列管式换热器优秀课程设计.docx

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1、大学化工原理列管式换热器 课程设计说明书学院： 班级： 学号： 姓名：指导老师：时间： 年 月 日目录一、化工原理课程设计任务书2二、确定设计方案31.选择换热器类型2.管程安排三、确定物性数据4四、估算传热面积51. 热流量2. 平均传热温差3. 传热面积4. 冷却水用量五、工艺结构尺寸61. 管径和管内流速2. 管程数和传热管数3. 传热温差校平均正及壳程数4. 传热管排列和分程方法5. 壳体内径6. 折流挡板77. 其它附件8. 接管六、换热器核实81. 热流量核实2. 壁温计算103. 换热器内流体流动阻力七、结构设计131. 浮头管板及钩圈法兰结构设计2. 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设

2、计3. 管箱结构设计4. 固定端管板结构设计5. 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计146. 外头盖结构设计7. 垫片选择8. 鞍座选择及安装位置确定9. 折流板部署10. 说明八、强度设计计算151. 筒体壁厚计算2. 外头盖短节、封头厚度计算3. 管箱短节、封头厚度计算164. 管箱短节开孔补强校核175. 壳体接管开孔补强校核6. 固定管板计算187. 浮头管板及钩圈198. 无折边球封头计算9. 浮头法兰计算20九、参考文件20一、化工原理课程设计任务书某生产过程步骤图 3-20 所表示。反应器混合气体经和进料物流换热后，用循环冷却水将其从 110深入冷却至 60以后，进入吸收塔吸收其中可溶

3、性组分。已知混合气体流量为 231801 kg h ，压力为 6.9 MPa ，循环冷却水压力为0.4 MPa ，循环水入口温度为 29，出口温度为 39，试设计一列管式换热器， 完成生产任务。已知：混合气体在 85下相关物性数据以下（来自生产中实测值） 密度r 1 = 90 kg m3定压比热容c= 3.297 kj kg p1热导率l= 0.0279 w m 1粘度m= 1.510-5 Pa s1循环水在 34下物性数据：密度r= 994.3kg m31定压比热容c= 4.174kj kg Kp1热导率l= 0.624 w m K1粘度m= 0.74210-3 Pa s1二、确定设计方案1

4、. 选择换热器类型两流体温改变情况：热流体进口温度 110 出口温度 60；冷流体进口温度29，出口温度为 39，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一原因，估量该换热器管壁温度和壳体温度之差较大，所以初步确 定选择浮头式换热器。2. 管程安排从两物流操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但因为循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加紧污垢增加速度，使换热器热流量下降， 所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。三、确定物性数据定性温度：对于通常气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度平均值。故壳程混和气体定性温度为110 + 60T=

5、2=85管程流体定性温度为t= 39 + 29 = 34 2依据定性温度，分别查取壳程和管程流体相关物性数据。对混合气体来说，最可靠无形数据是实测值。若不含有此条件，则应分别查取混合无辜组分相关物性数据，然后按摄影应加和方法求出混和气体物性数据。混和气体在 85下相关物性数据以下（来自生产中实测值）：密度r= 90kg / m31定压比热容c p1 =3.297kj/kg 热导率l 1=0.0279w/m粘度m 1 =1.5 10-5Pas循环水在 34 下物性数据：密度定压比热容热导率r =994.3 /m31c=4.174kj/kgKp1l =0.624w/mK1粘度m =0.742 10

6、-3Pas1四、估算传热面积1. 热流量Q1= m c1Dtp11=2318013.297(110-60)=3.82107kj/h =10614.554kw2. 平均传热温差先根据纯逆流计算，得Dt= (110 - 39) - (60 - 29) = 48.3Kmln 110 - 3960 - 293. 传热面积因为壳程气体压力较高，故可选择较大K 值。假设K=320W/( k)则估算传热面积为Ap=Q1KDtm10614554=686.76m2320 48.34. 冷却水用量m= Q=10614554= 254.3kg / s = 915486.2kg / h1cDtpii4.1741031

7、0五、工艺结构尺寸1. 管径和管内流速选择252.5 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。2. 管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数VNs= 915486.2 /(3600 994.3) 627pd 2u4i0.785 0.022 1.3按单程管计算，所需传热管长度为AL=p=686.76 14mp d no s3.14 0.025 627按单程管设计，传热管过长，宜采取多管程结构。依据本设计实际情况，采取非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器管程数为LNp= 14 = 2l7传热管总根数Nt=6272=1254 3.传热温差校平均正及壳程数平均温差校

