固定管板式换热器

化工原理化工设备课程设计任务书设计题目：年处理2.6万吨原油列管式换热器学生姓名：专业班级：学号：指导教师：宜宾学院化学与化工学院2012年12月23日列管式换热器设计任务书一、设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力二、设计目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的三、设计题目列管式换热器设计四、设计任务及操作条件1 .设计任务设备型式：列管式处理任务：如下表所示:处理量(TW/)物料2.42.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8原油2#煤油柴油2 .操作条件(1)热流体：入口温度140C;出口温度40c(2)冷却介质：岷江水(3)允许压降：不大于0.1MPa(4)物性数据煤油定性温度下的物性数据密度o825kg/m3粘度o7.15104Pas定压比热容cpo2.22kJ/kgoC导热系数o0.14W/moC原油定性温度下的物性数据密度o815kg/m3粘度o3.0103Pas定压比热容cpo2.2kJ/kgoC导热系数00.128W/moC柴油定性温度下的物性数据：密度o715kg/m3粘度o6.4104Pas定压比热容cpo2.48kJ/kgoC导热系数o0.133W/moC五、设计内容1 .设计方案的选择2 .设计计算(1)计算总传热系数(2)计算传热面积3 .主要设备工艺尺寸设计(1)管径尺寸和管内流速的确定(2)传热面积、管程数、管数和壳程数的确定4 .换热器核算5 .设计结果汇总6 .绘制换热器简图目录1 .概述11.1. 换热器的简单介绍11.2. 本设计的目的和意义32 .设计计算42.1. 确定设计方案42.2. 确定物性数据53 .计算总传热系数63.1. 热流量63.2. 平均传热温差63.3. 冷却水63.4. 总传热系数K63.5. 计算传热面积73.6. 工艺结构尺寸83.7. 换热器核算134 .设计结果汇总185 备设计数据表196 得体会207 考文献228 .评语及成绩231. 概述1.1. 换热器的简单介绍在不同温度的流体间传递热量的装置称为热换热器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时会存在两种以上流体参见换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们在上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。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、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。列管式换热器的应用已有很悠久的历史。现在，它被当做一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门嗦使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。1.1.1. 换热器类型根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。1.1.1.1. 固定管板式换热器这类换热器如图1-1所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。RIII冏定管梃式报圾器1一折南挡幄3一饰央m五除4一利央，一推低右一麻板1.1.1.2. U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板,密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10流右。11I2u制竹式换培瑞1.1.1.3. 浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合PST-3汗头式换购腓一无需2周定粉板4-旧网普三A界1ft板6-4头董1.1.1.4. 填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便,耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。用|4用料图式换热襦1一滴剑仰幄2一地料加盖344tM函5或同端板1.2. 本设计的目的和意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：(1)资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。(2)工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。(3)工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。2.设计计算2.1. 确定设计方案2.1.1. 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140C,出口温度40C；冷流体(循环岷江水)进口温度20C,出口温度取350C。该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。参考标准：(1)不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。