化工原理课程设计-回流液冷却器教学资料.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。化工原理课程设计-回流液冷却器-换热器课程设计任务书一、 设计题目列管式换热器的设计二、设计任务及操作条件1、设计任务处理能力（回流液流量）76.8m3h设备型式列管式换热器2、操作条件回流液入口温度194.0,出口温度101.8冷却介质原油入口温度53.7,出口温度122.1管程、壳程的压强降不大于1.4MPa换热器的热损失忽略三、设计已知条件1、定性温度下两流体的物性参数（1）回流液定性温度tm=147.9密度h=701kg/m3；比热容Cph=2.89kJ/(kg.)导热系数h=0.151W/(m

2、)粘度h=0.509mPa.s(2)原油定性温度tm=87.9密度c=798kg/m3比热容Cpc=2.20kJ/(kg.)导热系数c=0.131W/(m)粘度c=6.27mPa.s2、管内外两侧污垢热阻分别是Rsi=3.210-4(m2)/WRso=5.110-4(m2)/W3、回流液在管程4、管壁导热系数w=45W/(m)四、设计内容1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计（1）冷却器结构尺寸的确定（2）传热面积、两侧流体压降校核（3）接管尺寸的确定4、辅助设备选型与计算5、设计结果汇总6、换热器装配图(1号图纸)7、设计评述8、参考资料摘要本设计内容是处理量为76

3、.8m3h的回流液冷却器，采用列管式换热器。冷却介质为原油。设计基本完成了换热器的工艺计算，包括回流液的基础物性数据，换热器面积估算，换热器工艺结构尺寸的计算，并分别进行了核算。最终绘制了换热器装配图。关键词：回流液；列管式换热器；AbstractThisdesigncontentisthecapacityfor76.8m3hBackflowliquidcoolerdesign,thedesignusestheHandlinghypoxiaheatexchanger.Coolingmediumforcrudeoil.Thedesigniscompletedtheheatexchangertec

4、hnical,includingliquidbasedphysicalpropertydata,heatexchangerareaestimated,heatexchangerprocessstructuresizecalculation,andrespectivelyaccounting.TheassemblydrawingheatexchangerKeyWords:liquid;Handlinghypoxiaheatexchanger目录课程设计任务书摘要Abstract目录一前言1.1换热器及换热器分类11.2列管式换热器分类1二设计方案简介2三确定物性数据3四工艺计算及主要设计4.1选

5、择换热器的类型44.2流程安排44.3估算传热面积44.4换热器的核算5五.换热器主要结构尺寸和计算结果表12六、设备参数计算6.1壳体136.2管板136.3拉杆146.4分程隔板146.5折流板146.6封头及管箱146.7接管及其法兰156.8排气、排液管156.9浮头166.10支座设计16七设计计算结果汇总表18八设计总结19九主要符号说明20十参考文献21十一附录22一、前言1.1换热器及换热器的分类在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，既可是一个单独的设备，如加热器、冷凝器的凝汽器；也可以是某一工艺设备的组成部分，如氨

6、合成塔内的热交换器。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。按传热面的形状和结构特点可分为管壳式（列管式）换热器、板面式换热器和扩展面式换热器。1.2列管式换热器的分类列管式换热器种类很多，目前广泛使用的是按其温差补偿来分，主要有以下几种：（1） 固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上。管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外

7、是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，以致毁坏换热器。（2） 浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳相接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上裂解一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洁；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。（3） 填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质

8、有外漏可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。（4） U型管式换热器这类换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。二、设计方案简介1、选择换热器类型：浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳相接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上裂解一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洁；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。由此

9、课程设计是两介质温差较大，所以选择浮头式换热器。2、计算并初选设备规格2.1根据设计的任务书及要求所给数据，计算热负荷2.2计算平均温差,并根据温差校正系数不小于0.8的原则决定壳程;2.3确定总传热系数K选;2.4计算传热面积S,按系列标准选择设备标准;3、核算总传热系数计算管、壳程对流传热系数ai与ao，确定污垢热阻Rsi与Rso，再计算总传热系数K，并比较K与K选，若（K-K选）/K选*100%的范围在10%25%之间,则初选设备合格,否则另选K选值,重复以上步骤.4、计算管、壳程压强降计算初选设备的管、壳程压强降，如超过工艺允许范围，则需要调整流速，在确定管程数语折板间距，或选另一规格

