换热器设计说明书完成稿

1、学号11125112131121711218江西理工大学化工原理课程设计说明书专 业： 化学工程与工艺 学生班级： 2011 级 2 班设计团队： 第5设计小组 指导教师：李 敏 / 陈火平 冶金与化学工程学院2014年 6 月 13 日前言化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中能够培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作作风。

2、化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。围绕以某一典型单元设备(如板式塔、填料塔、干燥器、蒸发器、冷却器等)的设计为中心，训练学生非定型设备的设计和定型设备的选型能力。设计时数为2周，其基本内容为：(1)设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。(2)主要设备的工艺设计计算(含计算机辅助计算)：物料衡算，能量衡量，工艺参数的选定，设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。(3)辅助设备的选型：典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备的规格、型号的选定。(4)工艺流程图：以单线图的形式绘制，标出主体设备与辅助设备的物料

3、方向，物流量、能流量，主要测量点。(5)主要设备的工艺条件图：图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。(6)设计说明书的编写。设计说明书的内容应包括：设计任务书，目录，设计方案简介，工艺计算及主要设备设计，辅助设备的计算和选型，设计结果汇总，设计评述，参考文献。整个设计由论述，计算和图表三个部分组成，论述应该条理清晰，观点明确；计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所有数据必需注明出处；图表应能简要表达计算的结果。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提

4、高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件；（2） 结构安全可靠；（3） 便于制造、安装、操作和维修；（4） 经济上合理。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。40目 录1.化工原理课程设计任务书11.1设计任务书11.2设计小组成员情况介绍12换热器概述22.1列管换热器结构22

5、.2列管换热器分类32.3列管换热器主要部件53设计方案简介83.1设计的大体流程83.2换热器工艺方案确定83.2.1冷却介质选择83.2.2换热器类型选择及流体流动路径选择83.2.3 流体流速选择93.2.4换热器设备设计原则94.列管式换热器的工艺计算104.1确定物性数据104.2初算换热器传热面积114.2.1热流量及冷却水用量计算114.2.2计算平均温差并确定管程数114.2.3按经验数值初选总传热系数124.2.4初算出所需传热面积124.3主要工艺及结构基本参数计算124.3.1换热管规格及材质的选定124.3.2换热管数量及长度的确定124.3.3管子排列方式及管子与管板

6、的连接方式的选定134.3.4计算外壳内直径D134.3.5管子在管板上排列间距134.3.6传热管排列确定实际管数134.3.7折流板切去弓形高度及板间距的确定144.4换热器核算144.4.1热量核算144.4.2换热器内流体的流动阻力165.换热器主要部件及选择185.1换热器筒体尺寸与接管尺寸确定185.1.1壳体壁厚确定185.1.2流体进出口接管直径计算185.2换热器封头及防冲板选择195.2.1封头选型及尺寸确定195.2.2封头厚度选取205.2.3防冲板的选择205.3管板的确定205.3.1管板尺寸205.3.2管板与壳体的连接215.3.3管板厚度225.3.4管箱接管

7、最小尺寸225.4换热器支座及法兰选定235.4.1支座的选择235.4.2法兰选择245.4.3折流板245.4.4拉杆直径和数量与定距管选定245.4.5温度补偿圈选用255.4.6列出所设计换热器的结构基本参数256辅助设备的计算和选型256.1辅助设备的设计流程256.2 离心泵2的计算和选型266.3管道设计276.4离心泵1的计算和选型276.5蓄水池的设计287设计结果汇总表：297.1固定管板式换热器设计一览表307.2辅助设备一览表318.设计评述318.1设计目的及其意义318.2设计过程的回顾318.3设计过程的问题328.4本课程设计的不足与经济效益评价338.5课程设

8、计总结349.工艺流程图及有关物料衡算表349.1工艺流程图349.2物料衡算表3510.参考文献3611.主要符号说明3712.附件说明381.化工原理课程设计任务书1.1设计任务书某厂因生产工艺扩建，需设计一套工艺装置用来冷却甲车间的产品A（物理性质参考甲苯）。试根据以下工艺条件和设计1 化工设备设计全书编辑委员会. 换热器设计. 上海：上海科学技术出版社,1998.要求设计合理的输水工艺（管线布置和输送机械的选择等）及合适的换热器2 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工出版社,1997.。有关工艺条件及要求如下：该厂附近有一条小河流，但夏季有24个月的枯水期。

9、已知该厂距离河岸最短水平距离约2公里，该厂与河液面海拔高差约46米。进水管道的直管阻力系数取0.025。设计换热器放置距离地面7.5米处，相应管件与直管总长则依据所绘工艺流程图计算。出水管道的直管阻力系数取0.018。设计要求： 水温：冬季约5；A产品的温度从60降为45，用量30吨/小时； 换热器管、壳程压降均不超过0.1atm。1.2设计小组成员情况介绍化工112班课程设计第五小组共有4名成员，有111班25号的何小同，112班13号杨键城，112班17号张伟康（组长），112班18号仇艮龙。为了提高设计的进度与效率，我们小组进行了分工，具体介绍如下：张伟康（组长）：换热器的初选及简单核算