(2)腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。(4)饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5)被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。(6)需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7)粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。(8)若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。2、流动空间及流速的确定由于循环冷却水较容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，原油走壳程。选用252.5的碳钢管，管内流速取ui0.5m/so2.2. 确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程原油的定性温度为：T(14040)/290(C)管程流体的定性温度为:2035227.5C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据物料密度kg/错误！未找到引用源。定压比热容kJ/(kgC)导热系数W/(mC)粘度Pa-s原油8152.20.1280.003岷江水996.564.180.610.0008543.计算总传热系数3.1.热流量2.6107kg,qmo300926kghqvo36024h3009.26kg/h815kg/m33.69m3hQom0Cpoto3009.262.2(14040)662037.04kJ,h183.899kw3.2.平均传热温差tt1t214035(4020)051.2595C,t1,14035ln-Llnt240203.3.冷却水Qwicpiti662037.037-10558.8(kg/h)4.18(3520)3.4.总传热系数K管程传热系数Redui0.020.5996.560.00085411669.32i0.023idi0.8duiii0.4cpi0.610.023 0.0230.40.84.181030.00085411669.320.61=2550.3Wm20c壳程传热系数假设壳程的彳热系数0350W(m20C);污垢热阻Rsi0.000344m20C/WRso0.000444m20C/W管壁的导热系数45Wm0CdoidiRsidodibd odiRso0.0252550.3 0.020.003440.0250.020.025 0.002545 0.02250.0004441350233.48W(m20C)1.1.1. 传热面积SQKtm183899233.4849.2116(m2)考虑15%的面积裕度，S1.15S1.1516184(m2)3.6. 工艺结构尺寸3.6.1. 管径和管内流速选用252.5传热管（碳钢），取管内流速ui0.5m/so1.管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数Vndi2u4110573.983/(995.73600)18.78919(根)0.7850.00040.5按单程管计算，所需的传热管长度为18.4d0ns3.140.02519s12(m)按单管程设计,传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管l6米，则该换热器管程数为ND-122（管程）pl6传热管总根数N=2X19=38（根）（查化工设备设计手册表9-3）。初选管板式换热器型号为BEM-325-1.6-25.9-6/25-2I。该管板式壳体直径325mm换热面积25.9m2,公称压力1.6压MPa总管数56,2管程，每管程的管子数为28根。3.6.2.平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数R1404035206.73520140200.125按单壳程，两管程结构，温差校正系数应有关图表。但R=10的店在图上难以读出，因而相应以1/R代替R,PR代替P,查同一图线，可得t0.96平均传热温差tmttm0.9651.259549.21(0C)3.6.3. 传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t1.25do,则t1.252531.253amm横过管束中心线的管数nc1.19387,34党6)三角形错排3.6.4. 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率0.7,则壳体内径为D1.05tN1.0532380.7247(mm)圆整可取D=325mm所以壳体的壁厚为8mm(化工单元设备设计表18)3.6.5. 