南京工业大学-化工原理课程设计

化工原理课程设计1南京工业大学《材料工程基础》课程设计设计题目：列管式换热器设计——专业：高分子材料与工程班级学号：姓名：日期：2012年6月18日——6月29日指导教师：叶旭初设计成绩：日期：6月29日化工原理课程设计2目录设计任务书…………………………………………………………………………3一设计题目………………………………………………………………………3二设计任务及操作条件…………………………………………………………3三设计要求及内容………………………………………………………………3第1章设计方案简介………………………………………………………41.1概述……………………………………………………………………………41.2方案设计和拟定………………………………………………………………51.3确定设计原则…………………………………………………………………7第2章固定式换热器的设计计算………………………………………72.1设计计算基本步骤……………………………………………………………72.2确定列管换热器的形式………………………………………………………82.3初选换热器规格………………………………………………………………9第3章列管式换热器的设计校核………………………………………113.1换热器核算……………………………………………………………………113.2换热器压强降核算……………………………………………………………13第4章辅助设备的计算与选择…………………………………………154.1折流板…………………………………………………………………………154.2接管……………………………………………………………………………184.3壁厚的确定、封头……………………………………………………………184.4.管板……………………………………………………………………………204.5换热管…………………………………………………………………………214.6分程隔板………………………………………………………………………224.7拉杆……………………………………………………………………………234.8换热管与管板的连接……………………………………………………………244.9防冲板或导流筒的选择、鞍式支座的示意图(BI型)………………………25化工原理课程设计34.10膨胀节的设定讨论……………………………………………………………264.11换热器设计主要结构尺寸一览表……………………………………………26第5章附图………………………………………………………………………284.1工艺流程图……………………………………………………………………284.2主体设备工艺图………………………………………………………………28第6章设计小结………………………………………………………………29参考文献………………………………………………………………………………30列管式换热器设计任务书（一）设计题目列管式换热器设计——（二）设计任务及操作条件1、处理能力列管式换热器设计——2、设备型式列管式换热器3、操作条件（1）釜残液：硫酸混合液，入口温度20℃，出口温度80℃（2）加热介质：蒸汽，入口温度120℃，出口温度100℃（3）换热器的管程和壳程压强降：不大于0.4MPa（4）重油平均温度下的物性参数：名称（kg/m3）Cp(kJ/㎏.℃)（Pa.s）(W/m.℃)混合液11143.9970.49×10-30.534（三）设计要求及内容化工原理课程设计4（1）根据换热任务和有关要求确认设计方案（2）初步确认换热器的结构和尺寸（3）核算换热器的传热面积和管,壳程流体阻力（4）确认换热器的工艺结构（5）绘制列管式换热器的工艺流程图及主体设备工艺图列管式换热器设计说明书第1章设计方案简介1.1概述列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备，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，列管式换热器在换热效率，紧凑型性和金属消耗等方面不及其他新型换热器，但由于它有结构牢靠，使用性大，材料广泛等独特特点，因而在各种换热器的竞争中占有绝对优势1.1.1列管式换热器的优点列管式换热器列管式换热器又称管壳式换热器，是目前石油化工生产中应用最广泛的一种换热器。它与其它换热器相比，主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构比较简单，处理能力大，适应性强，操作弹性大，尤其在高温、高压和大型装置中应用更为普遍。1.1.2列管式换热器种类列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：浮头式换热器、固定式换热器、U型管换热器、填料式换热器等。1）浮头式换热器（代号F）浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称为浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。化工原理课程设计5图1浮头式列管换热器1—管程隔板；2—壳程隔板；3—浮头浮头式换热器的特点是一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动。这种换热器壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高，在运行中浮头处发生泄漏，不易处理。浮头式换热器是适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。2）固定管板式换热器(代号G)固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度相差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性形变来补偿因温差应力而引起的热膨胀。固定管板式换热器主要由外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。结构特点是在壳体上设置管束，管束两端用焊接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头用螺栓紧固，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。固定板式换热器的优点可归结为：①旁路渗流较小。②造价低。③无内漏。