固定管板式列管换热器的设计

固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 1 目 录 一 、 固 定 管 板 式 换 热 器 的 介 绍 1、 固 定 管 板 式 换 热 器 的 结 构 特 点 2、 固 定 管 板 式 换 热 器 的 性 能 优 点 3、 固 定 管 板 式 换 热 器 的 性 能 缺 点 二 、 设 计 方 案 的 确 定 及 流 程 说 明 1、 确 定 设 计 方 案 2、 流 程 说 明 三 、 换 热 面 积 的 估 算 四 、 管 子 尺 寸 及 数 目 计 算 五 、 管 子 在 管 板 上 的 排 列 六 、 壳 体 内 径 的 确 定 七 、 附 件 设 计 八 、 换 热 器 校 核 （ 包 括 换 热 面 积 、 壁 温 、 压 力 降 ） 九 、 设 计 结 果 概 要 或 设 计 一 览 表 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 2 目 录 十 、 对 本 设 计 的 评 述 或 有 关 问 题 的分 析 讨 论 十 一 、 参 考 文 献 十 二 、 工 作 总 结 十 三 、 设 计 创 新 点 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 3 摘 要 本 次 课 程 设 计 属 于 化 工 课 程 设 计 的 一 个 重 要 方 面 ， 在 工 业 生 产 中 有 着 广 泛 的应 用 。 目 的 在 于 考 察 我 们 对 相 关 化 工 原 理 基 本 理 论 知 识 的 掌 握 程 度 ， 提 高 对化 工 设 备 的 认 知 以 及 培 养 分 工 与 独 立 工 作 的 能 力 。 我 们 的 课 题 为 “ 固 定 管 板式 列 管 换 热 器 的 设 计 ” ， 通 过 已 知 的 苯 进 口 温 度 ， 管 程 壳 程 的 压 力 降 要 求 ，水 的 常 温 温 度 等 条 件 设 计 一 符 合 实 际 工 作 要 求 的 换 热 器 ， 并 且 通 过 一 工 艺 流程 图 展 现 其 在 某 种 特 定 用 途 下 的 操 作 流 程 。 由 于 水 的 出 口 温 度 并 不 已 知 ， 笔者 通 过 选 择 合 理 的 泵 来 推 算 出 其 出 口 温 度 ， 进 而 对 后 续 的 计 算 问 题 迎 刃 而 解 。后 期 的 校 核 计 算 中 ， 所 得 的 换 热 面 积 、 压 力 降 及 壁 温 均 符 合 要 求 ， 标 明 所 设计 的 换 热 器 是 满 足 一 定 生 产 负 荷 下 正 常 工 作 要 求 的 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 4 一 、 固 定 管 板 式 换 热 器 的 介 绍1、 固 定 管 板 式 换 热 器 的结 构 特 点 此 种 换 热 器 的 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 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 5 2、 固 定 管 板 式 换 热 器 的性 能 优 点 与 其 他 形 式 的 换 热 器 相 比 ，它 的 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 。 3、 固 定 管 板 式 换 热 器 的性 能 缺 点 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 与 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 致 管 子扭 弯 或 从 管 板 上 脱 落 ， 甚 至 损坏 整 个 换 热 器 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 6 二 、 设 计 方 案 的 确 定 及 流 程 说 明1、 确 定 设 计 方 案（ 1） 已 知 设 计 条 件 生 产 负 荷 （ 按 每 年 7200小 时 计 算 ） ： 11.6万 吨 纯 苯 /年 苯 进 料 状 况 ： 80 的 液 体 苯 出 口 状 况 ： 55 的 液 体 冷 却 介 质 ： 循 环 水 （ 1535 ） 管 程 和 