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化工原理换热器设计——天津大学2007级化原大神制作


第二章
2.1 换热器设备结果

设备说明及设计结果一览表

管壳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,在换热设备中 占据主导地位。由于以上优点,鉴于本设计是中温差不大,并且操作条件比较温 和, 故选用管壳式换热器中的固定管板式换热器。本设计中采用

三个相同的换热 器串联使用,设计结果如下表所示。
表 2-1 型号 公称直径 公称面积 管子数 管中心距 管子排列方式 折流挡板 670mm 87m2 147 48mm 正三角形 换热器设计结果 BEM670 ? 1.00 ? 87 ? 公称压力 管子尺寸 管长 管程数 管程流通面积 6.0 ?1Ⅱ 38 1. 0MPa 38mm × 3mm 6000mm 1 0.118m2

间距 600mm,共 9 块,切除弓形高度 25%

2.2 换热器附件设计结果
换热器附件主要包括各流股的进出管径,裙座高度以及相应的螺栓选型,各 处法兰尺寸等等。具体结果如下表所示。
表 2-2 附件 卤水入口管管径 蒸汽入口管管径 折流挡板间距 卤水入口管法兰 蒸汽入口管法兰 封头高度 壳层主体法兰 参数,mm 206 308 600 200 300 168 700 换热器附件表 附件 卤水出口管管径 冷凝水出口管管径 挡板数 卤水出口管法兰 冷凝水出口管法兰 封头厚度 裙座高度 参数,mm 206 56 9 200 50 6 500

2.3 换热器工艺条件总表
表 2-3 换热器工艺条件总表 第二胎换热器 串联 竖直 7.88×10 61 71 28.14 965.91 82.24 6.84 90000 管程 流股 质量流量,×10 kJ/h 平均密度,kg/m
3 3 6

第一台换热器 连接方式 方向 传热量,kJ/h 卤水入口温度,℃ 卤水出口温度,℃ 平均对数温差,℃ 总传热系数,W/(m ·K) 所需换热面积,m 面积裕度,% 价格,RMB
2 2

第三台换热器

竖直 5.83×10 71 78 19.85 945.83 77.35 13.77 90000 壳层 热流股 3.47 0.504 0.012 1.89 0.024 84.5 1.64 Q235-B 1 管程 冷流股 266.26 1101.22 1.630 3.19 0.34 100 17.46 Q235-B 1 0.0001 1399 壳层 热流股 2.57 0.504 0.012 1.89 0.024 84.5 1.60 Q235-B 1 0.00002 10000 管程
6

竖直 3.94×10 78 83 14.36 922.39 83.05 6.00 90000 壳层 热流股 1.74 0.504 0.012 1.89 0.024 84.5 1.72 Q235-B 1 0.00002 10000
6

冷流股 266.26 1104.48 1.878 3.15 0.34 100 16.75 Q235-B 1 0.0001 1402

冷流股 266.26 1098.17 1.440 3.24 0.35 100 17.83 Q235-B 1 0.00015 1380

混合粘度,mPa·s 定压热容,kJ/(kg·K) 导热系数,W/(m·K) 工作压力,kPa 压降,kPa 材质 管程/壳程数 污垢热阻, ·K)/W (m 膜热阻,W/(m ·K)
2 2

0.00002 10000

第三章
3.1 卤水组成成分

流股物性数据及热力学数据

从已知表格 3-1 中得知卤水组成如下:
表 3-1 离子种类 质量,g/L Ca
2+

卤水离子组成表 SO4
2-

Mg

2+

Cl

-

NaCl 293.76

1.62

0.15

3.31

178.20

因为卤水的物理性质随温度变化而变化, 因此为方便通过热力学方程估算卤 水在不同温度下的性质,因此通过质量横算,假设卤水由 NaCl、CaSO4、MgCl2、 H2O 以积极少量的 CaCl2(因质量过小对估算影响不大,因此忽略)组成,组成结 果如下表所示。
表 3-2 物质种类 质量,g/L 质量分数,% NaCl 293.76 24.89 卤水质量组成表 CaSO4 4.69 0.40 MgCl2 0.59 0.05 H2O 880.96 74.66

