孟憲宇化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器226801

1、化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)題目 換熱器換熱器 學(xué)學(xué) 院院 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 過程裝備與控制工程過程裝備與控制工程 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 孟憲宇孟憲宇 日期日期 2017/6 目目錄錄 1 設(shè)計(jì)方案概述及簡(jiǎn)介.- 1 - 1.1 緒論 .- 1 - 1.2 概述 .- 1 - 1.3 確定設(shè)計(jì)方案 .- 4 - 2 估算傳熱面積.- 4 - 2.1 確定物性數(shù)據(jù) .- 4 - 2.2 計(jì)算熱流量.- 5 - 2.3 計(jì)算循環(huán)冷確水用量 .- 5 - 2.4 計(jì)算逆流平均傳熱溫差 .- 6 - 2.5 計(jì)算傳熱面積

2、.- 6 - 3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.- 6 - 3.1 管徑和管內(nèi)流速 .- 6- 3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù).- 6 - 3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù).-6- 3.4 傳熱管分程和排列方法.- 7 - 3.5 殼體內(nèi)經(jīng).- 7 - 3.6 折流板 .- 7 - 3.7 其它附件.- 8 - 3.8 接管.- 8 - 4 換熱器核算. - 8 - 4.1 傳熱能力核算.- 8 - 4.2 壁溫核算.- 10 - 4.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力.- 11 - 5 列管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .- 12 - 5.1 浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).- 12 - 5.2 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .- 13 - 5.3 管

3、箱法蘭與管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì) .- 13 - 5.4 固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).- 13 - 5.5 外頭蓋側(cè)殼體法蘭與外頭蓋法蘭設(shè)計(jì) .- 13 - 5.6 外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).- 13 - 5.7 墊片選擇 .- 13 - 5.8 鞍座選用及安裝位置確定.- 14 - 5.9 折流板布置.- 14 - 6 列管式換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì) .- 14 - 6.1 殼體壁厚計(jì)算.- 14 - 6.2 外蓋頭短節(jié)與封頭厚度計(jì)算.- 15 - 6.3 管箱短節(jié)與封頭厚度計(jì)算.- 16 - 6.4 固定管板計(jì)算.- 17 - 6.5 浮頭管板及鉤圈計(jì)算.- 18 - 6.6 無折邊球封頭計(jì)算.- 18 - 6.7 管箱短

4、節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核.- 19 - 6.8 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核.- 19 - 7 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 .- 21 - 參考文獻(xiàn).- 22 - 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 某生產(chǎn)過程的流程如圖所示。反應(yīng)器的混合氣體經(jīng)與進(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷 卻水將其從 110進(jìn)一步冷卻至 60之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶性組分。已知 混合氣體的流量為 226801，壓力為 6.9，循環(huán)冷卻水的壓力為 0.4，kg hMPaMPa 循環(huán)水的入口溫度為 29，出口的溫度為 39，試設(shè)計(jì)一列管式換熱器，完成生產(chǎn) 任務(wù)。 已知： 混合氣體在 85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）

5、密度 3 1 90kg m 定壓比熱容 1 3.297 p ckj kg 熱導(dǎo)率 1 0.0279w m 粘度 5 1 1.5 10 Pa s 循環(huán)水在 34下的物性數(shù)據(jù)： 密度 3 1 994.3kg m 定壓比熱容 K 1 4.174 p ckj kg 熱導(dǎo)率 K 1 0.624w m 粘度 3 1 0.742 10 Pa s - 0 - 1 1 設(shè)計(jì)方案概述及簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)方案概述及簡(jiǎn)介 1.11.1 緒論緒論 1.1.1 選題的依據(jù)、意義和理論或?qū)嶋H應(yīng)用方面的價(jià)值 列管式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備，具有可靠性高、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)， 在各工業(yè)領(lǐng)域中得到最為廣泛的應(yīng)用。盡管受到了其他新型換