10、的换热器，直至满足要求。5、根据所选设备规格及工艺要求，确定辅助零部件及尺寸。三、确定物性数据定性温度壳程原油的定性温度为：Tm=（T1+T2）/2=147.9壳程回流液的定性温度为：tm=（t1+t2）/2=87.9根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性参数。壳程原油的物性数据如下：密度c=798kg/m3比热容Cpc=2.20KJ/(kg.)导热系数c=0.131w/m黏度uc=6.2710-3pas管程回流液的物性参数如下:密度h=701kg/m3热容Cph=2.89KJ/kg导热系数h=0.151w/m黏度uh=0.50910-3pas四、工艺计算及主要设计4.1选择换热器的类

11、型设计要求为操作压力在1.4Mpa下，属较大压力，又因为管壁，壳壁的温差相差较大，所以初步选用浮头式换热器。4.2流程安排原油走壳程。回流液走管程。4.3估算传热面积4.3.1热负荷Q=WhCph（T1-T2）=76.8701/36002.89103（194.0-101.8）=3.985106J/s4.3.2冷却剂质量流量WcQ=WcCph（t1-t2）=Wc2.20103（122.1-53.7）=3.985106J/s解得Wc=26.48kg/s4.3.3平均传热温差先按单壳程、多管程计算纯逆流两流体的评级均温度tm=59.24.3.4平均传热温差校正R=1.35P=0.49查(天大出版)图

12、4-19a得校正系数:t0.8,不符合一般原则.查(天大出版)图4-19b得校正系数:t=0.9250.8符合原则.则平均传热温差:tm=ttm逆=0.92559.2=54.76根据平均传热温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量适合,需取双壳程或两台换热器串联操作合适.4.3.5传热面积假设K选=300w/m2,则估算面积为:A=242.57m24.3.6换热器的规格Tm-tm=147.9-87.9=6050需考虑热补偿,先选择两台单程的浮头式列管换热器,型号为FA600-1.5130-4根据上面的初算，查化工原理的附录得出固定挡板式换热器规格参数如下表：壳径D（mm）600管子尺寸（mm）

13、1902工程压强（at）16管长L（m）6工程面积（m2）130管子总数NT368管程数Np4管子排列方式正三角折流板间距B（mm）300折流板数NB19管心距t(mm)25壳程Ns14.4换热器的核算4.4.1传热能力核算4.4.1.1壳程流体传热膜系数0=0.36对于正三角形排列，当量直径de=0.0173m壳程流通截面积：A0=BD(1-)=0.30.6(1-)=0.0432m2壳程流通流速：u0=0.768m/s；壳程流体雷诺准数：Re0=1693.2普兰特数：Pr0=105.3所以=729.24w/(m2)4.4.1.2管程传热膜系数管程流通截面积：Ai=0.0162m2管程流体流速

14、：=1.317m/s雷诺准数：Rei=普兰特数：Pri=9.74以上数据为湍流；Pri=9.74在0.6160范围内；所以管内传热膜系数：4.4.2流体阻力5.4.2.1管程流动阻力核算式中：F1-管程结垢校正系数；P1-管程总压力降Pa；p1=1由Re=2.72104，取传热管相对粗糙度=0.1/15=0.00667，查上册教材P54-1-27莫狄图得1=0.036；p1=1=0.036=8754.31Pa取=3pr=3=1823.82Pa因为Ns=1，Np=4，Ft=1.5；pt=(8754.31+1823.82)141.5=63468.78pa5000=5Re-0.228=51330-0

15、.228=0.97所以有p0=0.50.9721（19+1）=24586Pa流体流过折流板缺口的阻力损失pi=NB(3.5-)=19(3.5-)=7797PaB-折流板间距，m；D-换热器壳体内径，m；总阻力损失：ps=（24586+7797）1.151=37240.45Pa1.4MPa壳程流体阻力在允许的范围内。4.4.3总传热系数KK=320.7W/(m2)比较K值与K选值：两台换热器的实际传热面积为：S0=2NTdL=23683.140.019（6-0.1）=260m2实际传热系数：K=280W/(m2)安全系数：=100%=14.29%根据安全系数在10%25%之间为合格换热五.换热器

