乙苯冷却列管式换热器的设计

成绩银川能源学院化工原理课程设计说明书 题目: 乙苯冷却列管式换热器的设计 院 系 石油化工学院 专业班级 能化 （本） 1402 学生姓名 史 磊 学 号 1410140046 指导教师 刘 荣 杰 设计时间 2016年12月5日目录 第一章设计任务书 3 -一、 设计题目 3 二、 设计原始数据- 4 -三、设计内容 4 -四、设计时间 4 第二章、课程设计概述- 5 一、设计目的 5 二、换热器设备的在生产中作用及应用- 5 -三、工艺流程示意图 5 -四 列管式换热器的特点- 6 1、应用特点 6 -2、设备的结构特点- 6 五、设计方案的确定 6 -第三章、换热过程工艺计算- 10 一、工艺计算及主要设备设计- 10 -1。选择换热器的类型 10 2。管程安排 10 二、确定物性数据- 10 三、计算总传热系数- 11 四、工艺结构尺寸- 12 1.选管子规格- 12 -2。总管数和管程数 12 -3。传热管排列和分程方法 13 -4.壳体内径 13 5。折流板 13 -6.接管- 13 五、换热器核算 14 1.热流量核算- 14 -2。换热器内流体的压力降- 16 第五章、主要零部件- 18 -1。封头 18 2。支座 19 -3.垫片- 19 -4。管板- 19 第六章、设计评述与体会- 19 -第七章、参考文献- 20 -致 谢- 21 -摘要 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要的地位。所以，本次课程设计我们设计列管式换热器.设计内容有设计任务书、课程设计概述、换热工艺计算等。设计过程主要通过设计任务书和国标准则，计算两流体的定性温度，查资料确定物性数据,计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定主要零部件.设计结果为单壳程和单管程的固定管板式换热器。其优点结构简单、紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生污垢也便于清洗。固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力,造价低，管程清洗方便，管子损坏时易堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力，这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合.关键词：换热器；设计计算；固定管板式AbstractHeat exchanger is a chemical， oil， food and many other industrial departments of general equipment， occupies an important position in the production。 So, the course design of our design of shell and tube heat exchanger. Design content has the design specification， summary of curriculum design, so the heat exchange process calculation, etc。 Mainly through the design plan descriptions of the design process and gb standards， calculated two fluid temperature， check information to determine physical properties data， calculating the total heat transfer coefficient, process structure size and determine the main components. Design results for single shell side and tube side of fixed tube plate heat exchanger。 The advantages of simple structure， compact, low manufacturing cost. Tube is not easy to fouling， even cause fouling also facilitate clean。Key words: heat exchanger; Design calculation; Fixed tube-sheet第一章设计任务书一、 设计题目：处理量 吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计.二、 设计原始数据1.处理能力：1764Kg/h乙苯冷却2. 设备型式: 列管式换热器3。操作条件（1）管程进口温度为136,出口温度为45允许压力降:不大于105MPa(2）壳程进口温度为30,出口温度50允许压力降：不大于105Pa（3)每年按330天计，每天24小时连续运行三、设计内容：1. 工艺设计：确定设备的主要工艺尺寸，如：管径、管长、管子数目、管程数目等，计算K0。2。结构设计：确定管板、壳体、封头的结构和尺寸；确定链接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。3。绘制列管式换热器的装配图(A1图纸）及编写课程设计说明书。四、设计时间：2016年12月5日-2016年12月17日设计学生：史磊 指导教师： 刘荣杰 第二章、课程设计概述一、设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过课程设计使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识,进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，进而提高我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。二、换热器设备的在生产中作用及应用流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。本此设计正是要利用换热器降低泥浆的温度,从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源,带来了额外的经济价值。 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、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。