3.2 卤水物理性质估算
通过集团团贡献法可采用 UNIQUAC、UNIFAC 等方程进行计算,同时结合已知 中 35℃下卤水的物理性质,选择模拟数据已知最为接近的方程(即 UNIQUAC 方 程) ,通过 Aspen 软件进行模拟,模拟结果如下:
表 3-3 温度,℃ 61 69 76 83 密度,kg/m 1106.21 1102.74 1099.70 1096.64
3

卤水物理性质表 粘度,mPa·s 2.023 1.733 1.526 1.354 导热系数, (m· W/ K) 0.394 0.394 0.395 0.395

恒压热容, (kg· kJ/ K) 3.12 3.17 3.21 3.26

3.3 蒸汽及饱和水物理性质及热力学性质

根据已知流程中第二效的加热蒸汽为 84.5kPa 下的饱和蒸汽, 因此查饱和蒸 汽物性表,得出蒸汽物理性质及热力学性质如下:
表 3-4 饱和蒸汽及饱和水性质表 饱和蒸汽 温度,℃ 压力,kPa 密度,kg/m
3

饱和水 95 84.5 961.92 0.303 0.673 4.416 2269.8

95 84.5 0.504 0.012 0.024 1.887

粘度,mPa·s 导热系数,W/(m·K) 恒压热容,kJ/(kg·K) 蒸发焓,kJ /kg

第四章
4.1 卤水质量衡算

物料衡算与热量核算

根据设计任务书的要求, 即设计年产量为 90 万吨/年的盐,因此根据第二章 的卤水组成表进行质量衡算,得出总卤水量 L 为:
L? 1180 ? 90 ? 355万吨 / 年 293.76 ? 4.69 ? 0.59

从图中可以得出进入第二效的卤水流量 F 为:

F ? L(1 ? 0.22 ? 0.24) ?

355 ? (1 ? 0.22 ? 0.24) ?107 ? 73.96kg / s 300 ? 24 ? 3600

4.2 饱和蒸汽热量核算
根据已知卤水的物理性质,可以得出将 61℃的卤水加热到 83℃所需的热量 Q 为:
Q ? c p ? F ? (T2 ? T1 )

式中 cp 为平均恒压热容, 根据第二章卤水物性数据表得出平均恒压热容为:
cp ? 3.12 ? 3.26 ? 3.19kJ/(kg ? K) 2

将结果代入公式计算得:
Q ? c p ? F ? (T2 ? T1 )=3.19 ? 73.96 ? 83-61) ( =5.19 ?103 kJ/s

4.3 饱和蒸汽用量计算
加热卤水所需 84.5kPa 的水蒸气量为:

m?

Q

?

?

5.19 ?103 ? 2.287kg / s 2269.8

根据已知图, 第二效的加热蒸汽均由部分卤水蒸发出的蒸汽提供,因此须计 算蒸发出的蒸汽是否足够加热第二效的卤水。 根据已知图中数据,可以得出 84.5kPa 的蒸汽总量为:
m1 ? (355 ? 90) ? 0.26 ? 90 ? 0.26 ? 0.4 ?1096.64 ? 61.124万吨 / 年=23.58kg / s 2200 ? 0.6

上式中假定盐浆的水溶液密度和 83℃的卤水密度相同。从此处可以看出水 蒸气的量远大于所需水蒸气的量,因此足够加热卤水。

第五章

换热器计算过程举例

5.1 管壳式换热器的设计步骤
管壳式换热器的设计步骤如下: (1)估算传热面积,初选换热器型号 ① 根据换热任务,计算传热量; ② 确定流体在换热器中的流动途径; ③ 确定流体在换热器中两端的温度,计算定性温度,并确定定性温度下的 流体物性; ④ 计算平均温度差。并根据温度校正系数不小于 0.8 的原则,确定壳程数 或调整加热介质或冷却介质的终温; ⑥ 根据两流体的温度差和设计要求,确定换热器的型式; ⑦ 依据换热流体的性质及设计经验,选取总传热系数K 选 ; ⑧ 依据总传热速率方程,初步算出传热面积 S,并确定换热器的基本尺寸 或按系列标准选择设备规格。 (2)计算管、壳程压降 根据初选的设备规格,计算管、壳程的流速和压降,检查计算结果是否合理 或满足工艺要求。若压降不符合要求,要调整流速在确定管程和折流挡板间距, 或选择其他型号的换热器,重新计算压降直至满足要求为止。 (3)核算总传热系数 计算管、 壳程对流传热系数, 确定污垢热阻R s0 和R si , 再计算总传热系数K 计 , 然后与K 选 值比较, 计 K 选 = 1.15~1.25, 若K 则初选的换热器合适, 否则需另选K 选 , 重复上述的计算步骤。

