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列管式换热器课程设计.doc

列管式换热器课程设计

Owen周军
2017-09-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《列管式换热器课程设计doc》,可适用于高等教育领域

列管式换热器课程设计大学《化工原理》列管式换热器课程设计说明书学院:班级:学号:姓名:指导教师:时间:年月日目录一、化工原理课程设计任务书二、确定设计方案选择换热器的类型管程安排三、确定物性数据四、估算传热面积热流量平均传热温差传热面积冷却水用量五、工艺结构尺寸管径和管管程数和传热管数传热温差校平均正及壳程数传热管排列和分程方法壳体其他附件接管六、换热器核算热流量核算换热器管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计管箱结构设计固定端管板结构设计外头盖法兰、外头盖侧法兰设计外头盖结构设计垫片选择鞍座选用及安装位置确定折流板布置说明八、强度设计计算筒体壁厚计算管箱短节开孔补强校核外头盖短节、封头厚度计算壳体接管开孔补强校核管箱短节、封头厚度计算固定管板计算浮头管板及钩圈浮头法兰计算无折边球封头计算九、参考文献一、化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图所示。反应器的混合气体经与进料物流换热后用循环冷却水将其从进一步冷却至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kgh压力为MPa循环冷却水的压力为MPa循环水的入口温度为出口的温度为试设计一列管式换热器完成生产任务。已知:混合气体在下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值)密度kgm定压比热容cpkjkg热导率m粘度,Pas循环水在下的物性数据:密度kgm定压比热容cpkjkgK热导率mK粘度,Pas二、确定设计方案(选择换热器的类型两流体温的变化情况:热流体进口温度出口温度冷流体进口温度出口温度为该换热器用循环冷却水冷却冬季操作时其进口温度会降低考虑到这一因素估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大因此初步确定选用浮头式换热器。(管程安排从两物流的操作压力看应使混合气体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所以从总体考虑应使循环水走管程混和气体走壳程三、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。故壳程混和气体的定性温度为T=,=,管程流体的定性温度为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。t=混和气体在下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值):密度kgm定压比热容cp=kjkg•热导率=wm•粘度=×Pa•s循环水在下的物性数据:密度定压比热容热导率=mcp=kjkg•K=wm•K粘度=×Pa•s四、估算传热面积热流量Q=mcpt=××()=×kjh=kw平均传热温差先按照纯逆流计算得tm=(,),(,)K,ln,传热面积由于壳程气体的压力较高故可选取较大的K值。假设K=W(k)则估算的传热面积为Ap=冷却水用量QmKtmQm=cpiti=kgskgh五、工艺结构尺寸(管径和管选用Φ×较高级冷拔传热管(碳钢)取管可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=Vdiu()按单程管计算所需的传热管长度为L=Apdonsm按单程管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非标设计现取传热管长l=m则该换热器的管程数为Np=Ll传热管总根数Nt=×=传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数:R=TT,t,t,t,t,T,t,P=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】:图得:t平均传热温差tmttm塑K由于平均传热温差校正系数大于同时壳程流体流量较大故取单壳程合适。传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程采用多管程结构进行壳体的计算可以决定壳体的按壳体直径标准系列尺寸进行圆整:Di=mm(折流挡板采用圆缺形折流挡板去折流板圆缺高度为壳体B=×=mm可取B为mm。折流板数目NB传热管长,,折流板间距折流板圆缺面水平装配见图:【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:图。