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1、间甲苯二胺加热器的设计化工原理课程设计间甲苯二胺加热器的设计（题目）间甲苯二胺加热器的设计 错误！未定义书签。1设计内容及任务 11.1设计条件 11.2设计任务 11.3设计说明书的内容 12前言 22.1换热器的种类 22.2换热器的特点 22.3换热器的选择 33换热器工艺设计 63.1确定设计方案 63.1.1 设计依据 63.1.2 引用的标准 63.1.3选定换热器类型 63.1.4选定流体流动空间及流速 63.2确定物性数据 73.3估算传热面积 73.3.1计算热负荷 73.3.2平均传热温差 83.3.3估算传热面积 83.3.4计算饱和蒸汽用量 83.4工艺结构尺寸 83.
2、4.1管径和管内流速 83.4.2管程数和传热管数 93.4.3平均传热温差校正及壳程数 93.4.4传热管排列和分程方法 103.4.5壳体内径 103.4.6折流板 113.4.7其他附件 113.4.8 接管 113.5换热器核算 123.5.1 热流量核算 123.5.2壁温核算 143.5.3换热器内流体的流动阻力 153.6 换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表 173.7 换热器工艺流程图 184换热器机械设计 194.1机械设计 194.2强度设计 194.2.1 筒体内径确定 194.2.2壳体壁厚计算 194.2.3管箱壁厚计算 204.2.4封头计算 204.2.5换热
3、器水压试验及其壳体强度校核 204.2.6容器法兰选用 214.2.7 浮头垫片确定 21428折流板设计 21429拉杆设计 215设计结果评价 226参考文献 22间甲苯二胺加热器的设计1设计内容及任务1.1设计条件1. 操作条件(1) 间甲苯二胺、入口温度105C，出口温度150C(2) 加热介质，饱和蒸汽，入口温度：180C；(3) 允许压强降，不大于一Pa；(4) 每年按300天计；每天24 h连续运转。2. 处理能力 20 000t/Y 间甲苯二胺；1.2设计任务1. 选择合适的换热器并进行较核计算2. 对换热器的附件进行设计，包括结构设计。1.3设计说明书的内容1. 课程名称、首
4、页、目录及页码2. 前言3. 简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等4. 热量衡算及初步估算换热面积；5. 换热器的选型及流动空间的选择6. 工艺流程图；7. 换热器的较核计算；8. 结构及附件设计计算9. 换热器的主要数据一览表；10. 设计结果评价；11. 附换热器总装图2前言2.1换热器的种类列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久， 占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在 关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的 壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大， 传热效果好，结构坚固，可选
5、 用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列 管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直 的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定 路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同， 因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50C以上）时，就可能由 于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。2.2换热器的特点换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备， 在生产中占有 重要地位。由于生产规模、物料的性质、传
6、热的要求等各不相同，故换热器的类 型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热 流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。 在这类换热器中，冷、热 流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。 该类换热 器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁 多。直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接 触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体 允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管
7、及喷射冷凝 器等。蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大 的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流 体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热 体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高 温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体 的混合。工业上最常见的换热器是间壁式换热器。 根据结构特点，间壁式换热器可以 分为管壳式换热器和紧凑式换热器。紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式
8、等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固， 能承受高温高压，换热 表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使 得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上， 而管板则安 装在壳体内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有 固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和 U形管式等几种类型。2.3换热器的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要 求，介绍几种常见的列管式换热器。1 固定管板
9、式换热器这类换热器如图所示。固定管办事换热器的两端和壳体连为一体， 管子则固 定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由 于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和 壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时， 用使用管子于管板的接口脱开，从 而发生介质的泄漏。图-1 阖定胃板武换热辭折流？*i扳 2骨电 3“査怵 4-対头 S採性 6欝版2.U型管换热器U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为 U型，管子的两端固定在 同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由 温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是
10、结构简单，只有一块管板, 密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难； 哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大， 壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管 板式高10流右。LI 1-2 LT型骨武换热將3. 浮头式换热器浮头式换热器的结构如下图所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定 连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环 热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力； 管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大,造价高；
11、浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合劉1浮头式换热器1充骼 2周宦悟也扳4 一浮头钩圈法兰3浮尉悄板 fl 一厚头盈4. 填料函式换热器填料函式换热器的结构如图所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起 的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗， 维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、 易爆、有度和贵重的介质不适用。圏1-4 燃料浙武换热睹1活别竹根 2 览料从檢 加塡料
12、 4- m料鯛 ，一纵向附板#3换热器工艺设计3.1确定设计方案3.1.1设计依据本设计依据教材设计实例，查询相关技术设计手册，对所给定的设计任务进 行分析并做出理论计算，用CADB出最终的设计结果。3.1.2引用的标准JB/T 4715-92, GB150, GB 1513.1.3选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体（饱和蒸汽）进口温度为180C，冷流体（间甲苯二胺）进口温度为105C，出口温度为150C，壳体壁温与管壁温差较大。 并且，180C的饱和蒸汽压力约为1MPa压力较高。考虑到以上两方面的因素， 因此初步确定选用浮头式换热器。3.1.4选定流体流动空间及流速换热器内冷热流体通道
13、的选择原则：a不洁或易结垢的物料应走易于清洗的一侧，如冷却水走管内；b需提高流速以增大传热膜系数的流体应走管内，因管程比壳程易增加流速；c有腐蚀性或高压流体多走管内，以减少设备腐蚀或降低壳体受压；d饱和蒸汽一般走壳程，因蒸汽较清洁，且冷凝液排出方便；e被冷却流体一般选壳程，便于散热；f若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将传热膜系数大的流体通 入壳程，以减少温差应力；g流量小而温差大的液体一般走壳程为宜， 因在壳程艮100即可达到湍流。 但这并不是绝对，若流动阻力允许，将该种流体通入管内并采用多管程结构， 反 而能得到更高的传热膜系数。综上所述，应使饱和蒸汽走壳程，因蒸汽较清洁，且冷凝液
14、排出方便，间 甲苯二胺走管程。3.2确定物性数据定性温度：对于一般气体和低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的 平均值。对壳程饱和蒸汽，取其出口温度为155C，则其定性温度为T=(155+180)/2=167.5 C管程流体的定性温度为t=(105+150)/2=127.5 C查阅相关资料，两流体在定性温度下的物性数据见表物性定性温度密度粘度比热容导热率流体/C/( kg /m3)/(mPa -s)/kJ/( kg-r )/ W/(m -C)间甲苯二胺127.58980.5011.8850.137饱和蒸汽167.56.640.1652.5530.683.3估算传热面积3.3.1计算热负荷管
15、程流量：20000/(300*24)*1000=2777.8kg/h=2777.8 X 1.886 X (150-105)kJ/h=65.486kw332平均传热温差先按照纯逆流计算，得:In肚1 -肚2 (155-105)-(180-150)At155-105nieo-i5o=39.15K333估算传热面积为求得传热面积A,需先求出传热系数K,而K值又与给热系数、污垢热阻等有关。在换热器的直径、流速等参数均未确定时，给热系数也无法计算，所以 只能进行试算。假设K=350 W/( m2 k)则估算的传热面积为：2K% 350 相 9丄5=4.78m2334计算饱和蒸汽用量65486*10002386*(180
