《丁二烯卧式冷凝器课程设计》

1、湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 机械工程 学院（系、部） 2007 - 2008 学年第 一 学课程名称 单元过程设备 指导教师 职称 学生姓名 专业班级 过控041 学号 题目 丁二烯卧式冷凝器 成 绩 起止日期 2007 年 12 月 24日 2008 年 1月 11 日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸2A1，A3各1张本科课程设计丁二烯卧式冷凝器学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 2008 年 1 月 湖南工业大学本科课程设计

2、丁二烯卧式冷凝器学 院（部）：机械工程学院专 业：过程装备与控制工程学 号：学生姓名： 指导教师： 2008 年 1 月课程设计任务书2007 2008 学年第 一 学期 机械工程 学院 过程装备与控制工程 专业 过041 班级课程名称： 单元过程设备 设计题目： 丁二烯卧式冷凝器 完成期限：自 2007 年 12 月 24 日至 2008 年 1 月 11 日共 3 周内容及任务一、设计的主要技术参数某厂需将7500kg/h的丁二烯蒸汽冷凝。已知丁二烯蒸汽的冷凝温度为40，冷凝潜热为373kJ/kg。所用冷却水的进出口温度分别为15和25，水侧和蒸汽侧的污垢热阻分别可取5.8和1.76。试选

3、用一台合适的水平列管式冷凝器二、设计任务1、设计方案简介2、工艺设计计算：主要有工艺参数的选定、物料衡算，热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计等。3、机械结构设计及校核 三、设计成果1、设计说明书一份2、换热器装配图3、换热器管板零件图进度安排起止日期工作内容2007.12.24.12.26.拟定设计方案2007.12.27.2007.12.31换热器工艺设计计算2008.1.4.2008.1.7.换热器机械设计2008.1.8.2008.1.10.绘制换热器装配图与主要零件图2008.1.11.课程设计资料汇总交卷，答辩主要参考资料1、匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计.北京：化学

4、工业出版社，20012、李功样，陈兰英，常用化工单元设备设计.广州：华南理工大学出版社，20063、贾绍义，柴诚敬，化工原理课程设计.天津：天津大学出版社，20024、化工设备设计全书编辑委员会，化工设备设计全书换热器.北京：化学工业出版社，20045、钱颂文，换热器设计手册.北京：化学工业出版社，2002.86、库潘，钱颂文，换热器设计手册. 北京：中国石化出版社，2004.17、秦叔经, 叶文邦，换热器.北京：化学工业出版社，20038、曾正明主编，机械工程材料手册金属材料.北京：机械工业出版社，2004.69、王非, 林英，化工设备用钢.北京：化学工业出版社，200410、孟庆森, 王文

5、先, 吴志生主编，金属材料焊接基础.北京：化学工业出版社，200611、GB1511999， 管壳式换热器12、YB 4103-2000，换热器用焊接钢管13、JB/T 4717-92 ，U形管式换热器型式与基本参数14、JB/T 4715-92，固定管板式换热器型式与基本参数15、JB/T 4714-92，浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数16、化工设备标准手册第一卷：金属材料17、化工设备标准手册第二卷：化工设备零部件18、金属焊接国家标准汇编199019、王松汉，石油化工设计手册第3卷：化工单元过程.北京：化学工业出版社，2002指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）：

6、年 月 日.目 录第1章 冷凝器工艺设计31.1 设计方案选择31.1.1 选择冷凝器类型31.1.1.1 流程安排31.1.1.2 确定物性参数31.2 工艺结构设计31.2.1 估算传热面积31.2.1.1 冷凝器的热流量41.2.1.2 冷却水用量41.2.1.3 平均传热温差41.2.1.4 估算传热面积41.2.1.5 选择管径和管内流速41.2.1.6 管程数和传热管数41.2.1.7 传热管排列和分程方法41.2.1.8 壳体内径51.2.1.9 折流板51.2.1.10 其它附件51.2.1.11 接管51.3 换热器核算51.3.1 热流量核算51.3.1.1. 壳程表面传热

7、系数51.3.1.2. 管内表面传热系数61.3.1.3 污垢热阻和管壁热阻61.3.1.4 传热系数71.3.2 壁温核算71.3.3 换热器内流体的流动阻力8第2章 冷凝器机械设计102.1 结构设计102.1.1部件工艺结构和机械结构设计112.1.1.1 筒体内径确定112.1.1.2 管箱结构设计112.1.1.3 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计112.1.1.4 固定端管板结构设计112.1.1.5 垫片选择112.1.1.6 鞍座选用及安装位置确定112.1.1.7 折流板布置112.2 强度计算122.2.1 筒体壁厚计算122.2.2 管箱筒节,封头厚度计算122.2.3 固定