6、熱器的挑戰(zhàn)，但反過來 也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化發(fā)展的今天，列管式換熱器仍占 主導(dǎo)地位。研究與開發(fā)此類新型的換熱器，對(duì)工業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)增長具有重大意義。 1.21.2 概述概述 1.2.1 換熱設(shè)備的應(yīng)用 用于在兩種或兩種以上流體間、一種流體一種固體間、固體顆粒間或者熱接觸且 具有不同溫度的同一種流體間的熱量傳遞的裝置稱為換熱設(shè)備。在化工生產(chǎn)中，為了 工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝。換 熱設(shè)備就是用來進(jìn)行這些熱傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高 的流體傳遞到溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。它是化工、煉油、食品、輕工、

7、 能源、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用工藝設(shè)備，對(duì)于迅速發(fā)展 的化工煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱設(shè)備尤為重要，約占總投資的 35% 40%。換熱設(shè) 備在化工生產(chǎn)中，有時(shí)作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)作為某一工藝設(shè)備的組成部分， 因此換熱器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用是十分廣泛的。任何化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外， 它在生產(chǎn)中都占有主導(dǎo)地位。近 20 年來，換熱設(shè)備在能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)化、回收，以及 新能源利用和污染治理中得到廣泛的應(yīng)用。 1.2.2 換換熱熱設(shè)設(shè)備備分分類類及及其其特特點(diǎn)點(diǎn) 換熱器分為管式換熱器和板式換熱器。 1.管式換熱器 這類換熱器都是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的

8、不同，管式換 熱器可分為四種類型，即：管殼式換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器和纏繞管式 換熱器。 (1) 管殼式換熱器 - 1 - 管殼式換熱器又稱列管式換熱器，是典型的換熱設(shè)備，再設(shè)計(jì)、制造和選用方 面，許多國家都有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。管殼式換熱器是通過管子壁面進(jìn)行傳熱的換 熱設(shè)備， 換熱設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛。雖然在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊和金屬消耗量方面 不及其他類型的換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性高，選材范圍廣，適應(yīng)性廣， 易于制造，處理量大，耐壓，耐溫，操作彈性大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在高溫、高壓和大 型換熱器中，管殼式換熱器仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是目前使用最廣泛的換熱器。 (2) 蛇管式換熱器 蛇管式換

9、熱器是把換熱管（金屬或非金屬）按需要彎曲成所需的形狀，如圓盤 形、螺旋形和長蛇形等。奇特點(diǎn)事結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、檢修清洗方便。對(duì)所需傳 熱面積不大的場(chǎng)合比較適用，同時(shí)，因管子能承受高壓而不易泄漏，常被高壓流體 的加熱或冷卻所采用。按使用狀態(tài)不同，蛇管式換熱器又分為沉侵式蛇管換熱器和 噴淋式蛇管換熱器。噴淋式蛇管換熱器和沉侵式蛇管換熱器相比，具有便于檢修、 清洗和傳熱效果較好等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是噴淋不均勻。 (3) 套管式換熱器 套管式換熱器是由兩種不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)管子組裝成同心圓的套筒，然后由多段這 種套管連接而成。每一段套筒稱為一程，每程的內(nèi)管用 U 形彎管順次連接，而外管 則以支管與下一程外管相

10、連接。由此組成多段同心圓套管換熱器，程數(shù)可根據(jù)傳熱要 求而增減。它的優(yōu)點(diǎn)是：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 2、耐高壓 3、傳熱面積可根據(jù)需要增減 4、適 當(dāng)?shù)剡x擇內(nèi)管和外管的直徑，可使流速大增 5、冷、熱流體可作嚴(yán)格的逆流，傳熱效 果好。缺點(diǎn)是單位傳熱面金屬消耗量太大，檢修、清洗和拆卸都比較麻煩，在可拆連 接處容易造成泄露。該類換熱設(shè)備通常用于高溫、高壓、小流量流體和所需傳熱面積 不大的場(chǎng)合。 (4) 纏繞管式換熱器 纏繞管式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將傳熱管按螺旋線形狀交替纏繞 而成，相鄰兩層螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，并且采用一定形狀的定距件使之保 持一定的間距。纏繞管式換熱器適用于同時(shí)處理多種介質(zhì)