5.2 换热器设计过程举例
本设计以第一个换热器为例说明换热器的设计步骤及其尺寸设计。

5.2.1 换热器类型的选取
换热器有多种型式,如固定管板式换热器、浮头式换热器、U 形管换热器、 釜式换热器、板式换热器等等,根据设计要求,选用固定管板式换热器,在材质

上选用 Q235-B 碳素钢管即可。因为热流股为蒸汽,冷流股为易结垢的流体,因 此冷流体应走管程以便清洗, 热流股走壳程,所以应采用立式换热器以便冷凝水 能及时排出,有利于换热,同时可以节约工厂面积。

5.2.2 换热器数量的选择
设计方案采用立式固定管板式换热器,如果采用一个换热器进行换热,则冷 流股进口温度 61℃,出口温度 83℃,定性温度为 72℃,定性温度下冷流股的物 性数据如表 5-1 所示。
表 5-1 密度, kg m3 1101.44 黏度, mPa ? s 1.64 定性温度下冷流股的物性数据 导热系数, W m?℃ 0.395 比热容, kJ kg ? ℃ 3.184

现需假定换热器的总传热系数。查阅手册得到热流股为饱和蒸汽、冷流股为 水溶液的固定管板式换热器的总传热系数大约在 1000~1500W/m2·K。因为此溶 液中盐类含量较少,因此总传热系数可先假定为 1000W/m2·K。 根据公式 Q ? S ? ?T ? K 便可计算出所需的传热面积。式中 Q 为总传热量,可由 下式计算:
Q ? c p ? (T2 ? T1 ) ? F

由第三章的计算出结果知热量为 5.19×103kJ/s。 式中⊿T 为对数传热温差,计算公式为:
?T ? (T ? t1 ) ? (T ? t2 ) T ? t1 ln T ? t2

其中 T 为饱和蒸汽的温度, 1, 2 分别为卤水的进出口温度, t t 带入计算得出:
?T ? (T ? t1 ) ? (T ? t2 ) (95 ? 61) ? (95 ? 83) ? ? 21.12?C T ? t1 95 ? 61 ln ln 95 ? 83 T ? t2

所以将已知结果代入上式,计算换热面积 S 为:

S?

Q 5.19 ?106 = =245.74m 2 K ? ?T 21.12 ?1000

因为卤水易结垢走管程,根据要求,流速不能低于 0.5m/s,所以根据公式
u?

? ? ? d2 ?n
4

F

可以计算出管数的范围,公式中密度 ? 为定性温度下的密度。计算结果为:
nmax ?

? ? d ? umin
2

?

F

? 1101.43 ?

?

73.96 4 ? 0.032 ? 0.5
2

? 167

4

为保证在发生意外或者流量改变情况下仍能保证流速不低于 0.5m/s, 可取管 数为 147 根,此时流速 u 为:
u?

? ? d ?n
2

?

F

? 1101.43 ?

?

73.96 4 ? 0.032 ?147
2

? 0.57m / s

4

根据公式计算管长 L,公式为:
L? S 245.74 ? ? 14.00m ? d 0 ? n ? ? 0.038 ?147

计算结果表明需要管长为 14m, 因为一般换热器管长不超过 10m, 并且在安 装及应用时如果换热器过长会导致装卸和清洗不方便, 在校核强度时需要考虑较 多因素, 同时专门制作 14m 长得换热器成本较高, 因此选用串联的管长为 6m 长 常用的换热器进行换热。 考虑到为保证流量变化时能够适应生产以及留出一定的 面积裕度,因此采用三个换热器串联使用。为节约成本,采用三个相同的换热器 进行串联使用。

5.2.3 换热器核算
以第一台换热器为例, 假设三台换热器的进口温度分别为 61℃、 72℃、 78℃,。 根据第二章的卤水物理性质,可以得出第一台换热器卤水在定性温度 68℃下的 物理性质,如下表所示:
表 5-2 密度, kg m3 1104.48 黏度, mPa ? s 1.878 定性温度下冷流股的物性数据 导热系数, W m?℃ 0.394 比热容, kJ kg ? ℃ 3.145

根据经验公式: Nu ? 0.023Re0.8 Pr 0.4 计算,结果为:
Nu ? 0.023Re 0.8 Pr 0.4 Re= Pr ?