三、工艺流程示意图冷却水从换热器壳程下方进入，从换热器上方排出，乙苯从换热器左侧的入口进入,乙苯从右侧出口排出.（见图1）图1四 列管式换热器的特点1、应用特点列管换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多.管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点,由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低,因此得到了广泛应用。2、设备的结构特点列管式换热器的结构特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简单,制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的,当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时,在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器.当管子和壳体的壁温差大于50时,应在壳体上设置温差补偿膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多,常见的有形、平板形和形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于60和壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。五、设计方案的确定1.对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、 换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。 设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备,在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势.固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接,结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄,造价最低且易清洗。缺点是,管外清洗困难,管壁与壳壁之间温差大于50时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力,使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用.（见图2）图2固定管板式换热器2.对于换热器内流体通入空间的选择：在列管式换热器中，哪一种流体走管程，哪一种走壳程，一般可从下列几个方面考虑。（1）不洁净或易结垢的流体走易于清洗的一侧;对于固定管板式换热器， 一般走管程；U形管换热器，一般走壳程。（2）粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时在较低的雷诺数(Re100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数.（3）有腐蚀性流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的（4）压力高的流体走管程,因为管子直径小,承受压力的能力好,还避免了采用高压壳体和高压密封。（5）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。（6）饱和蒸汽一般走壳程,便于冷凝液的排出，而且蒸汽较清洁,无清洗要求。被冷却的流体走壳程，便于散热。对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大,对流传热系数较大者宜走管程, 这样可以降低管壁与壳壁的温差。减少热应力。 以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当选择。3.对于流速的选择：换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热，减少污垢在换热管表面上沉积的可能性，即降低了污垢的热阻，使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大，又使流体阻力增大,动力消耗也就增多，从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命，因此选取合适的流速是十分重要的。（见表1，表2)表1管壳式换热器中不同黏度液体的常用流速液体黏度/MPa.s15001500500500100100353510。8,故可行。则=0。86=0.8640.66=34.973.传热管排列和分程方法 采用组合排列法,及每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正三角形排列取管心距Pt=1。25d0 =1。2525=31.25 mm 32mm隔板两侧相邻管心距Nc=44mm横过管束中心线的管数 : 4.壳体内径采用多管程结构，取管板利用率=0.7，壳体内径为 壳程直径可选取的直径有(159 219 273 400 500 600 800 )mm故圆整可取D219mm5。折流板采用弓形折流板，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：h0.2521954.75mm,故可取h100 mm。 取折流板间距B150mm（0。2DBD）固定管板换热器B有（150 300 600）mm折流板数 NB=传热管长/折流板间距1=6000/150-1=39(块).6。接管 管程流体进出口接管:取接管内乙苯流速为 u11.1m/s，则接管内径为 d1=圆整后可取管内径为38mm 壳程流体进出口接管:取接管内自来水流速 u21.8m/s,则接管内径为 圆整后可取壳内径为50mm五、换热器核算 1.热流量核算（1)壳程表面传热系数 用克恩法计算当量直径壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数取=1.05 （2)管程传热膜系数 管程流通截面积管程流体流速 普朗特数(4）传热系数K（5)传热面积裕度Ac该换热器的实际传热面积S该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务. 2.