列管式换热器设计说明书.docx

列管式换热器设计说明书 摘要： 列管式换热器属于间壁式换热器，冷热流体通过换热管壁进行热量的交换。参照任务书的任务量,需设计年冷却15000吨乙醇的列管式换热器，设计时先确定流体流程，壳程走乙醇，其进、出口温度都为80，相变放出潜热，井水走管程冷却乙醇，进口温度为32，出口温度为40。再进行热量衡算、传热系数校核，初选冷凝器的型号，然后通过进行设备强度校核等一系列的计算和选型，最终确定的设计方案为固定管板式换热器，所选用型号为BEM400-2.5-30-9/25-2 ，换热器壳径为400mm，总换热面积为27.79m2,管程为2，管子总根数为60，管长6000 mm,管束为正三角排列，两端封头选取标准椭圆封头。 关键词：列管式换热器，乙醇，水，温度，固定管板式。 Abstract: The tube type heat exchanger is a dividing wall type heat exchanger, fluids with different temperatures exchange heat by means of tube walls heat transfer.According to the assignment, A tube type heat exchanger which has a process capacity of .?4 1510t/a is needed. The ethanol flow in the shell,the temperature in the entrance and exits is 80.The water which cool the ethanol flow in tubes, the inlet and outlet temperatures are 32and 40.Then by taking series calculating to confirm the module of the heat exchanger . After the design of intensity designing and a series calculating and choosing , the last result of our design is the fasten-board heat exchanger. The style of the heat exchange is 9 BEM400 2.530 2 25 -, and the diameter of the receiver is 400mm ,The area of the heat exchange is 27.79 m2, The heat-exchanger in cludes two tube passes,one shell passes and 60 tubes.And the length of tubes is 6000mm . Tubes are ranked of the shape of triangle ，the envelops are oval-shaped. 目录 1前言 (3) 2设计条件 (3) 3设计方案的确定 (3) 3.1设计原则 (3) 3.2结构初选 (4) 4列管式换热器的设计计算 (10) 4.1列管式换热器型号的初选 (10) 4.2核算总传热系数： (13) 5列管式换热器的初步计算及选型 (15) 5.1试算并初选换热器规格 (15) 5.2设计校核 (19) 6设备尺寸的确定及强度校核 (22) 6.1计算圆筒厚度 (22) 6.2封头设计 (23) 6.3拉杆定距管尺寸 (24) 6.4管板 (25) 6.5容器法兰 (26) 6.6接管与接管补强 (27) 6.7管箱的计算 (33) 6.8折流挡板 (33) 6.9焊接方式 (34) 6.10支座 (34) 6.11辅助设备 (38) 7设计结果概要 (39) 8课程设计心得 (40) 9参考文献 (42) 1前言 艰辛知人生，实践长才干。任何时候实践都是知识创新的源泉，是检验真理的试金石，是锻炼成长的有效途经。大学是一个提升学生综合能力的平台，在给学生授知识解疑惑的过程中，学校领导及教师们高度重视学生的实践环节，譬如开设认知实习、课程设计等课程。化工原理课程设计是一门培养学生综合运用所学知识来发现、提出、分析和解决实际问题能力的学科, 是全校师生高度重视的一门实践课。整个设计过程是提升学生实践能力的重要环节，也是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 2设计条件 处理能力：41.510?吨95%乙醇蒸汽 设备型式：立式列管式换热器 操作条件： （1）乙醇蒸汽：D x 95%=,冷凝温度80，冷凝液于80下离开冷凝器 （2）冷却介质：井水，入口温度32，出口温度40 （3）允许压强降：不大于510Pa （4）每年按330天计算，每天24小时连续进行 （5）热损失为总传热速率的5% （6）设备最大承受压力：P=2.5 MPa 3设计方案的确定 3.1设计原则： 3.1.1满足工艺和操作的要求 设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀 门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流量，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。 3.1.2满足经济上的要求 在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时，要有经济核算的观点，既能满足工艺和操作要求，又使施工简便，材料来源容易,造价低廉。如果有废热可以利用，要尽量节省热能，充分利用，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。 3.1.3保证安全生产 在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险性,就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。 设计方案也可能一次定不好，后来需要修改，但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响，所以最好第一次确立就考虑周到些。 3.2结构初选 3.2.1换热器形式初选 3.2.1.1管壳式换热器的简介 管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器。它包括:固定管板式换热器、U 型管壳式换热器、带膨胀节式换热器、浮头式换热器、分段式换热器、套管式换热器等。管壳式换热器由管箱、壳体、管束等主要元件构成。管束是管壳式换热器的核心，其中换热管作为导热元件，决定换热器的热力性能。另一个对换热器热力性能有较大影响的基本元件是折流板（或折流杆）。管箱和壳体主要决定管壳式换热器的承压能力及操作运行的安全可靠性。 