管板式换热器详细设计分解.docx
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管板式换热器详细设计分解
换热器设计
1.换热器选型说明
1.1换热器类型
换热器类型很多,按其用途分,有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸
器。
按其结构分,有列管式、板式等。
不同类型换热器,其性能各异。
管型换热器又可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器。
板型换热器可分为螺旋板式换热器、板式换热器、板翘式换热器。
换热器的结构分类见下表:
表1-1换热器的结构分类
固定管
刚性结构:
用于管壳温差较小的情况(一般
板式
<50°C),管间不能清洗
带膨胀节:
有一定的温度补偿能力,壳程只能
承受较低压力
浮头式
管内外均能承受高压,可用于高温高压场合
管壳式
U型管
管内外均能承受高压,管内清洗及检修困难
式
外填料函:
管间容易漏泄,不宜处理易挥发、
管
填料函
易爆易燃及压力较高的介质
式
式
内填料函:
密封性能差,只能用于压差较小的
场合
釜式
壳体上都有个蒸发空间,用于蒸汽与液相分离
双套管
结构比较复杂,主要用于高温高压场合,或固
式
定床反应器中
套管式
套管式
能逆流操作,用于传热面较小的冷却器、冷凝
器或预热器
螺旋盘浸没式
用于管内流体的冷却、冷凝,或者管外流体的
管式
加热
喷淋式
只用于管内流体的冷却或冷凝
板式
拆洗方便,传热面能调整,主要用于粘性较大
的液体间换热
螺旋板
可进行严格的逆流操作,有自洁作用,可回收
低温热能
板式
伞板式
伞形传热板结构紧凑,拆洗方便,通道较小,
易堵,要求流体干净
板壳式
板束类似于管束,可抽出清洗检修,压力不能
太高
扩展表
板翅式
结构十分紧凑,传热效率高,流体阻力大
面式
管翅式
适用于气体和液体之间传热,传热效率高,用
于化工、动力、空调、制冷工业
回旋式盘式
传热效率咼,用于咼温烟气冷却等
蓄热
鼓式
用于空气预热器等
式
固定格紧凑式
适用于低温到高温的各种条件
室式非紧凑
可用于高温及腐蚀性气体场合
式
1.2换热器类型选择
换热器选型时需要考虑的因素是多方面的,主要有:
1流体的性质;
2热负荷及流量大小;
3温度、压力及允许压降的范围;
4设备结构、材料、尺寸、重量;
⑤价格、使用安全性和寿命。
在换热器选型中,除考虑上述因素外,还应对结构强度、材料来源、制造条
件密封性、安全性等方面加以考虑。
1.3管壳式换热器的分类与特点
在众多类型的换热器结构中,管壳式换热器是用得最广泛的一种换热设备类型。
它的突出优点是:
单位体积设备所能提供的传热面积大,传热效果好,结构坚固,而且可以选用的结构材料范围也比较宽广,清洗方便,处理量大,工作可靠,故适应性较强,操作弹性较大。
它的设计资料和数据比较完善,目前在许多国家已有系列化标准,因而在各种换热器的竞争发展中占有绝对优势。
综合考虑该类型换热器的优点和本次设计工艺的特点,大部分都采用的是管壳式换热器。
管壳式换热器是把管子与管板连接,再用壳体固定。
它的型式大致分为固定管板式、釜式、浮头式、U型管式、滑动管板式、填料函式及套管式等几种。
表1-2管壳式换热器的性能对比表
耗用
结构复杂,造价
对密封要求高
壳体和管束之间壁
结垢的场合
2.换热器设计举例.
本工艺主要分为三个部分:
预处理反应部分、吸收部分和精馏部分。
这三个部分总共有26台换热器(换热器,冷凝器,再沸器)。
我们主要对吸收部分的
E0202换热器做详细设计。
2.1设计任务和设计条件.
