化工原理课程设计--再生氮气列管式换热器的设计.docx
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1、目录摘要.2一、 设计任务书 .31.设计题目.32.设计目的.33.设计原始数据.34.设计内容.3二、 概 述.41.列管式换热器的分类简介 .42.列管式换热器的结构.73.设计方案的确定.9 三、 换热器的选型.11 1.工艺计算及主要设备设计.112.确定物性数据.113.计算总传热系数.124.工艺结构尺寸.135.换热器核算.14四、 设计结果一览表.19 五、 主要零件.201.封头.202.支座.203.垫片.20六、 设计评论.21七、 参考文献.21八、 列管式换热器工艺流程图.22九、 致谢.22处理量 28106 Kg/年再生氮气列管式换热器的设计摘要:本课题研究的目
2、的主要是针对给定的固定管板式换热器设计要求,通过查阅资料、分析设计条件,以及换热器的传热计算、壁厚设计和强度校核等设计,基本确定固定管板式换热器的结构。通过分析固定管板式换热器的设计条件,确定设计步骤。对固定管板式换热器筒体、封头、管板等部件的材料选择、壁厚计算和强度校核。对固定管板式换热器前端 、管箱、后端管箱、传热管和管板等结构进行设计,对换热器进行开孔补强校核。绘制符合设计要求的固定管板式换热器的图纸,给出相关的技术要求;在固定管板换热器的结构设计过程中,要参考相关的标准进行设计,使设计能够符合相关标准。同时要是设计的结构满足生产的需要,达到安全生产的要求。 通过设计过程达到熟悉了解换热
3、器各部分结构特点及工作原理的目的。 关键词 :换热器设计;结构设计;物性参数AbstractThe purpose of this researchis mainly aimed at thedesign requirement offixed tube sheet heat exchanger isgiven,through access to information,analysis and design,calculation,and the heatexchangerwall designand strength check design,determine the basicstru
4、ctureof fixed tubeplate heat exchanger. Through the designanalysis of the conditions offixed tube plate heat exchanger, determine the designsteps.Thefixed tube plate heat exchangercylinder,head, tube plateand other components of thematerial choice,the wall thickness calculation and strength check.Th
5、efixed tube plate heat exchangertube box the frontendtube box,tube and tubeplatestructure design,heat exchangers wasopening reinforcementcalculation.Drawingwithfixed tube plate heat exchangerdesignrequirements of thedrawings,give therelated technology; structure design processheat exchangerin afixed
6、 tube sheet,refer to the relevantdesign standards, The design to meet the relevant standards,At the same time,if thedesign of the structureto meet the needs of production,to achieve safeproduction requirements.Through the design processtobecome familiar with, theheat exchangerof each part of structu
7、recharacteristics and working principle ofpurpose.Keywords: Heat exchanger design;structure design;physical parameters一、设计任务书1. 设计题目:处理量 28106 Kg/年再生氮气列管式换热器的设计。2. 设计的目的:通过对氮气再生列管式换热器的设计,达到让学生了解该换热器的结构特点,并能根据工艺要求选择适当的类型,同时还能根据传热的基本原理,选择流程,确定换热器的基本尺寸,计算传热面积以及计算流体阻力。3.设计原始数据(1) 处理能力:28106Kg/年再生氮气(2) 设
8、备型式: 列管式换热器(3) 操作条件管程进口温度为40,出口温度为200压力为0.5MPa的氮气壳程进口压力 2.5MPa饱和蒸汽出口压力 2.5MPa饱和水每年按330天计,每天24小时连续运行4.设计内容:(1) 工艺设计:确定设备的主要工艺尺寸,如:管径、管长、管子数目、管程数目等,计算K0。(2)结构设计:确定管板、壳体、封头的结构和尺寸;确定链接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。(3)绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书。(A1图纸)二、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。它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又
9、称热交换器。 换热器既可是一种单独的设备,如加热器、冷却器和凝汽器等;也可是某一工艺设备的组成部分,如氨合成塔内的热交换器。 一般换热器都用金属材料制成,其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器;不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外;铜、铝及其合金多用于制造低温换热器;镍合金则用于高温条件下;非金属材料除制作垫片零件外,有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器,如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。 换热器按传热方式的不同可分为:混合式、蓄热式和间壁式。其中间壁式换热器应用最广泛,按照传热面的形状和结构特点
10、又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器(板翅式、管翅式等)1.列管式换热器的分类简介列管式换热器是一种通用的标准换热设备。它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点,列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。结构坚固,而且可以选用的结构材料范围广,故适应性强、操作弹性较大。与其它品种换热器比较,管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。因此,列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它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
