管板式換熱器詳細(xì)設(shè)計(jì)分解

1、換熱器設(shè)計(jì)1.換熱器選型說(shuō)明1.1 換熱器類(lèi)型換熱器類(lèi)型很多，按其用途分，有加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器。按其結(jié)構(gòu)分，有列管式、板式等。不同類(lèi)型換熱器，其性能各異。管型換熱器又可以分為蛇管式換熱器、 套管式換熱器、管殼式換熱器。板型換熱器可分為螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翹式換熱器。 換熱器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)見(jiàn)下表：表 1-1 換熱器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)管殼式固定管板式浮頭式U 型 管剛性結(jié)構(gòu)：用于管殼溫差較小的情況 （ 一般 50°C），管間不能清洗帶膨脹節(jié)：有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能 承受較低壓力管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難式外填料函

2、：管間容易漏泄，不宜處理易揮發(fā)、管填料函易爆易燃及壓力較高的介質(zhì)式式內(nèi)填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合釜式殼體上都有個(gè)蒸發(fā)空間，用于蒸汽與液相分離雙套管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合，或固式定床反應(yīng)器中套管式套管式能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器螺旋 盤(pán) 浸沒(méi)式用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝，或者管外流體的管式加熱噴淋式只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝板式拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱螺旋板可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔作用，可回收低溫?zé)崮馨迨絺惆迨絺阈蝹鳠岚褰Y(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小，易堵，要求流體干凈板殼式板束類(lèi)似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太

3、高擴(kuò)展表板翅式結(jié)構(gòu)十分緊湊，傳熱效率高，流體阻力大面式管翅式適用于氣體和液體之間傳熱，傳熱效率高，用于化工、動(dòng)力、空調(diào)、制冷工業(yè)回旋式 盤(pán)式傳熱效率高，用于高溫?zé)煔饫鋮s等蓄熱鼓式用于空氣預(yù)熱器等式固定 格 緊湊式適用于低溫到高溫的各種條件室式非 緊 湊式可用于高溫及腐蝕性氣體場(chǎng)合1.2 換熱器類(lèi)型選擇換熱器選型時(shí)需要考慮的因素是多方面的，主要有： 流體的性質(zhì)； 熱負(fù)荷及流量大??； 溫度、壓力及允許壓降的范圍； 設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、重量； 價(jià)格、使用安全性和壽命。在換熱器選型中，除考慮上述因素外，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料來(lái)源、制造條件密封性、安全性等方面加以考慮。1.3 管殼式換熱器的分類(lèi)與特點(diǎn)在

4、眾多類(lèi)型的換熱器結(jié)構(gòu)中， 管殼式換熱器是用得最廣泛的一種換熱設(shè)備類(lèi) 型。它的突出優(yōu)點(diǎn)是： 單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu) 堅(jiān)固，而且可以選用的結(jié)構(gòu)材料范圍也比較寬廣，清洗方便，處理量大，工作可 靠，故適應(yīng)性較強(qiáng)，操作彈性較大。它的設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)比較完善，目前在許多 國(guó)家已有系列化標(biāo)準(zhǔn)，因而在各種換熱器的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。綜合考慮該類(lèi)型換熱器的優(yōu)點(diǎn)和本次設(shè)計(jì)工藝的特點(diǎn)， 大部分都采用的是管 殼式換熱器。管殼式換熱器是把管子與管板連接， 再用殼體固定。 它的型式大致分為固定管板式、釜式、浮頭式、 U 型管式、滑動(dòng)管板式、填料函式及套管式等幾種。表 1-2 管殼式換熱器的性