10、，PPT演讲稿，换热器及辅助设备的资料的查阅装配图的明细栏填写及部分绘图的修改订正；杨键城：换热器的初选及进行计算机核算，换热器资料的整理，Word文档的主要编辑，绘制换热器的基本装配图；仇艮龙：辅助设备的设计及选择，工艺流程图及工艺条件的设计，辅助设备的资料查阅；何小同：辅助设备的设计及选择，Word文档的辅助编辑，工艺流程图及工艺条件的设计，部分设计资料的查阅。2换热器概述换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器在生产中占有重要地位。在一般化工厂的建设

11、中，换热器约占总投资的11%。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性、不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。换热器按照换热介质不同可

12、分为水-水换热器和汽-水患热器；按冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。虽然换热器种类繁多，但最常用的还是间壁式换热器，而其中的列管式换热器更是广泛使用的间壁式换热器的主要类型。2.1列管换热器结构管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束安装在壳体内，两端固定在管板上。封头用螺栓与壳体两端的法兰相连。它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。结构坚固，而且可以选用的结构材料范围广，故适应性强、操作弹性较

13、大。与其它品种换热器比较,管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。例如,对于水一水换热,传统的管壳式换热器K值范围一般为11502230W/ ,而板式换热器K值为15004700W/ ,螺旋板式为20003000W/ 。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。图1 列管式换热器的基本结构2.2列管换热器分类列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：（1） 固定管板式换热器(代号G)此种换热器

14、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，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。固定管板式换热器有结构简单、排管多、紧凑、造价便宜，等优点。但由于结构紧凑，固定管板式换热器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温差太大时，管子和管板易发生脱离，故不适用与温差大的场合。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器

15、应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。图2 带有温度补偿的固定管板式换热器1挡板；2补偿圈；3放气嘴（2）.浮头式换热器（代号F）浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进，浮头式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连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，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，易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢

16、的场合；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。图3 .浮头式列管换热器1管程隔板；2壳程隔板；3浮头（3）填料函式换热器填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。（4） U型管式换热器（代号Y）U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。

17、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。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。图4 U型管式列管换热器1U形管；2壳程隔板；3管程隔板2.3列管换热器主要部件（1）换热管换热管的尺寸和形状对传热有很大影响，管径越小，单位体积设备的传热面积就越大，这意味着设备越紧凑，体积则越小，对流传热系数较高。但制造麻烦，且小管易结垢，不易机械清洗。所以对清洁的流体小管子为宜，对粘度大或易结垢的液体管径则可取大些。目前我国列管式换热器系列标准中，所采用的无缝钢管规格多为19mm×2mm和25mm×2.5mm两种。换热器一般用光管，这样结构简单，制造容易，但对流传热

18、系数较低。管子在管板上的固定，原则是必须保证管子和管板连接牢固，不能在连接处产生泄漏，否则会给操作带来严重故障。目前广泛采用胀接法和焊接法，在高温高压时有时也采用胀接加焊接的方法，近来出现了一种爆炸胀管法。胀接法是用胀管器挤压伸人管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形。当取出胀管器后，管板孔弹性收缩，管板和管子就会紧紧挤压在一起，实现密封紧固。采用胀接时，管板硬度应比管端高，这样可免除在胀接时管板孔产生塑性变形，影响胀接的紧密性。胀接法一般多用于压力低于3.923 Pa,温度低于300的场合。如果温度高，管子和管板会产生蠕变，胀接应力松弛而引起连接处泄漏。所以对高压、高

19、温、易燃易爆的流体，换热管的紧固多采用焊接法。当温度高于300或压力高于3.923 Pa时，一般多采用焊接法。这样可保证高温高压时连接的紧密性，同时焊接工艺较胀管工艺简便，管板孔加工要求低，且压力不太高时可使用较薄的管板，因此焊接法被广泛采用。但焊接法由于焊接接头处的热应力，可能会造成应力腐蚀和破裂，同时管板孔与管子间存在间隙。换热管在管板上可按等边三角形、正方形直列和正方形错列排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列管外清洁方便。 （a） （b） （c）图5 换热管在管板上的排列（a）正三角形排列；（b）正方形直列；（c）正方形错列（2）管板列管式换热器的管板

20、一般用圆平板，在上面开孔以装设换热管束，管板又与壳体连接。管板与壳体的连接方法与换热器的形式有关。对固定管板式换热器，常采用不可拆连接方式，即直接将两端管板焊接在壳体。对浮头式、U形管式换热器，由于管束要从壳体中抽出，故常用可拆连接方式，即把管板夹于壳体法兰与顶盖法兰之间，用螺栓紧固，必要时卸下顶盖就可把管板连同管束从壳体中抽出。（3）折流挡板为了加大壳程流体的速度，增强湍动程度，以提高壳程流体的对流传热系数，往往在壳程内装置折流挡板。另外折流挡板对换热管束还起着支撑作用，可防止管子的变形。不利的是挡板的存在使流体阻力增加，另外挡板和壳体间、挡板和管束间的间隙如过大，部分流体会从问隙中流过，产

