浮头式换热器的设计

设计题目：浮头式换热器的设计

一、前言

本次课程设计的题目是浮头式换热器的设计。目的是培养我们综合运用本门课程及有关先修课程的基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力。目标为：设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。设计条件如下：管程和壳程的压力均不大于1.0MPa ，管程和壳程的压力降均不大于30kPa 。物料为庚烷，W h =1750t/d 。

这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。 二、方案设计

1、冷却剂的选用：冷水，1t ＝30℃；

2、换热器型式的选择：浮头式；

3、流体管壳程的选择：冷水走管程，庚烷走壳程；

4、流体流动方向的选择：二管程+单壳程； 三、工艺设计

1、查出物料的正常沸点：1T ＝98.4℃

2、选定物料的出口温度：2T ＝46℃

3、选定加热剂的进出口温度：1t ＝30℃，2t ＝43℃

4、计算逆流传热平均温度差：

1212

(98.443)(4630)

31.7(98.443)

ln ln

(4630)m t t t C t t ∆-∆---∆=

==︒∆--∆逆 5、校正传热平均温度差：

1221211198.446

44330

43300.19

98.430T T R t t t t P T t --=

==----===--

根据查表可得，()f R P ϕ=⋅ =0.87

m .t 0.8731.727.6m t C ϕ∆=∆=⨯=︒折逆

6、计算出定性温度T m 、m t 和管壁定性温度sm t

()1211

(98.446)72.222m T T T C =

+=+=︒（庚烷） 1211

()(4330)36.522m t t t C =+=+=︒ （冷水）

11

()(72.236.5)54.422

sm m m t T t C =+=+=︒ （管壁）

7、 查出物料和加热剂的物性参数：

管壁（铜）的导热系数选为381.3/w m k ⋅ 8、计算热负荷：

62117501000

()2369.7(98.446) 2.51510243600

h ph Q W c T T W ⨯=-=

⨯⨯-=⨯⨯

9、根据总传热系数K 的大致范围，初选总传热系数定 0K ＝5002/(.)W m K 10、初算传热面积：

6

200 2.51510182.3950027.6

m Q S m K t ⨯===∆⨯折

11、根据工艺条件，选定公称压力 1.0PN MPa =

12、根据流体物性，选定换热管材为铜

13、由初算传热面积0s 和选定的公称压力PN ，初定换热器的工艺尺寸：

14、计算物料的流量c W 和加热剂的流量h W ：

()6

21 2.5151046.35/4174(4330)c pc Q W kg s c t t ⨯===-⨯-

15、计算管程流速i u ：

46.350.87/993.40.0539

i i i i i V W u m s A A ρ=

===⨯ 因为i u 在0.5-3m/s,所以满足要求 16、计算管程对流传热系数i α：

管程中的冷水n=0.4

0.80.4

0.023p i i i i i i i i i C u d u d λραμλ⎛⎫⎛⎫

= ⎪ ⎪

⎝⎭⎝⎭

0.4

0.8

44

0.6290.0150.87993.441747.1100.0230.0157.1100.629--⎛⎫⨯⨯⨯⨯⎛⎫

=⨯⨯⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭

)24594.27w m k =⋅

17、计算壳程当量直径e d 和流速0u

222200440.0250.019440.02290.019

e t d d m d ππππ⎛⎫⎛⎫-⨯-⨯ ⎪ ⎪

⎝

⎭⎝⎭===⨯ 2()0.15(0.8190.019)0.0661750000

0.48/2436006380.066

c o o o o o o o A h D n

d m V W u m s

A A ρ=-=⨯-⨯=====⨯⨯⨯ 18、计算壳程对流传热系数0α：

液体被冷却 0.14

0.95w μμ⎛⎫

= ⎪

⎝⎭

满足要求,/5.1~2.0s m u o =

14

.003

1

00055

.00000036.0⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪

⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=w p e e C u d d μμλμμρλα1

0.55

4

3

40.1070.02290.486382369.7 2.5100.360.95

0.0229 2.5100.107--⎛⎫⨯⨯⨯⨯⎛⎫

=⨯⨯⨯⨯ ⎪ ⎪

⨯⎝⎭⎝⎭

()2792.3w m k =⋅

19、根据冷热流体的性质及温度，选定污垢热阻：

5217.610/Si R m C w -︒=⨯⋅和52017.610S R m C w -=⨯⋅ 20、计算总传热系数'K ：

00.0190.015

0.016920.019

ln ln

0.015o i m i

d d d m d d --=

== λ＝381.3()/w m k ⋅

0000'0

111

Si S i i i m d d d b R R K d d d αλα=⋅+⋅+⋅++5510.0190.0190.0020.019117.61017.6104594.270.0150.015381.30.01693792.3

--=⨯+⨯⨯+⨯+⨯+ 得 K '=514.77()

k m w ⋅2 21、计算传热面积'S ：

622.51510`177.16`514.7727.6m Q S m K t ⨯===∆⨯折

22、核算实际面积:

'213.51.15 1.205 1.25177.16

S S <

==<，符合要求 23、核算压力降： ⑴ 管程压力降：

44

0.0150.8218812.5

Re 2.1085104.7510

i i i

i i

d u ρμ-⨯⨯=

=

=⨯⨯ 对于铜,取ε＝0.015，

i

0.15

0.001d 15

ε

＝

＝ 查表得0.027λ＝