化工原理设计

1、化工原理课程设计标准系列管壳式立式冷凝器的设计姓名：苟 学号：专业： 班级：设计时间：2012年7月9日至2012年7月20日目录一、设计题目二、设计条件三、设计内容3.1概述3.2 换热3.3 换热设备设计步骤四、设计说明4.1选择换热器的类型4.2流动空间的确定五、传热过程工艺计算5.1计算液体的定性温度，确定流体的物性数据5.1.1正戊烷流体在定性温度（51.7）下的物性数据5.1.2水的定性温度5.2估算传热面积5.2.1换热器热负荷计算5.2.2平均传热温差5.2.3估算传热面积5.2.4初选换热器规格5.2.5立式固定管板式换热器的规格5.2.6计算面积裕度H及该换热器所要求的总传

2、热系数K05.2.7折流板5.2.8换热器核算5.3核算冷凝液流型5.4计算接口直径5.4.1计算壳程接口直径5.5计算管程接口直径5.6计算压强降5.6.1计算管程压降5.6.2计算壳程压降六、其他数据七、计算结果八、化工课程设计心得九、参考文献一 设计题目标准系列管壳式立式冷凝器的设计二设计条件生产能力：正戊烷23760t/a，冷凝水流量70000Kg/h操作压力：常压正戊烷的冷凝温度51.7，冷凝水入口温度32每年按330天计，每天24小时连续生产要求冷凝器允许压降100000Pa三、设计内容3.1概述换热器在石油、化工生产中应用非常广泛。在炼油厂中，原油常减压蒸馏装置中换热器的投资占总

3、投资的20%；在化工厂中，换热器约占总投资的11%以上。由于在工业生产中所用换热器的目的和要求不同，所以换热器的种类也多种多样。列管式换热器在石油化工生产中应用最为广泛，而且技术上比较成熟。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。3540。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不

4、同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器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，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）。传热器的结构分类 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 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

5、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 管间容易泄漏，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，可用作回收低温热

6、能 平板式 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。 本设计以列管式换热器为例，阐述对换热设备进行工艺计算及结构设计的步骤。列管式换热器的种类很多，目前应用广泛的，按照有无热补偿或补偿方式的不同，主要分为四种：(1)固定管板式换热器 这类换热器如图1-1,特点是制作简单、便宜

7、。最大的缺点是管外侧清洗困难。因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当管壁与壳壁温度相差较大时，由于两者热膨胀不同，产生很大的温差应力，以至于管子的管子扭弯或使管子从管板上松落，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温度差补偿装置。一般这种装置只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。壳程压强超过6×105Pa时，由于补偿圏过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就应考虑其他结构。(2)U形管换热器 这类换热器如图1-2仅有一个管板，并用隔板将封头隔成两空，中部呈U形，可以自由伸缩，故壳体与管子间温差很大时，也可以使用。

8、缺点是管内的清洗较困难，管板上排列管子少。(3)浮头式换热器 这种换热器如图1-3,其两端的管板有一端可以沿管长方向在壳体内自由伸缩，管束的膨胀不受壳体的约束，从而当温差较大时解决了热补偿问题，整个管束也可以由壳体中拆卸下对检修和管内管外的清洗方便。其缺点是结构较复杂，金属消耗量多，造价也因而较高。(4)填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清

9、洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。 而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍.选择列管换热器的根据：传热面积、温差大小、结垢后清洗情况、加工是否方便等情况综合考虑。管板式换热器的优点(1) 换热效率高,热损失小在最好的工况条件下, 换热系数可以达到6000W/ m2K, 在一般的工况条件下, 换热系数也可以在30004000 W/ m2K左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,

10、进行充分的换热。完成同一项换热过程, 板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/ 31/ 4。(2) 占地面积小重量轻除设备本身体积外, 不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0. 60. 8mm。同样的换热效果, 板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3) 污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流, 优秀的板片设计避免了死区的存在, 使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4) 检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当

11、检修、清洗时, 仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5) 产品适用面广设备最高耐温可达180,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。  当然板式换热器也存在一定的缺点, 比如工作压力和工作温度不是很高, 限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质2.蛇管式换热器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

12、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。3.套管式换热器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U型时管顺次连接，外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。4.列管式换热器的结构 （1）换热管布置和排列间距 常用换热管规格有19×2 mm、25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时

13、，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。  （A） （B）（C）  （D） （E）图 1-4 换热管在管板上的排列方式(A) 正方形直列     （B）正方形错列    (C) 三角形直列     （D）三角形错列  （E）同心圆排列 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

14、，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。 （2）管板 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350的场合。 （3）封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。封头 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和