缺点是壳体和管壁的温差较大，易产生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不适用于壳程易结垢场合。3）U型管式换热器（代号Y）这类换热器只有一个管板，管程至少两程，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。4）填料式换热器这类换热器管束一断可以自由膨胀，结构比浮头式换热器简单，造价也较低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。化工原理课程设计61.2方案设计和拟定1.2.1流体流经管程或壳程的选择原则（1）不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。对于直管管束，宜走管程；对于U形管管束，宜走壳程。（2）腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。（3）压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。（4）为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一般比壳程的小，且做成多管程也叫容易。（5）两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走壳程，以减小管壁和壳体的温差，减小热应力。（6）蒸汽冷凝宜在壳程，以减小排除冷凝液。（7）需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但是温度很高的流体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。（8）黏度大或者流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低Re下（Re100）即可达到湍流。以上原则中，可能有时是相互矛盾的，在实际使用中不能同时满足要求。所以，在实际的设计中，应该认真调查研究，对具体情况做出具体分析，抓住主要方面进行设计。1.2.2流体流速的选择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。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。下表为列管式换热器内的适宜流速范围：流体种类流速/m·s-1管程壳程低粘度液体0.5~30.2~1.5易结垢液体＞1大于0.5气体5~302~15下表为不同粘度的流体流速范围（以普通钢管为例）：化工原理课程设计7液体粘度/mPa·s最大流速/m·s-1液体粘度/mPa·s最大流速/m·s-1＞15000.6100~351.51000~5000.7535~11.8500~1001.1＜12.41.2.3选择列管式换热器的类型两流体温度变化情况，冷流体进口温度20℃，出口温度80℃；蒸汽进口温度120℃，出口温度接近100℃，该换热器用蒸汽来加热混合液，考虑到清洗等各方面的因素，初步确定为固定式的列管式换热器。1.2.4换热器材质的选择对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其他特性选择其结构材料，同时具有耐热性、高强度、及耐腐蚀性的材料很少。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等，金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且稀缺，尽量少用，本次设计中采用的材料为不锈钢。1.2.5流动空间及管子规格及排列方法对一定的传热面积而言，传热管径越小，换热器单位体积的传热面积越大。对清洁的流体，管径可取小些，而对粘度较大或易结垢的流体，考虑灌输的清洁方便或避免管子堵塞，管径可取大些。目前我国试行的系列标准中，管径有φ19mm×2mm、φ25mm×2mm和φ25mm×2.5mm等规格。管板上管子的排列方法常用的有等边三角形、正方形直列和正方形错列等。1.2.6壳体有圆缺形折流挡板时对流传热系数的计算对关外装有切去25%（直径）的圆缺形折流挡板时，可用图4-53求取对流传热系数。当Re＞10000时，用下式计算比较简便0.8=0.023()()pnCdud流体被加热时，n=0.4：流体被冷却，n=0.3蒸汽在水平管外冷凝的对流传热系数231/42/30=0.725()grndt管子的当量直径化工原理课程设计8管子正方形排列时，0202/44ddtde管子正三角形排列时，0202/4234ddtde1.2.7管程和壳程数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数较多时，有时会使管内流速变低，因而对流传热系数较小，为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用，同时多程会使平均温度差下降，使管板上可利用得面积减少，设计时应全面考虑。列管式换热器的系列标准中的管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。第2章列管式换热器的设计计算2.1设计计算基本步骤列管式换热器的尺寸与其结构形式有关，步骤大概如下：①确定流体两端温度，选择列管式换热器的形式；②换热器的热负荷计算；③确定流体的流动途径，计算定性温度，确定物性数据；④计算平均温差，如果温差校正系数ψ﹤0.8，应增加ψ值，使其不小于0.8；⑤依据生产实际情况或经验之范围，选择合适的总传热系数K；⑥初估传热面积；⑦选择管子尺寸（管子直径）；⑧计算管子数和管长，对管子进行排列，确定壳体直径；⑨根据管长与壳体直径的比值，确定管程数；⑩计算管程和壳程压力降，若压力降不符合要求，调整流速，再确定管程数或折流板的间距，或选择另一个规格的换热器，重新计算压力降直至满足要求为止；○11计算管程和壳程的对流传热系数，确定污垢热阻，计算得到总传热系数K’，比较初设值K与计算值K’，若K∕K`=1.15~1.25，则初选或初步设计的换热器合适；如果不满足上述要求，用计算值代替初设值，从步骤6起，重复以上计算，直至满足要求为止。化工原理课程设计92.2确定列管换热器的形式2.2.1确定流体通入空间混合液走壳程，蒸汽走管程2.2.2确定流体的定性温度、物性数据：可取流体进出口温度的平均值T1=120℃，T2=100℃；t1=20℃，t2=-80℃壳程油的定性温度为20+80==502tC管