8、正系数：T - TR=12t- t21= 110 - 60 = 539 - 29t- tP=21= 39 - 29 = 0.124T - t11110 - 29按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图5-19得：e= 0.96Dt平均传热温差Dt= eDt= 0.96 48.3 = 46.4 KmDtm塑因为平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程适宜。4.传热管排列和分程方法采取组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采取正方形排列。见【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图 6-13。取管心距t=1.25d0 ，则 t=1.2

9、525=31.2532 隔板中心到离其最.近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22 各程相邻管管心距为 44 。管数分程方法，每程各有传热管 627 根，其前后管程中隔板设置和介质流通次序按【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图 6-8 选择。5. 壳体内径采取多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率=0.75 ，则壳体内径为：N/hTD=1.05t= 1.05 32 1254 / 0.75 = 1374mm按卷制壳体进级档，可取D=1400mm筒体直径校核计算：壳体内径 D i 应等于或大于（ 在浮头式换热器中） 管板直径， 所以管板直径计算能够决定壳体内径，其表示式为：

10、Di = t（nc -1）+ 2e1254管子按正三角形排列： n= 1.1N= 1.1ct取 e=1.2 d=1.2 25=30mm0= 39 D =32 （39-1）+2 30 =1276mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：iD =1400mmi6. 折流挡板采取圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径 25%，则切去圆缺高度为h=0.251400=350m，故可 取 h=350mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.31400=420mm，可取B 为 450mm。折流板数目N=传热管长-1 =7000-1 = 14.5 14B折流板间距450折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版

11、社化工原理（第三版）上册】：图 6-9。7其它附件拉杆数量和直径选择，本换热器壳体内径为 1400mm，故其拉杆直径为16 拉杆数量 8，其中长度 5950mm 六根，5500mm 两根。壳程入口处，应设置防冲挡板。8接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u 1=10m/s，则接管内径为4Vpm4 231801 /(3600 90)3.14 10D =1= 0.302u圆整后可取管内径为 300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速 2=2.5m/s，则接管内径为4 915486.2 /(3600 994.3)3.14 2.5D = 0.3612圆整后去管内径为 360mm六、换热器核

12、实1. 热流量核实（1）壳程表面传热系数用克恩法计算，见式【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：式（5-72a）：a0= 0.36 l1demm1Re 0.55 Pr 3 (0w)0.14当量直径，依【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：式（5-73a）得3p4t 2 -d 2 d e =24opd= 0.02mo壳程流通截面积：S= BD(1-d25o ) = 450 1400(1-) = 0.1378ot32壳程流体流速及其雷诺数分别为u= 231801 /(3600 90) = 5.2m / so0.1378Re=d u re0= 0.02 5.2 90= 624000om1.5

13、 10-51普朗特数Pr = cp m= 3.297 103 1.5 10-5 1.773l0.0279m粘度校正( m)0.14w 10.02791ao（2）管内表面传热系数：= 0.36 6240000.55 1.773 3 = 935.7w / m2 K 0.02ia = 0.023 lidRe0.8 Pr 0.4i管程流体流通截面积：1254管程流体流速：S= 0.785 0.022 i2= 0.1969915486.2 /(3600 994.3)u =i0.1969= 1.3m / s雷诺数：Re = 0.02 1.3 994.3 /(0.742 10-3 ) 34841普朗特数：P

14、r =4.174 103 0.742 1030.6240.624= 4.96a= 0.023 i0.02 348410.8 4.960.4 = 5858w / m2 K（3） 污垢热阻和管壁热阻：【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：表 5-5 取：管外侧污垢热阻 Ro= 0.0004m2 k / w管内侧污垢热阻Ri= 0.0006m2 k / w管壁热阻按【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图 5-4 查得碳钢在该条0.0025件下热导率为 50w/(mK)。所以 Rw（4） 传热系数 K有：e= 0.00005m2 k / w501( doa dK=R dR d1e+io +w

15、o + R+)ddoaiiimo=125+ 0.0006 25 + 0.00005 25 + 0.0004 +1 5858 202022.5935.7 402w / m2 K（5） 传热面积裕度：计算传热面积Ac：A=cQ1K Dtem10614.554 103= 546.7m2402 48.3A该换热器实际传热面积为 p ：A= p d lNpoT= 3.14 0.025 7 1254 = 689.1m2该换热器面积裕度为A- AH =pcAc= 689.1 - 546.7546.7= 26%传热面积裕度适宜，该换热器能够完成生产任务。2. 壁温计算Tw a+tm a1+ 1cnaa因为管壁

16、很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式t=wc计算。因为该n换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为 15，出口温度为 39计算传热管壁温。另外，因为传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利操作条件考虑，所以，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：Tw a+tm a1+ 1cnaat=wcn式中液体平均温度tm和气体平均温度分别计算为t= 0.439+0.615=24.6mT= (110+60)/2=85ma= acia= aho=

