列管式換熱器課程設計

1、大學大學化工原理化工原理列管式換熱器列管式換熱器課程設計說明書課程設計說明書學院：學院：班級：班級：學號：學號：姓名：姓名：指導教師：指導教師：時間：時間： 年年 月月 日日無目錄目錄一、化工原理課程設計任務書一、化工原理課程設計任務書.2二、二、確定設計方案確定設計方案.31.選擇換熱器的類型2.管程安排三、三、確定物性數(shù)據確定物性數(shù)據.4四、四、估算傳熱面積估算傳熱面積.51.熱流量2.平均傳熱溫差3.傳熱面積4.冷卻水用量五、五、工藝結構尺寸工藝結構尺寸.61.管徑和管內流速2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)3.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)4.傳熱管排列和分程方法5.殼體內徑6.折流擋板.77.其他附件8

2、.接管六、六、換熱器核算換熱器核算.81.熱流量核算2.壁溫計算.103.換熱器內流體的流動阻力七、七、結構設計結構設計.131.浮頭管板及鉤圈法蘭結構設計2.管箱法蘭和管箱側殼體法蘭設計3.管箱結構設計4.固定端管板結構設計5.外頭蓋法蘭、外頭蓋側法蘭設計.146.外頭蓋結構設計7.墊片選擇8.鞍座選用及安裝位置確定9.折流板布置10.說明八、八、強度設計計算強度設計計算.151.筒體壁厚計算2.外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計算3.管箱短節(jié)、封頭厚度計算.164.管箱短節(jié)開孔補強校核.175.殼體接管開孔補強校核6.固定管板計算.187.浮頭管板及鉤圈.198.無折邊球封頭計算9.浮頭法蘭計算.20

3、九、參考文獻九、參考文獻.20無一、化工原理課程設計任務書一、化工原理課程設計任務書某生產過程的流程如圖 3-20 所示。 反應器的混合氣體經與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從 110進一步冷卻至 60之后， 進入吸收塔吸收其中的可溶性組分。已知混合氣體的流量為 231801kg h，壓力為 6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為 0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為 29，出口的溫度為 39，試設計一列管式換熱器，完成生產任務。已知：混合氣體在 85下的有關物性數(shù)據如下（來自生產中的實測值）密度3190kg m定壓比熱容13.297pckj kg熱導率10.0279w m粘度511.5 10Pa s

4、循環(huán)水在 34下的物性數(shù)據：密度31994.3kg m定壓比熱容14.174pckj kgK熱導率10.624w mK粘度310.742 10Pa s無二、確定設計方案二、確定設計方案1 選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度 110 出口溫度 60；冷流體進口溫度29，出口溫度為 39，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2 管程安排從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降

5、，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。無三、確定物性數(shù)據三、確定物性數(shù)據定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為T=260110=85管程流體的定性溫度為t=3422939根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據。對混合氣體來說，最可靠的無形數(shù)據是實測值。若不具備此條件，則應分別查取混合無辜組分的有關物性數(shù)據，然后按照相應的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據?；旌蜌怏w在 85下的有關物性數(shù)據如下（來自生產中的實測值） ：密度31/90mkg定壓比熱容1pc=3.297kj/kg熱導率1=0.0279w/m粘度1

6、=1.510-5Pas循環(huán)水在 34 下的物性數(shù)據：密度1=994.3 /m3定壓比熱容1pc=4.174kj/kgK熱導率1=0.624w/mK粘度1=0.74210-3Pas無四、估算傳熱面積四、估算傳熱面積1.熱流量Q1=111tcmp=2318013.297(110-60)=3.82107kj/h =10614.554kw2.平均傳熱溫差先按照純逆流計算，得mt=K3 .48296039110ln)2960()39110(3.傳熱面積由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的 K 值。假設 K=320W/( k)則估算的傳熱面積為Ap=2176.6863 .4832010614554mtK

