化工原理课程设计腐蚀性釜残液冷却器的设计Word文档下载推荐.docx
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列
固定管
板式
刚性结构
用于管壳温度较小的情况(一般w50C),管间不能清
洗。
带膨胀节
有一定的温度补偿能力,壳程只能承受低压力。
浮头式
管内外均能承受高压,可用于高温高压场合。
U型管式
管内外均能承受高压,管内清洗及检修困难。
外填料函
管间容易泄漏,不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质。
内填料函
密封性能差,只能用于压差较小的场合
釜式
壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮。
双套管式
结构比较复杂,主要用于高温高压场合和固定床反应器中
套管式
能逆流操作,用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器
螺旋管式
沉浸式
用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体加热
喷淋式
只用于管内流体冷却或冷凝
拆洗方便,传热面能调整,主要用于粘性较大的液体间换热
螺旋板式
可进行严格的逆流操作,有自洁的作用,可用于回收低温热能
平板式
结构紧凑,拆洗方便,通道较小、易堵,要求流体干净
板壳式
板束类似于管束,可抽出清洗检修,压力不能太高
混合式
适用于允许换热流体之间直接接触
蓄热式
换热过程分阶段交替进行,适用于从高温炉中回收热能场所
完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。
(1)合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数(温度、压力、流量、相态等)与物理化学性质(密度、粘度、腐蚀性等)是工艺过程所规定的条件。
设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算,经过反复比较,使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积,在单位时间内传递尽可能多的热量。
其具体做法如下。
1增大传热系数?
在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下,尽量选择高的流速。
2提高平均温差?
对于无相变的流体,尽量采用接近逆流的传热方式。
因为这样不仅可提高平均温差,还有助于减少结构中的温差应力。
在允许的条件时,可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。
3妥善布置传热面?
例如在管壳式换热器中,采用合适的管间距或排列方式,不仅可以加大单位空间内的传热面积,还可以改善流体的流动特性。
错列管束的传热方式比并列管束的好。
如果换热器中的一侧有相变,另一侧流体为气相,可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积,更有利于热量的传递。
(2)安全可靠
换热器是压力容器,在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时,应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。
这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。
(3)有利于安装、操作与维修
直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。
设备与部件应便于运输与装拆,在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍,根据需要可添置气、液排放口,检查孔与敷设保温层。
(4)经济合理
评价换热器的最终指标是:
在一定的时间内(通常为1年)固定费用(设备的购置费、安装费等)与操作费(动力费、清洗费、维修费等)的总和为最小。
在设计或选型时,如果有几种换热器都能完成生产任务的需要,这一指标尤为重要。
动力消耗与流速的平方成正比,而流速的提高又有利于传热,因此存在一最适宜的流速。
传热面上垢层的产生和增厚,使传热系数不断降低,传热量随之而减少,故有必要停止操作进行清洗。
在清洗时不仅无法传递热量,还要支付清洗费,这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿,因此存在一最适宜的运行周期。
严格地讲,如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的,应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。
但要解决这样
按照
的问题难度很大,当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时,上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。
1.1换热器设计任务书
一、目的与要求
1.要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识,进行融会贯通的独立思考,在规定的时间内完成列管换热器设计任务。
2.使学生了解工程设计的基本内容,掌握化工设计的主要程序和方法,培养学生分析和解决工程实际问题的能力。
3.熟悉和掌握查阅技术资料、国家技术标准,正确地选用公式和数据。
二、主要内容
1.设计方案简介对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。
2.主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工
艺尺寸计算及结构设计。
3.