11、、在小溫差下需要傳遞較 大熱量且管內(nèi)介質(zhì)操作壓力較高的場(chǎng)合，如制氧等低溫過程中使用的換熱設(shè)備等。 2.管殼式換熱器 管殼式換熱器是目前化工及煉油生產(chǎn)上應(yīng)用最廣的一種換熱器。它主要由殼 體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì) ，可分別采用普通碳鋼、 紫銅、或不銹鋼制作。在進(jìn)行換熱時(shí)，一種流體由封頭的連結(jié)管處進(jìn)入，在管流動(dòng)， - 2 - 從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另 -種流體由殼體的接管進(jìn)入，從殼體 上的另一接管處流出，這稱為殼程列管式換熱器。 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為固定管板式、浮頭式、U 形管式、 填料函式和釜式重沸器五類。 （1）固定管板式換熱器 這類換熱器的

12、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊、造價(jià)便宜，但管外不能機(jī)械清洗。此種換 熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼 體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管 板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與 殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎 或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。 為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50 以上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在 殼壁與管壁溫差低于 6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)

13、超過 0.6Mpa 時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔茫蛻?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。 （2） 浮頭式換熱器 換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管 子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”， 所以這種換熱器叫做 浮頭式換熱器 。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以從殼體中抽出，便于清 洗管間和管內(nèi)；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不 會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。其缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高， 制造安裝要求高。 （3）填料函式換熱器 這類換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似，管束一端可以自由膨脹，結(jié) 構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，

14、造價(jià)也比浮頭式低。但殼程內(nèi)介質(zhì)有外漏的可能，一般適用于 4MPa 以下的工作條件，且不適用于處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質(zhì)，使用 溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)已和很少采用。 - 3 - （4）U 型管式換熱器 U 型管式換熱器 ，每根管子都彎成 U 形，兩端固定在同一塊管板上，每根管 子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管 子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子 少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。 （5）釜式重沸器 釜式重沸器的管束可以為浮頭式、 U 形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以它具 有浮頭式、U

15、 形管式換熱器的特征。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體 上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間。此種換熱器與浮頭式、 U 形管式換熱器一樣，清洗維 修方便，可以處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。 1.31.3 確定設(shè)計(jì)方案確定設(shè)計(jì)方案 1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)題目 反應(yīng)器的混合氣體列管式換熱器設(shè)計(jì) 1.3.2 選擇換熱器的類型 選擇換熱器時(shí)，要遵循經(jīng)濟(jì)，傳熱效果優(yōu)，方便清洗，符合實(shí)際需要等原則。列 管式換熱器在生產(chǎn)中被廣泛利用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造較容易、處理能力大、 適應(yīng)性大、操作彈性較大。尤其在高溫高壓和大型裝置中使用更為普遍。所以，首選 列管式換熱器作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 兩種流體溫度變化情況：熱流

16、體即混合氣體進(jìn)口溫度 T 為 110，出口溫度 1 T 為 60；冷流體即循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度 t 為 29，出口溫度 t 為 39。212 由于該換熱器的管壁溫與殼體壁溫之差較大，因此確定選用浮頭式換熱器。 1.3.3 流程安排 由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，當(dāng)其流速太低時(shí)，將加大其污垢增長速度，使換熱器 的熱流量下降，又因浮頭式換熱器管程易清洗。所以綜上考慮，應(yīng)使循環(huán)冷卻水走管 程，混合氣體走殼程。 2 2 估算傳熱面積估算傳熱面積 - 4 - 2.1 確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的 平均值。 兩種流體定性溫度如下： 殼程混合氣體的定性溫度為：

17、T = = 85 2 60110 管程循環(huán)冷卻水的定性溫度為： t = = 34 2 2939 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)混合氣體來說，最 可靠的無形數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)值。若不具備此條件，則應(yīng)分別查取混合無辜組分的有關(guān)物性 數(shù)據(jù)，然后按照相應(yīng)的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)。 混合氣體在85下的物性數(shù)據(jù)如下： 密度 3 1 /90mkg 定壓比熱容 = 3.297 kj 1p c 熱導(dǎo)率 = 0.0279 Wm 1 粘度 = 1.5x10-5 Pas 1 循環(huán)冷卻水在34下的物性數(shù)據(jù)如下： 密度 3 1 /94.39mkg 定壓比熱容 =4.174kj/kgK 1p c 熱