3.2.1.1.1换热器工作原理 管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两不同温度的流体时，温度较高的流体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。 3.2.1.1.2换热器的几种形式及其适用范围 （1）固定管板式换热器 固定管板式换热器两端管板与壳体连接成一体，这类换热器结构简单、价格低廉，但管外清洗困难，宜处理壳方流体较清洁及不易结垢的物料。当管束和壳体之间的温度太大而产生不同的热膨胀时，会使管子和管板的接口脱开，从而发生介质的泄露。因此，固定管板式换热器使用时，两流体的温差不大于50。 （2）浮头式换热器 浮头式换热器两管板之一不与外壳连接该端称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。此类换热器结构复杂、笨重、造价高，在制造和安装时要特别注意浮头前端盖密封。 （3）U 型管壳式换热器 U 型管壳式换热器结构简单、质量轻，但管内清洗困难，管板利用率低，适用高温高压的场合，但管内必须为清洁流体。由于最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，易使壳体流体短路而影响壳程传热。 （4）填料函式换热器 此换热器壳程流体有外漏的可能，不能处理易燃、易爆流体。 3.2.1.2换热器形式的选择 我们设计的换热器是冷凝乙醇蒸汽，其进出口温度都为80，乙醇较清洁不易结垢。冷却介质井水的入口温度32，出口温度40，冷热流体温差不超 过50，且固定管板式换热器结构简单、价格低廉，于是，初步确定选择固定管板式换热器。 3.2.2流动空间的选择 从两物流的操作压力看，应使酒精走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，而且乙醇蒸汽对流速和清理没有什么特别的要求，宜走壳程。于是，确定乙醇蒸汽走壳程，冷却水走管程。 3.2.3管程数和壳程数的确定 当管内流体较小时，会使管内流速较低，因而对流传热系数小。为了提高管内流速，可采用多管程。 列管式换热器的系列标准中管程有1、2、4、6、8、10、12程等七种。采用多管程时，合理的换热器管长应为1.5 m 、2 m 、3 m 或6 m 。 管程数m 可按下式计算，即m u u '=， 式中，u 管程内流体的适宜流速，m s ； u '按单管程计算的管内流速，m s 。 增加管程数虽然使管内流速提高，从而提高了管内对流传热系数，总传热系数也会提高，对于相同的传热速率，可使换热器面积减少，但是程数过多，将导致流程流动阻力加大，增加动力费用；同时，多管程与但管程逆流相比，平均温度下降；此外，多程隔板还降低了管板面积的利用率。 换热器的壳程数或换热器串联的台数是依据温差校正系数t ?的大小确定的，t (,)?=f P R 2111冷流体的温升 两流体的最初温度差-= =-t t P T t ，1221t 热流体的温升冷流体的温升 -=-T T R t 由于0=R ，所以t 1?=，t 0.8?宜采用单壳程。 综合考虑以上因素，我们的换热器选择单壳程，双管程。 3.2.4换热管排列方式 我国列管式换热器系列标准中，传热管仅用25 2.5mm mm ?、252mm mm ?、 192mm mm ?,这几种规格。管子排列形式主要有（a ）三角形排列、（b ）转三角形排列、（c ）正方形排列、（d ）转角正方形排列。等边三角形排列用得最普遍，因为管子间距都相等，所以在同一管板面积上可排列最多的管子数，而且便于管板的划线与钻孔。但管间不易清洗，TEMA 标准规定，壳程需用机械清洗时，不得采用三角形排列。在壳程需要进行机械清洗时，一般采用正方形排列，管间通道沿整个管束应该是连续的，且保证6 mm 的清洗通道。 本换热器选择正三角形排列方式进行排列。 3.2.5管板与折流挡板 管板用来固定换热管并起着分隔管程、壳程的作用。 管板型有平管板椭圆型管板和双管板，其中最常见的是平管板。当流体有腐蚀性时，管板应采用耐腐蚀材料，工程上多采用轧制成的符合不锈钢，或在碳钢表面堆焊一层厚度不小于5mm 的覆盖层。当换热器承受高温高压时，应采用薄型管板，即降低了温差应力，同时也满足了高压对机械应力的要求。薄管板的突 出优点是节约管板材料，高压时壳节约90%，且加工方便。所以在中低压换热器中得以推广应用。 折流挡板的结构设计，主要依据工艺过程和要求来确定，设置折流挡板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到总传热的目的。折流挡板的型式有弓形折流板、圆盘-圆环形折流板、矩形折流板，最常用的是弓形折流板、圆盘-圆环形折流板。为了获得良好效果，折流挡板的尺寸和间距必须适当，折流板的最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50 mm。 对于常用的圆缺形挡板，弓形切口太大或太小，都会产生流动“死区”，不利于传热，且增加流体阻力。一般切口高度与直径之比为0.150.45，常见的有0.20和0.25两种。 3.2.6管子与管板、管板和壳体的连接 在管壳式换热器的结构设计中，管子与管板的连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄露，冷热流体互相混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更加严重。 在固定管板式换热器的连接方法处还应考虑能承受一定的轴向力，以避免温度变化较大时，产生的热应力使管子从管板脱出。 管子和管板的连接可胀接或焊接。焊接法由于具有很多的优点（加工简单、对管孔的加工要求不高，较强的抗脱能力使之在高温高压下仍能保持连接处的紧密性，同时在压力不太高时还可采用薄型管板），在一些要求较高的场合被广发的应用。 管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种，固定管板常采用不可拆连接。两端管板直接焊在外壳上并兼做法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。 3.2.7封头和管箱 封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。 当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。 壳体较大的换热器大多采用管箱结构。管箱具有一个可拆盖板，因此在检修或清洗管子时无须卸下管箱。 4列管式换热器的设计计算 4.1列管式换热器型号的初选 4.1.1估算传热面积 4.1.1.1总传热量的计算 因为乙醇的进出口温度都为80 ，此传热为相变传热，总热负荷为： 12,212r ()=-m m p Q q q C t t ， 1m q 95%乙醇的质量流量，kg ； 2m q 冷凝水的质量流量，kg s ； ,2p C 冷凝水的比热，()/?J kg K ； r 95%的乙醇在80下的汽化潜热，kg J 1t 、2t 冷凝水的进出口温度，。 4.1.1.2总传热系数的选取 根据以下的经验数据，先初选一个K值。 列管式换热器中的总传热系数K的经验值 4.1.1.3平均温差 t的计算： 换热过程先看做逆流过程计算，其平均温差可按下式进行计算：