化工原理课程设计海水换热器冷凝器的设计.doc
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1、课程设计说明书海水换热器(冷凝器)的设计 院(系) 轻工与食品学院 专 业 食品质量与安全 班 级 2012级 指导老师 学生姓名 2015年 7 月 16日课程设计评语:课程设计总评成绩:课程设计答辩老师签字: 年 月 日第一章化工原理课程设计任务书4一、题目:海水换热器(冷凝器)的设计5二、任务及步骤:5(一)工艺设计5(二)结构设计5(三)机械设计6三、作业份量:6第二章确定设计方案72.1 冷却器的型式的选择72.2 流程的选择72.3 流速的初步选择82.4 流体进出口温度的初步确定82.5 流体物理性质82.6 安装方式9第三章估算传热面积及基本尺寸的确定93.1 总传热量(忽略热
2、损失)93.2冷却海水的流量(忽略热损失)93.3平均传热温差93.4初算传热面积103.5换热管选取103.6管程数和传热管数103.7壳程数的选取103.8传热管的排布和分程11第四章换热器核算114.1管程传热膜系数114.2壳程传热膜系数124.3总传热系数K124.4传热面积校核134.5壁温核算134.6管程阻力核算134.7壳程阻力134.8工艺设计结论14第五章主要构件的设计计算及选型145.1 壳体145.2管板155.3 支撑板165.4拉杆及定距管175.5 分程隔板185.6封头及管箱185.7接管及其法兰195.8支座21第六章离心泵的选择24第七章设计计算结果汇总表
3、24第八章 设计总结26致谢:26参考资料:27第一章 化工原理课程设计任务书一、题目:海水换热器(冷凝器)的设计 某液化石油气运输船需设计一冷凝器,将丙烷气(石油气组分之一)在一定温度和压力下冷凝成为液体。冷却剂用海水。设计的基础数据如下:1丙烷气:处理量:0.325kg/s;温度:35(对应的饱和气体压力: 1.203MPa )2海水(冷却剂):海水初温:25;海水终温:30。二、任务及步骤:(一)工艺设计1、了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。对确定的换热器型式(管壳式?或板式?)进行简要论述。(如果有时间和兴趣,可对液化石油气运输船的再液化装置流程进行论述,以理解本设计的实际意义。)
4、2、由热平衡计算传热量的大小,并确定第二种换热流体(海水)的用量。3、决定流体通入的空间。4、计算流体的定性温度,以确定流体的物性数据。5、初算有效平均温差。一般先按逆流计算,然后再校核。6、选取管径和管内流速。7、计算总传热系数K值,包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关,因此一般先假设一个壳程对流传热系数,以计算K值,然后再作校核。8、初估传热面积。考虑安全系数和初估性质,因而常取实际传热面积是计算值的1.151.25倍。9、选择管长L。10、计算管数N。11、校核管内流速,确定管程数。12、画出排管图,确定管距,确定壳径D和壳程挡板形式及
5、数量等。13、校核壳程对流传热系数。14、校核有效平均温差。15、校核传热面积,应有一定安全系数,否则需重新设计。16、计算流体流动阻力。如阻力超过允许范围,需调整设计,直至满意为止。17、其他。如流体进出口管管径的计算等。(二)结构设计包括:换热管在管板上的固定方法;分程隔板与管板的连接;管板与壳体的连接;折流板与支承板等的连接;换热器安装方式等。(三)机械设计 包括:确定壳体壁厚、管板尺寸;选择换热器封头、法兰、接管(流体进出口管)法兰、支座、接管设计。管子拉脱力核算等。三、作业份量:1、设计说明书一份,内容包括:(1)目录;(2)设计任务书;(3)工艺流程图;(4)流程方案的说明与论证;
6、5)设计结果概要(包括主要设备的特性参数、设计时规定的主要操作参数、各种物料的量和状态等等);(6)设计计算与论述;(7)对设计的评述及对有关问题的分析讨论;(8)列出参考文献(编号、作者、文献名称、出版单位、和出版年份)2、换热器装配图(1号图纸)。按照有关绘制化工设备图的要求进行绘制(其中局部剖面放大图如:封头、管板、外壳具体连接的局部放大图;管子与管板连接的局部放大图;管子排列图等)。第二章 确定设计方案2.1 冷却器的型式的选择本设计中海水换热器(冷凝器)选用带有支撑板的列管式换热器,因为列管式换热器具有单位体积传热面积大,结构紧凑、坚固,传热效果好,而且能用多种材料制造,适用性较强
