化工原理课程设计列管换热器的工艺设计精品.docx
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化工原理课程设计列管换热器的工艺设计精品
目录
1.概述1
2.设计方案分析2
2.1换热器的类型2
2.2设计方案简介3
2.2.1换热器类型的选择3
2.2.2流径的选择4
2.2.3流速的选择5
2.2.4材质的选择6
2.2.5管程结构6
2.2.6壳程结构与相关计算公式6
3.工艺及结构尺寸计算8
3.1物性数据的确定8
3.2估算传热面积8
3.2.1热流量8
3.3工艺结构尺寸9
3.3.1管径和管内流速9
3.3.2管程数和传热管数9
3.3.3平均传热温差校正及壳程数9
3.3.4传热管排列和分程方法10
3.3.5壳体内径10
3.3.7其他附件11
3.3.8接管11
4换热器核算11
4.1壳程表面传热系数11
4.2污垢热阻和管壁热阻12
4.3传热系数K13
4.3.1传热面积裕度14
4.4壁温核算14
4.5换热器内流体的流动阻力15
4.5.1管程流体阻力15
4.5.2壳程阻力15
5.结果汇总17
6.文献参考18
7.编者小结19
化工原理课程设计任务书
一设计题目:
列管换热器的工艺设计
二设计条件
某生产过程中,反应器的混合气体经与进物料换热后,用循环冷却水将其从105℃进一步冷却到55℃后,进入吸收塔吸收其中的可溶组分。
已知混合气体的流量为320000kg/h,压力为7MPa,循环冷却水的压力为0.4MPa,循环冷却水的入口温度为20℃,出口温度36℃。
已知该混合气体在此温度范围内的物性数据:
密度9kg/m3;定压比热容3.297kJ/(kg℃);热导率0.0279W/(m℃);黏度1.5*10-5Pas.
3、设计任务
设计一列管换热器。
设计一列管换热器。
1根据生产任务的要求确定设计方案
(1)换热器类型的选择
(2)换热器内流体流入空间的选择
2化工计算
(1)传热面积的计算
(2)管数、管程数及管子排列,管间距的确定
(3)壳体直径及壳体厚度的确定
3换热器尺寸的确定及有关构件的选择
4换热器流体阻力的计算及其输送机械的选择(选做)
四设计结果总汇
1、设计说明书(目录、概述、工艺设计计算(包括选择结构,传热计算,压力核算等)、结构设计与说明、设计总结、参考文献)
2、工艺流程示意图(手绘于设计说明书中)。
3、工艺条件图(A2)。
五参考文献
[1]贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计.天津:
天津大学出版社,2002
[2]大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连:
大连理工大学出版社,1994
[3]谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理(第二版).北京:
化学工业出版社,1998
[4]时钧主编.化学工程手册(第二版).北京:
化学工业出版社,1996
[5]潘国昌,郭庆丰.化工设备设计.北京:
清华大学出版社,1996
[6]上海医药设计院.化工工艺设计手册.北京:
化学工业出版社,2000
[7]路秀林,王者相等.塔设备.北京:
化学工业出版社,2004
[8]化工设备技术全书编辑委员会.化工设备全书—换热器设备设计.上海:
上海科学技术出版1988
[9]陈敏恒,丛德兹等.化工原理(上、下册)(第二版).北京:
化学工业出版社,2000
[10]柴诚敬,刘国维,李阿娜.化工原理课程设计.天津:
天津科学技术出版社,1995
1.概述
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器,简称为换热器。
换热器是化学、石油化学剂石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备,它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用,而且是一些化工单元操作的附属设备,因此在化工生产中占重要地位。
通常在化工厂的建设中换热器的投资比例为11%,在炼油长高达40%。
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。
35%~40%。
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缺点,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。
完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求:
(1)合理地实现所规定的工艺条件 :
传热量、流体的热力学参数(温度、压力、流量、相态等)与物理化学性质(密度、粘度、腐蚀性等)是工艺过程所规定的条件。
(2)安全可靠:
换热器是压力容器,在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时,应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。
(3)有利于安装、操作与维修:
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与装拆,在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍,根据需要可添置气、液排放口,检查孔与敷设保温层。
(4)经济合理:
评价换热器的最终指标是:
在一定的时间内(通常为1年)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。
动力消耗与流速的平方成正比,而流速的提高又有利于传热,因此存在一最适宜的流速。
传热面上垢层的产生和增厚,使传热系数不断降低,传热量随之而减少,故有必要停止操作进行清洗。
在清洗时不仅无法传递热量,还要支付清洗费,这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿,因此存在一最适宜的运行周期。
严格地讲,如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的,应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。
但要解决这样的问题难度很大,当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时,按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。
综上所述,对列管式换热器进行工艺设计。
2.设计方案分析
2.1换热器的类型