17、 5858w/K= 935.7w/K传热管平均壁温t= 32.3 w壳体壁温，可近似取为壳程流体平均温度，即 T=85。壳体壁温和传热管壁温之差为Dt = 85 - 32.3 = 52.7 。该温差较大，故需要设温度赔偿装置。因为换热器壳程压力较大，所以，需选择浮头式换热器较为适宜。3. 换热器内流体流动阻力（1） 管程流体阻力Dp= (Dpti+ Dpr)N NFspsN= 1 ,Np = 2 ,Dp= llru 2sii d2i由 Re=34841，传热管对粗糙度 0.01，查莫狄图:【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图 1-27 得l= 0.04 ，流速ui =1.3m/s,ir

18、 = 994.3kg / m3 , 所以：Dp = 0.04 7 1.32 994.3= 11762.57 PaiDp= zru 20.022= 3 994.31.32= 2520.55Par22Dp = (11762.57 + 2520.55) 2 1.5 = 42849.4Pa1管程流体阻力在许可范围之内。（2） 壳程阻力：按式计算Dp= (Dpso+ Dpi)F Nss,N= 1 ,F= 1ss流体流经管束阻力Dp= Ff N(N+ 1)r u 2oooTCB2F=0.5f= 5 588000 -0.228 = 0.2419oN= 1.1NTCT0.5= 1.112540.5 = 39N

19、= 14u= 5.2m / sB0Dp= 0.50.241939(14+1) 90 5.22o2=86095.6Pa流体流过折流板缺口阻力Dp= N(3.5 -2Br u 2)o, B=0.45m ,D=1.4miBDp = 14 (3.5 -iD22 0.45 ) 90 5.221.42= 48672 Pa总阻力Dp= 86095.6+48672=1.3510 5Pas因为该换热器壳程流体操作压力较高，所以壳程流体阻力也比较适宜。物性设备结构参数关键计算结果流速/（m/s）管程1.3壳程5.2（3） 换热器关键结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率915486.2231801进/出口温度

20、/29/39110/60压力/MPa0.46.9定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.74210-31.510-5热导率（W/mK）0.6240.0279普朗特数形式4.96浮头式1.773壳程数1壳体内径/1400台数1管径/252.5管心距/32管长/7000管子排列正 三 角 形排列管数目/根1254折流板数/个14传热面积/689.1折流板间距/450管程数2材质碳钢表面传热系数/W/（K）5858935.7污垢热阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.042850.135热流量/KW10

21、615传热温差/K48.3传热系数/W/（K）400裕度/%26%七、结构设计1、浮头管板及钩圈法兰结构设计：因为换热器内径已确定，采取标准内径决、定浮头管板外径及各结构尺寸（参考化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：第四章第一节及GB151）。结构尺寸为：浮头管板外径： D= D - 2b = 1400 - 2 5 = 1390mm0i1浮头管板外径和壳体内径间隙：取b = 5mm（见化工单元过程及设备课程设计1（化学工业出版社出版）：表 4-16）；垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）:表 4-16：取 b= 16mmn浮头管板密封面宽度：b= b+1.

22、5 = 17.5mm2n浮头法兰和钩圈内直径：D= Dfii- （2 b1+ b ）= 1400 - 2 （5 +16）= 1358mmn浮头法兰和钩圈外直径：D= D + 80 = 1400 + 80 = 1480mmf 0i外头盖内径：D = D +100 = 1400 +100 = 1500mmi螺栓中心圆直径：D=（Db0+ D ）/2 =（1390 +1480）/ 2 = 1435mmf0其它尺寸见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50。 2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计：依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中高值，和设计温度和公称直径F 1400，按JB4703-

23、92 长颈对焊法标准选择。并确定各结构尺寸，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（a）所表示。 3、管箱结构设计：选择B 型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算：L hgminf+ 2C + dg+ h + h12= 320 + 2100 + 377 + 350 + 50 = 1297mm取管箱长为 1300mm，管道分程隔板厚度取 14mm，管箱结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（a）所表示。4、固定端管板结构设计：依据选定管箱法兰，管箱侧法兰结构尺寸，确定固定端管板最

24、大外径为：D=1506mm；结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（b）所表示。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径D= 1500mm ；按JB4703-93 长颈法兰N标准选择并确定尺寸。6、外头盖结构设计：外头盖结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-51 所表示。轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰及钩圈强度计算确定厚度后决定，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-51。7、垫片选择：a. 管箱垫片：依据管程操作条件（循环水压力0.4Mp ，温度 34。C ）选石棉橡胶垫。结构尺寸a如化工