本工艺流程中,丙烯腈分离塔T-106底侧线出来的循环水经给原料丙烯加热后,用液氨将其从69.62C进一步冷却至4C之后,与新鲜循环水混合进入混合
器做为氢氰酸吸收塔T-103的吸收剂。
设计条件表2-1:
介质
进口温度
(C)
出口温度
(C)
压力
(MPa
流量
(kg/h)
循环水
69.62
4
0.132
414351
液氨
-25
-24.36
0.178
2.2确定设计方案
2.2.1选择换热器类型
两流体温差变化情况:
热流体(循环水)进口温度69.62C,出口温度4C;
冷流体(液氨)进口温度-25C,出口温度-24.36C。
两流体均不易结垢且能够
清洗,管、壳侧温差较大,综合考虑,初步确定选用固定管板式换热器。
222流程安排
从两流体的进、出口温度来看,热流股(循环水)属于被冷却介质,为
了方便散热,宜走壳程;考虑到冷流股(液氨)对管道具有一定的腐蚀作用,为了避免壳体和管束同时被腐蚀,宜走管程。
2.3确定物性数据
2.4估算传热面积
△tm来估算传热面积。
1.传热量
Q=WhCph也t=414351X5.12X(69.62-4)=1.39*108(KJ/h)=38611.1KW
2.液氨量
8
1.39*10
Wc=Q=1.39*10°=4.28*107(kg/h)
Cpc(t2-tj5.075*(24.36+25)
3.
平均传热温差
按单壳程,双管程结构,查温差校正系数图得:
所以平均传热温差:
Atm=£AtAt.m=54.99*0.98=53.89C
3.估算传热面积
2.5工艺结构尺寸
1.管径和管内流速
选用①25X2.5的16Mn材质的传热管,取管内流速为Ui=1.15m/s.
2.管程数和传热管数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数,管长I取12m
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,采用标
3.平均传热温差校正与壳程数
温差校正系数8At与流体的进出口温度有关,也与换热器的壳程数及管程数有
£Ata:
0.98
关。
首先得计算出R和P,再按温差校正系数图查取8At值,得:
由于&A“0.98>0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。
4.传热管排列及管心距
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。
因为正三角形排列在相同的管板面积上可排较多的管子,并且管外表面传热系数
较大;正方型排列,管外易于进行机械清理。
综合考虑组合排列的优点和该换热器的特点,传热管采用组合排列法。
取管心距a=1.25do
则管心距为:
a=1.25X25=31.25"32mm
隔板中心到离其最近一排管中心距离为:
a32
S=—+6=——+6=22(mm)
2S=2x22mm=44mm
22
各程相邻管的管心距为:
通过管中心线管数:
Ntc=1.1jNt=1.ix7i962=48.7
5.壳体内径
采用多管程结构,壳体内径可按下式计算,取管板利用率n=0.80,则壳体
内径为:
D=1.05a1空=1.05咒32咒/邂=1664.0(mm
VYo.8O
按卷制壳体的进级档,圆整可取D=1700mm
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%。
(2)取折流板间距为:
B=0.20D=0.20x1700mm=39(0mm
按标准圆整后取B=450mm
⑶折流板数NB:
NB=折流板间距-1=6000-^12.3取13(块)
折流板圆缺面水平装配。
不设旁流挡板,Nbo=O.
换热管外径/mm
10
14
19
25
32
38
45
57
直径/mm
10
12
12
26
16
16
16
16
7.拉杆
(1)拉杆直径
表2-3:
换热管的外径为25mm,所以拉杆直径为16mm
⑵拉杆数量表2-4:
、、公
\称直
<400
>400
<700
>700
<900
>900
<1300
>1300
<1500
>1500
<1800
>1800
<2000
10
4
6
10
12
16
18
24
12
4
4
8
10
12
14
18
16
4
4
6
6
8
10
12
杆直径*=16mm所以拉杆数量为10.