(其他附件拉杆数量与直径选取本换热器壳体用克恩法计算见式【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:式(a):deRePr()w当量直径依【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:式(a)得de=壳程流通截面积:t,domdoSoBD(,do)(,)t壳程流体流速及其雷诺数分别为uo()msReo普朗特数deu,,,Pr粘度校正cp()wowmK()管Si管程流体流速:ui雷诺数:普朗特数:()msRe(,)PriwmK()污垢热阻和管壁热阻:【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册】:表取:管外侧污垢热阻Romkw管件下的热导率为w(mK)。所以Rw()传热系数Ke有:mkwKe(doRdRd,io,wo,Ro,)idididmo,,,,wmK()传热面积裕度:计算传热面积Ac:QAcmKetm该换热器的实际传热面积为Ap:ApdolNTm该换热器的面积裕度为HAp,AcAc,传热面积裕度合适该换热器能够完成生产任务。壁温计算Tw因为管壁很薄而且壁热阻很小故管壁温度可按式twcc,tmn,计算。由于该n换热器用循环水冷却冬季操作时循环水的进口温度将会降低。为确保可靠取循环冷却水进口温度为出口温度为计算传热管壁温。另外由于传热管内侧污垢热阻较大会使传热管壁温升高降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期污垢热阻较小壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中应该按最不利的操作条件考虑因此取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有:Twtwcc,tmn,n式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别计算为tm××=Tm()=传热管平均壁温tw壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度即T=。壳体壁温和传热管壁温之差为t,。该温差较大故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大因此需选用浮头式换热器较为适宜。(换热器piprPaup(,)Pa管程流体阻力在允许范围之内。()壳程阻力:按式计算ps(po,pi)FsNs,Ns,Fs流体流经管束的阻力poFfoNTC(NB,)uoF=,foNTCNTNBumspo×××()×=Pa流体流过折流板缺口的阻力BuopiNB(,,B=m,D=m)Dpi(,)Pa总阻力ps=×Pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高所以壳程流体的阻力也比较适宜。()换热器主要结构尺寸和计算结果见下表:结七、结构设计、浮头管板及钩圈法兰结构设计:由于换热器的取bnmm浮头管板密封面宽度:bbn,mm浮头法兰和钩圈的内直径:DfiDi,(b,bn),(,)mm浮头法兰和钩圈的外直径:DfDi,,mm外头盖Db(D,Df)(,)mm其余尺寸见《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):图。、管箱结构设计:选用B型封头管箱因换热器直径较大且为二管程其管箱最小长度可不按流道面积计算只考虑相邻焊缝间距离计算:Lgminhf,C,dg,h,h,,,,mm取管箱长为mm管道分程隔板厚度取mm管箱结构如《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):图(a)所示。、固定端管板结构设计:依据选定的管箱法兰管箱侧法兰的结构尺寸确定固定端管板最大外径为:D=mm、垫片选择:a管箱垫片:。根据管程操作条件(循环水压力Mpa温度C)选石棉橡胶垫。结构尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):图(b)所示:dmmDmmb外头盖垫片:根据壳程操作条件(混合气体压力Mp选缠绕式垫片a温度C)垫片:mmmm(JB)缠绕式垫片。c浮头垫片:根据管壳程压差混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫以浮动管板结构确定垫片结构尺寸为mmmm厚度为mmJB金属包垫片。、鞍座选用及安装位置确定:鞍座选用JBT鞍座BIFS安装尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):图所示其中:LLBLmm。取:LBmmL’CLCmm、折流板布置:折流板尺寸:外径:DDN,,mm厚度取mm前端折流板距管板的距离至少为mm结构调整为mm见《化工单元过程及设备课程设计》(化学工业出版社出版):图(c)后端折流板距浮动管板的距离至少为mm实际折流板间距B=mm计算折流板数为块。