壳 程 压 降 ： 不 大 于 10kpa（ 2） 设 计 的 前 期 处 理 壳 程 和 管 程 所 走 流 体 的 选 择 选 择 依 据 ： 1） 有 毒 的 流 体 走 管 程 ， 减 少 泄 漏 的 机 会 ， 而 苯 是 一 种 可 至 白 血 病 有 毒 液 体 ； 2） 粘 性 大 的 或 流 量 小 的 液 体 宜 走 壳 程 ， 因 流 体 在 有 折 流 板 的 壳 程流 动 时 ， 在 较 小 的 雷 诺 数 （ Re100） 下 ， 即 可 达 到 湍 流 ， 有 利 于 提 高 传 热 系数 ， 而 一 般 正 常 温 度 下 ， 苯 的 粘 性 小 ， 水 的 粘 性 大 ； 3） 苯 是 高 温 液 体 ， 在 管内 热 膨 胀 ， 水 是 低 温 流 体 ， 在 壳 内 冷 缩 ， 从 而 使 管 子 不 会 从 管 板 上 脱 落 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 7 由 此 ， 笔 者 选 定 让 水 走 壳 程 ， 苯 走 管 程 。 对 水 的 假 定 假 设 所 用 水 的 水 源 来 自 于 清 河 水 ， 在 使 用 它 作 为 冷 却 介 质 前 ， 需 对 其 做一 定 的 化 学 处 理 ： 先 通 过 一 净 水 池 将 较 大 的 颗 粒 除 去 ； 再 通 过 另 一 净 水 池 ，使 用 絮 凝 剂 ， 将 钙 离 子 和 镁 离 子 沉 淀 ， 这 样 得 到 的 水 可 近 似 认 为 是 污 垢 热 阻很 小 的 蒸 馏 水 。 同 样 的 ， 考 虑 到 设 备 是 长 期 工 作 的 ， 难 免 保 证 水 不 蒸 发 、 泄露 而 损 耗 ， 需 进 行 定 期 的 补 给 。 水 入 口 温 度 的 选 定 笔 者 假 定 换 热 器 的 常 年 平 均 工 作 温 度 为 20 ， 亦 即 室 外 温 度 基 本 恒 定 在20 。 符 合 这 样 条 件 的 地 区 分 布 在 大 陆 的 低 纬 度 地 区 ， 以 广 州 地 区 为 宜 。 所以 ， 水 入 口 的 温 度 选 择 为 20 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 8 水 出 口 温 度 的 设 计 思 路 笔 者 是 通 过 选 择 泵 来 确 定 水 的 出 口 温 度 的 。 下 面 即 为 设 计 的 思 路 ： 一 般 情 况 下 ， 水 的 流 速 在 12.5m/s之 间 取 。 取 TR32-160型 离 心 式 液 下 泵 （ 化 工 设 备 设 计 手 册 P1530） ， 已 知 其体 积 流 量 qV=9m/h,出 口 直 径 d为 32mm， 由 u=qV/A解 得 出 口 流 速 为 2.07m/s，正 好 符 合 上 述 的 流 速 范 围 内 ； 由 的 选 定 ， 得 到 20 条 件 下 水 的 密 度 为998.2kg/m， 知 道 质 量 流 量 qm=qV*=998.2*9kg/h=2.4955kg/s； 在 根 据 热 负 荷 计 算 式 Q=1Cp1(T1-T2)= 2Cp2 (t2 -t1 ) 可 计 算 得 水 的 出 口 温 度 =40.505 40.50 因 此 ， 水 的 出 口 温 度 设 定 为 40.5 。 其 中 ， 热 负 荷 Q=213580J 2t 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 9 输 送 苯 对 应 泵 的 选 择 由 苯 的 年 产 量 可 知 其 质 量 流 量 ， 再 由 苯 的 进 口 温 度 查 得 其 对 应 密 度 ， 结合 质 量 流 量 和 入 口 密 度 即 可 求 得 苯 入 口 的 体 积 流 量 （ 为 20.23m3/h） 。 选 用ZA 型 卧 式 离 心 泵 ， 型 号 ZA40-200 对 应 C型 叶 轮 ， 额 定 流 量 Q=22m3/h（ 摘自 化 工 设 备 设 计 手 册 下 卷 P1512） 下 面 确 定 泵 操 作 的 流 量 富 余 量 ， 以 确 定 所 选 泵 是 否 符 合 要 求 。 泵 的 流 量 富 余 量 应 尽 量 减 少 ， 这 样 所 选 泵 的 型 号 、 规 格 的 额 定 工 况 接 近操 作 工 况 ， 泵 的 一 次 性 投 资 较 小 ， 操 作 效 率 高 ， 节 省 操 作 费 用 。 