7、Qm4.冷卻水用量m=ipitcQ1=hkgskg/2 .915486/3 .2541010174. 4106145543無五、工藝結構尺寸五、工藝結構尺寸1 管徑和管內流速選用252.5較高級冷拔傳熱管 （碳鋼） ， 取管內流速u1=1.3m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)Ns=6273 . 102. 0785. 0)3 .9943600/(2 .915486422udVi按單程管計算，所需的傳熱管長度為L=mndAsop14627025. 014. 376.686按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長 l=7

8、m，則該換熱器的管程數(shù)為Np=2714lL傳熱管總根數(shù)Nt=6272=12543.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)：R=5293960110ttT-T1221P=124. 0291102939tTtt1112按單殼程，雙管程結構，查【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：圖 5-19得：96. 0t平均傳熱溫差46.448.30.96塑mtmttK由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于 0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：圖 6-13。取管心距

9、 t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532 隔板中心到離其最.近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22 各程相鄰管的管心距為 44 。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置和介質的流通順序按【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：圖 6-8 選取。5殼體內徑采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內徑無為：D=1.05tmmNT137457 . 0/12543205. 1/按卷制殼體的進級檔，可取 D=1400mm筒體直徑校核計算：殼體的內徑iD應等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑的計算可以

10、決定殼體的內徑，其表達式為：e21ntDci）（管子按正三角形排列：3912541 . 1N1 . 1ntc取 e=1.20d=1.225=30mmiD=32（39-1）+230 =1276mm按殼體直徑標準系列尺寸進行圓整：iD=1400mm6折流擋板采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內徑的 25%，則切去的圓缺高度為h=0.251400=350m，故可取 h=350mm取折流板間距 B=0.3D，則B=0.31400=420mm，可取 B 為 450mm。折流板數(shù)目1414.5145070001NB折流板間距傳熱管長折流板圓缺面水平裝配，見圖： 【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）

11、上冊】 ：圖 6-9。7其他附件拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內徑為 1400mm，故其拉桿直徑為16 拉桿數(shù)量 8，其中長度 5950mm 的六根，5500mm 的兩根。殼程入口處，應設置防沖擋板。8接管殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為u1=10m/s，則接管內徑為302. 01014. 3)903600/(23180144VD1圓整后可取管內徑為 300mm。管程流體進出口接管：取接管內液體流速u2=2.5m/s，則接管內徑為361. 05 . 214. 3)3 .9943600/(2 .91548642D圓整后去管內徑為 360mm無六、換熱器核算六、換熱器核算1熱流量核算（1）

12、殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算，見式【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：式（5-72a） ：14. 03155. 0010)(PrRe36. 0wed當量直徑，依【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：式（5-73a）得ed=mddtoo02. 0423 422殼程流通截面積：1378. 0)32251 (1400450)1 (StdBDoo殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為smuo/2 . 51378. 0)903600/(231801624000105 . 1902 . 502. 0udRe50eo普朗特數(shù)773. 10279. 0105 . 110297. 3cPr53p粘度校正

13、1)(14. 0wKmwo23155. 0/7 .935773. 162400002. 00279. 036. 0（2）管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：4 . 08 . 0PrRe023. 0iiid管程流體流通截面積：1969. 02125402. 0785. 02iS管程流體流速：smui/3 . 11969. 0)3 .9943600/(2 .915486無雷諾數(shù)：34841)10742. 0/(3 .9943 . 102. 0Re3普朗特數(shù)：96. 4624. 010742. 010174. 4Pr33K/585896. 43484102. 0624. 0023. 024 . 08 . 0mwi（3

14、）污垢熱阻和管壁熱阻：【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：表 5-5 ?。汗芡鈧任酃笩嶙鑧kmRo/0004. 02管內側污垢熱阻wkmRi/0006. 02管壁熱阻按【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：圖 5-4 查得碳鋼在該條件下的熱導率為 50w/(mK)。所以wkmRw/00005. 0500025. 02（4） 傳熱系數(shù)eK有：K/4027 .93510004. 05 .222500005. 020250006. 0205858251)1(12mwRddRddRddKoomowioiiioe（5）傳熱面積裕度：計算傳熱面積 Ac：2317 .5463 .48402