18、導(dǎo)率 =0.624w/mK 1 粘度 = 0.742x10-3 Pas 1 2.2 計(jì)算熱流量 按管間混合氣體計(jì)算，即 Q1= 2288013.297（11060）= 10477.179KW (37717844kJ/h) 111 tcm p 2.3 計(jì)算逆流平均傳熱溫差 = = 48.3 K 逆,m t 29-60 39-110 )2960()39110( - 5 - 2.4 計(jì)算循環(huán)冷卻水用量 m= ipi tc Q 1 hkgskg/ 03637.99/ 1.0125 1010174 . 4 47717910 3 2.5 計(jì)算傳熱面積 因殼程為汽體混合物，且壓力較大，管程為水，經(jīng)查表得換熱

19、系數(shù)K=320W/(k), 則 A=677.87 p 逆,m tK Q 3 . 48320 10477.17910 3 3 3 確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸 3.1 管徑和管內(nèi)流速 選用10號(hào)碳素鋼252.5，取管內(nèi)流速 u=1.3ms。 3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 由傳熱管內(nèi)徑和流速，計(jì)算得單程傳熱管數(shù) = =627根s ud V 2 4 3 . 102 . 0 785 . 0 3 . 9943600 9 . 903637 2 ）（ 按單管程計(jì)算所得管子長度為 L = =13.77m so P nd A 627025 . 0 14 . 3 87.677 因按單管程計(jì)算的管子太長，宜采用多管

20、程結(jié)構(gòu)。由國標(biāo)（GB151）推薦的傳熱 管長度，現(xiàn)取換熱管長 =7.0m,則該換熱器的管程數(shù)為l N = = 2 p l L 0 . 7 77.13 傳熱管總根數(shù)為 N =6272=1254 根 T 3.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) R = =5 2939 60110 P = =0.124 29110 2939 - 6 - 按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊(cè)】：圖 5-19 查溫差校正系數(shù)圖得: 該平均傳熱溫差校正系數(shù) =0.96 t 平均傳熱溫差 = =0.9648.3=46.4 mt t 逆,mt 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，故取單殼程合適。 3.4

21、傳熱管排列和分程方法 對(duì)于雙管程結(jié)構(gòu)換熱器，采用組合排列方法。每一程內(nèi)都采用正三角形排 列，見【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊(cè)】：圖6-13。而在各程之 間為了便于安裝隔板，采用矩形排列方法。 因傳熱管和管板的連接方法采用焊接法，取管心距t=1.25d ,則 o t = 1.2525 =31.2532 mm 隔板中心到離其最近一排管中心距離為 S = +6 = +6 =22 mm 2 t 2 32 各程相鄰管心距為 2S=44 mm 。 管數(shù)的分程方法，每程各有傳熱管627根，其前后管程中隔板設(shè)置和介質(zhì)的 流通順序按【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊(cè)】：圖6-8選取 3.5 殼體

22、內(nèi)徑 本換熱器采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率= 0.75，則殼體內(nèi)徑為 D =1.05t=1.0532=1373.9mm/ T N75. 01226 按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取 D=1400 mm 。 3.6 折流板 本換熱器采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25，則切 去的圓缺高度為 h = 0.251400 =350 mm ，故可取h=350 mm 取折流板間距 B=0.3D ，則 B = 0.31400 =420 mm ,故可取B=450 mm 折流板數(shù)NB N = -1=-1=14.515 塊 B 折流板間距 傳熱管長 450 7000 - 7 - 折流板圓缺水平面安裝。見圖

23、：【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上 冊(cè)】：圖6-9 3.7 其他附件 本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，拉桿直徑為16，拉桿數(shù)量不得少于8根。 殼體入口處，應(yīng)設(shè)置防沖檔板。 3.8 接管 殼程流體（混合氣體）進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為 u =10ms,則接管內(nèi)徑為 1 D =0.3 m 1 1 4 u V 1014 . 3 903600/2288014 ）（ 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 37720 mm 。 管程流體(循環(huán)冷卻水)進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)冷卻流速為u =2.5ms,則接 2 管內(nèi)徑為 D =0.359 m 2 2 4 u V 5 . 214 . 3 3 . 9943600/9 .903

24、6374 ）（ 圓整后去管內(nèi)徑為 360mm 4 4 換熱器核算換熱器核算 4.1 傳熱能力核算 （1） 殼程對(duì)流給熱系數(shù) 對(duì)于圓缺形折流擋板，可采用克圖（Ken）公式見式【化學(xué)工業(yè)出版社化工 原 理（第三版） 上冊(cè)】：式（5-72a）： =0.36 o 14 . 0 3/155 . 0 0 1 )(PrRe we d 當(dāng)量直徑由正三角形排列得 m020 . 0 025 . 0 14 . 3 )025 . 0 4 14 . 3 032 . 0 2 3 (4) 42 3 (4 2222 o o e d dt d 殼程流通截面積 m1378 . 0 ) 032 . 0 025 . 0 1 (4 .