11、入,在管子中流动,从封头另一端的出口管流出,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。列管式换热器种类很多, 根据列管式换热器结构特点, 主要分为以下四种。(1) 固定管板式固定管板式换热器的结构如图1 _1 所示。它由壳体、管束、封头、管板、折流挡板、接管等部件组成。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口接管。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
12、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。其结构如下图所示:图1.1 固定管板式换热器1.折流挡板 2.管束 3.壳体 4.封头 5.接管 6.管板(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:管束可以拉出,以便清洗;管束的膨胀不变壳体约束,因而
13、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,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。图1.2 浮头式换热器1.壳盖 2.固定管板 3.隔板 4.浮头钩圈法兰 5.浮动管板 6.浮头盖(3)U 型管式换热器U 型管式换热器的结构如图1 _3 所示。其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 型换热管有温差时, 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
14、清洗方便。其缺点是管内清洗困难; 由于管子需要有一定的弯曲半径, 故管板的利用率较低; 管束最内层管间距大, 壳程易短路; 内层管子坏了不能更换, 因而报废率较高。此外, 其造价比固定管板式高10%左右。图1.3 U 型管式换热器(4) 填料函式换热器这类换热器的管板也仅有一端与壳体固定,另一端采用调料函密封,它的管束一端可以自由膨胀,所以管壳之间不会产生热应力,且管程和壳程都能清洗,结构比浮头式简单,造价较低,加工制造方便,材料消耗较少。但由于填料密封处易于泄露,故壳程压力不能过高,也不宜用于易挥发、易燃、易爆和有毒的场合。其结构如下:图1.4填料函式换热器2.列管式换热器的结构(1)换热管
15、布置和排列间距 常用换热管规格有192 mm、252 mm(1Crl8Ni9Ti)、252.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力,而且管壁较薄;同时,对于相同的壳径,可排列较多的管子,因此单位体积的传热面积更大,单位传热面积的金属耗量更少。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。 (A)(B)(C) (D) (E)图 1.5 换热管在管板上的排列方式(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;同心圆排列用于小壳径换热器,外圆管布管均匀,结构更为
16、紧凑。我国换热器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;浮头式则以正方形错列排列居多,也有正三角形排列。 (2)管板 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。胀接法是利用胀管器将管子扩胀,产生显著的塑性变形,靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢,管板为碳素钢或低合金钢,设计压力不超过4 MPa,设计温度不超过350的场合。 (3)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。封头 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
17、。 管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱,因此管箱结构应便于装拆。分程隔板 当需要的换热面很大时,可采用多管程换热器。对于多管程换热器,在管箱内应设分程隔板,将管束分为顺次串接的若干组,各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速,增强传热。管程多者可达16程,常用的有2、4、6程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置,以增强传热,同时应严防分程隔板的泄漏,以防止流体的短路。3.设计方案的确定(1)列管式换热器的选用与设计原则换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸,以完成生产工艺中所要
18、求的传热任务。换热器的选用也是根据生产任务,计算所需的传热面积,选择合适的换热器。由于参与换热流体特性的不同,换热设备结构特点的差异,因此为了适应生产工艺的实际需要,设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素,进行一系列的选择,并通过比较才能设计或选用出经济上合理和技术上可行的换热器。 流动空间的选择在管壳式换热器的计算中,首先需决定何种流体走管程,何种流体走壳程,这需遵循一些一般原则。a) 不洁净和易结垢的流体宜走管程,以便于清洗管子;b) 腐蚀性流体宜走管程,以免管束和壳体同时受腐蚀,管内也便于检修和清洗;c) 高压流体宜走管程,以免壳体受压,并且可节省壳体金属的消耗量;d) 饱和蒸汽宜走壳程
19、,以便于及时排出冷凝液,且蒸汽较洁净,不易污染壳程;e) 被冷却的流体宜走壳程,可利用壳体散热,增强冷却效果;f) 有毒流体宜走管程,以减少流体泄漏;g) 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程,因流体在有折流板的壳程流动时,由于流体流向和流速不断改变,在很低的雷诺数(Re100)下即可达到湍流,可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下,将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。 流体流速的确定换热器中流体流速的增加,可使对流传热系数增加,有利于减少污垢在管子表面沉积的可能性,即降低污垢热阻,使总传热系数增大。然而流速的增加又使流体流动阻力增大,动力消耗增大。因此,适宜的流体流速需
20、通过技术经济核算来确定。充分利用系统动力设备的允许压降来提高流速是换热器设计的一个重要原则。在选择流体流速时,除了经济核算以外,还应考虑换热器结构上的要求。 给出工业上的常用流速范围。除此之外,还可按照液体的粘度选择流速,按材料选择容许流速以及按照液体的易燃、易爆程度选择安全允许流速。换热器常用流速的范围见表1-1、1-2和表1-3表1.1 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速液体名称乙醚、二氧化碳、笨甲醇、乙醇、汽油丙酮氢气安全允许流m/s 1 2315001500500500100100353511.0530壳程流速(m/s)0.51.50.21.50.5215三、换热器的选型1
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