固定管板式换热器2

目录课程设计任务书3一、课程设计题目3二、工艺条件3三、课程设计内容3四、进度安排4五、基本要求41 设计方案简介41.1 选择换热器类型41.2 流体流动途径安排52 确定物性参数52.1 定性温度的确定52.2 基础物性参数的确定53 基础数据的计算63.1 水煤气的流量计算：63.3 平均温差73.4 估算传热面积73.5 加热变换气用量74 工艺结构尺寸74.1 管径和管内流速74.2 管程数和传热管数74.3 平均传热温差校正及壳程数85 主体设备的计算85.1 传热管排列方法95.2 壳体内径95.3 折流板96 附件的计算与选型106.1 拉杆数量与直径106.2 接管106.3 膨胀节116.4 输送设备117 换热器的核算117.1 壳程表面换热系数117.2 管内表面传热系数127.3 污垢热阻和管壁热阻137.4 传热系数KC137.5 传热面积裕度147.6 壁温核算147.7 换热器内流体阻力计算158 换热器主要结构尺寸和计算结果表17结语17参考资料1818课程设计任务书一、课程设计题目管壳式换热器的设计二、工艺条件1 .物料组成(基准为100kmol干半水煤气)组分COH2N2CO2O2CH4H2O半水煤气29.838.721.78.70.20.992变换气3.065.121.735.510.981.32 .生产能力为1000kg(NH3)/h;3 .消耗定额为3400m3干半水煤气/h;4 .常压操作；5 .温度：半水煤气进口158C,出口370C,变换器进口410C；6 .换热器损失的冷流体热负荷的3.5%。三、课程设计内容1 .设计方案的选择及流程说明；2 .传热面积、换热管根数；3 .确定管束的排列方式、程数、档次、隔板的规格、数量;4 .冷、热流体进、出口管径；5 .壳体内径。四、进度安排1课程设计准备阶段：收集查阅资料，并借阅相关工程设计用书；2设计分析讨论阶段：确定设计思路，正确选用设计参数，树立工程观点小组分工协作，较好完成设计任务；3计算设计阶段：完成物料衡算、热量衡算及主要设备的工艺设计计算；4.课程设计说明书编写阶段：整理文字资料计计算数据，用简洁的文字和适当的图表表达自己的设计思想及设计成果。五、基本要求1格式规范，文字排版正确；2.主要设备的工艺设计计算需包含：热量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算；3管束排列图：以2号图纸绘制，标明管束的排列方式、程数、隔板的规4. 换热器工艺条件图：以2号图纸绘制，图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；5. 按时完成课程设计任务，上交完整的设计说明书一份。1设计方案简介设计方案选择的原则是要保证达到工艺要求的热流量，操作上要完全可靠，结构上要简单，便于维护，并进肯能节省操作费用和设备费用。1.1 选择换热器类型管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面U形管式，依据给定的工艺条件（常压操作，假定出口温度为250C,则两流体平均温差为66c50C）考虑，固定板式换热器适用于管壁温与壳体壁温不大的场合，故可选用，但是需要加膨胀节；浮头式与U形管式换热器均适用于温差较大的，但是浮头式与U形管式换热器建构复杂，造价高，制造安装要求高，增加了设备费用，故不选用。综合考虑初步选择固定板式换热器。1.2 流体流动途径安排由工艺条件中的物性组成可知半水煤气中水含量大于变换气，所以半水煤气对材料的腐蚀性要大于变换气。所以变换气走壳程，半水煤气走管程，这样可以节约耐腐蚀性材料的用量，降低换热器成本。2确定物性参数2.1 定性温度的确定tm=t2+tL370+158,=2=264CoTmT1+T2410+270=340Co=22假定变换器出口温度为260c管程半水煤气的定性温度为：壳程变换气的定性温度为：2.2 基础物性参数的确定在264c下的半水煤气的各组分物性参数为:物性组成COH2N2COC2CHH2C定压比热容1.114.31.11.083.11.032.0摩尔分数0.1550.2000.1100.0450.0010.00470.48质量分数0.230.0210.1650.1060.0010.0080.46黏度0.2680.01290.02750.0240.03130.01710.0172导热率0.01190.10.01550.00580.0130.0160.599由上表渴求的264co似的半水煤气物性参数:热导率 i = 0.0848W/m K粘度 = 2.024 10” Pa s一3伤度pi=0.4235kg/m定压比热容Cp1=1.781kJ/kgCo在340co下变换气的各组分物性参数：物性组成COH2N2CO02CH4H2O定压比热容1.114.31.11.083.11.032.0摩尔分数0.01460.3170.100.170.00490.00440.396质量分数0.02150.0330.160.400.00670.00740.37黏度0.2680.01290.02750.0240.03130.01710.017由上表可得变换气在330co下的物性参数密度=0.367kg/m3热导率九2=0.1223W/mK定压比热容Cp2=1.872kJ/kgCo黏度也=2.080.8故合适平均传热温差为Atm=0.805X69.9=56.27Co5主体设备的计算主体设备的计算主要包括传热管的排列方式、壳体内经、折流板间距以及个数。