列管式换热器又称为管壳式换热器,是最典型的间壁式换热器,历史悠久,占据主导作用,主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。
一种流体在管内流动,其行程称为管程;另一种流体在管外流动,其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大,传热效果好,结构坚固,可选用的结构材料范围宽广,操作弹性大,因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
为提高壳程流体流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍流程度大为增加。
列管式换热器中,由于两流体的温度不同,使管束和壳体的温度也不相同,因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大(50℃以上)时,就可能由于热应力而引起设备的变形,甚至弯曲或破裂,因此必须考虑这种热膨胀的影响。
2.1.1换热器
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。
由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同,故换热器的类型也是多种多样。
按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类:
混合式、蓄热式、间壁式。
间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。
在这类换热器中,冷、热流体被固体壁面隔开,互不接触,热量从热流体穿过壁面传给冷流体。
该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。
间壁式换热器的应用广泛,形式繁多。
将在后面做重点介绍。
直接接触式换热器又称混合式换热器。
在此类换热器中,冷、热流体相互接触,相互混合传递热量。
该类换热器结构简单,传热效率高,适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。
常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。
蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。
此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体,将热量由热流体传给冷流体。
当蓄热体与热流体接触时,从热流体处接受热量,蓄热体温度升高后,再与冷流体接触,将热量传给冷流体,蓄热体温度下降,从而达到换热的目的。
此类换热器结构简单,可耐高温,常用于高温气体热量的回收或冷却。
其缺点是设备的体积庞大,且不能完全避免两种流体的混合。
工业上最常见的换热器是间壁式换热器。
根据结构特点,间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。
紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。
管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。
其中,列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备,在许多工业部门被大量采用。
列管式换热器的特点是结构牢固,能承受高温高压,换热表面清洗方便,制造工艺成熟,选材范围广泛,适应性强及处理能力大等。
这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。
使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上,而管板则安装在壳体内。
因此,这种换热器也称为管壳式换热器。
常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。
2.2设计方案简介
2.2.1换热器类型的选择
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)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。
(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%左右。
(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。
(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。
所设计的换热器用于冷却混合气体且两流体温度变化情况:
热流体进口温度110℃,出口温度60℃;冷流体进口温度29℃,出口温度39℃,该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时,其进口温度会降低,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,因此初步确定选用浮头式换热器。
2.2.2流径的选择
在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个,使传热面两侧传热系数接近;在运行温度较高的换热器中,应尽量减少热量损失,而对于一些制冷装置,应尽量减少其冷量损失;管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理,以保证运行的可靠性。
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。
(3)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(Re>100)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。
综合考虑以上标准,确定混合气应走壳程,循环冷却水走管程。
2.2.3流速的选择
表2-1换热器常用流速的范围
介质
流速
循环水
新鲜水
一般液体
易结垢液体
低粘度油
高粘度油
气体
管程流速,m/s
1.0~2.0
0.8~1.5
0.5~3
>1.0
0.8~1.8
0.5~1.5
5~30
壳程流速,m/s
0.5~1.5
0.5~1.5
0.2~1.5
>0.5
0.4~1.0
0.3~0.8
2~15
由于增加流体在换热器中的流速,将加大对流传热系数,减少污垢在管子表面上沉积的可能性,即降低了污垢热阻,使总传热系数增大,从而可减小换热器的传热面积。
但是流速增加,又使流体阻力增大,动力消耗就增多。
故拟取循环水流速为1.1m/s。
2.2.4材质的选择
列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。
