煤油冷却器的设计

南京工业大学《材料工程原理》课程设计设计题目煤油冷却器的设计学生姓名学生学号同组学生指导老师学院专业班级完成时间

设计任务书一设计题目：煤油冷却器的设计二设计任务及操作条件1.处理能力：12.8x104吨/年煤油2.设备形式：列管式换热器3.操作条件（1）煤油：入口温度140℃，出口温度40℃（2）冷却介质：工业硬水，入口温度30℃，出口温度40℃（3）允许压强降：不大于1000kPa（4）煤油定性温度下的物性数据：（5）每年按330天计，每天按24小时连续运行4.设计要求选择适宜的列管式换热器进行核算。一、设计简介换热器的概述换热器是许多工业生产中常用的设备，尤其是石油、化工、制药生产应用更为广泛。在化工厂中换热器可用做加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、和再沸器等。换热器类型众多，性能各异，各具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。1.2换热器的分类换热器的类型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，其中管壳式换热器的分类见表1-1[1]。表1-1管壳式换热器的结构分类类型特点间璧式换热器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露，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，用于传热面积较小的冷却器、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1.3列管式换热器列管式换热器（tubularexchanger）是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。1.4设计要求完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求[4]：（1）合理地实现所规定的工艺条件：可以从：①增大传热系数②提高平均温差③妥善布置传热面等三个方面具体着手。（2）在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵循我国《钢制石油化工压力容器设计规定》和《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。根据需要可添置气液排放口，检查孔与敷设保温层。（3）经济合理评价换热器的最终指标是：在一定时间内（通常1年内的）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费）等的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一标准就尤为重要了。1.5设计的目的和意义通过设计把在“过程设备”及其它相关课程(机械制图、金属材料、化工原理等)中所学的理论知识在具体工作中综合地加以应用，达到了理论知识和实践密切结合的目的。其次，在设计过程中，我们可以接受到必备的基本工程技能系统训练，能够熟练地应用计算图表、手册、规范和AutoCAD制图，能熟悉有关国家标准和部颁标准(如GB、HG等)等。1.6设计方法：本次设计主要是进行换热器的工艺计算，结构设计和强度校核，主要步骤有：（1）工艺计算；（2）估算传热面积；（3）工艺结构尺寸；（4）换热器热量核算；（5）结构设计；（6）确定筒体内径；（7）确定管箱结构；（8）确定管板结构；（9）选择鞍座结构；（10）强度校核；（11）给出制造安装的原则和要求。①管程流动阻力由Re=17001，传热管相对粗糙度0.01/20=0.005，查莫狄图得λi=0.036流速ui=0.62m/s密度ρ=994kg/m3。所以，管程流动阻力在允许范围内壳程阻力Ns=1,Ft=1.15流体流经管束的阻力为F=0.5,f0=5×3738-0.228=0.7663nc=17根,NB=29块,u0=0.162m/s流体流过折流板缺口的阻力：B=0.2m,D=0.6m∴∴壳程流动阻力也比较适宜。2.7壁温计算由于该换热器用循环水冷却，进口温度30℃，出口温度为40℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温，于是T=(140+40)×1/2=90℃t=(40+30)×1/2=35℃α0=495.9w/(m2·k)αi=3248w/(m2·k)∴Q=42.29℃壳体壁温和传热壁温之差为Δt=90-42.29=47.71℃＜50℃一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为了克服温差应为必须有温差补偿装置，故不需要设温度补偿装置。2.8换热器主要结构尺寸和计算结果各主要结构和尺寸的计算结果见表2-1。表2-1结构和尺寸的计算结果表参数管程壳程流率/(Kg/h)68700.312626进（出）口温度/℃30，40140，40物性定性温度/℃3590密度/（Kg/）994825定压比热容/[KJ/(Kg·℃)]4.082.22粘度/Pa·s0.0007250.000715热导率/[W/(m·℃)]0.6260.140普朗特数4.7311.34设备结构参数型号壳程数1壳体内径/mm600台数1规格Φ25×2.5管心距/mm32管长/mm6000管子排列组合排列管数目/根196折流板数/个29传热面积/㎡86.3折流板间距/mm180管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.620.162表面传热系数/[W/(㎡·℃)]3248495.9污垢热阻/(㎡·℃/W)3.4394×10-41.72×10-4阻力/Pa3455热流量/KW778.6传热温差/K39传热系数/[W/(㎡·℃)]326面积裕度/%12.6%三、折流板结构设计3.1折流板或支撑板的形式折流板或支撑板（以下简称折流板）有圆缺形，圆盘圆环形。其中以圆缺形用的较多。圆缺形折流板，按缺边的位置分为上、下和左、右缺边折流板（对立式换热器，上、下是指壳程物料进口管与折流板缺边垂直者，左、右是指平行者）。左、右缺边折流板有单缺边和双缺边，本手册中采用圆缺形，单缺边折流板。卧式换热器，当壳程全是气相或全是液相的清洁物料时，宜用上、下缺边折流板。若气体中有少量液体，则应在上缺边折流板的下部最低处开小槽，如图4-5（a）；若液体中有少量气体，则应在下缺边折流板的上部最高处开小槽，如图4-5（b）。