5.1传热管排列方法采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩阵排列取管心距t=1.25do则t=1.5X25=31.532(mm)各半中心到离其最近一排管中心距离按式tS=-+6计算232即s=一+6=22(mm)2各程相邻管的管心距为44mm.5.2 壳体内径采用单管程结构，壳体内径可由下式确定D=t(b-1)+(2_)do对于正三角形排列b=1.1.b = 1.1=23.2D=32(23.2-1)+2.525X=772.9(mm)查JB/T4715-927固定管板式换热器型式与基本参数，可选取DN=800mm的卷制壳体。5.3 折流板采用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h=0.25800=200(mm)取折流板间距B=0.3D,则B=0.3800=240(mm),可取B=300(mm)传热菅长折赖艇折流板数量Nb60001=-1=19(块)3006附件的计算与选型6.1 拉杆数量与直径本换热器传热管外径为25mm,换热管公称直径为800mm拉杆直径/mm换热管外径1014192532384557拉杆直往1012121216161616拉杆数量拉杆直径/mm101216公称直径800mm1086查表可知拉杆直径为16mm拉杆数量86.2 接管壳程流体进出口接管：取接管内内流体流速为U1=25m/s，则接管内径为:=0.409m = 409mm可选择*426x9的接管管程流体进出口接管：取接管内流体流速U2=16m/s,则接管内径为:_4x6528/3600D2=:=0.38m=380mmmii711X16可选择0400X9的接管规格6.3 膨胀节本设计的换热器因壳体壁温与管子壁温之差大于50c,故需在已选择的固定板管式换热器的壳体上安装温度补偿圈。查GB16749-1997压力容器波形膨胀节标准，选择膨胀节的型号为ZDW（B）型（卧式），当DN=800mm时，波高h=0.lV0.2DN,圆弧半径R3s（s为膨胀节的厚度），波长L140+5s则波高h=100mm,圆弧半径R=35mm,波长L=200mm6.4 输送设备本设计需要输送的两种流体均为气体，且操作条件为常压，故可选择鼓风机为本设计的输送设备。根据前面基础数据计算结果可知，半水煤气流量约为110m3/min,变换气流量约为200m3/min,查D系列造气炉鼓风机性能参数表9,可选用型号为D200-21的鼓风机2台，其性能参数如下：进口流量：200m3/min轴功率：104.6KW转速：2960r/min7换热器的核算7.1壳程表面换热系数用克恩法4计算h0=0.36Re0.55Pr1/3（，。.14dew当量直径求算依式3224(t-d0)24de-a4 de =(0.0322-DJ8SXO.0252)=0.02m3.14X0.025壳程流通截面积，依式& = BD(1 dt0)。正 S2S0 = 0.3 0.8(1) = 0.0525m20.032壳程流体流速及其雷诺数分别为*U0 =3.28=62.48m/s0.052S0.02x62.48x0.3672.024XT0-S=22658.261黏度校正lk7：82X103X2.08X10-S=:二三=0.303= 0.36(口)Hw01223044对10.0222658.26pS& X 0.3031/3 = 367.47 W/(m2 - K)7.2管内表面传热系数根据式管束流通截面积hi = 0.023-1 Re0.8 Pr0.4diS=0.785X0.022X445=0.13973m2管内流体流速及雷诺数6涿2。2Ui=12.98mSj0.139730.02X12.98X04235Re=5431.852.024X10-5CpO4.1,871X1000X2.024X10-SPr=0.447Al0.0348一.08042一故hi=0.023XX5431.85*0.447=68.73W/(m-K)7.3 污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻R0=0.0038m2K/W管内侧污垢热阻R=0.00m4K/W管壁热阻按式(3-34)4计算，查表3-114,碳钢在264c时的热导率为42.7 W/(mK)则b0.00252Rw0.00006mK/Ww42.742.8 热系数KC喂詈詈)250.0038X250.00006X251Kc=1/(一一一0.