化工原理课程设计-列管式换热器设计(26页).doc
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1、-化工原理课程设计-列管式换热器设计-第 - 20 - 页化工原理课程设计 设计说明书设计题目 换热器学 院 机电工程学院专 业 过程装备与控制工程姓 名 学 号 指导教师 日期2017/6目录1 设计方案概述及简介- 1 - 1.1 绪论- 1 - 1.2 概述- 1 - 1.3 确定设计方案- 4 -2 估算传热面积- 4 - 2.1 确定物性数据- 4 - 2.2 计算热流量- 5 - 2.3 计算循环冷确水用量- 5 - 2.4 计算逆流平均传热温差- 6 - 2.5 计算传热面积- 6 -3 工艺结构尺寸- 6 - 3.1 管径和管内流速- 6- 3.2 管程数和传热管数- 6 -
2、3.3 平均传热温差校正及壳程数-6- 3.4 传热管分程和排列方法- 7 - 3.5 壳体内经- 7 - 3.6 折流板- 7 - 3.7 其它附件- 8 - 3.8 接管- 8 -4 换热器核算 - 8 - 4.1 传热能力核算- 8 - 4.2 壁温核算- 10 - 4.3 换热器内流体的流动阻力- 11 -5 列管式换热器结构设计- 12 - 5.1 浮头管板及钩圈法兰结构设计- 12 - 5.2 管箱结构设计- 13 - 5.3 管箱法兰与管箱侧壳体法兰设计- 13 - 5.4 固定端管板结构设计- 13 - 5.5 外头盖侧壳体法兰与外头盖法兰设计- 13 - 5.6 外头盖结构设
3、计- 13 - 5.7 垫片选择- 13 - 5.8 鞍座选用及安装位置确定- 14 - 5.9 折流板布置- 14 -6 列管式换热器强度设计- 14 - 6.1 壳体壁厚计算- 14 - 6.2 外盖头短节与封头厚度计算- 15 - 6.3 管箱短节与封头厚度计算- 16 - 6.4 固定管板计算- 17 - 6.5 浮头管板及钩圈计算- 18 - 6.6 无折边球封头计算- 18 - 6.7 管箱短节开孔补强的校核- 19 - 6.8 壳体接管开孔补强校核- 19 -7 换热器主要结构尺寸和计算结果- 21 - 参考文献- 22 -化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图所示。反应器的
4、混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水将其从110进一步冷却至60之后,进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为226801,压力为6.9,循环冷却水的压力为0.4,循环水的入口温度为29,出口的温度为39,试设计一列管式换热器,完成生产任务。已知:混合气体在85下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值) 密度 定压比热容 热导率 粘度 循环水在34下的物性数据: 密度 定压比热容 K 热导率 K 粘度 1 设计方案概述及简介1.1 绪论1.1.1 选题的依据、意义和理论或实际应用方面的价值列管式换热器是目前应用最为广泛的换热设备,具有可靠性高、适应性广等优点,在各工业领域中得到
5、最为广泛的应用。尽管受到了其他新型换热器的挑战,但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天,列管式换热器仍占主导地位。研究与开发此类新型的换热器,对工业发展与经济增长具有重大意义。1.2 概述1.2.1 换热设备的应用用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体颗粒间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量传递的装置称为换热设备。在化工生产中,为了工艺流程的需要,往往进行着各种不同的换热过程:如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热设备就是用来进行这些热传递过程的设备,通过这种设备,以便使热量从温度较高的流体传递到温度较低的流体,以满足工艺上的需要。它是化工、炼油、食品
6、、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备,对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说,换热设备尤为重要,约占总投资的35% 40%。换热设备在化工生产中,有时作为一个单独的化工设备,有时作为某一工艺设备的组成部分,因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的。任何化工生产中,无论是国内还是国外,它在生产中都占有主导地位。近20年来,换热设备在能量储存、转化、回收,以及新能源利用和污染治理中得到广泛的应用。1.2.2 换热设备分类及其特点 换热器分为管式换热器和板式换热器。1.管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。根据结构形式的不同,管式换热器可分为四种类型,即
7、:管壳式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器和缠绕管式换热器。(1) 管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器,是典型的换热设备,再设计、制造和选用方面,许多国家都有相应的规范和标准。管壳式换热器是通过管子壁面进行传热的换热设备, 换热设备中应用最为广泛。虽然在换热效率、结构紧凑和金属消耗量方面不及其他类型的换热器,但它具有结构坚固,可靠性高,选材范围广,适应性广,易于制造,处理量大,耐压,耐温,操作弹性大等独特的优点。在高温、高压和大型换热器中,管壳式换热器仍占有绝对优势,是目前使用最广泛的换热器。(2) 蛇管式换热器蛇管式换热器是把换热管(金属或非金属)按需要弯曲成所需的形状,如圆盘形、螺旋
8、形和长蛇形等。奇特点事结构简单、造价低廉、检修清洗方便。对所需传热面积不大的场合比较适用,同时,因管子能承受高压而不易泄漏,常被高压流体的加热或冷却所采用。按使用状态不同,蛇管式换热器又分为沉侵式蛇管换热器和喷淋式蛇管换热器。喷淋式蛇管换热器和沉侵式蛇管换热器相比,具有便于检修、清洗和传热效果较好等优点。其缺点是喷淋不均匀。(3) 套管式换热器 套管式换热器是由两种不同直径的标准管子组装成同心圆的套筒,然后由多段这种套管连接而成。每一段套筒称为一程,每程的内管用U形弯管顺次连接,而外管则以支管与下一程外管相连接。由此组成多段同心圆套管换热器,程数可根据传热要求而增减。它的优点是:1、结构简单2
9、、耐高压3、传热面积可根据需要增减4、适当地选择内管和外管的直径,可使流速大增5、冷、热流体可作严格的逆流,传热效果好。缺点是单位传热面金属消耗量太大,检修、清洗和拆卸都比较麻烦,在可拆连接处容易造成泄露。该类换热设备通常用于高温、高压、小流量流体和所需传热面积不大的场合。(4) 缠绕管式换热器 缠绕管式换热器是在芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋线形状交替缠绕而成,相邻两层螺旋状传热管的螺旋方向相反,并且采用一定形状的定距件使之保持一定的间距。缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质、在小温差下需要传递较大热量且管内介质操作压力较高的场合,如制氧等低温过程中使用的换热设备等。2.管壳式换热器