5、能對(duì)比表種類(lèi) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)應(yīng)用范圍耗用 相對(duì) 金屬 費(fèi)用 kg/m2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，當(dāng)管束與殼體不易結(jié)垢并能清固定能承壓力高，造價(jià)低，的壁溫或材料的線洗，管、殼程兩側(cè)溫差管板管程清洗方便，管子膨脹系數(shù)相差較大1.0不大或溫差較大但殼側(cè)式損壞時(shí)易于賭管或更時(shí)，殼體和管束中將壓力不高的場(chǎng)合換產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力30浮頭 管間和管內(nèi)清洗 式 方便，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)殼體和管束之間壁 比固定管板式 20%，溫差較大或殼程介質(zhì)易 設(shè)備笨重，耗材大，結(jié)垢的場(chǎng)合 對(duì)密封要求高1.22 46結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，U型價(jià)格便宜，承受能力 管式強(qiáng)1.01 46結(jié)構(gòu)較浮頭式簡(jiǎn)填料處易泄漏，填料單，造價(jià)低，加工方工作壓力，

6、介質(zhì)及溫應(yīng)用較少函式便節(jié)省材料度都受到限制1.38 46管子內(nèi)壁清洗介質(zhì)易結(jié)垢又不宜 困難，管子更換困采用浮頭式和固定管板 難，管板上排列的管式的場(chǎng)合 子少殼壁溫差較大2. 換熱器設(shè)計(jì)舉例本工藝主要分為三個(gè)部分： 預(yù)處理反應(yīng)部分、吸收部分和精餾部分。 這三個(gè) 部分總共有 26 臺(tái)換熱器（換熱器，冷凝器，再沸器） 。我們主要對(duì)吸收部分的 E0202 換熱器做詳細(xì)設(shè)計(jì)。2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件 .本工藝流程中， 丙烯腈分離塔 T-106底側(cè)線出來(lái)的循環(huán)水經(jīng)給原料丙烯加熱 后，用液氨將其從 69.62進(jìn)一步冷卻至 4之后，與新鮮循環(huán)水混合進(jìn)入混合 器做為氫氰酸吸收塔 T-103 的吸收劑。設(shè)計(jì)條件

7、 表 2-1 ：介質(zhì)進(jìn)口溫度（）出口溫度（）壓力 （MPa）流量(kg/h)循環(huán)水69.6240.132414351液氨-25-24.360.1782.2 確定設(shè)計(jì)方案選擇換熱器類(lèi)型兩流體溫差變化情況：熱流體（循環(huán)水）進(jìn)口溫度 69.62 ，出口溫度 4； 冷流體（液氨）進(jìn)口溫度 -25 ，出口溫度 -24.36 。兩流體均不易結(jié)垢且能夠清洗，管、殼側(cè)溫差較大，綜合考慮，初步確定選用固定管板式換熱器流程安排從兩流體的進(jìn)、出口溫度來(lái)看，熱流股（循環(huán)水）屬于被冷卻介質(zhì)，為 了方便散熱，宜走殼程；考慮到冷流股（液氨）對(duì)管道具有一定的腐蝕作用，為 了避免殼體和管束同時(shí)被腐蝕，宜走管程。2.3 確定物性

8、數(shù)據(jù)定性溫度： 對(duì)于低粘度液體液氨和水， 其定性溫度可以取流體進(jìn)出口溫度的 平均值。故 殼程流體的定性溫度為： T 殼 = 69.62 4 =36.812管程流體的定性溫度為： T 管 = 25 （ 24.36） =-24.68 2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù) 表 2-2物性液氨（管程）循環(huán)水 （殼程）溫度（）-24.6836.81密度 （kg/m3）671.371221.72定壓比熱容 Cp（ kJ/kg K·）5.0755.12熱導(dǎo)率 （W/m·K）0.57850.7578黏度 （Pa·s）0.37*10-40.78*10-32.4 估算

9、傳熱面積在熱損失可以忽略不計(jì)的條件下，對(duì)于無(wú)相變的工藝物流，由傳熱基本方程式 Q=KAt m來(lái)估算傳熱面積。1. 傳熱量Q=Whcph t =414351 5.12 （69.62-4）=1.39*10 8（KJ/h） =38611.1KW2. 液氨量8W c =Q =1.39*108=4.28*107（kg/h）cpc（t2 t1） 5.075* （ 24.36 25）3. 平均傳熱溫差tm= t1 t2 = 94.62 28.36 =54.99（以逆流計(jì)）mt1lnt2In 94.6228.36循環(huán)水69.62 4液氨-25 -24.36溫差94.6228.36計(jì)算溫差校正系數(shù)t，首先得算出