? ? 15.00 k 0.394 Nu ? 0.023Re 0.8 Pr 0.4 ? 0.023 ? (1.073 ?10 4 ) 0.8 ?15 0.4 ? 113.93

? ud 1104.48 ? 0.57 ? 0.032 ? ? 1.073 ?10 4 ?3 ? 1.878 ?10 c p ? 3.145 ?103 ?1.878 ?10 ?3

此经验公式适用范围为 Re=5 ?103 ~ 2 ?105 ,因此可使用此公式计算。 根据公式 Nu ?

?i d
k

/ 计算出卤水对流传热系数为 ? i ? 1402.76W (m ? K) 。
2

管外为低压蒸汽冷凝释放潜热传热,根据工程经验可以取对流传热系数为 10000 W (m2 ? K) 。污垢热阻可以根据手册上的经验值进行预估,可取管内热 / 阻为 0.0001 m2·K/W,管外热阻为 0.00002 m2·K/W。根据换热器钢管材质可以 查出其热阻为 0.00005m2·K/W。 根据公式:
d d d 1 1 ? 0 ? Rsi 0 ? Rk 0 ? Rs 0 ? K ? i di di dm ?0

带入已知量计算,得:

1 38 38 38 1 ? ? 0.0001? ? 0.00005 ? ? 0.00002 ? ? 1.035 ? 10?3 K 1402.76 ? 32 32 34.9 10000

? K ? 965.91W (m2 ? K) /
根据公式 Q ? S ? ?T ? K 知需要算对数传热温差。计算公式及结果如下:
?T ? (T ? t1 ) ? (T ? t2 ) (95 ? 61) ? (95 ? 72) ? ? 28.14?C T ? t1 95 ? 61 ln ln 95 ? 72 T ? t2

现可计算所需的传热面积以及所需的管长,计算结果如下:
S? Q 3.145 ? (72-61)? 73.96 ? 103 = =94.13m 2 K ? ?T 28.14 ? 965.91 S 94.13 L? ? ? 5.37 m n? d 0 147 ? ? ? 0.038

因为

S设计 S实际

=

L设计 L实际

=6

5.37

=1.12 ,所以设计合理。

5.2.4 换热器壳层设计
因为换热器采用正三角形排列,因此通过经验公式:
Dd ? d 0 ( Nt 1 )n K1

计算可得,其中 Nt 为换热管数,K1 和 n 均为经验参数,根据正三角形单管程类 型可以查到相应参数,计算得:
1 Nt 1 147 2.142 n Dd ? d 0 ( ) ? 38 ? ( ) ? 665.67 ? 670mm K1 0.319

5.2.5 换热器压降校核
根据经验公式,管侧压降计算公式为:
? ? ?u 2 L ? ?Pt ? N p ?8 jF ( )( ) ? 2.5? di ? w ? ? 2

式中 N p 为管程数, jF 是和 Re 有关的经验数值,可通过关联图查出, ? 为 流体定性温度下的粘度, ? w 为流体在壁面处的粘度,考虑到因为本设计中管外 传热系数远大于管内传热系数, 因此管壁温度与管外侧蒸汽温度很接近,因此可 以将壁面处得流体的温度近似看成蒸汽温度。 根据关联图查出 jF =0.05,因此代入公式计算出管内测压降为:
2 6 1.64 ? ? 1104.48 ? 0.57 ?Pt ? 1? ?8 ? 0.05 ? ( )?( ) ? 2.5? ? ? 16.75kPa 0.032 1.354 2 ? ?

根据经验公式可以计算壳层的压降。公式如下:
D L ? us2 ? ?0.14 ?Ps ? 8 jF ( )( ) ( ) d e lB 2 ? w

式中 d e 为当量直径, l B 为折流挡板间距, u s 为壳层流体流速。

1.10 2 ( pt ? 0.197d 2 ) ? 0.058m d V 4 ?1.127 us ? ? ? 12.04m/s 2 S ? ? (0.67 ? 147 ? 0.0382 ) ? 0.504 de ?