15、清洗管子。 管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。3.2 换热器的分类1）混合式换热器：冷、热流体直接接触和混合进行换热。这类换热器结构简单，价格便宜，常做成塔状。2）热式换热器：冷、热流体

16、交替通过格子砖或填料等蓄热体以实现换热，这类换热器由于少量流体相互掺和，易造成流体间的“污染”。3）壁式换热器：冷、热流体通过将它们隔开的固体壁面进行传热，这是工业上应用最为广泛的一类换热器。3.3 换热设备设计步骤1）据任务的要求，确定设计方案；2）行工艺计算；3）择适宜的结构方案，进行结构设计；4）行流体阻力核算；5）制流程图及设备图纸，写说明书。四、设计说明4.1选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体正戊烷温度51.7：冷流体井水入口温度32，出口温度 经计算为35.57，估计该换热器的管壁温和壳体壁温相差不大。因此初步确定选用固定管壳式换热器。4.2流动空间的确定 热流体正戊烷需

17、提高流速以增大传热膜面积，而井水粘度较大，走壳程易增大其湍动，则井水走管程，正戊烷走壳程。五、传热过程工艺计算5.1计算液体的定性温度，确定流体的物性数据5.1.1正戊烷流体在定性温度（）下的物性数据 密度： 定压比热容： 黏度： = 导热系数： =5.1.2井水的定性温度入口温度为，出口温度为式中井水的定性温度为两流体的温差，故选固定管板式换热器两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度kg/m3粘度mPa·s比热容kJ/(kg·)导热系数W/(m·)正戊烷51.75960.182.340.13井水33.84994.20.7464.1740.6205.2估

18、算传热面积5.2.1换热器热负荷计算热负荷： 5.2.2平均传热温差 逆流温差5.2.3估算传热面积 根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系数，现暂取 则： ； 故：S=32.4×1.15=37.275.2.4初选换热器规格立式固定管板式换热器的规格如下公称直径D500mm公称换热面积S37.3m2管程数Np.2管数n.164管中心距： 32mm管长L.3.0m管子直径.管子排列方式.正三角形换热器的实际换热面积该换热器所要求的总传热系数面积裕度：H=S0-S估S0×100%=37.33-32.437.33=13.2%<20%，故符合要求。5.2.7折流板在对流传热的

19、换热器中，为了加强壳程内流体的流速和湍流程度，以提高传热效率，在壳程内装置折流板，折流板还起支撑换热器作用。此次设计采用比较常见的弓形折流板。在这种折流板中，流体经圆缺部分后垂直流过管束，流动中死区较少，较为优越，结构也较为简单。采用上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热摸系数。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：；取折流板间距：；折流板数： (块)；折流板圆缺面水平装配5.2.8换热器核算程传热膜系数核算：（湍流）故 程传热膜系数核算：因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算

20、：；现假设管外壁温，则冷凝液膜的平均温度为：，这与其饱和温度很接近，故在平均膜温45.85下的物性可沿用饱和温度51.7下的数据，在层流下：定污垢热阻 传热系数 所选换热器的安全系数为： 5.3核算冷凝液流型冷凝负荷（符合层流假设）5.4计算接口直径5.4.1计算壳程接口直径 假设正戊烷进口速度为us=30m/s：壳程流通面积：壳体进口内径：d1=4qvu0=4×23760÷3600×5963.14×30=0.02168m故壳程的进口接管内径：假设正戊烷出口速度为u0，=10m/s壳体出口内径：d1=4qvu0=4×23760÷360

21、0×5963.14×10=0.03755m故壳程的出口接管内径：d1，=38mm5.5计算管程接口直径假设管程流体流速为ui=10m/s管程内径：d2=4qvui=4×70000÷3600×994.23.14×10=0.0499m故管程的接管内径：d2=50mm5.6计算压强降 （Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）；取碳钢的管壁粗糙度为：，则，而Rei=20016；则： 对的管子有5.6.2计算壳程压降由于壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，故可忽略此压降。因设计要求冷凝器允许压降不大于500000Pa，由计算结果可知，所选换热器是合适的

22、。六其他6.1.管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子，其优点是：焊接连接能保持连接的紧密性；管板孔加工要求低，可节省孔的加工工时；焊接工艺比胀接工艺简单；在压力不太高可使用较薄的管板。由换热器设计手册5P172，表1-6-20，管子伸出长度约为3+2=5mm，管子与管孔间保留2mm的距离，防止管子受热膨胀，使管板受压变形。6.2.分程隔板的连接 查阅化工单元过程及设备课程设计【3】P127，表4-1，可知 当设计换热器的公称直径Di=2200mm时，隔板最小厚度bmin=8mm，取b=10mm。6.3.管板与壳体的连接 管板兼做法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰

23、连接。6.4.拉杆 本换热器壳体内径为400mm，查阅化工单元过程及设备课程设计P135，表4-7，表4-8，得： 拉杆直径：d=12mm； 拉杆螺纹公称直径：dn=16mm； 前螺纹长：La=20mm；后螺纹长Lb=60mm； 拉杆数：66.5接管与管法兰根据1P204 接管公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.21.4倍，得（1）壳程流体进出口接管：取接管内的水流速ui=1.8m/s，则=（4x0.0138/3.14/1.8）1/2=98.8mm取标准管径为125mm，查材料与零部件（上）6P123无缝钢管（YB231-70）表1-1-86，外径=108mm，管厚=4m

24、m；P655表2-8-1，伸出高度=150mm进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅材料与零部件（上）P384，表2-2-23，取法兰直径205 mm厚度b=18mm螺栓孔间距D1170mm孔直径18mm法兰重量：凹法兰6.04kg凸法兰=6.9kg，螺栓规格：M16螺栓数量：4。（2）管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 15 m/s，则=（4x0.2/3.14/15）=130.33mm取标准管径为125mm，查材料与零部件P123无缝钢管（YB231-70）表1-1-86，外径=159mm，管厚=4.5mm；P655表2-8-1，伸出高度=150mm进气口采用凹法兰，出气口采

25、用凸法兰，查阅材料与零部件(上)P384，表2-2-23，取法兰直径280 mm厚度b=28mm螺栓孔间距D1240mm孔直径23mm法兰重量：凹法兰7.34kg凸法兰=8.5kg，螺栓规格：M16螺栓数量为8。6.6封头设计（1）封头本换热器采用椭圆型封头（JB1154-73）两个，材料使用高合金钢，以内径为公称直径，D=500mm。查阅传热传质过程设备设计P307，总附表3，得： 曲面高度h1=125直边高度h2=25内表面积A=0.309m2（2）管箱 管箱长度L=360，管箱外径=500壁厚=10mm 管箱质量：m=3.14x0.5x0.3x0.008x7850=29.58Kg管的总长

26、=3682mm（3）法兰 查阅材料与零部件（上）P386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力为1.0-1.6Mpa范围内，选取的法兰参数D=640mm，公称直径=500，孔间距D1=600。孔直径d2=23mm，厚度b=42mm，所用螺栓规格M20，螺栓数目24。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。6.7支座设计查阅材料与零部件（上）P627-628，表2-7-1鞍式支座尺寸，得当公称直径=500mm时，L=460，B=120，b=90，m=200，质量=14.84Kg换热器总长=3682mm（6）管子的排列方式 管子的排列方式常用的有正三角形直列，正三

27、角形错列，正方形直列和正方形错列。 图1.正三角型错列 正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果较好，但管外清洗较为困难。正方形排列时，管外清洗方便，使用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较三角形的差些。以上四种排列方式中，最常见的是正三角形排列，用于壳体流体清洁、不易结垢或者壳侧污垢可以用化学处理除掉的场合。 本设计采用正三角形排列。 采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接时由于在挤压作用下发生形变，失去管子与管板之间的连接力。故采用焊接法 1. 管板设计（1） 管板的作用：固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁将管程流体分割开来。（2） 管板上的管孔数：即

28、为课题中的传热管数。（3） 管板上的孔间距不宜过大，避免布管疏松，不利于传热；也不宜过小，避免焊接时引起较大的局部应力，影响焊接质量，另外也不利于清洗壳程管束。（4） 管板与壳体连接采用不可拆式，即直接焊在壳体上，稍微延伸，兼作法兰，便于对胀接口进行检查和维修以及清洗管子。（5） 管板直径与厚度：管板的厚度与材料强度、介质压力、温度以及管子和外壳的固定方式和受力因素有关。对于管子与管板胀接时，为保证胀接的可靠性，管板最小厚度（不包括厚度附加量）按表-4选取。表-7 管板最小厚度管子外径d0 (mm)25323857管板厚度T(mm)0.75 d0222532本设计选用T=0.75 d0+C=0.75×25+4=22.75mm,但由于管子与管板采用焊接式，故选取T=22mm。（其中C为腐蚀欲度，一般14mm,取C=4mm）（6）采用四管程，即Np=4,故管中间要留有隔板的位置。（7）管子在管板上的固定方法必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄漏。本设计采用焊接法。七、设计结果换热器主要结构尺寸和计算结果表换热器形式：固定管板式 名称管程壳程物料名称冷凝水正戊烷 操作压力，Pa1.0×105操作温度，32/35.6751.7流量，kg/h700003000流体密度，kg/m3994.2596流速，m/s036180.063918热负荷，kw297