接管法兰与封头选用甲型平焊法兰，JB/T4701-2000(化工设备机械基础表12-2)公称直径DN甲型平焊法兰平PN=1.6MPa螺柱DD1D2D3D4d规格数量3504654304003903872618M1616壳体和封头材料均选择Q235-B设计工作压力为1MPa则Pc1.1MPa筒体厚度6采用安全阀，焊接形式为单面对接焊，进行局部探伤0.8PcDi2 tPc1.1 5002 113 0.8 1.13.06mm腐蚀裕量C11mm钢板负偏差C20.8mm圆整值3.14mmC1C23.06 1 0.8 3.14 8mm椭圆型封头椭圆形标准封头(JB1154-73)公称直径Dgmm曲回图度h1mm直边高度h2mm壁厚Smm内表向积F(ffl2)容积Vm3XGKg碳钢高合金(350)882530.160.008023.82445.1256.44667.7379.12810.4911.8管箱的分程隔板厚度为12mm支座采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，按JB/T4712-1992鞍式支座的BI型（120o包角，焊制，双筋，带垫板），高度为200mm的尺寸选取。位置尺寸为两支座间距离为换热管束长度的0.6倍，且与两端相等。参考标准材料BI325-FJB/T4712-92Q235A,Q235BBIV325-SJB/T4712-92Q235A,Q235B耐油橡胶石棉板（GB151-1999附录H）。垫片厚度，本设计确定为3mm隔板槽部分垫片厚度取10mm圆角尺寸取R=8mm3.6.6. 换热管和管板换热管材料选择碳钢，规格25mm2.5mm外径公差0.20mm上偏差+12%下偏差-10%（化工设备设计手册表9-15）。管板与法兰连接密封面为凸面，分程隔板槽拐角处倒角1045，隔板槽宽度为12mm管板与换热器连接处采用胀焊接合。本设计采用与壳体相同的低碳钢Q235-AE查得管板尺寸为：厚度38mm管箱采用平盖式管箱3.6.7. 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35%则切去的圆缺高度为h0.3532511375(mm),故可取h=150mm取折流板间距B=0.3D,则B0.332597.5(mm),可取B为150mm2传热管长d6000d”，执、Nb.、去.匚、一口匚1139（块）折流板数折流板间距150折流板圆缺面水平装配。3.6.8. 拉杆直径10mm,数量4个3.6.9. 接管壳程流体进口接管：取接管内油品流速u=1.0m/s,则接管内径为,4V43009.263600815d,3.141.0.036（m）取标准管径为40mm6mm参考化工设备设计基础表3-314 10558.8/(3600 996.56)0.0499(米)管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为3.141.5取标准管径为 50mm 6mm参考化工设备设计基础表 3-31。3.7.换热器核算3.7.1. 热量核算3.7.1.1. 壳程对流传热系数对圆缺型折流板，可采用克恩公式0.14a。jHjPL口dew当量直径，由正三角形排列得412do40.03220.7850.0252242dedo3.140.025壳程流通截面积0.020(m)deS0BD(1d0)0.150.325100250.011(m)0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为UoR03009.259(3600815)0.0932(ms)0.0110.020.0932815506.60.003普兰特准数PrU0cp22000.0030.12851.56250.141w0C)由于Re2000，壳程有折流挡板，由于流体被冷却，查表粘度校正0.1281014.2010-51.56253(0.95)236504W(m20.023.7.1.2. 管程对流传热系数0.023Re0.8Pr0.4di管程流通截面积382、Si0.7850.004一0.005966(m)2管程流体流速Ui10558.8(3600996.56)0.4933(m/s)Re0.0059660.020.49336.5611513.30.000845普兰特准数Pr4180O.。008455.8520.612522.95W (m2 0C)0.0230611151330.85.852040.023.7.1.3. 传热系数K1d0dd0bdoD1RsiRsoidididi00.0252522.950.020.0003440.0250.020.00250.025450.02250.0004441236.504193.8W(m20C)3.7.1.4. 传热面积SQ1838992、S吆乎一19.28(m2)Ktm193.849.21该换热器的实际传热面积Spp2Spdl(Nnc)3.140.0256(569)22.137(m2)该换热器的面积裕度为HS-S100%22.13719.28100%14.8%S19.28传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。3.7.2. 2.换热器内流体的流动阻力3.7.2.1. 管程流动阻力PP1P2FtNsNpNs1,Np2,Ft1.4,查莫狄图得Re=11513.3传热管相对粗糙度0.01/20=0.0050.032W/(mC)流速Ui0.4943m/s,996.56kg/m3,所以Pl60.32-0.020.49432皿561164.037(Pa)2P2c996.56320.4943363.76(Pa)2(1164.037363.76)21.44277.8(Pa)0.1MPa管程流动阻力在允许范围内。3.7.2.2.壳程阻力P0PiP2FsNsNS1,Ft1.15流体流经管束的阻力P1Ffnc(NB1)F=0.5，Ns1f783.780.2281.094Nr39,u00.078145P10.51.09484081501442一一1294.2(Pa)流体流过折流板缺口的阻力P2Nb(3.5B=0.15m,D=0.325mP2 39 (3.52 0.15) 0.325 )一一一，28150.144849.2(Pa)2总阻力0.1MPaP012942849.221434(Pa)壳程阻力也比较合适。