设计任务及操作条件:
3.1
处理能力:
4
2.16x104kg/h
釜残液
3.2
设备型式:
列管换热器
3.3
操作条件:
3.3.1釜残液:
入口温度:
102C
出口温度:
40C
3.3.2冷却介质:
井水入口温度:
30C出口温度:
3.3.3允许压强降:
不大于50kPa
334釜残液定性温度下的物性参数:
密度986kg/m3粘度5.4x10-4Pa-s
比热容4.19kJ/kgC导热系数0.662W/mC
2.3.5井水定性温度下的物性参数:
密度994kg/m2粘度7.28x10-4Pa・s
比热容4.174kJ/kg「C导热系数0.662W/m「C
4.主体设备工艺条件图
进度计划
序号
设计(实验)内容
完成时间
备注
1
学习与课程设计相关的知识
2012.5.10
2
布置课程设计题目
2012.5.15
3
学生自主进行所选题目的设计工作
2012.6.15
按要求提交课程设计报告
2012.6.16
四、设计成果要求
1.标题页;
2.设计任务书;
3.目录;
4.设计方案简介;
5.工艺计算及主体设备设计;
6.辅助设备的计算及选型;
7.设计结果一览表;
8.对本设计的评述;
9.主体设备的工艺条件图;
10.参考文献。
五、考核方式
根据课程设计报告评定成绩。
1.2、换热器的结构形式
1.管壳式换热器
管壳式换热器又称列管式换热器,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,应用最为广泛。
管壳式换热器根据结构特点分为以下几种:
(1)固定管板式换热器
固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起,这类换热器结构简单,价格低廉,但管外清洗困难,宜处理两流体温差小于50C且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。
带有膨胀节的固定管板式换热器,其膨胀节的弹性变形可减小温差应力,这种补偿方法适用于两流体温差小于70C且壳方流体压强不高于600Kpa的情况。
(2)浮头式换热器
浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接,该端被称为浮头,管束连同浮头可以自由伸缩,而与外壳的膨胀无关。
浮头式换热器的管束可以拉出,便于清洗和检修,适用于两流体温差较大的各种物料的换热,应用极为普遍,但结构复杂,造价高。
(3)填料涵式换热器
填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀,与浮头式换热器相比,结构简单,造价低,但壳程流体有外漏的可能性,因此壳程不能处理易燃,易爆的流体。
2.蛇管式换热器
蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单,操作最方便的一种换热设备,通常按照换热方式不同,将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。
3.套管式换热器
套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管,其内管用U型时管顺次连接,
外管与外管互相连接而成,其优点是结构简单,能耐高压,传热面积可根据需要增减,适当
地选择管内、外径,可使流体的流速增大,两种流体呈逆流流动,有利于传热。
此换热器适用于高温,高压及小流量流体间的换热。
1.3、换热器材质的选择
在进行换热器设计时,换热器各种零、部件的材料,应根据设备的操作压力、操作温度。
流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。
当然,最后还要考虑材料的经
济合理性。
一般为了满足设备的操作压力和操作温度,即从设备的强度或刚度的角度来考虑,是比较容易达到的,但材料的耐腐蚀性能,有时往往成为一个复杂的问题。
在这方面考虑不周,选材不妥,不仅会影响换热器的使用寿命,而且也大大提高设备的成本。
至于材料的制造工艺性能,是与换热器的具体结构有着密切关系。
一般换热器常用的材料,有碳钢和不锈钢。
(1)碳钢
价格低,强度较高,对碱性介质的化学腐蚀比较稳定,很容易被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。
如一般换热器用的普通无缝钢管,其常用的材料为10号和20
号碳钢。
(2)不锈钢
奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表,它是标准的18-8奥氏体不锈钢,有稳定的奥氏体组织,具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。
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4MPa,设计温度不超过
350C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。
1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。
2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。
3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。
1.4、管板式换热器的优点
(1)换热效率高,热损失小
在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000W/m2K,在一般的工
况条件下,换热系数也可以在3000〜4000W/m2K左右,是管壳式换热器的3〜5倍。
设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。
完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/3〜1/4。
(2)占地面积小重量轻
除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。
换热所用板片的厚度
仅为0.6〜0.8mm同样的换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。
(3)污垢系数低
在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。
(4)检修、清洗方便
换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱
即可卸下板片进行冲刷清洗。
(5)产品适用面广
设备最高耐温可达180C,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明
显的经济效益。
各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。
当然板式换热器也存在一定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高,限制了其在较为复杂工况中的使用。
同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。
1.5、列管式换热器的结构
介质流经传热管内的通道部分称为管程。
(1)换热管布置和排列间距
常用换热管规格有巾19X2mm巾25X2mm(1Crl8Ni9Ti)、巾25X2.5mm(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。
浮头
圆管布管均匀,结构更为紧凑。
我国换热器系列中,固定管板式多采用正三角形排列;
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4MPa,设计温度不超过350C的场合。
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。
1.6、管板式换热器的类型及工作原理
板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;
按照换热板片的波
纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;
按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。
各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。
比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。
又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250C、2.5MPa。
因此同样是板式换
热器,因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。
虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。
板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。
冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的
或者通过大量的焊
热传递,达到最终的换热效果。
冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割
2.计算并初选换热器规格
釜残液的定性温度:
T10^071C
密度po=986kg/m
定压比热容Cpo=2.20kJ/kg°
C
热导率
入0=0.662W/mC
粘度
a0=5.4mPa・s
水的定性温度:
3040
t
35C
密度
pi=994kg/m
定压比热容
Cpi=4.174kJ/kgC
入i
=0.626W/mC
ai=7.28mPa-s
2.1、确定流体通入的空间。
因釜残液为腐蚀性介质,适于走管内,将冷却水通入壳程空间。
冷却介质为井水,取入口温度为30C,出口温度为40C.