10、管壳式换热器是目前化工及炼油生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ,可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时,一种流体由封头的连结管处进入,在管流动,从封头另一端的出口管流出,这称之管程;另-种流体由壳体的接管进入,从壳体上的另一接管处流出,这称为壳程列管式换热器。 根据管壳式换热器的结构特点,可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。 (1)固定管板式换热器 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜,但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两端,并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体装有流体进出
11、口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。因此,当管壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀不同,产生了很大的温差应力,以至管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置,一般在管壁与壳壁温度相差50以上时,为安全起见,换热器应有温差补偿装置。但补偿装置(膨胀节)只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚,难以伸缩,失去温差补偿的作用,就应考虑其他结构。 (2) 浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接,另一块管板不与外壳
12、连接,以使管子受热或冷却时可以自由伸缩,但在这块管板上连接一个顶盖,称之为“浮头”,所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是:管束可以从壳体中抽出,便于清洗管间和管内;管束的膨胀不变壳体约束,因而当两种换热器介质的温差大时,不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂,造价高,制造安装要求高。 (3)填料函式换热器这类换热器的结构特点与浮头式换热器相类似,管束一端可以自由膨胀,结构比浮头式简单,造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能,一般适用于4MPa以下的工作条件,且不适用于处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质,使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现已和很少采用。
13、(4)U型管式换热器 U型管式换热器,每根管子都弯成U形,两端固定在同一块管板上,每根管子皆可自由伸缩,从而解决热补偿问题。管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难,管子更换困难,管板上排列的管子少。优点是结构简单,质量轻,适用于高温高压条件。 (5) 釜式重沸器 釜式重沸器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构,所以它具有浮头式、U形管式换热器的特征。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间。此种换热器与浮头式、U形管式换热器一样,清洗维修方便,可以处理不清洁、易结垢的介质,并能承受高温、高压。1.3 确定设计方案1.3.1 设计任务
14、题目 反应器的混合气体列管式换热器设计 1.3.2 选择换热器的类型 选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,符合实际需要等原则。列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高温高压和大型装置中使用更为普遍。所以,首选列管式换热器作为设计基础 两种流体温度变化情况:热流体即混合气体进口温度 T 为 110,出口温度 T 为 60;冷流体即循环冷却水进口温度 t 为 29,出口温度 t 为 39。由于该换热器的管壁温与壳体壁温之差较大,因此确定选用浮头式换热器。1.3.3 流程安排由于循环冷却水较易结垢,当其流速太低时,将加大
15、其污垢增长速度,使换热器的热流量下降,又因浮头式换热器管程易清洗。所以综上考虑,应使循环冷却水走管程,混合气体走壳程。2 估算传热面积2.1 确定物性数据定性温度:对于一般气体和水等低黏度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。两种流体定性温度如下: 壳程混合气体的定性温度为:T = = 85 管程循环冷却水的定性温度为: t = = 34 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,最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件,则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据,然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混合气体在85下的物性数据如下:密度 定压比热容 = 3
16、.297 kj热导率 = 0.0279 Wm粘度 = 1.5x10-5 Pas循环冷却水在34下的物性数据如下:密度 定压比热容 =4.174kj/kgK热导率 =0.624w/mK粘度 = 0.742x10-3 Pas2.2 计算热流量 按管间混合气体计算,即Q1= 2288013.297(11060)= 10477.179KW (37717844kJ/h)2.3 计算逆流平均传热温差 = = 48.3 K2.4 计算循环冷却水用量 m=2.5 计算传热面积因壳程为汽体混合物,且压力较大,管程为水,经查表得换热系数K=320W/(k),则A=677.87 3 确定工艺结构尺寸3.1 管径和管
17、内流速 选用10号碳素钢252.5,取管内流速 u=1.3ms。3.2 管程数和传热管数由传热管内径和流速,计算得单程传热管数= =627根按单管程计算所得管子长度为L = =13.77m因按单管程计算的管子太长,宜采用多管程结构。由国标(GB151)推荐的传热管长度,现取换热管长 =7.0m,则该换热器的管程数为N = = 2 传热管总根数为 N =6272=1254 根3.3 平均传热温差校正及壳程数 R = =5 P = =0.124 按单壳程,双管程结构,查【化学工业出版社化工原理(第三版)上册】:图5-19查温差校正系数图得: 该平均传热温差校正系数 =0.96 平均传热温差 = =
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