7、操作弹性大,且适用于高温、高压的大型装置中。 本设计温差较小,壳程压力低,因此选用固定管板式列管换热器。2.2 流程的选择本冷却器的管程走冷却用海水,壳程待冷凝的丙烷气体。丙烷气体与海水逆向流动换热。其原因如下:首先,海水易结垢,为便于清洁,宜走管程;其次,饱和蒸汽宜走壳程,以便及时排除冷凝液,且蒸汽较洁净,以免污染壳程。再次,被冷却的流体宜走壳程,以便于散热,增强冷却效果。2.3 流速的初步选择海水的流速:1.4 m/s丙烷气体流速为:10 m/s2.4 流体进出口温度的初步确定管内流体(海水):进口温度:t125 出口温度:t230 管外流体(丙烷):进口温度:T129 出口温度:T22
8、9 操作压力:Pc1.203MPa MPa设计压力:Pdc=1.3233 Mpa 海水定性温度为:丙烷温度不变,定性温度为352.5 流体物理性质查海洋手册得,盐度为3.5%的海水在27,101.3kPa下的有关物性参数如下表:物质名称密度i(kg/m3)定压比热容cpi J/(kg)粘度i(Pas)导热系数i(Wm-1K)海水10233998.29.6545*10-40.575查纯物质物理性质软件,丙烷在定性温度35,1.203MPa时的物性:物性密度o(kg/m3)粘度o(Pas)导热系数o(Wm-1-1)汽化热r(J/kg)丙烷(气相)21.6858.526*10-60.0193.175
9、105其中,根据理想气体状态方程,且丙烷在常温常压下的密度为2.02kg/m3,得:2.6 安装方式 冷却器是小型冷却器,采用卧式较适宜。第三章 估算传热面积及基本尺寸的确定3.1 总传热量(忽略热损失)总传热量 3.2冷却海水的流量(忽略热损失)3.3平均传热温差tm = =(35-25)-(35-30)/ln(35-25)/(35-30)=7.2其中: 查化工原理(上)P185图4-43查的:校正系数为所以,3.4初算传热面积由于管程气体压力较高,故可选较大的总传热系数。初步设定设K=650Wm-2K-1则估算的传热面积为3.5换热管选取黄铜在稀硫酸、亚硫酸。中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸
10、中抗腐蚀性良好,普遍应用与海水冷却剂,一次选用拉制黄铜管,取管内海水流速ui=1.4m/s选取普通黄铜H68,查的密度8500kg/m3, 导热系数=116.7W/(mK)3.6管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数(根)按单程管计算,所需的传热管长度为按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构。现取传热管长 l=6m ,则该换热器管程数为Np=L/l=24/6=4传热管总根数 N=124=48(根)3.7壳程数的选取由3.3,0.8,所以采用单壳程3.8传热管的排布和分程采用组合排列法,每程内均按正三角形,隔板两侧采用正方形排列:n=4则同管程管心距为:隔板间相邻两管的管心距为
11、第四章 换热器核算4.1管程传热膜系数管程的流通面积为海水实际流速及其雷诺数普朗特数为海水为高粘度液体,所以,管内传热膜系数hi为4.2壳程传热膜系数对管内壁温度Tw,由,对管外壁,由,可得其中,定性温度=查的此时丙烷(液)的=480.21kg/m3,=0.0908W/(mK),=8.965*10-5Pas其中,r=317500J/kg,n=44.3总传热系数K查传热传质过程设备设计表1-12(a),取管内污垢热阻Ri(海水)=9*10-5(m2K)/W,管外污垢热阻R0(丙烷)=1.76*10-4(m2K)/W满足换热器设计所要求的1.11.25的范围,总传热系数初选合适。4.4传热面积校核