25、单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-39（b）所表示：D = 1508mm;d = 1400mm.b. 外头盖垫片：依据壳程操作条件（混合气体，压力6.9Mp ，温度 85。C ），选缠绕式垫片，a垫片：1609mm1500mm（JB4705-92） 缠绕式垫片。c. 浮头垫片：依据管壳程压差，混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫，以浮动管板结构确定垫片结构尺寸为F 1390mm F1358mm ；厚度为 3mm;JB4706-92 金属包垫片。8、鞍座选择及安装位置确定：鞍座选择JB/T4712-92 鞍座 BI1400-F/S；安装尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业

26、出版社出版）：图4-44 所表示其中： L = 6700，L= 0.6L = 0.6 6700 = 4020mmB取： L= 4000mm，L L= 1350mmBCC9、折流板部署： 折流板尺寸：外径： D = D- 8 = 1400 - 8 = 1392mm ；厚度取 8mmN前端折流板距管板距离最少为850mm；结构调整为 900mm；见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（c）后端折流板距浮动管板距离最少为950mm；实际折流板间距B=450mm，计算折流板数为 12 块。10、说明:在设计中因为给定压力等数及公称直径超出JB4730-92，长颈对焊法兰标准范

27、围，对壳体及外头盖法兰无法直接选择标准值，只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算1、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度 85。C ，设计压力等于工作压力为 6.9M p，a选低合金结构钢板 16 MnR 卷制，查得材料 85。C 时许用应力s t= 163Mp ；过程设备设a计（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数f =0.85，腐蚀裕度C 2 =1mm；对 16 MnR 钢板负偏差C 1=0依据过程设备设计（第二版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公式：d=P D ci从而：2 s t f - Pc计算厚度：d =6.9 1400 35.75 mm2 163 0.85 -

28、 6.9设计厚度：d= d + C= 35.75 +1 = 36.75 mmd2名义厚度：d= d + C = 36.75mm圆整取d= 38mmnd1n有效厚度：de= d- Cn1- C= 37mm2d 水压试验压力： PT= 1.25Pcd t= 1.25 6.9 1 = 8.625Mpa所选材料屈服应力s= 325MpsasP（D+ d ） 8.625 （1400 + 37）水式试验应力校核：=tT2diee= 167.5Mp2 37a167.5Mpa A = 705.6mm 2 12该接管补强强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接管开孔补强校核：开孔校核采取等面积补强法。选择20 号

29、热轧碳素钢管F32512钢管许用应力：s t= 137Mp ， C=1mma2接管计算壁厚：S =tP D ci=6.9 325= 7.98mm2 s t f + Pc2 137 1+ 6.9接管有效壁厚：S= S- C - C= 12 -1-12 0.15 = 9.2mmetnt12开孔直径：d = d + 2C = 325 - 2 12 + 2 （1+12 0.15）= 306.6mmi接管有效补强厚度：B=2d=2 306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：dSnt306.612h =1= 60.7mm需要补强面积：A=d d =306.6 35.75=10960.95 mm 2能

30、够作为补强面积为：A =（B - d）(d - d ) =（613.2 - 306.6）（37 - 35.75）= 383.25mm 21 eA= 2h（S2 1et- St）fr= 2 60.7 （9.2 - 7.98）137/170 = 119.4mm 2尚需另加补强面积为：A A - A - A= 10960.95 - 383.25 -119.4 = 10458.3mm 2 412补强圈厚度：S=A4=10458.336.3mmkB - d0613.2 - 325实际补强圈和筒体等厚：S= 38mm；则另行补强面积：kA= S (B - d ) = 38 （613.2 - 325）= 1

31、0951.6mm 2 4K0A + A+ A= 383.25 +119.4 +10951.6 = 11454.25mm 2 124同时计算焊缝面积A 3后，该开孔补强强度足够。6、固定管板计算：固定管板厚度设计采取BS 法。假设管板厚度b=100mm。总换热管数量 n=1254； 一根管壁金属横截面积为： A = 10960.95mm 2ppa = （d2 - d2）=（252 - 202）= 176.6mm240i4开孔温度减弱系数（双程）： m = 0.5两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L 取 6850mm计算系数K：namLb1254176.60.5 6850100K2 = 1.32 Di = 1.32 1400 = 14.85b100K=3.855接管板筒支考虑，依 K 值查化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图 4-45， 图 4-46，图 4-47 得： G= 2.9, G= -0.65, G= 2.8123管板最大应力:s1 （P - P）G 1（6.9 - 0.4）（- 0.65）=P -st2 = 6.41- = 57.4Mptb al0.2330.607as