10、 R 和 P，再按溫差校正系數(shù)圖查取 t 值。R= 冷流體的溫升熱流體的溫降 =Tt1 Tt269.6（2-4 ） 102.53t2 t1 - 24.36（- -25）P= 冷流體的溫升兩流體最初溫差=t2 t1T1 t1- 24.36（- -25）69.62- - 250.0068按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查溫差校正系數(shù)圖得： t 0.98 所以 平均傳熱溫差： t m =t t .m 3. 估算傳熱面積參照熱交換器的總傳熱系數(shù)概算值表，假設(shè)總傳熱系數(shù)K=780W/（m 2.k）8則所需傳熱面積為： A= Q = 1.39* 10 = 918.6（m2）K tm 3.6 * 53.89* 780

11、取安全系數(shù) 1.04，則 Ap（m2）2.5 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1 管徑和管內(nèi)流速選用252.5 的 16Mn材質(zhì)的傳熱管，取管內(nèi)流速為 ui =1.15m/s. 2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)，管長(zhǎng) l 取 12m。管子根數(shù)： Nt= A = 955.3 980.2 取 981 根doL 0.025 12按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo) 準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取換熱管長(zhǎng) l=6m.則該換熱器的管程數(shù)為： Np=L = 12 =2（管程）l6傳熱總管數(shù)： Nt =981 2=1962（根）3. 平均傳熱溫差校正與殼程數(shù)溫差校正系數(shù) t 與流體的進(jìn)出

12、口溫度有關(guān)，也與換熱器的殼程數(shù)及管程數(shù)有 關(guān)。首先得計(jì)算出 R和 P，再按溫差校正系數(shù)圖查取 t值，得： t 0.98 由于 t 0.98 0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4. 傳熱管排列及管心距 采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。因?yàn)檎切闻帕性谙嗤墓馨迕娣e上可排較多的管子， 并且管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 較大；正方型排列，管外易于進(jìn)行機(jī)械清理。綜合考慮組合排列的優(yōu)點(diǎn)和該換熱器的特點(diǎn)，傳熱管采用組合排列法。取 管心距 a=1.25do則管心距為： a=1.25×25=31.2532mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離為：S=a +6= 3

13、2 +6=22（mm）22各程相鄰管的管心距為 : 2S=2 22mm=44mm 通過(guò)管中心線管數(shù)： NTC=1.1 Nt =1.1 1962 =48.75. 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下式計(jì)算，取管板利用率 =0.80 ，則殼體 內(nèi)徑為：D=1.05a Nt =1.05 32 1962 =1664.0 （mm）0.80按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，圓整可取 D=1700mm6. 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25。1)切去的圓缺高度為： h=0.25D=0.25 1700mm=425(mm)2)取折流板間距為： B=0.20D=0.201700mm=39(0 mm)按

14、標(biāo)準(zhǔn)圓整后取 B=450mm(3) 折流板數(shù) NB:NB= 傳熱管長(zhǎng) 折流板間距6000-1= -1 12.3 取 13（塊）450折流板圓缺面水平裝配。不設(shè)旁流擋板， NB0=0.7. 拉桿(1) 拉桿直徑表 2-3：換熱管外徑 /mm1014192532384557直徑 /mm1012122616161616換熱管的外徑為 25mm，所以拉桿直徑為 16mm(2) 拉桿數(shù)量 表 2-4：公公稱直 拉桿直徑(稱直徑mm)<400400 <700700<900900<13001300<15001500<18001800<2000104610121618