16、主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流量，kg/h53836.826.48物性操作温度，53.7/122.1194/101.8定性温度，8791479流体密度，kg/m3798701定压比热容，kj/(kg.k)2.892.20黏度，pa.s传热系数，W/（m2）0.1510.131普兰特数9.74105.3设备结构参数形式浮头式台数2壳体内径，mm600壳程数1管径，mm管心距，mm25管长，mm6000管子排列正三角形管数目，根368折流板数19传热面积，130折流板间距，mm300管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s1.3170.55表面传热系数，W/（m2）1617.477

17、29.24污垢系数，m2K/W0.00020.0002阻力降，Pa6347037240热流量，kw3985传热温差，k54.76传热系数，W/（m2）350裕度25.0六、设备参数计算6.1壳体6.1.1壳内直径根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di600mm。查阅结构与零部件（上）P123，表1-1-86的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN600mm8mm的壳体，则Do616mm，Di=600mm。6.1.2壳体壁厚查阅化工设备机械基础P126，表9-3，采用Q235-A.F钢板(GB3274)，其中钢密度7850kgm3由Po0.6MPa，Di600mm

18、，再查阅化工设备机械基础P124，表9-6,对壳体与管板采用单面焊，焊接接头系数0.65,腐蚀裕度C=3+0.5=3.5mm.查阅化工设备机械基础P124，表9-4碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：t=113MPa，s235MPa+C+3.55.96(mm)圆整后取8mm6.1.3壳体质量壳体长度=7m质量=785073.14（0.61620.6002）/4=829.24kg注：个别数据来源于后续步骤。详见附图。6.2管板6.2.1管板参数根据壳体内径尺寸，查阅换热器设计手册P161，表1-6-9管板尺寸表，由于没有适合本次设计的标准管板，根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表：管板

19、参数（管板按非标准设计）参数名称参数值管板直径Da/mm600管板外径D/mm647管板厚度ba/mm32管孔直径d1/mm25管孔数/个168换热管外伸长度/mm5管板质量/kg46.39单块管板质量：m=0.00717785046.39kg6.2.2管板与壳体的连接管板夹于壳体法兰和顶盖法兰之间，6.2.3管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子。根据换热器设计手册P172，表1-6-20，管子伸出长度约为5mm。6.3拉杆本换热器壳体内径为600mm，查阅化工单元过程及设备课程设计P135，表4-7和表4-8得：拉杆螺纹公称直径：=16mm拉杆长：L1=6.840mL2=6.48

20、0m前螺纹长La=20mm后螺纹长Lb=60mm拉杆数：4根拉杆质量：m=7850（26.840+26.480）3.140.0162/4=64.7kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=6.65m，L2=6.300m。粗略计算定距管质量m=7850（26.65+26.3）3.14(0.02520.022)/4=35.4kg6.4分程隔板查阅化工单元过程及设备课程设计P127，表4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=600mm，对于碳钢，得隔板厚度为：b10mm。分程隔板长L1=150+40+400+5-10=585mm，L2=200+5-10=190mm其中10mm为管箱嵌入法兰

21、深度，5mm为隔板嵌入管板深度。管箱分程隔板质量以长方体板粗略估计：m1=0.60000.5850.01078502=55.1kg浮头分成隔板质量以半圆板粗略估算：m2=3.140.50.1900.0107850=23.4kg隔板总质量m=55.1+23.4=78.51kg6.5折流板前面已算出：折流板数NB=19块圆缺高度h150mm板间距B360mm查阅换热器设计手册P182，表1-6-26和表1-6-33，得：折流板直径Da(6003.50.5)mm=596mm折流板厚度C6mm。折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=25+0.4=25.4mm折流板质量：m=190.000