15、10554.10614mtKQAmec該換熱器的實際傳熱面積為pA：21 .68912547025. 014. 3mlNdATop該換熱器的面積裕度為%267 .5467 .5461 .689ccpAAAH傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。無2.壁溫計算因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式ncnmcwwtTt11計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進口溫度為 15，出口溫度為 39計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，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

16、間壁溫差可能較大。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有：ncnmcwwtTt11式中液體的平均溫度mt和氣體的平均溫度分別計算為mt0.439+0.615=24.6mT(110+60)/2=85ic5858w/Koh935.7w/K傳熱管平均壁溫3 .32wt殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即 T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為7 .523 .3285t。該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。3換熱器內流體的流動阻力（1）管程流體阻力spsritFNNppp)(1sN,2Np,22ud

17、lpiii由 Re=34841，傳熱管對粗糙度 0.01，查莫狄圖:【化學工業(yè)出版社化工原理 （第三版）上冊】 ：圖 1-27 得04. 0i，流速iu=1.3m/s,3/3 .994mkg, 所以：無Papi57.1176223 .9943 . 102. 0704. 02Paupr55.252023 . 13 .9943222Pap.4428495 . 12)5.525207.511762(1管程流體阻力在允許范圍之內。（2）殼程阻力：按式計算ssiosNFppp)(,1sN,1sF流體流經管束的阻力2) 1(2oBTCoouNNFfpF=0.52419. 05880005228. 0of3

18、912541 . 11 . 15 . 05 . 0TTCNN14BNsm/.25u0op0.50.241939(14+1)2.25902=86095.6Pa流體流過折流板缺口的阻力2)25 . 3(2oBiuDBNp, B=0.45m ,D=1.4m486722.2590)4 . 145. 025 . 3(142ipPa總阻力sp86095.6+48672=1.35510Pa由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。無（3）換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表：參數(shù)管程殼程流率915486.2231801進/出口溫度/29/39110/60壓力/MPa0.46.9物性定性

19、溫度/3485密度/（kg/m3）994.390定壓比熱容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.7423101.5510熱導率（W/mK）0.6240.0279普朗特數(shù)4.961.773設備結構參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內徑/1400臺數(shù)1管徑/252.5管心距/32管長/7000管子排列正 三 角 形排列管數(shù)目/根1254折流板數(shù)/個14傳熱面積/689.1折流板間距/450管程數(shù)2材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.35.2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（K）5858935.7污垢熱阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.042850.135熱流量/KW

20、10615傳熱溫差/K48.3傳熱系數(shù)/W/（K）400裕度/%26%無七、結構設計七、結構設計1、浮頭管板及鉤圈法蘭結構設計：由于換熱器的內徑已確定，采用標準內徑決、定浮頭管板外徑及各結構尺寸（參照化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：第四章第一節(jié)及 GB151） 。結構尺寸為：浮頭管板外徑：mm1390521400b2DD1i0浮頭管板外徑與殼體內徑間隙：取mm5b1（見化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版） ：表 4-16） ；墊片寬度：按化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版）:表 4-16：取mm16bn浮頭管板密封面寬度：.5mm175 . 1b

21、bn2浮頭法蘭和鉤圈的內直徑：mm135816521400bb2DDn1ifi）（）（浮頭法蘭和鉤圈的外直徑：1480mm80400180DDi0f外頭蓋內徑：1500mm1004001100DDi螺栓中心圓直徑：mm14352/14801390/2DDDf00b）（）（其余尺寸見化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-50。2、管箱法蘭和管箱側殼體法蘭設計：依工藝條件：管側壓力和殼側壓力中的高值，以及設計溫度和公稱直徑1400，按JB4703-92 長頸對焊法標準選取。并確定各結構尺寸，見化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-50（a）所示。3、管

