

11、，选较低的水垢热阻时，将给夏季操作带来困难。（2）冷却水的进口温度越低越好，但受季节和水源的限制。江河水以夏季最高温度为准，地下水温则较恒定。成都地区夏季管网水的最高温度大约为30左右。冷却水的出口温度不宜太高，否则各种无机盐类析出形成污垢。经过处理后净化良好的软水，出口温度不宜高于60，有时不高于50.对净化较差或循环水，建议出口温度不超过40。一般，冷却水出口温度差5-15，水源丰富地区取较小温差。2、流体终温的确定当换热器的冷热流体进出口温度都由工艺条件所规定，就不存在确定终温的问题。但需注意的是：用水冷却工艺物流时，两流体同在高温端的温差不应小于20；低温端的温度差不应小于5.对反应物

12、进行冷却时，为了控制反应温度，应维持反应物与冷却剂之间的温差不低于10。对于单壳程列管换热器，不希望冷流体的出口温度高于热流体的出口温度，否则会出现反传热现象。综上所述，确定流体及冷流体的进出口温度分别为：冷却剂（管网水）：入口温度 29 出口温度40物 料：入口温度 82 出口温度 62 第二部分：物性计算一、 混合物物性的确定：1、 密度（kg/m3）在82：甲苯=807.83 水=970.5在62：甲苯=827.23 水=982.1在29：水=995.90 在40：水=992.2故：平均后甲苯= =817.53 水= =976.3混合物：将数据带入： = + m=865.38 kg/m3

13、冷却水： 水= =994.05 kg/m32、定压比热容(kJ/kg.)在82：Cp甲苯=1.8968 Cp水=4.198在62：Cp甲苯=1.8254 Cp水=4.186在29：Cp水 =4.1803 在40：Cp水=4.179故，平均后：Cp甲苯= Cp水=Cpm=1.8611*0.66+4.192*0.34=2.6536kJ/kg.Cp水= 4.17965 kJ/kg. 3、粘度（mPa.s）在82：甲苯=0.3174 水=0.3452在62：甲苯=0.4402 水=0.4587在29：水 =0.8123 在40：水=0.4587故，平均后：甲苯= = 甲苯和水的混合液为非缔合液:根据公

14、式：混合液中：W甲苯=0.66 W水=0.34X甲苯= X水=1-0.2752=0.7248带入公式 4.导热系数（）在82：甲苯=0.1187 水=0.671在62：甲苯=0.1265 水=0.656在29：水=0.614 在40：水=0.631故，平均后：甲苯= 根据公式：混合液中：=0.66 =0.34x甲苯= x水=1-0.2843=0.7157m=0.9（0.1226*0.2752+0.663*0.7248）=0.4628 水= 二、 热负荷与载热体用量的计算qmT=qv*=1000/3600*865.83=240.508kg/m3Cpm=1.8611*0.66+4.192*0.34

15、=2.6536 kJ/kg.Cp水= 4.174 kJ/kg. T1=82 T2=62 t1=40 t2=29Q=240.508*2.6536*(82-62)= J/sqmt= 三、 有效平均温度差的计算由于是逆流：管程：8262 壳程：2940 t1=82-40=42 t2=62-29=33带入公式：第三部分：主体设备设计计算及选型一、 总传热系数的选取总传热系数K的来源主要有两个方面：一是直接选用生产经验数据；二是串联热阻的概念进行计算。列管换热换热器选型时，首先选取总传热系数的经验值作为计算依据。由上图可知：水：14002840（W/m2.）甲苯：430850（W/m2.）由于混合液体是

16、甲苯与水的混合物，故，最终取K=1150（W/m2.）m2根据所需的传热面积，在列管换热器标准系列中选择换热器的规定及台数。根据上表，选出的列管换热器为：公称直径：900mm 公称压力：1.6MPa 管程：6 管子根数：914（19mm*2mm）中心排管数：34 管程流动面积：0.0269m2 管长：6000mm A=321.9m2二、 列管换热器的标准系列BEM900321.96三、 列管换热器的校核下面列出总传热系数计算公式1、 总传热系数的计算与校核传热面为圆筒壁时，标准系列中常用的外表面为基准计算传热面积，相应的传热系数用下式计算：由以下三个表可推出：钢=45W/m.K R0=0.17

17、6 Ri=0.1762、 对流给热系数的计算流体在管内强制流动时：di=15mm do=19mm dm=管子截面积=d2/4=3.14*0.015*0.015/4=0.000177m2所以，物料的流速为：u甲苯-水=又因为：m= 0.4028 mPa.s Cpm=2.6536kJ/kg. m=0.4628 W/m.Pr= = Re=4000为湍流根据下列图表流体在管外强制流动时：Cp水=4.179 kJ/kg. 水=0.7314 mPa.s水=0.623 W/m. 水=994.05kg/m3Pr= t=25mm do=0.019m 管外流速：D=900mm h=600mm 式中由下表确定，其值

