用水冷却甲苯的列管式换热器设计

化工原理课程设计PAGE12一、设计题目：用水冷却甲苯的列管式换热器设计二、设计任务及操作条件1、设计任务：（1）选择适宜的列管式换热器；（2）核算；（3）在A3图纸中绘制换热器结构图、管板结构图、折流结构图设计说明书一份、A3图纸一张；2、操作条件处理能力：甲苯进料量：110000吨/年操作时间：

8000

小时／年甲苯：入口温度90℃，出口温度60操作压力

（0.4~0.6）MPa

水：入口温度30℃，出口温度操作压力

（0.4~0.6）MPa

允许压降不大于0.1Mpa，厂址：宁波地区。三、设备型式列管式换热器四、设计项目(说明书格式)1、封面、任务书、目录。2、设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。3、换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积，并初选换热器规格4、核算总传热系数，计算压力降5、换热器的主要结构尺寸设计。6、绘制水冷却甲苯的列管式换热器设计的换热器装配简图。7、对本设计进行评述。8、参考文献目录1设计方案简介 11.1工艺流程概述 11.2选择列管式换热器的类型 11.2.1列管式换热器的分类 41.2.2类型的确定 31.3流动路径的选择 52换热器的工艺计算及选型 52.1确定物性数据 52.2初算换热器的传热面积 62.3初选换热器规格 63换热器核算 73.1压力降的核算 73.1.1管程压力降 83.1.2壳程压力降 83.2总传热系数的核算 94固定管板式换热器的主要结构尺寸设计 94.1壳体壁厚的确定 94.2管子拉脱力计算 94.3换热器的主要结构尺寸设计参数 105换热器装配简图 126设计评述 127参考文献 121设计方案简介1.1工艺流程概述由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图1，甲苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，甲苯从90℃被冷却至60℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50图1工艺流程草图1.2选择列管式换热器的类型列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。1.2.1列管式换热器的分类根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种：⑴固定管板式换热器固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。⑵浮头式换热器浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。⑶填函式换热器填函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。⑷U形管式换热器U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。1.2.2类型的确定所设计的换热器用于冷却甲苯，甲苯：入口温度90℃，出口温度60℃；水：入口温度30℃，出口温度50℃；该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足Tm-tm=75-40=351.3流动路径的选择本设计为两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，甲苯走壳程。2换热器的工艺计算及选型2.1确定物性数据水的定性温度℃，甲苯定性温度℃，查得水、甲苯在各自定性温度下的物性数据：表1定性温度下各流体物性[1]密度/(kg/m3)比热容/(kJ/(kg·℃))黏度/(Pa·s)导热系数/(w/m·℃)水992.24.1740.656×10-30.6338甲苯812.61.8670.350×10-30.1452.2初算换热器的传热面积⑴计算热负荷和冷却水流量Q=Whcph(T1-T2)=13750×1.867×103×(90-60)/3600=213930W⑵计算两流体的平均温度差。先按单壳程单管程进行计算，逆流时的平均温度差为℃有关参数，根据R，P值，查《化工原理》[1]P-280图4-19可读得，温度校正系数φΔt=0.92，则平均温度差Δtm=Δtm’φΔt=34.76×0.92=31.98⑶按经验数值初选总传热系数K0(估)选取K0(估)=450W/(m2·℃)⑷初算出所需传热面积2.3初选换热器规格对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为Φ25mm的管子。由于Tm-tm=35℃，因此不需考虑热补偿。再由换热面积，查《换热器设计手册》[2]P-17表1-2-1，选定G273Ⅰ-2-2.5-11.1型换热器表2所选换热器结构基本参数公称直径/mm：300公称压强/MPa：1.6公称面积/m2：15.27管程数：2管子尺寸/mm：Φ25×2.5管长/m：6管子总数：37管子排列方法：正三角形排列查《化工设备机械基础》[3]p-215表7-10，壳体直径为159~325时，拉杆数量为4个。