12、对计算传热面积,由QiSitm,SiQi/(tm)103200/(789.35*7.2)=18.16m2实际传热面积为:该换热器的面积裕度为=0.24处于要求的1525的范围内,该换热器符合实际生产要求。4.5壁温核算本换热器温差较小,不需要进行温度补偿核算。4.6管程阻力核算查化工原理(上)P47Moody图,黄铜管=0.03mm,/di=0.0015,得,=0.0283 W/(mk)对直管压降,p1=弯管回路中的压降(一般情况下取3)p2=Pa总压降:pi (p1+p2)Ft Ns Np(7797.6+2755.4)1.441=59097Pa59.1kPa4.7壳程阻力冷凝器壳程流体有相变
13、故壳程阻力不用核算。 4.8工艺设计结论选取换热器G400-1.6-22,总换热系数789.35 Wm-2-1 总传热面积22.608m2,换热管长度6m,换热管规格252.5,普通黄铜管H68。传热管总数N=48,壳体42010.换热器为单壳程四管程,海水走管程,丙烷走壳程。第五章 主要构件的设计计算及选型5.1 壳体5.1.1壳体直径采用四管程结构,取管板的利用率为=0.7,得壳体内径为圆整取Di=400mm.5.1.2相关参数查化工设备机械基础,选用材料Q235-B,密度=7850kg/m2工作压力为P=1.203MPa设计压力为P0=1.1P=1.3233MPa工作温度t=35设计温
14、度为to=t+(1530)=35+25=60壳体与管板采用单面焊,无损探伤,取焊接系数=0.9查表14-4得,许用应力=113MPa,屈服应力s=235MPa,安全系数为3取负偏差C1=0.25mm腐蚀裕量C2=2mm查GB151-2014,不含腐蚀裕量的最小厚度min=8mm5.1.3设计计算对计算厚度设计厚度t=+ C1+ C2=4.87mm则名义厚度n=maxmin+ C2, t=10mm其中有效厚度e=n-C1- C2=7.75mm取壳体长度5910mm(管板厚度40mm,换热管露出长度5mm)则壳体质量m=78505.913.14(0.422-0.42)/4=597.27kg5.1.
15、4气压校核根据设计压力,T0.8s=0.80.9235=169.2MPa压力试验强度足够。5.2管板5.2.1基本参数查化工单元过程及设备课程设计表4-14,取公称压力PN=1.6MPa,得:管板参数(管板按非标准设计)参数名称参数值公称直径DN/mm400管板外径D/mm530管板厚度ba/mm40螺栓孔直径d2/mm23螺栓孔槽深/mm0.5螺栓规格M20110螺栓数量n2/个20螺栓孔高度bf/mm33管板螺栓孔间距D1/mm490管孔直径d1/mm25.4管孔数/个52D2/mm390D4/mm443D5=D6/mm400b/mm40管板质量/kg45.25.2.2管板与壳体的连接管板
16、兼作法兰,固定板与壳体采用不可拆焊接式,管板与封头采用法兰连接。5.2.3 管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子。管子伸出长度约为5mm,管子与管孔间保留0.2mm的距离,防止管子受热膨胀,使管板受压变形。5.2.4拉脱应力校核拉脱力的定义是管子每平方米胀接周边上所受到的力。对于管子与管板是焊接联接的接头,实验表明,接头的强度高于管子本身与金属的强度,拉脱力不足以引起接头的破坏。本设计中由于管子与管板的连接方式为焊接,故不需进行拉脱应力核算。5.3 支撑板由于本次设计的热交换器有相变,故不需要折流板,只需进行装配必要的支撑板即可,支撑板尺寸与折流板相同,将支撑板做成半圆形,左右布置
17、有利于冷凝液及时流出,取支撑板圆缺高度为壳体内径的20%,则切去的圆缺高度为h=0.2400=80mm。取支撑板间距B=1500mm(相邻凉快支撑板距离为750mm)支撑板数:NB=7块公称直径为400mm时,冷凝器支撑板直径Da=396mm查GB151-2014 表6-21,取厚度为10mm查表6-27,管孔直径为25.4+0.1圆缺部分面积(忽略小圆缺部分)Af初算为0.02m2支撑板体积: =0.000768m3支撑板质量计算:m=70.0007687850=42.2kg5.4拉杆及定距管查化工单元过程及设备课程设计,表4-7,4-8,4-9,得拉杆直径d0=16mm拉杆数量为4螺纹公
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