、说明:在设计中由于给定压力等数及公称直径超出JB长颈对焊法兰标准范围对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算、筒体壁厚计算:由工艺设计给定设计温度C设计压力等于工作压力为Mpa。选低合金结构钢板MnR卷制查得材料C时许用应力Mpa《过程设备设。t计》(第二版)化学工业出版社。取焊缝系数=腐蚀裕度C=mm对MnR钢板的负偏差C=根据《过程设备设计》(第二版)化学工业出版社:公式()从而:t,Pc计算厚度:=mm,设计厚度:d,C,mm名义厚度:nd,Cmm圆整取nmm有效厚度:en,C,Cmm水压试验压力:PTPcMpat所选材料的屈服应力sMpa水式实验应力校核:tP((,)TDi,e)MpaeMpasMpa水压强度满足气密试验压力:PTPcMpa、外头盖短节、封头厚度计算:外头盖短节计算壁厚:S=短节设计壁厚:SdS,C,mm短节名义厚度:SnSd,Cmm圆整取Sn=mm有效厚度:SeSn,C,Cmm压力试验应力校核:PcDimm=t,,PctP((,)TDi,e)Mpae压力试验满足试验要求。外头盖封头选用标准椭圆封头:封头计算壁厚:S=封头名义厚度:SnS,C,C,mm取名义厚度与短节等厚:Snmm、管箱短节、封头厚度计算:由工艺设计结构设计参数为:设计温度为C设计压力为Mpa选用MnR钢板材料许用应力Mpa屈服强度sMpa取焊缝系数=腐蚀裕t。PcDimm=t,,Pc度C=mm计算厚度:S=设计厚度:PcDimm=t,,PcSdS,C,mm名义厚度:SnSd,Cmm结合考虑开孔补强及结构需要取Snmm有效厚度:SeSn,C,Cmm压力试验强度在这种情况下一定满足。管箱封头取用厚度与短节相同取Snmm、管箱短节开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法接管尺寸为考虑实际情况选号热轧碳素钢管MpaC=mmt接管计算壁厚:St接管有效壁厚:SetSnt,C,Cmm开孔直径:ddi,C,,mm接管有效补强高度:B=d==mm接管外侧有效补强高度:hdSntmm需补强面积:A=dS==mm可以作为补强的面积:A(Bd)(SeS)(,)(,)mmAh(t)fr(,)mmSetSA,A,AmmPcDimmt,Pc,该接管补强的强度足够不需另设补强结构。、壳体接管开孔补强校核:开孔校核采用等面积补强法。选取号热轧碳素钢管钢管许用应力:MpaC=mmt接管计算壁厚:St接管有效壁厚:SetSnt,C,Cmm开孔直径:ddi,C,,(,)mm接管有效补强厚度:B=d==mm接管外侧有效补强高度:hdSntmm需要补强面积:A=d==mm可以作为补强的面积为:A(Bd)(e)(,)(,)mmAh(t)fr(,)mmSetSPcDimmt,,Pc尚需另加补强的面积为:AAAAmm补强圈厚度:SkAmmB,d,实际补强圈与筒体等厚:Skmm则另行补强面积:ASK(Bd)(,)mmA,A,A,,mmAmm同时计算焊缝面积A后该开孔补强的强度的足够。、固定管板计算:固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度b=mm。总换热管数量n=一根管壁金属横截面积为:ad,di)(,)mm开孔温度削弱系数(双程):两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L取mm计算系数K:KDinabLbK=接管板筒支考虑依K值查《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社:图图图得:G,G,G管板最大应力:t(Ps,Pt)G(,)(,)P,,Mpaa或t(Ps,Pt)G(,)P,,,Mpaa筒体管板上管孔所占的总截面积:C系数系数ndAC,AnaAC,壳程压力:PsMpa管程压力:PlMpa当量压差:PaPsP(,(,)Mpal,)管板采用Mn锻:rMpa换热管采用号碳系钢:tMpa管板管子程度校核:rmaxMpaMpatmax,MptMpaa管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取Cmm隔板槽深取mm实际管板厚为mm。、浮头管板及钩圈:浮头式换热器浮头管板的厚度不是由强度决定的按结构取mm钩圈采用B型。材料与浮头管板相同设计厚度按浮头管板厚加mm定为mm。、无折边球封头计算:封头上面无折边球形封头的计算接外压球壳计算依照GB方法计算。选用MnR析封头Ri封头外侧C气体PBMpaRSePPsMpa计算值可用、浮头法兰计算:按GB相关规定。因此法兰出于受压状态。计算过程取法兰厚度mm。结构见《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社:图(C)九、参考文献:(《化工原理》(第三版)化学工业出版社出版(GB机械制图图纸幅面及格式(GB钢制压力容器(化工部六院编化工设备技术图样要求化学工业设备设计中心站年。(《过程设备设计》(第二版)化学工业出版社(《化工单元过程及设(

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