由《换热器设计手册》[2]P-18式1-2-1，计算实际传热面积：So=nπd(L-2δ-0.006)=（37-4）×3.14×0.025×(6-2×0.05-0.006)=15.27m若选该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为W/(m2·℃)3换热器核算3.1压力降的核算3.1.1管程压力降∑Δpi=(Δp1+Δp2)FtNp其中，Ft=1.4，Np=2。管程流通面积设管壁粗糙度ε=0.1mm，ε/di=0.1/20=0.005，查《化工原理》[1]P-54图1-27第一章中λ-Re关系图中查得：λ=0.036，所以则∑Δpi=（1393+387）×1.4×2=4984Pa3.1.2壳程压力降∑Δpo=(Δp1’+Δp2’)FsNs其中，Fs=1.15，Ns=查《化工原理》[1]P-284：管子为正三角形排列，F=0.5。nc=1.1√n=1.1√37≈7查《换热器设计手册》[2]P-14表1-2-3，取折流挡板间距h=0.2m，壳程流通面积Ao=h(D-ncdo)=0.2×（0.3-7×0.025）=0.025mfo=5.0Reo-0.228=5.0×9082-0.228=0.63所以∑Δpo=（970+922）×1.15=1088Pa计算表明，管程和壳程压强都能满足题设（不大于0.1MPa）的要求。3.2总传热系数的核算⑴管程对流传热系数αiRei=15430（湍流）4.32W/(m2·℃)⑵壳程对流传热系数αo由《化工原理》[1]P-253式4-77a计算，即查《化工设备机械基础》[3]p-208表7-5，取换热器列管之中心距t=32mm，则流体通过管间最大截面积为A。=hD(1-)=0.2×0.3×(1-壳程中甲苯被冷却，取，所以W/(m2·℃)⑶污垢热阻参考《化工原理》[1]附录p-355表22，污垢系数取为0.52m2·K/kW，则管、内外侧污垢热阻分别为Rsi=0.000066m2·℃/W，Rso=0.000112m2·⑷总传热系数Ko管壁热阻可忽略时，总传热系数Ko为=513W/(m2·℃)由上面计算可知，选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为438W/(m2·℃），在规定的流动条件下，计算出的Ko’为513W/(m2·℃），有故所选的换热器是合适的，其安全系数为%=17.1%。4固定管板式换热器的主要结构尺寸设计固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板（或支撑板）、接管、支座等。4.1壳体壁厚的确定选取设计压力pc=1.6Mpa，壳体材料为Q-235B，查《化工设备机械基础》[3]p-311附录9得，其相应的许用应力[σ]t=113Mpa；查《化工设备机械基础》[3]p-96表4-8，焊缝系数取为0.85，Di=300mm，故计算厚度：根据《化工设备机械基础》p-97，取C2=1.0mm，负偏差C2取0.25mm圆整后，δn=4mm，即壳体壁厚为4mm。4.2管子拉脱力计算根据《化工设备机械基础》p-205，取胀接长度l=50mm；根据《化工设备机械基础》p-295附表1-1，查地碳钢线膨胀系数αl=11.2×10-6mm/(mm·℃)，弹性模量E取为200×103Mp根据《化工设备机械基础》p-218,表7-11，许用拉脱力取为4Mpa。在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力其中，mm2P=0.6Mpa，l=50mm，温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力其中，，As=πD中δn=π×308×4=3868mm2则又因qp与qt作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpa＜[q]=4.0Mpa因此，拉脱力在许用范围内。4.3换热器的主要结构尺寸设计参数表2主要结构尺寸设计参数换热器型式：固定管板式换热器面积/m2：15.27工艺参数名称壳程管程物料名称甲苯水操作压力/MPa0.4~0.60.4~0.6操作温度/℃90（进口）/60（出口）30（进口）/50（出口）流量/kg/h137509226流体密度/kg/812.6992.2流速/m/s0.260.51传热量/W213930总传热系数W/(m2·℃）513对流传热系数W/(m2·℃）7522935污垢系数/W/(m2·℃）0.0001120.000066压力降/Pa10884984推荐使用材料碳钢碳钢壳径D(DN)3管尺寸Φ25×2.5mm管程数Np2管长L6m管子总根数37（拉杆4）管排列方式正三角形排列中心排管数nc7管心距32mm5换热器装配简图详见附图。6设计评述本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，经过查阅有关文献资料，对换热器参数进行了设计及反复核算，以确保设计的准确性。以下是对本设计的一些评述。从工艺要求和经济性出发，选用了固定管板式换热器作为设计对象。根据已知条件选定换热器规格后，经过很多次核算，K’/K值始终达不到要求的1.15~1.25范围。然后，通过查阅更多资料、反复再次核算，加上和同学的激烈讨论，终于取得了阶段性的胜利，基本上完成了换热器设计这块。绘制换热器的装配图，需要对换热器有全面的认识，许多细节问题必须注意到，主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。整个流程下来，对固定管板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。通过本次设计，真的学到了很多。首先，熟悉了化工原理课程设计的流程，学会