15、24124481012141816446681012拉桿數(shù)量：查拉桿數(shù)量與殼體公稱直徑表，本換熱器殼體內(nèi)徑為1700mm拉,桿直徑 =16mm所, 以拉桿數(shù)量為 10.(3) 拉桿尺寸拉桿的長(zhǎng)度 =La d+Lb, 如下表 2-5 的標(biāo)準(zhǔn)：拉桿直徑 d/mm拉桿螺紋公稱直徑 dn /mmLa /mmLb /mm管板上拉桿孔深 Ld /mm101013401612121550181616206020從表中可以得到：直徑 d=16mm的拉桿 ; 拉桿螺紋公稱直徑 dn =16mm;管板上拉桿孔深 L d =20mm; L b 60mm. La =20mm 拉桿長(zhǎng)度 =La d+Lb 96mm拉桿與

16、管板的固定形式：全焊接方法8. 防沖擋板：液體物料 2 =1221.72 2.5 2 =7635.6kg/(m.s 2 )>740 kg/(m.s 2), 要設(shè)置防沖擋板。9. 接管(1) 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體的流速為 u1=2.5m/s,則接管內(nèi)徑為：3600 1221.72) m=0.219 m=219mm圓整后可取管內(nèi)徑為 250mm.(2) 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體的流速為 u2=2.65m/s,則接管內(nèi)徑為：78 10 (3600 671.37) m= 0.951m=951mm圓整后可取管內(nèi)徑為 1000mm10. 管板結(jié)構(gòu)根據(jù)：殼體的內(nèi)徑為 1700mm，

17、圓整后的公稱直徑為 1800mm；操作壓力 =0.132MPa, 定性溫度 =36.81 查固定管板式換熱器管板尺寸得到有關(guān)尺寸： 固定管板長(zhǎng)度 D=1960mm; D 1=1910mm; D 2 =1790mm; D 3 =1798mm;D 5 =D 6=1800mm; D 7 =1850mm; b=50mm; c=14mm; d=27mm螺栓孔數(shù) =64 個(gè).2.6 換熱器核算熱流量核算1. 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 0用克恩法計(jì)算：0.55 130.140 0.36Re0 Pr 3()0.140 d e e0 w3 2 2 3 2 3.14 24( a2d02 ) 4( 0.03220.0252

18、)當(dāng)量直徑：d e= 2 4 0 2 4=0.02m(三角形排列)d03.14 0.025殼程流體流通截面積：So=BD(1 d0 )=0.45×1.7×(1 0.025 )=0.167m 2 a 0.032殼程流體流速及雷諾數(shù)分別為：流速雷諾數(shù)u = wh 414351 (3600 1221.72)u0= h0.564 m / ss0Re0= du 0.0200.1670.564 1221.72 17667.90.00078普朗特常數(shù)：黏度校正：殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：Pr=cp( w)0.140 0.36 Re00.55 Pr 3( ) de2. 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流

19、通截面積：5.12 103 0.00078 5.270.7578( 0.00078 )0.14 1.080.000450.14w10.36(17667.9)0.55 (5.27) 3 1.08 5556.6w /(m2 )0.02Si=2 di n 4i3.414 (0.02)2 981 0.308m2管程流體流速及雷諾數(shù)：7流速u(mài)i=wc 4.28 107 (3600 671.37) 0.575m / sSi0.308雷諾數(shù) Re = du 0.02 0.575 671.37雷諾數(shù) Rei = 2086690.50.000037普朗特常數(shù)：cp5.075 103 0.0000370.5785

20、Pr= 0.325管內(nèi)表傳熱系數(shù)為：i 0.023dii Rei0.8Pr0.4 0.0230.05.07285(208669.05)0.8(0.325)0.4 48230.4w/(m2.k)3. 污垢熱阻和管壁熱阻查取污垢系數(shù)表，可取2 管外側(cè)污垢熱阻： Ro=0.0006 m2.k/w 管內(nèi)測(cè)污垢熱阻： Ri=0.000172 m2.k/w表 2-5 常用金屬材料的熱導(dǎo)率 /W/(m.k)溫度/0100鋁227.95227.95銅383.79379.14鎳93.0482.57碳鋼52.3448.58不銹鋼16.2817.4516MnDG 在該條件下的熱導(dǎo)率近似為 50 W/(m ·