22、箱結構設計：選用 B 型封頭管箱，因換熱器直徑較大，且為二管程，其管箱最小長度可不按流道面積計算，只考慮相鄰焊縫間距離計算：mm1297503503771002320hhdC2hL21gfgmin取管箱長為 1300mm，管道分程隔板厚度取 14mm，管箱結構如化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-50（a）所示。4、固定端管板結構設計：依據選定的管箱法蘭，管箱側法蘭的結構尺寸，確定固定端管板最大外徑為：D=1506mm；結構如化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-50（b）無所示。5、外頭蓋法蘭、外頭蓋側法蘭設計：依工藝條件，殼側壓力、溫度及公

23、稱直徑mm1500DN；按 JB4703-93 長頸法蘭標準選取并確定尺寸。6、外頭蓋結構設計：外頭蓋結構如化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-51 所示。軸向尺寸由浮動管板、鉤圈法蘭及鉤圈強度計算確定厚度后決定，見化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-51。7、墊片選擇：a.管箱墊片：根據管程操作條件（循環(huán)水壓力a0.4Mp，溫度 34C。）選石棉橡膠墊。結構尺寸如化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-39（b）所示：1400mm.d 1508mm;Db.外頭蓋墊片：根據殼程操作條件（混合氣體，壓力a6.9Mp，溫度

24、85C。） ，選纏繞式墊片，墊片：mm1500mm1609（JB4705-92） 纏繞式墊片。c.浮頭墊片：根據管殼程壓差，混合氣體溫度確定墊片為金屬包石棉墊，以浮動管板結構確定墊片結構尺寸為1390mmmm1358； 厚度為 3mm;JB4706-92 金屬包墊片。8、鞍座選用及安裝位置確定：鞍座選用 JB/T4712-92 鞍座 BI1400-F/S；安裝尺寸如化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-44 所示其中：mm40206700.60.6L0L6700LB，取：mm1350LL4000mmLCCB，9、折流板布置：折流板尺寸：外徑：mm1392814008DD

25、N；厚度取 8mm前端折流板距管板的距離至少為 850mm；結構調整為 900mm；見化工單元過程及設備課程設計 （化學工業(yè)出版社出版） ：圖 4-50（c）后端折流板距浮動管板的距離至少為 950mm；實際折流板間距 B=450mm，計算折流板數(shù)為 12 塊。10、說明:在設計中由于給定壓力等數(shù)及公稱直徑超出 JB4730-92，長頸對焊法蘭標準范圍，對殼體及外頭蓋法蘭無法直接選取標準值，只能進行非標設計強度計算。無八、強度設計計算八、強度設計計算1、 筒體壁厚計算： 由工藝設計給定設計溫度 85C。， 設計壓力等于工作壓力為 6.9Map，選低合金結構鋼板 16MnR卷制，查得材料 85C

26、。時許用應力 atMp163； 過程設備設計 （第二版）化學工業(yè)出版社。取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度2C=1mm；對 16MnR鋼板的負偏差1C=0根據過程設備設計 （第二版）化學工業(yè)出版社：公式（4-13）內壓圓筒計算厚度公式：= cticP2DP從而：計算厚度：=5.735.965.8016321400.96mm設計厚度：5.73615.735C2dmm名義厚度：mm5.736C1dn圓整取mm38n有效厚度：mm37CC21ne水壓試驗壓力： atcTMp25.681.965.21P5.21P所選材料的屈服應力asMp325水式實驗應力校核：aeeiTt.5Mp167372371400

27、25.682DP）（）（asaMp25.62483255.80.90.90.5Mp167水壓強度滿足氣密試驗壓力：acT.9Mp6PP2、外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計算：外頭蓋內徑=1500mm，其余參數(shù)同筒體：短節(jié)計算壁厚：S= cticP2DP=mm3 .38.965.8016321500.96短節(jié)設計壁厚：9.3mm318.33CSS2d短節(jié)名義厚度：無39.3mmCSS1dn圓整取nS=40mm有效厚度：9mm3CCSS21ne壓力試驗應力校核：aeeiTt.2Mp17039239150025.682DP）（）（壓力試驗滿足試驗要求。外頭蓋封頭選用標準橢圓封頭：封頭計算壁厚：S= cticP