在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。
同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。
目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等;非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。
根据实际需要,可以选择使用高级冷拔传热管(碳钢)。
2.2.5管程结构
换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列,如下图所示。
(a)正方形直列 (b)正方形错列 (c)三角形直列
(d)三角形错列 (e)同心圆排列
正三角形排列结构紧凑;正方形排列便于机械清洗。
对于多管程换热器,常采用组合排列方式。
每程内都采用正三角形排列,而在各程之间为了便于安装隔板,采用正方形排列方式。
管板的作用是将受热管束连接在一起,并将管程和壳程的流体分隔开来。
管板与管子的连接可胀接或焊接。
2.2.6壳程结构与相关计算公式
介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。
壳程内的结构,主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。
由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同,壳程内对各种元件的设置形式亦不同,以此来满足设计的要求。
各元件在壳程的设置,按其不同的作用可分为两类:
一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动,来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板,如折流板、纵向挡板。
旁路挡板等;另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。
壳体是一个圆筒形的容器,壳壁上焊有接管,供壳程流体进人和排出之用。
直径小于400mm的壳体通常用钢管制成,大于400mm的可用钢板卷焊而成。
壳体材料根据工作温度选择,有防腐要求时,大多考虑使用复合金属板。
介质在壳程的流动方式有多种型式,单壳程型式应用最为普遍。
如壳侧传热膜系数远小于管侧,则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。
用两个换热器串联也可得到同样的效果。
为降低壳程压降,可采用分流或错流等型式。
壳体内径D取决于传热管数
、排列方式和管心距t。
计算式如下:
单管程
D=t(nc-1)+(2~3)d0
式中t——管心距,mm;
d0——换热管外径,mm;
nc——横过管束中心线的管数,该值与管子排列方式有关。
正三角形排列:
正方形排列:
多管程
式中N——排列管子数目
;η——管板利用率。
正角形排列:
2管程η=0.7~0.85
>4管程η=0.6~0.8
正方形排列:
2管程η=0.55~0.7
>4管程η=0.45~0.65
壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。
在壳程管束中,一般都装有横向折流板,用以引导流体横向流过管束,增加流体速度,以增强传热;同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。
折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等.圆缺形折流板又称弓形折流板,是常用的折流板,有水平圆缺和垂直圆缺两种。
切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为20%~50%。
垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。
垂直圆缺时,不凝气不能在折流板顶部积存,而在冷凝器中,排水也不能在折流板底部积存。
弓形折流板有单弓形和双弓形,双弓形折流板多用于大直径的换热器中。
折流板的间隔,在允许的压力损失范围内希望尽可能小。
一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm,最大值决定于支持管所必要的最大间隔。
壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。
当加热蒸汽或高速流体流入壳程时,对换热管会造成很大的冲刷,所以常将壳程接管在入口处加以扩大,即将接管做成喇叭形,以起缓冲的作用;或者在换热器进口处设置挡板。
3.工艺及结构尺寸计算
3.1物性数据的确定
定性温度:
对于一般气体和水等低粘度流体,其定性温度可取流体进出口的平均值。
故课程混合气体的定性温度为
℃
管程流体的定性温度
℃
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
对混合气体来说,最可靠的物性参数是实测值。
若不具备此条件,则应分别查取混合物各组分的有关物性参数,然后按相应的加和方法求出混合气体的物性参数。
混合气体在80℃下的有关物性数据如下:
循环冷却水在28℃的物性数据:
3.2估算传热面积
3.2.1热流量
3.2.2平均传热温差先按纯流体计算
3.2.3传热面积由于壳程气体的压力较高,故可选去较大的K值。
假设K=350W/(㎡.K)则估算的传热面积为
3.2.4冷却水用量
3.3工艺结构尺寸
3.3.1管径和管内流速
选用
较高级冷拔管(碳钢),取管内流速
。
3.3.2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
按单管程计算,所需传热管长度为
按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构。
根据本设计实际情况,采用非标设计,现取传热管长
则该换热器的管程数为
传热管总数
3.3.3平均传热温差校正及壳程数
按单壳程,多管程结构,查温差校正系数图得
平均传热温差
由于平均温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。
3.3.4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取管心距
,则
隔板中心到离其最近一排管中心距离
各程相邻管的管心距为44mm。
管束的分程方法,每程各有传热管637根,其前后官箱中隔板设置和介质的流通顺序化工单元过程设计及设备课程设计P68图3-14选取的。
3.3.5壳体内径
采用多管程结构,壳体内径按下列公式估算。
取管板利用率
,则壳体内径为
按卷制壳体的进级挡,可取
.