18、为0.95。 由式可计算出K，其中钢=45W/m.K R0=0.176m2./KW Ri=0.176m2./KWdo=0.019m di=0.015m =0.002mK=1248W/m2.A= 综上所述：符合范围，无需再次校正压力降的计算影响压力降的因素有很多，换热器合理的压力降范围参见下表：1、管程压力降(1)，其中 (2) 其中，及由（1）中的数据可得：(3) 5623.62(4) 由可得：由压力降图表可得该压力降是合理的。2、壳程压力降 由，其中D=0.9m, n=914, ,可得：；由，其中，得；由，可得：。则由，其中N=10，可得。由合理压力降表可知，该压力降是合理的。辅助设备的计算

19、及选型一、 管板：1、管板厚度常用的兼做法兰的固定管板式换热器管板厚度由上表可以查出：管板厚度为：54mm2、 胀接时管板的最小厚度换热器与管板胀接时，管板必须有足够的厚度以保证胀管的可靠性，故，根据上表，管板的最小厚度为：20mm3、 薄管板在中低压下，当管壁与壳壁的壁温差小于50时，可按壳体公称直径选择薄管板的厚度：根据所选公称直径，薄管板的厚度为：14mm4、 管板与换热器的连接焊接：由于管孔不需开槽，对粗糙度要求也不高，管子端部不需退火和磨光，故制造加工方便。二、换热管在管板上的排列1、管子的排列方式：正三角排列方式。相同壳径时，采用正三角排列要比正方形排列多排布管子，使单位面积的金属

20、耗量降低。由于壳程流体为管网水，不易结垢，故采用正三角比较合适。2、管心距所选换热管外径为19mm，则根据下表：管心距为：25mm注：管束最外层换热管与壳体内壁的距离不应小于10mm，故设为20mm三、壳体直径与壁厚所选公称直径为900mm，则根据下表：结合操作压力，可确定壳体壁厚为100mm四、折流板和支承板生产上用的最多的是：弓形折流板折流板最小间距为壳体内径的20%或50mm；其最大间距的确定，可根据下表：由于所选的换热管外径为19mm，故折流板间距在50mm1500mm之间，确定为600mm，故折流板数目为10个。折流板的厚度与壳体直径和折流板间距有关，根据下表：有于壳体公称直径为90

21、0mm，折流板间距为600mm，故，可确定折流板最小厚度为8mm，则确定折流板厚度为15mm2、折流板的固定形式一般采用拉杆和定距套管固定在管板上。换热器的拉杆直径和数量参考下表：根据上表，可确定，拉杆直径：12mm 拉杆数量：10根五、防短路结构旁路挡板一般采用点焊的方法将纵向长窄条固定在两折流板之间，旁路挡板的间距为：100-200mm,最终确定为150mm六、 防冲板与导流板在壳程流体入口处的换热管，经常受到高速流体的冲击和冲刷，造成侵蚀及振动。为此，可在壳程流体入口处安装防冲板。设置防冲板时，要避免防冲板的压力降过大，应注意：防冲板与壳体间的通道面积至少要等于进口管截面积的1.25倍换

22、热管的外表面与临近防冲板的距离，最小为6mm故，最终确定：防冲板与壳体间的通道面积：0.0005m2换热管的外表面与临近防冲板的距离：20mm七、 接管直径qv=0.3056m3/s u=1.7112m/s带入数据：d= 500mm换热管的接管长度，参看下表：由于接管公称直径为500mm，保温厚度为50mm,故，接管长度为250mm设计结果概要或设计一览表 物 性82624025平均甲苯水甲苯水水水m 水（kg/m）807.83970.5827.23982.1992.2995.9865.38944.05Cm(KJ/Kg.)1.89684.1981.82544.18154.1794.1742.6

23、5364.179（mPa.s）0.31740.34520.44020.45870.6534.18032.65360.7314(W/m.)0.11870.6710.12650.6560.6560.6140.6230.623管子规格管子外形光滑管程数台数管程数6排列方式正三角形排列壳程数1管子直径19mm*2mm台数1管长6000mm壳程流体：水管程流体：甲苯水流向逆流流速管程：1.717m/s壳程：2.3705m/s计算结果Q（KJ）18094冷却水用量288.49kg/s有效平均温度37.319K/校对后K(W/.)1150/1248列管换热器公称直径900mm管程6公称压力1.60MPa管子

24、根数914中心排管数34管程流动面积0.0269管长6000mmA321.9管程压力降0.00385MPa壳程压力降1.18587MPa零配件管板管板厚度54折流板数目10胀接时管板最小厚度20折流板间距600mm薄管板14固定形式拉杆和定距套管管板与换热器连接焊接类型弓形排列排列方式正三角排列折流板厚度15mm管心距25壳体壁厚100mm管束最外层换热管与壳体内壁的距离20直径900mm旁路挡板固定方式点焊防冲板面积接管直径500mm间距150与外表面距离长度250mm接头类型标准椭圆厚度10mm直边高度40mm支座立式支座一、 换热管1、 管径：；2、 管长：6000mm；3、 管子数目：9144、 管程数：6二、管板管板厚度：54mm；三、换热器在管板上的排列1、 换热管的排列方式：正三