22、4187850=62.35kg6.6封头及管箱6.6.1封头查阅材料与零部件P332，表2-1-9，本换热器采用椭圆型封头(JB115473)一个，材料采用高合金钢，公称直径Dg600mm（以内径为公称直径），曲面高度h1150mm，直边高度h240mm，厚度8mm,重量=16.6kg。焊接于管箱。6.6.2管箱管箱长L=400mm，管箱内径=6000mm（按非标准设计），壁厚=8mm管箱质量：m=3.140.6000.4000.0087850=47.32kg。6.6.3筒体法兰及管箱法兰查阅材料与零部件（上）P386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力1.01.6MPa范围内，选取的法兰

23、参数为D=730mm，公称直径=600mm，孔间距D1=690mm，D2=655mm。孔直径25mm，厚度b=32mm，法兰重量=35.1kg。所用螺栓规格M2090mm，螺栓数目：28。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在筒体，与后管板连接。6.7接管及其法兰根据流体力学与传热P207，接管直径公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.21.4倍。壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为ui=0.5m/s，则接管内径为=0.195m取标准管径为200mm查表材料与零部件（上）P655表2-8-1，取管的内径200mm，管厚6mm，伸出高度150mm。接管质量=3

24、.140.20.0040.157850=2.957kg原油进出口采用凸法兰，查阅材料与零部件P380，表2-2-19，取法兰直径340mm，厚度b=26mm，螺栓孔间距D1295mm，D2=219mm，螺栓孔直径22mm。法兰重量：法兰=2.42kg，螺栓规格：M20，螺栓数量为8。由于iui2=8150.52=203.72200kg/(ms2)，故不需防冲板。管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为uo=1m/s，则接管内径为=0.129m取标准管径为150mm查表材料与零部件P132无缝钢管（YB231-70），取管的外径159mm，管厚4.5mm，查阅材料与零部件（上P655表2-8-1

25、，伸出高度150mm。接管质量=3.140.15450.00450.157850=2.57kg回流液进出口采用凸法兰。查阅材料与零件P380，表2-2-19，法兰的直径260mm，厚度b=12mm，螺栓孔间距D1225mm，D2=202mm，螺栓孔直径18mm。法兰重量：凸法兰=2.75kg，螺栓规格：M20，数量为8。6.8排气、排液管查表材料与零部件P123无缝钢管（YB231-70），取排气液管：外径45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。质量=78503.140.0450.00350.08=0.29kg。选用螺塞M272。6.9浮头浮头法兰沟圈内径浮头法兰沟圈外径布管限定圈直径外盖

26、内直径浮头管板直径6.10支座设计6.10.1支座的设计选型查材料与零部件（上）P559，表2-7-1鞍式支座尺寸，当公称直径600mm时，b1=180mm,L=550mm,B=120mm，b=90mm，m=220mm，质量=26.3kg，A0.27=1.4m，支座间距70002521400=4190mm。6.10.2支座承载能力校核（1）换热器的质量统计于下表：序号各零部件数量单件重量/kg重量/kg1壳体1829.24829.242管板246.3992.783壳程接管21.913.824壳程接管法兰25.5115管程接管22.575.146管程接管法兰24.849.687隔板320.846

27、2.568封头116.6016.609封头法兰117.8017.8012传热管1684.42742.5613拉杆2/29.24/8.7836.0414定距管L127.6815.09L227.4115折流板192.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法兰117.8017.8018浮头132.5132.51换热器总重量/kg1961.56（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为：V23.14（0.025/2）27170=0.583m3壳体体积为：V13.14（0.600/2）27.001.978m3忽略隔板体积，原油充满整个换热器时的总重为：=1961.56+（1.978-0.583）8

28、15.03098.48kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（3）壳体刚度校核已知公式：和换热器的受力可简化为如图：AAL弯矩图为：L=8080m，=1961.56kg，g=9.81N/kg。校正为2000kg。取A=0.21L=0.248.081.9719(m)，此时=0.025gL=0.02520009.818.08=3963.24Nm抗弯截面模量：=0.00229=4605.79/0.00229=2.011MPa1.50.60.0010.0351.80.501.000.750.0012.40.100.501.1烃类3.00.0350.101.5浮头式换热器的基本参数公称直径mm管程数管子总根数中心排管数流体流通面积/m2计算的传热面积/m232542840.002443646870.012634.4400411660.005931.6500419290.010053.76004188100.016386.97004256120.0201118.1常用管心距管外径mm管心距mm各程相邻的管心距mm192538253244321052384860-