拉杆数量:
查拉杆数量与壳体公称直径表,本换热器壳体内径为1700mm拉
(3)拉杆尺寸
拉杆的长度=La+d+Lb,如下表2-5的标准:
拉杆直径d/mm
拉杆螺纹公称直径dn/mm
La/mm
Lb/mm
管板上拉杆孔
深Ld/mm
10
10
13
>40
16
12
12
15
>50
18
16
16
20
>60
20
从表中可以得到:
直径d=16mn的拉杆;拉杆螺纹公称直径dn=16mm;,管板上拉杆孔深Ld=20mm;Lb>60mm.La=20mm
拉杆长度=La+d+Lb>96mm
拉杆与管板的固定形式:
全焊接方法
8.防冲挡板:
液体物料P『=1221.72x2.52=7635.6kg/(m.s2)>740kg/(m.s2),
要设置防冲挡板。
9.接管
(1)壳程流体进出口接管:
取接管内液体的流速为U1=2.5m/s则接管内径为:
兀咒2.5
D1谣屮414351(3600皿.72皿-219m=219mm
圆整后可取管内径为250mm.
⑵管程流体进出口接管:
取接管内流体的流速为U2=2.65m/s则接管内径为:
兀咒2.65
D2=\存彳4"1。
7®6!
!
!
!
m=0.951m=951mm
圆整后可取管内径为1000mm
10.管板结构
根据:
壳体的内径为1700mm,圆整后的公称直径为1800mm;
操作压力=0.132MPa,定性温度=36.8「C
查固定管板式换热器管板尺寸得到有关尺寸:
固定管板长度D=1960mm;D1=1910mm;D2=1790mm;D3=1798mm;
D5=D6=1800mm;D7=1850mm;b=50mm;c=14mm;d=27mm
螺栓孔数=64个.
2.6换热器核算
261热流量核算
1.壳程表面传热系数a0
用克恩法计算:
—36±需5Pr逍)。
.14
壳程流体流速及雷诺数分别为:
普朗特常数:
管程流体流速及雷诺数:
普朗特常数:
管内表传热系数为:
A0.80.40.57850.80.4,,2.、
j=0.023d:
RePr=0.0230.02(208669⑸(O.325-482304W/(m.k)3.污垢热阻和管壁热阻
查取污垢系数表,可取
2
管外侧污垢热阻:
Ro=0.0006m.k/w
管内测污垢热阻:
Ri=0.000172m2.k/w
表2-5常用金属材料的热导率/[W/(m.k)]
温度/r
0
100
铝
227.95
227.95
铜
383.79
379.14
镍
93.04
82.57
碳钢
52.34
48.58
不锈钢
16.28
17.45
16MnDG在该条件下的热导率近似为50W/(mk)
管壁热阻:
Rw=—=0.0025=0.00005(m2.k/w)几50
4.总传热系数K)
K。
=
=855W/(m2.k)
5传热面积裕度
换热器的实际传热面积为:
Ap=呵0卜=^x0.025X6xi962=924.1m2
837.99
传热面积裕度;:
H=Ap^=9^3^=10.28%
传热面积裕度合适,该换热器能够为完成生产任务。
262壁温核算管、壳侧(Re=2086690.5>4000、(Re=13626.9>4000均为湍流。
壳侧热流股的平均温度:
T=0.4Ti+0.6T2=0.4X69.62+0.6x4=30.248C
管侧冷流股的平均温度:
tm=0.4t2+0.6t1=0.4X(-24.36)+0.6x(-25)=-24.744C
22
ac=ai=48230.4w/(m.k)ah=a0=4816.96w/(m.k)
传热管平均壁温:
t=Tm'q+tm皿h=30.248"48230.4+(-24.744)/4816.96二伯花C
+1'ah1,48230.4+14816.96
壳体壁温:
可近似取为壳程流体的平均温度,即T=6962+4=36.8「C
2
壳程温差与传热管壁温之差为:
At=T-t=36.81-(-19.75)=56.56C
该温差较大,因此需设置温度补偿装置。