25、 145 . 0 )1 ( t d BDS o o 2 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 - 8 - ms1 . 5 9036001378 . 0 228801 O O o S V u 612000 105 . 1 901 . 5020. 0 Re 5 oe o ud 普朗特?cái)?shù) 773 . 1 0279 . 0 105 . 110297 . 3 53 p ro C P 粘度校正 ，則1)( 14 . 0 w W() 7 . 9251773 . 1 612000 02 . 0 0279 . 0 36 . 0 3/155. 0 o (2) 管程給熱系數(shù) 管程流體流通截面積 2126 . 0 2 125

26、4 02 . 0 4 14 . 3 24 22 2 T i N dS 管程流體流速，雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為 ms2 . 1 3 .99436002126. 0 9 . 903637 i i i S V u 32161 10742 . 0 3 . 9942 . 102. 0 Re 3 2 2 ie i ud 963 . 4 624 . 0 10742 . 0 10174 . 4 33 2 22 p ri C P 則得 W() 5495963. 432161 02 . 0 624 . 0 023 . 0 Re023 . 0 4 . 08 . 04 . 08 . 0 2 2 riii P d （3）

27、 污垢熱阻與管壁熱阻 【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊(cè)】：表5-5?。?管外側(cè)污垢熱阻： 查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取 R = 0.0004 W o 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻： 查污垢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取 R = 0.0006 W i 按【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊(cè)】：圖5-4查得 管壁的熱導(dǎo)率： - 9 - 碳鋼的熱導(dǎo)率為 = 50 W(m) (4) 總傳熱系數(shù) 130025. 0 25.79 1 0004. 0 0225 . 0 45 025 . 0 0025 . 0 02 . 0 025 . 0 0006 . 0 02 . 0 4955 025. 0 11 22 o o m oo i i o R d

28、bd d d R d d K K = 398W() （5） 傳熱面積 理論傳熱面積 567 4 .46839 10477.17910 3 1 m C t K Q A 該換熱器的實(shí)際傳熱面積 89654127025. 014. 3 ToP lNdA 該換熱器的面積裕度為 %21.51%100 756 675896 %100 C CP A AA H 該換熱器面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 4.2 壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻較小，故管壁壁溫按下式計(jì)算： h h c c h h mc c m RR RtRT t 11 ) 1 () 1 ( 85 2 60110 2/ )( 21 TTTm 33

29、296 . 0394 . 06 . 04 . 0 12 tttm W()4955 ic W()25.79 oh 換熱器用循環(huán)水冷卻，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降 低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差 可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算 傳熱管壁溫則得傳熱管平均壁溫: - 10 - 40.5 25.79/14955/1 25.79/335495/85 /1/1 / hc hmcm tT t 殼體平均壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即 T=85 殼體平均壁溫與傳熱管平均壁溫之差為 4.5440.

30、585t 該溫差較大，適宜選用浮頭式換熱器。 4.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （1） 管程流體阻力 管程壓力降為 SPti NNFPPP)( 21 由換熱管壁粗糙度為0.01mm，=34841，查莫狄圖:【化學(xué)工業(yè)出版 i Re 社化工原理（第三版）上冊(cè)】：圖1-27得=0.04， i 流速=1.20 ms,密度=994.3m ,所以 i u 2 3 Pa0022.51 2 2 . 1 3 . 994 02 . 0 7 04 . 0 2 22 2 1 i i i u d l P Pa147.692 2 2 . 1 3 . 994 3 2 22 2 2 i u P 對(duì)252.5的管子有=1.4，