8、管板计算13结论14参考文献15附录116第1章 冷凝器工艺设计1.1设计方案选择选择设计方案的原则是要保证达到工艺要求的热流量,操作上要安全可靠,结构上要简单,可维护性好,尽可能节省操作费用和设备投资.1.1.1 选择冷凝器类型冷凝丁二烯蒸汽,其温度为40,用冷却水作冷却剂,水的进出口温度分别为15和25.该温差不是很大,所以选择固定管板式卧式冷凝器.1.1.1.1 流程安排因为冷却水较容易结垢,若其流速太低,会加快污垢增长速度,使冷凝器的热流量下降,所以从总体考虑,应使冷却水走管程,丁二烯蒸汽走壳程.1.1.1.2 确定物性参数定性温度: 壳程气体的定性温度为 管程气体的定性温度为 根据定

9、性温度查管程和壳程流体的有关物性数据如下:丁二烯蒸汽在40时: 密度 定压比压容 热导率 粘度 冷却水在20时: 密度 定压比热容 热导率 粘度 1.2工艺结构设计1.2.1 估算传热面积1.2.1.1 冷凝器的热流量 （1.1）1.2.1.2冷却水用量 （1.2）1.2.1.3 平均传热温差 （1.3）1.2.1.4估算传热面积 根据冷热流体的具体情况,参考换热器传热系数的大致范围 化工单元过程及设备课程设计第75页(见表3-1)假设 则 （1.4）1.2.1.5 选择管径和管内流速 选用较高级冷拔传热管(碳钢), 取 .1.2.1.6 管程数和传热管数 传热管内径和单程传热管数(根) （1

10、.5）按单程管计算,所需的传热管长度为 （1.6）按单程管计算.传热管过长,宜采用多程管,现取传热管长,则管程数为(管程) 传热管总根数 (根)1.2.1.7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,则 隔板中心到离其最近一排管中心距离按式(3-16)计算 各相邻管的管心距为44mm. 管束的分程方法,每程各有传热管119根,其前后管箱中隔板设置和介质流通顺序按图3-14选取.1.2.1.8 壳体内径 采用多管程结构,壳体内径按式(3-19)估算.取管板利用率,则壳体内径为 （1.7）按卷制壳体的进级档圆整 1.2.1.9 折流板 采用弓

11、形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%, 则切去的圆缺高度为 取折流板间距,则, 圆整取, 折流板数(块) 折流板水平装配.1.2.1.10 其它附件 拉杆数量与直径按化工单元过程及设备课程设计第135页表4-7和4-8选取,本冷凝器壳体内径为600mm,故其拉杆直径为拉杆数量不得少于4个.壳程入口处,应设置防冲挡板.化工单元过程及设备课程设计第138页参考文献1 (d)图1.2.1.11 接管壳程流体进出口接管: 取接管内气体流速,则接管内径为 （1.8） 圆整后取管内径为40mm.摘自HG2059397板式平焊钢制管法兰。管程流体进出口接管: 取接管内液体流速,则接管内径为(m)

12、, （1.9） 圆整后取管内径为150mm.摘自HG2059597带颈对焊钢制法兰1.3 换热器核算1.3.1 热流量核算1.3.1.1. 壳程表面传热系数 由公式 （1.10） 则 结合以上三个公式 （1.11） 得到 壳程流通截面积按公式 （1.12）其中 （1.13） 壳程流体流速及雷诺数分别为 （1.14） （1.15）普朗特数 （1.16） 1.3.1.2. 管内表面传热系数 按式3-32及3-33计算, , n=0.4 （1.17）管程流体流通截面积 （1.18）管程流体流速 （1.19） 普朗特数 经查表得7.02 （1.20）1.3.1.3污垢热阻和管壁热阻管外则污垢热阻 （1

13、.21）管内侧污垢热阻 （1.22）管壁热阻按式3-34计算,化工单元过程及设备课程设计第139页依表3-11,碳钢在该条件下的热导率为, 所以1.3.1.4.传热系数依式3-21有 （1.23）1.3.1.5 传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积为该冷凝器的实际传热面积 （1.24）该冷凝器的面积裕度按式3-36计算为 （1.25） 传热面积裕度合适,该冷凝器能够完成生产任务.1.3.2 壁温核算因管壁很薄,且管壁热阻很小,故管壁温度可按式3-42计算.由于该冷凝器用循环水冷却,冬季操作时,水的进口温度会降低.为确保可靠,取水的进口温度10,出口温度25计算传热管壁温.另外,由于传热

14、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,应按最不利的操作条件下考虑,因此,取两侧污垢絷 阻为零计算成本传热壁温.于是,按式4-42有 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别按式3-44和3-45计算为 传热管平均壁温 （1.26）壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即壳体壁温和传热管壁温之差为 由于该温差不大,所以不需要温度补偿装置,选用卧式冷凝器合适.1.3.3 换热器内流体的流动阻力 (1) 管程流体阻力 依式(3-47)(3-48)(3-49)可得 （1.27） （1.28） 由 , 传热管

15、对粗糙度 查莫狄图得 流速 所以 管程流体阻力在允许范围之内.(2) 壳程阻力 按式3-50-3-54计算. （1.29） , 流体流经管束的阻力 （1.30） 流体流过折流板缺口的阻力 总阻力 由于该冷凝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.表1.1 换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流率/669607500进/出口温度/15/2540/40压力/Pa0.42.5物性定性温度2040密度/998.2160定压比压容/4.1830.708粘度/热导率/0.5990.0175普朗特数7.025.866形式卧式台数1壳体内径/mm600壳程数1管径/mm管心距/mm32管