2.6.3换热器内流体的流动阻力1.管程流体阻力
管程流体的阻力等于流体流经传热管直管阻力和换热器管程局部阻力之和,即
△pt=(Api+Apr)NsNpFs
局部阻力:
22
△pr=E如=3x671.37x(0.575)=332.96Pa(—般情况取匚=3)2-
管程流体的总压力损失:
Apt=(Api+Apr)NsNpFs=(1198.6+332.96)X1x2x1.5Pa=4594.68
Pa
2壳程阻力
0――壳程流体的摩擦系数,当Re>500时,f。
=Re0^.228
Ntc――横过管束中心线的管子数;Nb――折流挡板数;
卩0――按壳程流通截面积计算的流速(m/s),u0=Wh
0.214m2
A0
A。
=B(D-NTCd。
)=0.45X(1.7-49X0.025)
U0=WL=414351(671.37%3600)=0.801m2
AO
0.214
管束阻力为:
49X(13+1)
山Pi=Ff0NTc(NB+1)巫=0.5X17667.9亠28、汉
2
咒6713込01!
=7945.7Pa
流体流过折流板缺口的阻力:
XZ2B、fU;2X0.45、671.37咒(0.801)2c厂
=Nb(3.5)—-=13咒(3.5)=8317.3.Pa
D21.7
壳程总阻力:
APs=(Api+Apr)NsFs=(7945.7+83173X1x1.15=187O2.45Pa
表2-6列管换热器允许阻力范围
操作压力/pa
允许压力/pa
P<105(绝压)
Ap=0.1p
P=0~105(表压)
△p=0.5P
p>105(表压)
△pv5x104
分析计算结果:
管程流体总压力损失为4594.68Pa,壳程总压力降为
18702.45Pa壳程压力为0.132MPa,管程压力为0.178MPa。
该换热器的实际压力
损失△p小于5咒104,即管、壳程的压力损失都在允许的范围之内,管、壳程流体的阻力也比较适宜。
2.7换热器结果一览表
表2-7换热器主要结构尺寸和计算结果表
参数
管程
壳程
流率/(kg/h)
98500
414351
进/出温度厂C
-25/-24.36
69.62/4
压力/MPa
0.178
0.132
物
性
定性温度/C
-24.68
36.81
密度/(kg/m3)
671.37
1221.72
比压比热容/kJ/kgK-
5.075
5.12
黏度/(pas)
0.37x10"
0.78x10°
热导率/(W/m-K)
0.5785
0.7578
普朗特数
0.325
5.27
设
备结构参
形式
固定管板
台数
1
壳体内径/mm
1700
壳程数
1
管径/mm
①25X2.5
管心距/mm
32
管长/mm
6000
管子排列
△
管数目/根
1962
折流板个数
13
传热面积/m2
924.1
折流板间距/mm
450
管程数
2
材质
16Mn
拉杆直径/mm
16
拉杆数量
1
数
圆缺高度/mm
425
拉杆长度/mm
>96
管板长度/mm
1960
管板宽度b/mm
50
管板Dj/mm
1910
管板Dz/mm
1790
管板D3/mm
1798
管板D5>D6/mm
1800
管板c/mm
14
管板d/mm
27
拉杆螺纹公称直径/mm
16
管板上拉杆孔深/mm
20
拉杆与管板的连接方式
全焊接
管板上螺栓孔数/个
64
主要计算结果
管程
壳程
流速/(m/s)
0.575
0.564
表面
传热系数
48230.4
5556.5
/[w/(m2k)]
污垢热阻/[m2k/w]
0.0006
0.000172
阻力/MPa
0.004595
0.0187
流通截面积/m2
0.308
0.167
热流量/kw
38611.1
传热温差/k
53.89
传热系数/[W/(m2k)]
855
10.2
裕度/%
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