卧式换热器，冷凝器和再沸器，当壳程是气、液相共存或液体中带有固体的物料时，宜用左、右缺边折流板。为了排除壳体下部的液体，在折流板下部最低处应开小槽，如图4-6。由于本次设计壳体直径较大，宜采用多弓形折流板，缺口高度一般取0.2～0.45倍的壳体内直径，本次设计取常用值0.25倍。选材为A3F。折流板与管板间距图见图3-53.2壳程，管程接管的选用由上面工艺结构尺寸的计算，可以得到壳程时取煤油的流速，,所以按HG/T20592-2009标准中取管径。管程走循环水，取循环水的流速为，，所以按HG/T20592-2009标准中取。3.3折流板根据折流板数目（29）和管长（6000mm），确定前后端折流板距离管板200mm。通过计算折流板间距取折流板的间距为200mm.DN=600mm时，折流板外径D=DN-3=597mm的钢管，换热管无支撑跨距L=1900mm。L>1900mm时，折流板厚度d取12mm。折流板的数目为29块。表3-3折流板参数单位：mm容器公称直径DN折流板直径D0管程d1孔数n1d2孔数n2600597425.8184115厚度dhb折流板间距数量折流板与管板间距L折流板材料12143.620029200A3F图3-6折流板标准尺寸图3.3管板结构的设计选材为16Mn锻。依据所选用的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为D=730mm，固定管板最大布管圆直径：DL=Di-2f=600-2×5=590mm。管板结构尺寸见图3-4和表3-2。图3-4管板结构表3-2管板尺寸表单位：mmDNDD1D2D3D4D5Cd260073069065560764261012.523螺柱（栓）Bfb材料质量/kg规格数量M2040505416Mn锻139.5须用锻件的场合a.板厚大于60mm。当厚度大于60mm时，钢板质量降低(分层、夹杂无法避免.各顶指标波动大)。b.形状复杂的管板。此时若用板材则即费料又费时.c.以凸肩直接与壳体相焊的管板。此时一般管板过厚且对夹杂、分层要求更高。在下列条件下可以选用16Mn结构钢板座管板①符合GB3274-88《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》标准:②按GB1591-79《低合金结构钢技术条件》复验化学成分和机械性能;③设计压力，p≤1.6MPa；设计温度，0-350度。3.4换热管采用JB/T4714、4715-92标准，换热管选用，材料采用20号碳钢，选择正三角形排列，主要是考虑这种排列布管比较紧凑，传热系数较高，传热效果好，便于管板划线及钻孔。换热管的管心距a=32mm，分程隔板槽两侧相邻管的中心距为37mm；同时，由于换热管管间需要进行机械清洗，故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于6mm。根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。因为强度焊加工简单、焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。管子数为196根，管长为6000mm，管中心距32mm。第四章、强度校核4.1筒体壁厚计算由工艺设计给定设计温度150℃,设计压力1.6MPa,选16MnR钢板卷制，材料150℃时，6～16mm时的[16]许用应力为，取焊缝系数Φ=0.7，腐蚀裕度C2=1.5mm，则：计算厚设计厚度 取C1=0.675mm名义厚度，经查阅文献，取；有效厚度水压试验压力所选材料的屈服应力 水压试验应力校核由于故水压强度满足要求。4.2前端管箱短节和封头厚度的计算由工艺设计给定设计参数为：设计温度150℃，设计压力1.60MPa,选用碳钢-20钢板，材料许用应力[]=130MPa,屈服强度，取焊缝系数0.70，腐蚀裕度。计算厚度设计厚度 名义厚度 结合考虑 开孔补强及结构需要取；有效厚度 压力试验在这种情况下一定满足。管箱封头厚度与短节相同，取，封头尺寸[17]见表4-1，结构见图4-1。表4-1封头尺寸表公称直径DN（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）碳钢厚度δ（mm）内表面积A容积V6001504080．4640．0396图4-1标准椭圆形封头结构简图4.3后端管箱短节和封头厚度的计算由工艺设计给定设计参数为：设计温度150℃，设计压力1.60MPa,选用碳钢-20钢板，材料许用应力[]=170MPa,屈服强度，取焊缝系数0.70，腐蚀裕度。后端管箱内径为，其余条件、参数同筒体。短节计算壁厚短节设计壁厚短节名义壁厚有效厚度 水压试验应力校核由于故水压强度满足要求。管箱封头也选用标准椭圆封头：封头计算壁厚：封头名义壁厚：，取名义壁厚与短节等厚，封头尺寸见表4-2，封头结构见图4-2。表4-2封头尺寸表公称直径DN（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）碳钢厚度δ（mm）内表面积A容积V6001502580．4360.0352图4-2标准椭圆形封头结构简图4.4固定管板强度计算固定管板厚度设计采用BS法。假定管板厚度b=54总换热管数量n=196一根管壁金属的横截面积为：开孔强度削弱系数（四程）两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚）L取5892；计算系数K：故K=2.50；按管板简支考虑，依K值查图得G1=0.70，G2=1.65，G3=0.052筒体内径截面积管板上管孔所占的总截面积：系数系数管板选材为16Mn锻。换热管选材为20号碳钢，在20－300℃范围，膨胀系数大约为13.09。系数筒体壳壁的横截面积:20号碳钢弹性模量E=206Gpa系数壳程压力，管程压力当量压差最大压差管板最大应力： 管子最大应力：或管板和管子的强度校核管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取C2=3mm，隔板槽深取4mm，实际管板厚为46mm。4.5管箱短节开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为考虑实际情况选20号碳钢钢管[]=130MPa,,C2=1.5mm。接管计算壁厚接管有效壁厚开孔直径 接管有效补强宽度B=2d=2132.8=265.6mm接管外侧有效补强高度 需