；一).一二_=Kc=33.64W/(m2K)42.9 热面积裕度该换热器的计算传热面积Q3i6%；ig。3Ac=166.76m/gn33.64x56.27该换热器的实际传热面一.3A=TidolNT=3.14159X0.025X6X445=209.99m面积裕度A-Ac209.99-166.76H=M00%=M00%=25.92%Ac166.7传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。42.10 核算若考虑热阻影响Tw=Tm-式中，Rh,Rc分别为热流体和冷流体的污垢热阻，m2-K/Wtm =tz+t370+158-=264CT1+T2 410+270T m =22340Cohc = hi = 68.73W/(m2K)hh = ho = 367.47W/(m2 K)Ah =QKcAT31566033.64X140-2 =67.02m2315660即Tw=340(1/367.47+0.0038)=309.28Co67.02315660tw=264+(1/68.73+0.004)=294.72Co166.76管壁平均温度可取为t=，：=(309.28+294.72)/2=302Co壳体壁温壁温和传热管壁温之差为At=Tm-t=340-302=38Co该温差适当，故可用固定板管式换热器42.11 器内流体阻力计算管程流体阻力壁t=廊如+也Dr)NsNpFsNs=2Np=102由Re=5431.85,传热管相对粗糙度藐=0.01,查狄图得1=0.047，流速u=12.98m/s,p=0.4235kg/m3,所以604235X12.982口=0.047TX-X=503.03Pa0.022ptl2in04235X12.982故APr=3=104.03PaApt=(503.03+104.03)2XK5=1821.18Pa管程流体阻力在允许范围之内。壳程阻力_.s=(_.o+_.i)FsNsNs=2Fs=1流体流经管束的阻力1PHo维；o=FfoNTC(NB+1)F=0.5fo=5X(Reo500)即fo=5X22658.26产28=0.508Ntc=1.1%产=1.1X4450.5=23.205Nb=19uo=62.48m/s邸o=0.5X0.508X23.205X(19+1)X0.367X62.48=1351.52Pa流体流过折流板缺口的阻力3j2BP比i=Nb。5-)_B = 0.3mD=0.8m=599.05Pa2X0.30.367X62.48-i=19X(3.5-)X总热阻腐=1351.52+599.52=1950.58Pa壳程流体阻力在允许范围之内8换热器主要结构尺寸和计算结果表设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm800mm材质碳钢管径/mm125M2.5壳程接管巾426M9管长/mm6000管程接管04009管数目/根445折流板个数19管子排列正三角形间距/mm300拉杆(根)8高度/mm200管心距/mm32mm传热回积/m210m2管程数1壳程数2波形膨胀节型号波高圆弧半径波长ZDW(B)(卧式)100mm35mm200mm鼓风机(2台)型号流Mm/s轴功率KW转速r/minD200-21200104.62960主要计算结果壳程流速m/s12.9862.48表面传热系数/W/(m2K)68.73367.47污垢热阻/(m2K/W)0.0040.0038阻力/pa1821.181950.58热流量/kW315.66传热温差/K56.27传热系数/W/(m2K)33.64裕度/%25.92结语本设计的评述或有关问题的分析讨论此次课程设计，里面数据处理十分得繁琐。但在大家得努力和指导老师得的帮助下，一起完成得很好。通过这次得课程设计，我们大家都学会了不仅要学好化工原理化学反应工程等专业课，还要对其他相关内容知识都要学好用好，只有这样才能为以后的工作和学习打下坚实的基础。我们在这个处理中,直接是按热量横算得到热流体得质量流量。还有密度得求取，按照公式，应该是求平均密度。可是在一定温度下气体得密度没查到，于是我们想到用理想气体方程，即可求出密度。不知可否参考资料1彬，陶鹏万.气体数据手册.北京：化学工业出版社，20032陆振东.化工设计手册.北京：化学工业出版社，19943王志魁.化工原理.北京：化学工业出版社，20044匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20075董大勤.化工机械设备基础.北京：化学工业出版社，20096李功样，陈兰英.常用化工单元设备设计.广州：华南理工大学出版社，20067JB/T4715-92固定管板式换热器型式与基本参数8GB16749-1997压力容器波形膨胀节标准9D系列造气炉鼓风机性能参数表10熊洁羽.化工制图.北京：化学工业出版社，2008