将已知量代入公式计算结果为:

?Ps ? 8 ? 0.05 ? (

0.67 6 0.504 ?12.042 1.64 ?0.14 )?( )? ?( ) =1.64kPa 0.058 0.6 2 1.354

5.3 换热器结构设计 5.3.1 外壳壁厚
壳体、 管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳,本设计采用碳素钢 Q235-B 钢材, 在实际设计中, 为了保证壳体具有足够的刚度, 外壳壁厚取 6mm。

5.3.2 封头设计
管箱封头采用标准椭圆封头,其设计结果见表 5-3 所示
表 5-3 名称 上封头 下封头 类型 标准椭圆型 标准椭圆型 材料 Q235-B Q235-B 封头设计结果 曲率半径 168 mm 168 mm 厚度 6.00 mm 6.00 mm 直边高度 25 mm 25 mm

5.3.3 换热器接管设计
换热器的接管直径可由公式 d ?
4V 确定。 ?u

其中因为管道中水溶液的流速一般为 1.5~3m/s,因此此处选用 2 m/s,所 以卤水的进出口管径为:
din ? d out ? 4V 4 ? 73.96 ? ? 206mm ?u ? ? 2 ?1104.48

因为饱和蒸汽流速一般为 20~40m/s,因此此处选用 30m/s。根据热量衡算 可以算出第一台换热器的质量流量为:

m?

Q

?

?

3.145 ? 73.96 ? (72 ? 61) ? 1.127kg/s 2269.8

因此代入公式计算出饱和蒸汽入口接管管径为:
Din ? 4V 4 ?1.127 ? ? 308mm ?u ? ? 30 ? 0.504

因冷凝水的流速一般为 0.5 m/s,所以冷凝水的出水口管径为:
Dout ? 4V 4 ?1.127 ? ? 56mm ?u ? ? 0.5 ? 961.92

5.3.4 折流挡板结构设计
折流板直径与壳体直径之间的间隙取 3.5mm,折流板厚度取 10mm,因为冷 热流股均为常见物质,因此折流挡板选用普通类型即可,即切去弓星高度 25% 的弓形折流挡板。 因为折流挡板间距一般为 0.2~1.0 倍的壳层直径且常见距离为 150mm、300mm、600mm 三种,考虑到本设计中外层为蒸汽冷凝,冷凝传热系 数很大并且与蒸汽流速关系很小,因此折流挡板作用不大,所以采用间距为 600mm,共用 9 块挡板即可。

5.3.5 法兰及裙座设计
壳层的封头和主体链接采用法兰连接, 选用标准尺寸为 700 的法兰连接。 卤 水进出口的接管法兰选用标准尺寸为 200 的法兰连接。 水蒸气入口接管的法兰选 用标准尺寸为 300 的法兰连接。冷却水出口接管法兰选用标准尺寸为 50 的法兰 连接。各个法兰的具体参数如下表所示:
表 5-4 标准尺寸 50 200 300 700 管外径 60.3 219.1 323.9 711.2 法兰外径 140 320 440 860 法兰参数表 钻孔外径 14 18 22 26 螺栓个数 4 8 12 24 螺栓栓位 M12 M16 M20 M24

对于高为 6m 的换热器,可以按照经验选用 0.5m 高的裙座作为支撑。

5.3.6 主要连接形式
对于此换热器, 主要连接有壳体与管板的连接、换热管与管板的连接和拉杆

与管板的连接。 壳体与管板的连接采用直接焊接的形式,见图 5-1 所示。该形式焊接质量容 易保证。

图 5-1

壳体与管板连接形式

换热管与管板的连接采用焊接方式固定,焊接口形式如图 5-2 所示。

图 5-2

换热管与管板连接焊接口形式

拉杆与管板的连接采用将拉杆拧入管板的可拆螺纹连接, 拉杆是一根两端均 带有螺纹的长杆,一端拧入管板,折流挡板穿在拉杆上,各板之间则以套在拉杆 上的定距管来保证间距,最后一块折流挡板用螺母拧在拉杆上予以固紧。

5.4 经济预估
根据大量网上资料,查阅 20 平方米(20000RMB) 、60 平方米(65000RMB)

的列管式换热器价格以及部分公司的销售规律即 1000 元/m2(碳钢) ,因此根据 换热器换热面积为 88m2,进行经济预估得出每台换热器大约 90000 元,三台总 共需要约 30 万元人民币。

第六章

Aspen Exchanger Design﹠Rating 软件模拟结果

采用 Aspen Exchanger Design﹠Rating 软件模拟,结果如下:


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