根 据 经 验 ，泵 的 流 量 富 余 量 最 好 在 泵 的 额 定 流 量 5%10%的 范 围 内 。 而 计 算 得 富 余 量 约 为 8%， 符 合 要 求 。 换 热 器 设 计 压 力 的 选 定 由 于 条 件 中 所 给 苯 的 进 口 温 度 为 80 ， 而 苯 的 沸 点 也 略 高 于 这 个 值 ， 因而 不 宜 在 常 压 下 进 行 工 作 ， 需 要 施 加 一 定 的 压 力 ， 使 其 不 宜 蒸 发 出 来 ， 根 据后 来 计 算 出 的 压 降 值 （ 很 小 ） 以 及 标 准 的 几 个 公 称 压 力 值 ， 因 此 这 里 的 设 计压 力 定 为 0.6Mpa。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 10 （ 3） 设 计 安 排 本 次 设 计 首 先 通 过 换 热 面 积 的 计 算 以 及 校 核 值 确 定 所 选用 的 换 热 器 是 否 合 适 ， 一 旦 选 择 好 换 热 器 后 ， 其 内 部 总 管子 的 数 目 以 及 换 热 面 积 都 是 确 定 的 值 。 根 据 管 子 的 尺 寸 和数 目 即 可 进 行 相 应 的 排 列 。 当 壁 温 和 压 力 降 的 校 核 结 果 满足 后 ， 即 可 进 行 附 件 的 设 计 。 当 计 算 和 校 核 的 部 分 完 成 后 ，即 可 进 行 作 图 。 笔 者 作 为 组 长 ， 负 责 协 调 每 一 个 人 的 分 工 ，从 而 为 后 续 的 设 计 扫 除 障 碍 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 11 三 、 换 热 面 积 的 估 算 计 算 定 性 温 度 ， 确 定 物 理 常 数管 程 壳 程T=6 7 .5 t=3 0 .2 5 1 =831kg/m3 2=995.7kg/m31 =0.000358Pa*s 2=0.0008015Pa*sC p1=1 9 0 9 J/(kg*k) Cp2=4 1 7 4 J/(kg*k)1 =0.1315W/(m*k) 2=0.618W/(m*k) 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 12 计 算 对 数 平 均 温 差 为 了 增 加 传 热 的 有 效 性 ， 设 计 时 采 用 逆 流 的 方 式 。根 据 计 算 式 tm逆 =（ t1- t2） /ln（ t1/ t2 ）其 中 ， t1 =80-40.5（ ） =39.5 t2 =55-20（ ） =35 求 得 tm逆 =37.20 假 设 所 选 择 的 流 程 为 单 壳 程 、 双 管 程 ， 则 流 动 的 形 式 为 折 流 ， 需 对 对 数 平 均 温 度 差 tm 逆 乘 以 校 正 系 数 ， 而 校 正 系 数 是 辅 助 量 R与 P的 函 数 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 13 其 中 ， R=（ T1-T2） /（ t2-t1） =1.22 P= (t2-t1)/(T1-t1)=0.342由 化 工 原 理 图 4-52（ ） 得 出 温 差 校 正 系 数 为 0.94。解 得 tm逆 =34.97 估 算 总 传 热 系 数 K值 由 化 工 原 理 表 4-4可 知 ， 有 机 物 水 组 合 中 ， 当 有 机 物 黏 度0.5mpa*s时 ， K的 取 值 范 围 为 300 800W/（ *k） ， 而 苯 的 1 =0.000358Pa*s2100,得di表 示 列 管 的 内 径 ， 15mm.由 于 管 内 的 液 体 被 加 热 ， 因 此 近 似 取KC=0.3， KE=0.2， K=4将 这 些 数 值 代 入 Pt的 公 式 中 ， 得 到 Pt=4632Pa500时 ， 21 11 * 0.0077754 TtpassNa d n 1 1 4.4753 /mW q kg s 0.1610.04 0.007959Ref 0.14rt w 0.95rt 0.22825.0*Re 0.78of 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 29 横 过 管 束 中 心 线 的 管 子 数 nc=1.1* =10.31 取nc=11折 流 板 数 NB=14壳 程 流 速 u2=0.161m/s解 得 流 体 通 过 折 流 板 缺 口 的 压 强 降折 流 板 间 距 h=0.2m壳 体 内 径 D=0.325m 一 般 的 ， 流 体 流 经 换 热 器 进 出 口 导 致 的 压 降 可 忽略 。 