换热器内流体的压力降（1）管程流动阻力 Pi=（P1+P2)FtNsNpNs=1， Np=4,Ft=1.4，u=0.235m/s， 管子为252.5mm ,Re=7343.8查表得无缝钢管绝对粗糙度取0。042Pi=(P1+P2)FtNsNp=(387.12+82.19)1.442628。136PaPa管程压降在允许范围之内.(2）壳程阻力流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程压力降也比较适宜。污垢热阻和管壁热阻，查附录得：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁厚度b=0.0025 m碳钢热导率为=45.4 W/(m）管壁热阻为设计结果一览表 参数壳程（乙苯）管程（冷却水）流量/（kg/h）17643679.156进/出温度/136/4530/50允许压力降/MPa物性定性温度/90。540密度/（kg/m3)804。5992.21定压比热容/（kJ/(kg）1.91154.174粘度/（paS）0。00032990。000653热导率/w/(mk）0.11326770.634普朗特数5.574.18设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm219壳程数1管径/mm252。5管心距/mm32管长/mm6管子排列管数目/根28折流板数/个39传热面积/m27.774折流板间距/mm150管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s)0.0850。235热垢热阻/（m2/w)阻力/（pa）2628.136592。263热流量/kw306841.626传热温差/40。66传热系数/W/(m2)270裕度/13.3第五章、主要零部件1.封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4737-2002标准，封头为：。（见图4）图42.支座 本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座,依照JB/T471292双鞍式支座为准，选用DN=400mm型鞍式支座。鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定:a 当L3000mm时,取LB =（0。4-0.6)Lb当L3000mm时，取LB =(0。5-0.7）Lc尽量使LC和LC相近3。垫片换热器垫片通过以上设计，按照GB/T539，选定耐油石棉橡胶板作为垫片。 4.管板管板，就是在钢板上钻出和管子外径一样的孔，将管子穿入焊住固定，起这样作用的一种配件。在固定式管板强度校核计算中,当管板厚度确定之后，不设膨胀节时,有时管板强度不够，设膨胀节后,管板厚度可能就满足要求。此时，也可设置膨胀节以减薄管板，但要从材料消耗、制造难易、安全及经济效果等综合评估而定.固定管板换热器中常用的是U型膨胀节，它具有结构紧凑简单，补偿性好，价格便宜等优点。第六章、设计评述与体会“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”这句话对于我们工科的学生尤为实用.首先,这是我们第一次接触课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好,没有落实到实处，是远远不够的.换热器的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节,我觉得这是最大的一个挑战。其次,这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而且我们又是第一次设计，所以单独靠自己是不能完满的完成本次课程设计。我经常与同组同学一起讨论，甚至争论，这样，我们就能发现问题，并能因此产生比较合理的方法和结果。大家都明白了，那其他的都不是问题。同时争论让我更加清楚地了解自己，让我明白我要更加耐心的表达我的想法,把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见.在同组同学无法通过讨论得出正确结果的时候，我们通过请教其他组同学或者与其讨论得到新的想法和正确的结论。 最后要提到的就是绘图了.由于工程制图是大一学习的，现在我们将近两年时间没有接触了，差不多都将其内容忘光了.于是乎我们只能捧着厚厚的课本将其仔细的复习一遍,然后再进行正式的绘图工作。绘图过程中遇到了不少的麻烦,简直让人头疼。刚开始整体的布局规划就很麻烦，要布局得当才能使图既能够画完,又表现得十分清晰。而且因为换热器中有很多的零部件,它们的尺寸或者厚度很小，画的时候很难准确地按照比例将其绘画出来。为了在专业理论课学习过程中，加强技能训练,班上组织了这次换热器的课程设计。通过努力的学习，我在理解换热器工艺的基础上，掌握了换热器装配中常用的技术设计要求。通过对本次换热器的设计，增强了我们对本专业的热爱，培养了我们实事求是、一丝不苟的学风；培养了我们脚踏实地的精神，激励了我们的创新意识和创新精神；培养了我们认真、刻苦，勇于实践的工作作风，养成规范、严谨的工作态度，使我们向着具有高层次社会道德、文化修养并掌握先进技术理念与技能的工艺技术人员、助理工程人员又迈进了一步！换热器原理课程设计同时也是喜获丰收的过程！努力之后终获成功！当自己的设计成果得到老师肯定的那一刻,内心是多么的兴奋不已！正所谓苦尽甘来吧!希望以后还会有这样的机会!因为它使我懂得了“持之以恒，水滴石穿”的道理.第七章、参考文献1化工工艺设计手册，北京，化学工业出版社，（2003）.2化工单元过程及设备课程设计匡国柱，史启才编,化学工业出版社（2002）3化工原理课程设计王卫东编 ，化学工业出版社，（2013）.4 化工原理课程设计贾绍义，柴诚敬等编，天津大学出版社。 （2002）5化工原理马晓迅 夏素兰 曾庆荣主编 化学工业出版社. （2012）6化工单元过程课程设计王明辉编 化学工业出版社 （2008）7化工制图 赵惠清，蔡纪宁编化学工业出版社 （2013）致 谢这次课程设计换热器是在教授和老师指导以及同组成员的帮助下完成的. 在课设期间，老师们对我们严格要求，让我们独立完成，独立思考,培养我们设计能力,思考能力。很感谢教授,在百忙之中抽出时间给我指导和纠正错误.使我们成长了不少，也把本学期学习的知识以及以前的知识又梳理了一遍。同时，从教授和老师身上我们也看到了老师的敬业精神,严谨的学习态度，做人的道理；和团队学习的重要性.这是我们第一次做课程设计，难免有一些错误，老师们会耐心的教导我们，还不时的鼓励我们，让我们有做下去的信心。为此我们真的很感动,我们作为学生也真心祝愿老师们工作顺利，身体健康。我们也会好好学习来报答老师们的辛勤培养,早日成才！也很感谢学校图书馆给我们提供课设所需的资料和场地.文中如有不足，请您指教！- 24 - / 24