4.设计结果汇总换热器型式：固定管板式,一一2换热面积（m）:48工艺参数名称壳程物料名称循环岷江水原油操作压力，MPa1.61.6操作温度,0c35/20140/40流量,kg/h10558.83009.26流体密度，kg/m3996.56815流速,m/s0.49330.0932传热量,KW183.92总传热系数，W/mK193.822对流a系数，W/mK2522.95236.52污垢系数，mK/W0.0003440.000444阻力降,MPa0.0042780.0021434程数，21推荐使用材料，碳钢碳钢管子规格，252.538管长，mm6000管间距,mm32排列方式正三角形折流板型式，上下间距，mm150切口高度35%壳体内径,mm325保温层厚度，mm设备设计数据表参数数据壁厚8mm钢板负偏差错误！未找到引用源。0.6mm腐蚀裕量错误！未找到引用源。1.0mm碳素钢管型号025mmx25mm封头型号DN325mm8mm法兰标准JB/T4701-2000管板直径325mm管板厚度40.0mm壳程接管内径28mm壳程接管外径52mm管程接管内径38mm管程接管外径62mm心得体会为期两个星期的课程设计结束，这次设计的是年处理2.6万吨原油列管式换热器。虽然为期不长，但收获颇多。我相信大部分同学知道自己课程设计的任务之后，很多都是一片茫然，要么就是和我一样觉得这是一个艰巨困难(省略N个形容难的词)的几乎不可逾越的任务，特别是建立在我们以前没有做过。但是最后，无论好坏，我们都拿出了作品，至少它是完成了的。所以在这的第一个小心得就是心态必须摆好，必须端正自己的态度，要抱有坚定，努力的强大信念。这次课程设计是我接触的第一个专业课程设计，所要用到的知识很多，包括机械设计基础、机械制图、工程热力学、流体力学、制冷原理和换热器原理与设计等方面的知识。这些知识不是机械的相加，而是需要全面的考虑和整体布局，不止一次因为考虑不全而要重新来过(重复反复计算了不少于10遍)；有时会不耐烦，可想想不耐烦对我没有任何益处，便及时的调整过来。这次设计巩固我以前所学习的知识，让我专业知识有了更深的认识和理解。在换热器的设计过程中，我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点：(1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力，在网上找了一些资料，例如化工原理课程设计换热器化工设备设计手册在此，跟大家推荐两个比较好的网站，一是豆丁网，二是三车资料库，上面的资料挺全的，而且里面有很多大学课程的资料，对以后的学习也是很有帮助的；(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护和优化成本的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力；(4)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力；(5)进一步巩固了word文档的基本操作，为以后工作打下了基础。其实，这个课程设计不仅巩固了我的专业知识，而且也提高了我自己的短时间吸收接纳新的知识的能力(自我觉得这一点很重要)，而且也真正的了解到了什么叫学以致用，实践是知识体现的方式！通过这个设计，我也知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。大致能表达的有这么多，但是心里感触还是有很多在此，感谢徐慎颖老师和张燕老师给我们提供了这么一个学习的机会，让我们把所学的知识得以运用，感谢徐慎颖老师和张燕老师对我们的耐心指导，让我们的设计得以顺利完成，让我明白什么是严谨的科学态度。参考文献1朱有庭，曲文海，于浦义.化工设备设计手册（上卷）M.化学工业出版社，20052李功祥，陈兰英，崔英德.化工单元设备设计M.华南理工大学出版社，20063陈裕清.化工原理M.上海:上海交通大学出版社，2008.4黄英化工过程设计M.西安:西北工业大学,2005.5匡照忠.化工机器与设备M.北京:化学工业出版社，2006.4.6卓震化工容器及设备M.北京:中国石化出版社,2008.口喻健良.化工设备机械基础M.大连:大连理工大学出版，2009.7.8董大勤.化工设备机械基础M.北京:化学工业出版,2002.12.9潘继红.管壳式换热器的的分析与计算M.北京:科技出版社，1996.10高安全，崔金海.化工设备机械M.北京:化学工业出版社,2007.12.11毛希澜.换热器设计M.上海:上海科学技术出版社,1988.12马秉骞化工设备M.北京:化学工业出版社,2009.7.13刁玉伟，王立业.化工设备机械基础M.大连:大连理工大学出版,2000.14董其伍.换热器M.北京:化学工业出版社,2008.12.15柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计M.天津科学技术出版社，199516邹华生，钟理等.传热传质过程设备设计M.华南理工大学出版社，200717朱有庭，曲文海，于浦义.化工设备设计手册（上卷）M.化学工业出版社，200518李功祥，陈兰英，崔英德.化工单元设备设计M.华南理工大学出版社，200619赵军，张有枕，段成红.化工设备机械基础M.化学工业出版社，20075.评语及成绩题目列管式换热器成绩系（分院）化学与化工学院年级学号学生姓名评语指导教师签名：2012年12月30日