16、长/mm4500管子排列管数目/根238折流板数/个21传热面积/84.1折流板间距/mm200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.4980.37表面传热系数/23614484.7污垢热阻/0.000580.阻力/MPa0.00120.0032热流量/kW777传热温差/K19.6传热系数/588裕度/%24.8%第2章 冷凝器机械设计2.1机械设计冷凝器中,完成了其工艺设计计算后,冷凝器的工艺尺寸即可确定.若能用冷凝器标准系列选型,则结构尺寸随之确定,否则尽管在传热计算和流体阻力计算中已部分确定了结构尺寸,仍需进行结构设计,此时除了应进一步确定那些尚未确定的尺寸以外,还应

17、对已确定的尺寸进行某些较核,修正.2.1.1部件工艺结构和机械结构设计冷凝器机械设计其中的一方面是工艺结构与机械结构设计,主要是确定有关部件的结构形式,结构尺寸,零件之间的连接等,如管板结构尺寸确定;折流板尺寸,间距确定;管板与冷凝器的连接;管板与壳体,管箱的联接;管箱结构;折流板与分程隔板的固定;法兰与垫片等的设计.2.1.1.1 筒体内径确定由工艺设计给定的筒体内径为600mm,考虑原取板的利用率,对小直径冷凝器合适,且实际计算值为620mm,决定就按筒体内径为600mm做排管图,认定取mm是合适的.2.1.1.2 管箱结构设计选用B型封头管箱,因冷凝器直径较小,且为二管程,其管箱最小长度

18、可不按流通截面积计算,只考虑相邻焊缝间距离计算. 取管箱长度为 400mm管箱内分程隔板厚度按参考书1表(4-1)取8mm.2.1.1.3 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听高值,以及设计温度和公称直径,按JB470392长颈对焊法兰标准选取.并确定各结构尺寸,画出草图.2.1.1.4 固定端管板结构设计 依据所选用的管箱法兰,管箱侧法兰的结构尺寸,确定固定端管板最大外径为mm2.1.1.5 垫片选择管箱垫片,依据管程操作条件(循环水压力0.4MPa,温度20)选石棉橡胶垫.其结构尺寸按化工单元过程及设备课程设计第165页参考书1取mm, mm.2.1.1.6 鞍座

19、选用及安装位置确定鞍座选用JB/T471292鞍座B600F/S.安装尺寸 取mm, mm, 取mm, mm.2.1.1.7 折流板布置 折流板结构尺寸:按参考书1表(4-2)外径mm厚度取mm,圆缺高度取mm,在排管图上取.前端折流板距管板的距离至少为mm,结构调整为mm.后端折流板距管板的距离至少为mm实际按折流板间距mm,计算折流板数量为19块.拉杆直径按参考书1表(4-7)取,数量取4根.长度参考书1表(4-9)2.2 强度计算冷凝器机械设计的另一方面是在结构设计完成后,对受力元件的应力计算和强度校核,以保证冷凝器安全运行,比如封头,管箱,壳体,管板,管子等等.2.2.1筒体壁厚计算

20、由工艺设计给定的设计温度40,设计压力MPa,选低合金结构钢板16MnR卷制,材料40时的许用应力MPa,取焊缝系数,腐蚀裕度mm,则计算厚度 mm （2.1） 设计厚度 mm （2.2）名义厚度 mm 取mm （2.3） 有效厚度 mm （2.4） 水压试验压力 Mpa （2.5）所选材料的屈服应力 MPa水压试验应力校核 （2.6） 152.77MPaMPa,水压强度满足要求.气密试验压力 MPa2.2.2 管箱筒节,封头厚度计算由工艺设计给定的设计参数为:设计温度20,设计压力0.4MPa,选用16MnR钢板,材料许用应力MPa,屈服强度MPa, 按参考书1177页取焊缝系数,腐蚀裕度.

21、计算厚度 （2.7）设计厚度 mm （2.8）名义厚度 mm 综合考虑结构需要取 mm （2.9） 有效厚度 mm （2.10） 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mm. 该计算结果与参考书1表(4-31)相符.由于温差比较小,所以不需要补强圈,也不用进行补强计算.2.2.3 固定管板计算 化工单元过程及设备课程设计第175页参照参考书1表(4-30)选取管板厚度为50mm,其中材料选取为16Mn锻.结 论采用固定管板式换热器设计，结构简单，紧凑，制造成本较低；馆内不宜积垢，即使产生了污垢也便于清洗。根据给定的参数进行合理设计，能够满足设计要求。参考文献 1 袁庆龙，候文义Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究太原理工大学学报，2001，32(1)：51-53.（连续出版物：序号 主要责任者文献题名J刊名，出版年份，卷号(期号)：起止页码）2刘国钧，王连成图书馆史研究北京：高等教育出版社，1979：15-18，31（专著：序号 主要责任者文献题名出版地：出版者，出版年：起止页码）3 孙品一高校学报编辑工作现