31、且=2，=1,則 t F P N S N spi NNP P P)( 2 1 Pa4076.533124 . 1)147.6920022.51 ( i P 管程流體阻力在允許范圍內(nèi)。 （2） 殼程流體阻力 殼程壓力降 SSo NFPPP)( 21 15. 1 S F1 S N 流體流經(jīng)管束的阻力 2 ) 1( 2 1 1 o Bco u NnFfP F=0.5 7924 . 0 6120000 . 5Re0 . 5 228 . 0 228 . 0 oo f 95.3854121 . 11 . 1 Tc Nn 折流板間距B=0.45m，折流板數(shù)N =15，u =4.92 ms,則 Bo - 11

32、 - Pa4409.58 2 91 . 4 90 ) 115(8.9532417 . 0 5 . 0 2 1 P 流體流經(jīng)折流板缺口的阻力 2 ) 2 5 . 3( 2 2 2 o B u D B NP Pa46494.2 2 91 . 4 90 ) 4 . 1 45 . 0 2 5 . 3(15 2 2 P 總阻力 Pa150539.26115 . 1 )46494.24409.58( o P 參考合理壓力降的選取表，該換熱器的壓力降在合理的范圍之內(nèi)，故所設(shè)計(jì) 的換熱器合適。 5 5 列管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)列管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.15.1 浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

33、 換熱管殼體內(nèi)徑為1400mm，采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑作為殼體內(nèi)徑則浮頭管板外徑及各結(jié) 構(gòu)尺寸為：（參照化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：第四 章第一節(jié)及GB151）。結(jié)構(gòu)尺寸為： 浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙取 b =5 mm , 1 浮頭管板外徑為 mm03915200142 1 bDD io （見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：表4-16) 墊片寬度為 mm61 n b 浮頭管板密封面寬度為 mm5 . 715 . 1 2 n bb 浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)徑為 mm3581)615(20014)(2 1 nifi bbDD 浮頭法蘭和鉤圈的外徑為 mm480180001

34、480 ifo DD 外蓋頭內(nèi)徑為 - 12 - mm00151000014100 i DD 螺栓中心圓直徑為 mm35142/ )48010391 (2/ )( foob DDD 取浮頭法蘭厚為150 mm，采用16Mn鍛材料。 5.25.2 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 選取B型封頭管箱，管箱封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，取管箱長度為1300mm，其中 管箱短節(jié)長940mm。管箱內(nèi)分程隔板厚度取14mm。 5.35.3 管箱法蘭與管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì)管箱法蘭與管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì) 由工藝設(shè)計(jì)要求，按JB4703-92長頸對(duì)焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取。殼體公稱直徑為 1450mm,則管箱法蘭與管箱側(cè)殼體法蘭外徑為170

35、0mm，取法蘭厚度為180mm,采用 16Mn鍛材料。 5.45.4 固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)所選用的管箱法蘭與管箱側(cè)殼法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸大小，確定固定端管板最大外 徑為1550mm 。 5.55.5 外頭蓋側(cè)殼體法蘭與外頭蓋法蘭設(shè)計(jì)外頭蓋側(cè)殼體法蘭與外頭蓋法蘭設(shè)計(jì) 由工藝設(shè)計(jì)要求，按JB4703-92長頸對(duì)焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取。外頭蓋內(nèi)徑為1550mm, 則外頭蓋側(cè)殼體法蘭與外頭蓋法蘭外徑為1800mm，取法蘭厚度為180mm, 采用16Mn 鍛材料。 5.65.6 外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 外頭蓋內(nèi)徑為1550mm，外頭蓋封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，短節(jié)長度為200mm 。 5.75

36、.7 墊片選擇墊片選擇 5.7.1 管箱墊片 根據(jù)管箱操作條件（循環(huán)水壓力 0.4MPa，溫度 34）選用 1560mm1450mm石棉橡膠墊片。 5.7.2 外蓋頭墊片 - 13 - 根據(jù)殼程操作條件（混合氣體壓力 6.9MPa，溫度 85 ）選用 1660mm1550mm纏繞式墊片。 5.7.3 浮頭墊片 根據(jù)管殼程壓力差，混合氣體溫度確定墊片為金屬包石棉墊片，以浮頭管板結(jié)構(gòu) 確定墊片結(jié)構(gòu)尺寸為1425mm1410mm金屬包石棉墊片。 5.85.8 鞍座選用及安裝位置確定鞍座選用及安裝位置確定 鞍座選用JB/T 4712.1 鞍座 B 1450-F/S;鞍座材料為Q235A,墊板材料為Q3