21、;k)管壁熱阻： Rw= b = 0.0025=0.00005 (m2.k/w)w 50b傳熱管壁厚， m；m管壁熱導(dǎo)率， m.k/w.4. 總傳熱系數(shù) K0傳熱面積裕度 ; ：H=Ap AcAc=924.1 837.99=10.28%837.9911d0Ri d0Rwd0R01 0.0250.0001720.025 0.0005 0.025 0.0006 1i dididm048230.4 0.020.020.02255556.6855W /(m2.k)5 傳熱面積裕度傳熱面積 Ac 為：Ac= QK0 tm1.39 1082837.99m2855 53.89 3.6換熱器的實(shí)際傳熱面積為：

22、 Ap = d0lN0.025 6 1962 924.1m2傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠?yàn)橥瓿缮a(chǎn)任務(wù)。壁溫核算管、殼側(cè)( Re=2086690.5>4000)、( Re=13626.9>4000)均為湍流。殼側(cè)熱流股的平均溫度：Tm=0.4T 1+0.6T2=0.4 69.62+0.6 4=30.248 管側(cè)冷流股的平均溫度：tm=0.4t 2+0.6t 1=0.4 (-24.36)+0.6 (-25) =-24.74422c=i =48230.4 w/(m 2.k) h= 0=4816.96 w/(m 2.k)傳熱管平均壁溫： t= Tm c tm h = 30.248 48

23、230.4 ( 24.744) 4816.96 =-19.75 1 c 1 h 1 48230.4 1 4816.96 殼體壁溫：可近似取為殼程流體的平均溫度，即 T=69.62 4=36.81 2殼程溫差與傳熱管壁溫之差為： t=T-t=36.81-(-19.75) =56.56 該溫差較大，因此需設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置。換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力1. 管程流體阻力 管程流體的阻力等于流體流經(jīng)傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力之 和，即pt=(pi+pr)NsNpFs式中 pi 單程直管阻力； Ns殼程數(shù)；pr 局部阻力；Np管程數(shù)；Fs 管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，可近似取 1.5.Ns =1；Np=2；由

24、Re=2086690.5，傳熱管相對(duì)粗糙度 e = 0.2 =0.01，D 20查莫狄圖得 i=0.036.流速 u=0.575m/s，=671.37kg/m3單程直管阻力： pi i l ui2 0.036 6 671.37 (0.575)2 1198.6Pai i d 2 0.02 2局部阻力：22prui 3 671 .37 (0.575)332 .96 Pa (一般情況取3)r2管程流體的總壓力損失：pt=(pi+pr) NsNpFs=(1198.6+332.96) 1 2 1.5 Pa=4594.68Pa2 殼程阻力殼程阻力計(jì)算公式： ps=( pi + pr)N sFs 流體流經(jīng)管

25、束的阻力： pi Ff 0NTC (NB 1) u0F 管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列Ns=1；Fs=1.15)F=0.5殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng) Re>500 時(shí), f0 Re0 0.228NTC橫過(guò)管束中心線的管子數(shù) ; NB 折流擋板數(shù) ;0按殼程流通截面積計(jì)算的流速( m/s), u0 w h0.214 m 2A0A0 B(D N TC d0) 0.45 (1.7 49 0.025 )whu0 hA0414351 (671.37 3600) 0.801m20.214管束阻力為：piFf 0NTC(NB 1) u022=0.517667.9 0.22849 ( 13+1 )2671.37 0.8012 =7945.7 Pa流體流過(guò)折流板缺口的阻力：2B u 2pr N B(3.5) 0 13 (3.5r B D 222 0.45 671.37 (0.801) 2) 8317.3.Pa1.7殼程總阻力：ps=(pi+pr)NsFs=(7945.7+8317.3) 1 1.15=18702.45 Pa表 2-6 列管換熱器允許阻力范圍操作壓力 /pa允許壓力 /paP<105(絕壓)p=0.1pP=0105 （表壓）p=0.5pp>105(表壓)4p<5 10 4分 析 計(jì)算 結(jié)果 ：管 程流 體 總壓 力損