3.3.6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
取折流板间距
,则
折流板数
切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为20%~50%。
切缺率=
3.3.7其他附件
拉杆数量与直径按标准选取,本换热器壳体内径为1450mm,故其拉杆直径为
拉杆数量不少于10个。
壳程入口处,应设置防冲挡板
3.3.8接管
壳程流体进出口接管:
取接管内液体流速
,则接管内径为
圆整后取管内经为360mm。
管程流体进出口接管:
取接管内液体流体流速
,则接管内径为
圆整后取管内径为340mm。
4换热器核算
4.1壳程表面传热系数
用克恩法计算
当量直径
壳程流体通截面积
壳程流体流速及其雷诺数分别为
普朗特数
粘度校正
管内表面积传热系数
管程流体流通截面积
管程流体流速
普朗特数
4.2污垢热阻和管壁热阻
按表3-1,可取
表3-1一些物料的污垢热阻大致数据范围
流体
污垢热阻
水蒸气优质——不含油
0.052
0.0000605
水蒸气劣质——不含油
0.09
0.000105
处理过的盐水
0.264
0.00030
有机物
0.176
0.000205
燃烧油
1.056
0.00123
焦油
1.76
0.00205
空气
0.26~0.53
0.000302~0.000617
溶剂蒸汽
0.14
0.000163
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
管壁热阻依表3-2,碳钢在该条件下的热导率
表3-2常用金属材料的热导率
温度/℃
0
100
200
300
400
铝
227.95
227.95
227.95
227.95
227.95
银
414.03
409.38
373.32
361.69
359.37
碳钢
52.34
48.85
44.19
41.87
34.89
不锈钢
16.28
17.45
17.45
18.49
_
碳钢在该条件下的热导率为50W/m·K。
所以
4.3传热系数Kc
4.3.1传热面积裕度
传热面积Ac为
该换热器的实际传热面积
该换热器的面积裕度计算
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
4.4壁温核算
因管壁很薄,管壁热阻很小,且由于该换热器用循环冷却水,冬季操作时,循环水的进口温度将会降低。
为确保可靠,取循环冷却水进口温度为15℃,出口温度为36℃计算传热管壁温。
另外,由于传热管内侧污垢热阻较大,会使传热管壁温上升,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可能较大。
计算中,应按最不利的条件考虑,因此,取两侧污垢热阻为零件计算传热管壁温。
于是按
式中液体的平均温度
和气体的平均温度分别为
传热管平均壁温
壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即T=80℃.
壳体壁温和传热管壁温之差为
该温差较大,故需设温度补偿装置。
由于换热器壳程流体压力较高,因此,需选用浮头式换热器较为适宜。
4.5换热器内流体的流动阻力
4.5.1管程流体阻力
由Re=27025,传热管对粗糙度
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