37、45R； 其中筒體長L=6800mm,mm取，408068006 . 06 . 0LLBmmLB4000 mm 。1400 CC LL 5.95.9 折流板布置折流板布置 折流板結(jié)構(gòu)尺寸：外徑為D=1445mm，厚度為8mm,折流板管孔直徑為25.8mm， 圓缺切口尺寸h為290mm,材料為16MnR鋼板。 前端折流板距固定管板距離為700mm，后端折流板距浮動(dòng)管板距離為700mm,中 間折流板相互之間距離為400mm。 拉桿直徑取16mm，取材16MnR,數(shù)量取8根，其中長度為6350mm的6根， 5950mm的2根。 6 6 列管式換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)列管式換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì) 6.16.1 殼體壁厚

38、計(jì)算殼體壁厚計(jì)算 殼體內(nèi)徑=1450mm，設(shè)計(jì)溫度為85，設(shè)計(jì)壓力為=6.9MPa,選取低合金鋼 C P 板16MnR巻制，材料85時(shí)的許用應(yīng)力=163MPa，屈服強(qiáng)度=325MPa，焊縫系 t s 數(shù)=1，腐蝕裕度=1mm,則 2 C 計(jì)算厚度 mm 3 . 31 9 . 611632 14509 . 6 2 C t iC P DP S 設(shè)計(jì)厚度 mm 3 . 321 3 . 31 2 CSSd - 14 - 名義厚度 mm,取 mm 3 . 330 . 1 3 . 32 1 圓整CSS dn 35 n S 有效厚度 mm321135 21 CCSS ne 水壓試驗(yàn)壓力 MPa 625. 8

39、19 . 625 . 1 25. 1 t CT PP 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 MPa 8 . 193 332 )331450(625 . 8 2 )( e eiT T S SDP 193.8MPa0.9=0.93251=292.5MPaS 水壓強(qiáng)度滿足要求。 6.26.2 外蓋頭短節(jié)與封頭厚度計(jì)算外蓋頭短節(jié)與封頭厚度計(jì)算 外蓋頭內(nèi)徑=1550mm，設(shè)計(jì)溫度為85，設(shè)計(jì)壓力為=6.9MPa,選取低合金 C P 鋼板16MnR巻制，材料85時(shí)的許用應(yīng)力=163MPa，屈服強(qiáng)度=325MPa，焊縫 t s 系數(shù)=1，腐蝕裕度=1mm,則 2 C 短節(jié)計(jì)算壁厚 mm 5 . 33 9 . 611632 15

40、509 . 6 2 C t iC P DP S 短節(jié)設(shè)計(jì)壁厚 mm 5 . 341 5 . 33 2 CSSd 短節(jié)名義壁厚 mm, ?。?mm 5 . 350 . 1 5 . 34 1 圓整CSS dn 37 n S 有效厚度 mm351137 21 CCSS ne 水壓試驗(yàn)壓力 MPa 625. 819 . 625 . 1 25. 1 t CT PP 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 MPa 3 . 195 352 )351550(625 . 8 2 )( e eiT T S SDP 195.3MPa0.9=0.93251=292.5MPaS - 15 - 水壓強(qiáng)度滿足要求。 封頭計(jì)算壁厚 mm 1 .

41、33 9 . 65 . 011632 15509 . 6 5 . 02 C t iC P DP S 封頭名義壁厚 mm 1 . 350 . 10 . 1 1 . 33 12 圓整圓整CCSSn 取封頭名義壁厚 =36 mm n S 6.36.3 管箱短節(jié)與封頭厚度計(jì)算管箱短節(jié)與封頭厚度計(jì)算 管箱內(nèi)徑=1450mm，設(shè)計(jì)溫度為34，設(shè)計(jì)壓力為=0.4MPa,選取低合金鋼 C P 板16MnR巻制，材料34時(shí)的許用應(yīng)力=170MPa，屈服強(qiáng)度=345MPa，焊縫系 t s 數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2mm,則 2 C 計(jì)算厚度 mm 0 . 2 4 . 085 . 0 1702 14504 . 0