对 于 液 体 壳 程 压 强 降 的 结 垢 校 正 系 数Fs=1.5 TN32 995.7 /mkg 水 221 *u( 1)* 2o c BP Ff n N 水1 830PaP 222 *u2*(3.5 )* 410 a2B hP N PD 水 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 30 壳 程 数 Ns=1因 此 ， 壳 程 的 压 力 降 也 是 符 合 要 求 的 。1 2( )* * 1860 a 10s SoP P P F N P KPa 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 31 九 、 设 计 一 览 表水 进 口 温 度 2 0 面 积 裕 量 （ 非 有 效 ） 2 2 .0 9 %水 出 口 温 度 4 0 .5 实 际 外 壁 壁 温 4 1 苯 的 质 量 流 量 4 .4 7 5 3 kg/s 管 长 3 m水 的 质 量 流 量 2 .4 9 5 5 kg/s 管 径输 送 水 的 泵 型 号 TR3 2 -1 6 0 型 管 子 数 目 8 8输 送 苯 的 泵 型 号 ZA4 0 -2 0 0 型 折 流 板 数 目 1 4管 、 壳 程 设 计 压 力 0 .6 MPa 折 流 板 间 距 2 0 0 mm管 程 压 力 降 4 6 3 2 Pa 拉 杆 和 定 距 杆 数 目 4壳 程 压 力 降 1 8 6 0 Pa 管 子 在 管 板 上 排 列 方 式 正 三 角 形设 计 传 热 面 积 (非有 效 ) 1 5 .2 排 列 管 的 中 心 距 2 5 mm计 算 传 热 面 积 1 2 .4 5 壳 体 内 径 3 2 5 mm19*2 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 32 十 、 设 计 创 新 点 在 整 个 设 计 过 程 的 计 算 步 骤 中 ， 我 是 通 过 选 择 泵 来 确 定 水 的 出 口 温 度 的 。 这 样 做 的 好 处 是 ， 一 方 面 能 够 使 水 满 足 在 其 正 常 的 流 速 范 围 中 工 作（ 12.5m/s） ， 不 至 于 对 设 备 造 成 较 大 的 冲 击 影 响 ， 另 一 方 面 也 能 为 实 际 的生 产 带 来 方 便 ， 即 直 接 可 利 用 所 选 择 的 泵 ， 且 符 合 其 工 作 范 围 之 内 ， 以 期 达到 生 产 中 的 有 效 利 用 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 33 十 一 、 设 计 中 的 不 足 点 及 需 改 进 之 处第 一 ， 我 们 设 计 的 常 年 工 作 室 温 为 20 ， 但 这 一 条 件 常 常 不 能 够 严 格 符合 ， 我 们 需 考 虑 到 在 当 地 一 些 极 端 情 况 下 的 温 度 情 况 ， 即 利 用 历 史 气象 数 据 ， 计 算 在 极 端 情 况 下 的 换 热 器 工 作 情 况 ， 再 对 其 作 出 取 舍 ；第 二 ， 尽 管 接 触 了 大 量 的 文 献 ， 在 附 件 的 选 择 中 依 然 查 不 到 一 些 附 件 的质 量 ， 这 是 我 们 设 计 报 告 的 不 完 整 之 处 ；第 三 ， 在 工 作 中 的 协 调 问 题 。 我 在 协 调 作 图 员 与 设 备 员 的 方 面 做 得 不 够好 ， 以 致 后 期 制 图 时 ， 某 些 尺 寸 和 查 资 料 所 得 尺 寸 有 不 同 之 处 。 总 之 ，在 工 作 之 前 ， 一 定 要 明 确 每 个 组 员 之 间 的 关 系 ， 这 样 才 能 更 好 地 实 现组 内 效 率 最 大 化 ；第 四 ， 作 图 时 ， 某 些 剖 面 线 画 得 比 较 粗 ， 粗 细 不 匀 ， 没 有 严 格 按 照 标 准区 分 各 类 线 。 固 定 管 板 式 列 管 换 热 器 34 十 二 、 工 作 总 结