由于两流体温差不大于50C,故选用固定管板式列管换热器。
2.2、计算热负荷Q按管内釜残液计算,即
若忽略换热器的热损失,冷却水的用量可由热平衡求得,即
2.3、计算平均温差,并确定壳程数。
10240
R=102406.2
4030
P=40300.14
10230
tm0.8228.523.4C
初选Ko660W/(m2C)
S丄垃101.01m2
Ktm66023.4
X3.14X0.025X5.9=102.8m
壳径D
公称面积S
管程数Np
管数n
管长L6m
管子直径
管子排列方法
换热器实际传热面积
So=nndo(l-o.l)=222
换热器要求的总传热系数为
600mm
100m2
222
①25X2.0mm(不锈钢管)
正三角形
Ko
Qh
Sotm
1.56106
102.823.4
648W/(mC)
3、核算总传热系数
3.1、核算管程传热系数i,因为
Wh2.16104kg/h
所以
3.2、计算壳程对流传热系数o
换热器中心附近管排中流体截面积为:
AhD(1直)0.30.6(10.025)0.0394
t0.032
h—折流挡板间距,取300mm
t—管中心距,对①25X2.0mm,t=32mm.
因为Wc37.4kg/s,所以
Ws
37.4
994
0.0376m3/s
Uo
Vs
Ao
沖0.954m/s
0.0394
由正三角形排列,
Re。
因为
Pro
4(込2
deU。
在(2
2:
:
322
do)4(0.03220.7850.0252)
_4=2
do
3.140.025
0.。
2020.954994=2.63皿
0.728103
103,1106)范围内,
故可用下式计算
=0.0202m
0.36一
de
0.55-
Pr。
Cp
4.174100.728
0.626
103
4.85
由于液体被加热,
=1.05,所以
40557
(2.6310).4.8531.05
3.3、确定污垢热阻。
Rs1.72104nTc/W.(有机液体)
Rs。
2.0104mC/W.(井水)
3.4、总传热系数Ko
Ko=—
o
bdo
wdw
Rs仏
di
idi
入w=16.5W/(m2C)
因釜残夜具有腐蚀性,管子材料选用不锈钢。
取其导热系数
K°
=―1
——0.0002
5349
0.00225
16.523
0.000172
25
21
194221
=749
1.33610
选用该换热器时,要求过程总传热系数为648W(m2C),在传热任务所规定的条件下。
计算出Ko749w/(m2C),所选择的换热器安全系数为:
749648100%=15.6%.
648
故选择的换热器是符合要求的。
4、计算压强降。
4.1、计算管程压强降。
R二(RP,)FtNpNs
前已算出:
50.3168m/s,Re1.215104(湍流)。
4.2、计算壳程压强降。
Po(P'
F2'
)FsNs其中Fs1.15.Ns1
管子为正三角形排列,取F0.5.
nc1.1n1.122216
折流板间距h0.3m
折流板数NBL
1A119
0.3
h(D
ncd。
)
0.3(0.6160.025)
0.06m
0.0376
0.06
0.627m/s
doUo
0.0250.627994
0.72810
2.14
104>
500
P2'
—0.228
5Re°
5(2.14
104)
0.228
0.5148
R'
0.5
Nb(3.5
0.514816
(19
1)
9940.6272
1.61
104Pa
Po
(1.61
2h)Uo
D)2
19(3.5
20.3)994
0.6—
0.627
-9281Pa
1049281)
1.152.92104Pa
以上计算可知,该换热器管程与壳程的压强降均满足题设要求,故所选换热器合适。
固定管板式条件工艺图
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2.0mm
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结束语
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