42、2 C t iC P DP S 設(shè)計(jì)厚度 mm0 . 420 . 2 2 CSSd 名義厚度 mm8 . 48 . 00 . 4 1 圓整圓整CSS dn 結(jié)合考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要，取 =8mm n S 有效厚度 mm2 . 528 . 08 21 CCSS ne 水壓試驗(yàn)壓力 MPa 5 . 014 . 025 . 1 25 . 1 t CT PP 水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 MPa 9 . 69 2 . 52 )2 . 51450(5 . 0 2 )( e eiT T S SDP 69.9MPa0.9=0.93451=310.5MPaS 水壓強(qiáng)度滿足要求。 管箱封頭取用厚度與短節(jié)相同，取=8mm

43、。 n S - 16 - 6.46.4 固定管板計(jì)算固定管板計(jì)算 固定管板厚度設(shè)計(jì)采用BS法。 假定管板厚度 b=100mm, 總換熱管數(shù)量 n=1226 一根管壁的橫截面積為 mm 6 . 176)2025( 4 14 . 3 )( 4 2222 io dda 2 開孔強(qiáng)度削弱系數(shù)（雙程） =0.5 兩管板間換熱管有效長度（除掉兩管板厚度）L取6850mm 計(jì)算系數(shù)K 22.15 10068505 . 0 6 .1761226 100 1450 32 . 1 32 . 1 2 Lb na b D K i 則 K=3.90 按管板簡(jiǎn)支考慮，依K值圖表得=2.9，=-0.72，=3.0 1 G

44、2 G 3 G 筒體內(nèi)徑截面積 mm 5 . 16504621450 4 14 . 3 4 22 i DA 2 管板上管孔所占的總截面積 mm 3 . 601506 4 25122614 . 3 4 22 o nd C 2 系數(shù) 636 . 0 5 . 1650462 3 . 601506 5 . 1650462 A CA 系數(shù) 206 . 0 3 . 601506 5 . 1650462 6 . 1761226 CA na 當(dāng)殼程壓力為=6.9MPa,管程壓力為=0.4MPa S P t P 當(dāng)量壓差為 MPa42 . 6 )206 . 0 1 (4 . 09 . 6)1 ( tsa PPP

45、 管板最大應(yīng)力 MPa 6 . 235) 100 1450 ( 9 . 25 . 04 4 . 09 . 6 )( 4 22 1 b D G PP its r 管子最大應(yīng)力 - 17 - MPa89.66 636 . 0 )72. 0()4 . 09 . 6( 42 . 6 206 . 0 1)(1 2 GPP P ts at 或 MPa67.117 636. 0 0 . 3)4 . 09 . 6( 42. 6 206 . 0 1)(1 3 GPP P ts at 管板采用16Mn鍛材料 =163 MPa r 換熱管采用10號(hào)碳素鋼材料 =121 MPa t 管板與換熱管強(qiáng)度校核 =235.6

46、 MPa 1.5=1.5163=244.5 MPa maxr r =-117.67MPaP =6.9 MPa,計(jì)算值可用。 P s 則無折邊球形封頭名義厚度為50mm。 6.76.7 管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)的校核 開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，由工藝設(shè)計(jì)給定的接管尺寸為3779，選用20號(hào) 熱軋?zhí)妓劁摴?，鋼管許用應(yīng)力=130MPa，取=1。 t 2 C 接管計(jì)算壁厚 mm 58 . 0 4 . 011302 3774 . 0 2 c t oc t P DP S 接管有效壁厚 mm65 . 6 15 . 0 919 12 CCSS ntet 開孔直徑 mm 7 . 36335. 22

47、923772Cdd i 接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 mm4 .727 7 . 36322 dB 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 mm2 .579 7 . 363 1 nt dSh 需要補(bǔ)強(qiáng)面積 mm 4 . 7270 . 2 7 . 363 dSA 2 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為 mm84.1163)0 . 22 . 5)( 7 . 363 4 . 727()( 1 SSdBA e 2 mm531170/130)58 . 0 65 . 6 ( 2 . 572)(2 12 rtet fSShA 2 則 =1163.84+531=1694.84 A=727.4 mm 21 AA 2 該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需要另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。 6.86.8 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核殼體接