换热器课程设计11

1、化工原理课程设计设计题目：换热器专业：过程装备与控制工程学号：07学生姓名：2010年6月28日目录一：设计任务和设计条件1二：确定设计方案1三：确定物性数据2四：估算传热面积2五：工艺结构尺寸3六：换热器核算4七、强度设计计算9八、参考文献：15一：设计任务和设计条件某生产过程的流程如图3-20所示。反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为239301，压力为6.9，循环冷却水的压力为0.4，循环水的入口温度为29，出口的温度为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下的有关物

2、性数据如下（来自生产中的实测值）密度 定压比热容热导率粘度循环水在34下的物性数据：密度 定压比热容k热导率k粘度二：确定设计方案1 选择换热器的类型两流体温度的变化情况：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，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2 管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。三：确

3、定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为t= =85管程流体的定性温度为t=根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 定压比热容热导率粘度循环水在34 下的物性数据：密度 定压比热容k热导率k粘度四：估算传热面积1 热流量 =2393013.297(110-60)=3.94107kj/h =10944kw2.

4、平均传热温差 先按照纯逆流计算，得： =3.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=313w/(k)则估算的传热面积为 a=4.冷却水用量 五：工艺结构尺寸1管径和管内流速 选用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 按单程管计算，所需的传热管长度为 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为 传热管总根

5、数 nt=6462=1292(根)3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 按单壳程，四管程结构，查图5-19（a）得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.9，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，则t=1.2525=31.2532(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离按式（3-16）计算 s=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。管数的分成方法，每程各有传热管646根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5壳体内径 采

6、用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.7 ，则壳体内径为 d=1.05t按卷制壳体的进级档，可取d=1400mm6折流板 采用圆缺折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.251400=350m，故可取h=360mm取折流板间距b=0.3d，则 b=0.31400=420mm，可取b为450mm。折流板数目nb=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。7其他附件 拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为12拉杆数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。8接管壳程流体进出口接管：取接

7、管内气体流速为，则接管内径为圆整后可取管内径为310mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为圆整后去管内径为370mm六：换热器核算1 热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算 据式（5-72） 当量直径 =壳程流通截面积 (m2)壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数 据式（5-63a） 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 按表5-5，可取管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻管壁热阻按式计算，依附录4查表知，碳钢在该条件下的热导率为45.3w/(mk)。所以（4） 传热系数依式（5-11c）有 （5）传热面积裕

8、度 依式（5-23）可得所计算传热面积ac为该换热器的实际传热面积为ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2 壁温计算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。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，由于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。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式4-42有 式中液体的平均温度

9、和气体的平均温度分别计算为 0.439+0.615=24.6 (110+60)/2=85 5852w/k 925.7w/k传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即t=85。壳体壁温和传热管壁温之差为 。 该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , 由re=33063，传热管对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得，流速u=1.299m/s,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 按式（6-4）计算 , , 流体流经管束的阻力 (pa)流体流过折流板缺口的阻力 ,

10、, pa总阻力85357+49050=1.34pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。（3）换热器主要结构尺寸和计算结果:换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率943200239301进/出口温度/29/39110/60压力/mpa0.46.9物性定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgk）4.1743.297粘度/（pas）0.7421.5热导率（w/mk） 0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/1450台数1管径/252.5管心距/44管长/7000管子排列管数

11、目/根1292折流板数/个14传热面积/710折流板间距/450管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.2995.2表面传热系数/w/（k）5618996.1污垢热阻/（k/w）0.000580.0004阻力/ mpa0.039930.13热流量/kw10944传热温差/k48.3传热系数/w/（k）415裕度/% 25%七、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，设计压力等于工作压力为6.9，选低合金结构钢板16卷制，查得材料85时许用应力；过程设备设计（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数=1，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0根据过程设备设计（第二

12、版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公式： = 从而：计算厚度：=设计厚度：名义厚度： 圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足气密试验压力： 2、外头盖短节、封头厚度计算： 外头盖内径=1500mm，其余参数同筒体： 短节计算壁厚： s= 短节设计壁厚： 短节名义厚度： 圆整取 有效厚度： 压力试验应力校核： 压力试验满足试验要求。 外头盖封头选用标准椭圆封头： 封头计算壁厚： s= 封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 3、管箱短节、封头厚度计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为34，设计压力为0.4m，选用16mnr钢板，材料许

13、用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=2mm 计算厚度： s= 设计厚度： 名义厚度： 结合考虑开孔补强及结构需要取 有效厚度： 压力试验强度在这种情况下一定满足。 管箱封头取用厚度与短节相同，取 4、 管箱短节开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管， 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： 接管外侧有效补强高度： 需补强面积： 可以作为补强的面积： 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接管开孔补强校核： 开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管 钢管许用应力：， 接管计算壁厚： 接管有效壁厚

14、： 开孔直径： 接管有效补强厚度： 接管外侧有效补强高度： 需要补强面积： 可以作为补强的面积为： 尚需另加补强的面积为： 补强圈厚度： 实际补强圈与筒体等厚： ； 则另行补强面积： 同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算： 固定管板厚度设计采用bs法。假设管板厚度。 总换热管数量 ； 一根管壁金属横截面积为： 开孔温度削弱系数（双程）： 两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)取 计算系数k： 取 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： 管板最大应力: 或 筒体内径截面积： 管板上管孔所占的总截面积： 系

15、数 系数 壳程压力： 管程压力: 当量压差： 管板采用锻： 换热管采用号碳系钢： 管板管子程度校核： 管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取，实际 管板厚为。7、浮头管板及钩圈：浮头式换热器浮头管板的厚度不是由强度决定的，按结构取； 钩圈采用型。材料与浮头管板相同，设计厚度按浮头管板厚加，定为。8、无折边球封头计算：封头上面无折边球形封头的计算接外压球壳计算，依照方法计算。选用板，封头封头外侧 气体，内侧为 循环水，取壁温。假设名义厚度；双面腐蚀取，钢板主偏差 ； 当量厚度 : ，封头外半径: ，计算系数:依据所选材料，温度，系数查外压圆筒，球壳厚度计算得：b=176计算许用外压力 9、浮头法兰计算：按gb151-89相关规定。因此法兰出于受压状态。计算过程取法兰厚度。结构见化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图下表为设计汇