28、5 . 02DP=.822mm37.96.505.8016321500.96封頭名義厚度：38.822mm137.822CCSS21n取名義厚度與短節(jié)等厚：40mmSn3、管箱短節(jié)、封頭厚度計算：由工藝設計結構設計參數(shù)為：設計溫度為 34C。，設計壓力為 0.4Map，選用 16MnR 鋼板，材料許用應力 atMp170，屈服強度asMp345，取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度2C=2mm計算厚度：S= cticP2DP=1.94mm.405.80170214000.4設計厚度：3.94mm24.91CSS2d名義厚度：3.94mmCSS1dn結合考慮開孔補強及結構需要取8mmSn有效厚度：6m

29、m2-8CCSS21ne壓力試驗強度在這種情況下一定滿足。無管箱封頭取用厚度與短節(jié)相同，取8mmSn4、 管箱短節(jié)開孔補強校核開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸為9377，考慮實際情況選 20 號熱軋?zhí)妓劁摴?atMp130，9377，2C=1mm接管計算壁厚： 8.60.405.801302377.40P2DPSctictmm接管有效壁厚：6.65mm0.159-1-9CCSS21ntet開孔直徑：.7mm3635.32292377C2ddi接管有效補強高度：B=2d=2363.7=727.4mm接管外側有效補強高度：.2mm579.7363dShnt1需補強面積：A=dS=363.71.9

30、4=705.62mm可以作為補強的面積：2e1.6mm14764.916.7363.4727S)-(Sd-BA）（）（）（2ret12.3mm522170/1308.605.66.2572fSt-S2hA）（）（221.6mm705A.91998.3522.61476AA該接管補強的強度足夠，不需另設補強結構。5、殼體接管開孔補強校核：開孔校核采用等面積補強法。選取 20 號熱軋?zhí)妓劁摴?2325鋼管許用應力： atMp137，2C=1mm接管計算壁厚： mm8.976.9113723256.9P2DPSctict接管有效壁厚：9.2mm0.1512-1-12CCSS21ntet開孔直徑：06

31、.6mm35.101212122325C2ddi）（無接管有效補強厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接管外側有效補強高度：60.7mm1206.63dShnt1需要補強面積：A=d=306.635.75=10960.952mm可以作為補強的面積為：2e1383.25mm5.7353706.63613.2)-(d-BA）（）（）（2ret12119.4mm170/1378.97.2960.72fSt-S2hA）（）（尚需另加補強的面積為：221410458.3mm119.4-383.25-10960.95A-A-AA補強圈厚度：.3mm363252 .613.310458dBAS04k

32、實際補強圈與筒體等厚：mm38Sk；則另行補強面積：20K4.6mm10951325.261338)d-(BSA）（2242110960.95mmAmm5.211454.610951.41195.2383AAA同時計算焊縫面積3A后，該開孔補強的強度的足夠。6、固定管板計算：固定管板厚度設計采用 BS 法。假設管板厚度 b=100mm?？倱Q熱管數(shù)量n=1254；一根管壁金屬橫截面積為：2222i20.6mm17620254dd4a）（）（開孔溫度削弱系數(shù)（雙程） ：.50兩管板間換熱管有效長度(除掉兩管板厚)L 取 6850mm計算系數(shù) K：5.8141006850.50.6176125410

33、014002.31LbnabD2.31Ki2K=3.855接管板筒支考慮，依 K 值查化工單元過程及設備課程設計化學工業(yè)出版社：圖 4-45，圖 4-46，圖 4-47 得：2.8G-0.65,G, 9 . 2G321無管板最大應力:a2tsatMp4 .5707.605.60.40.961.4633.201GPPP1）（）（）（或a3tsat.2Mp10107.60.82.40.961.4633.201GPPP1）（）（筒體內徑截面積：222imm153860014004D4A管板上管孔所占的總截面積：2220mm8 .6155552541254d4nC系數(shù).601538600.86155551538600AC-A系數(shù).240.8615