21、生旁流，严重时反而会使对流传热系数减小。折流挡板形式较多，主要有两种，一种是横向折流挡板，壳程流体横向流动；另一种是纵向折流挡板，壳程流体平行流过管束。(4)主要附件封头封头有方形和圆形两种。方形用于直径小(一般小于300mm)的壳体，圆形用于大直径的壳体。由于在清洗和检修管束时需将封头拆下，所以封头结构应便于拆装，一般通过法兰与壳体连接。导流筒在壳程流体进、出口和管板间必存在一段流体不能流动的空间(死角)，这显然对传热不利。所以常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间，尽量消除死角，提高传热效果。放气孔、排液孔在换热器的壳体上常安装放气孔和排液孔，以排出不凝气体和冷凝液体。支

22、撑板、缓冲挡板一般卧式换热器都有折流挡板，它既起折流作用，又对换热管起支撑作用。但当工艺上无折流挡板的要求，例如冷凝器，而管子又比较细长时，应设置一定数量的支撑板，以便于安装管子和防止管子变形。缓冲挡板是为了防止壳程流体进人换热器时对管束的冲击，在进料管口设置，但距壳壁不应太近(不小于30mm)缓冲挡板有圆形和方形两种。导流筒由于是将流体导至管板处才进入管束间，所以对流体流入壳程时也起着缓冲作用。有时将壳程接管在入口处加以扩大，做成喇叭形，也是为了缓冲目的。换热器的其它零部件还有壳体、接管、膨胀节、支座、法兰和法兰盖等。3设计方案简介3.1设计的大体流程设计的大体流程可用下面的流程图表示：选择

23、换热器类型冷热流体流程安排及流速选择物性数据的确定计算总传热系数工艺结构尺寸的选择换热器核算图- 1 换热器设计基本流程初选冷却水出口温度t2冷却水流速ui的选择估定K值计算A估圆整，取管长L计算A计核算S实计算裕度选取壳程直径D计算壳程流速uo计算o计算K实计算平均对数温差 图- 2 换热器计算的主要步骤3.2换热器工艺方案确定3.2.1冷却介质选择据设计任务选择处理后的河水或者自来水作为换热器的冷却介质。根据设计条件，冷却水的入口温度5，假定出口温度10。3.2.2换热器类型选择及流体流动路径选择两流体的温度变化情况如下：（1）热流体：甲苯，入口温度60，出口温度45；（2）冷流体：经处理

24、的河水或者自来水，入口温度5，假定出口温度10；由于冷流体是冷却水，选择走管程的原因有3 姚玉英.化工原理.天津:天津大学出版社.P229,2005.1： 不洁净和易结垢的流体宜走管内，因为管内清洗方便；被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷却效果；流量较小的流体宜走管见，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re值（Re>100）即可达到湍流，以提高对流传热系数。冬季操作时，冷却水的进口温度较低，而热流体的温度较高，但计算得出的冷热流体的最大定性温度差仍小于50摄氏度，从工程经济性上考虑，可不设置膨胀节，故而初步确定选用带有固定管板式换热器。3.2

25、.3 流体流速选择增加流体在换热器中的流速，将增大对流传热系数，减少污垢热阻，使总传热系数增大，从而减少换热器的传热面积。但流速增加使流体阻力增加，动力消耗增多。所以适宜的流速要通过经济衡算得出。根据工业上常用的流速范围4 黄英.化工设计.北京：科学出版社.P138.2011.6.选取冷却水在管内流速，选取冷却水流速为0.74m/s。换热器设备设计原则满足生产工艺要求所选用的换热器，一定要能完成换热任务(或称热负荷)。换热任务是由生产工艺条件决定的，是生产卜要求流体温度变化在单位时间内吸收或放出的热量。它的具体数值，可由流体热流量平衡方程，即冷流体的吸热速率或热流体的放热速率来计算。其实，换热

26、任务就是对换热器换热能力的要求。所以，所选用的换热器能否满足工艺要求，取决于它的换热能力。这种换热能力，是在操作条件下换热器所能实现的传热速率，是换热器本身的特性。它的具体数值，可由总传热速率方程(Q=KA)来计算。对一个能满足工艺要求的换热器，其传热速率(换热能力)应大于生产热负荷(换热任务)。 在机械强度，抗蚀、耐压能力等方面，所选用的换热器都应满足工艺要求。操作、维护、检修方便经济上合理在换热器选型和操作上艺参数的确定中，要有技术经济的观点，尽可能地节能、省材，使操作费用和一设备费用处于一个较合理的范围内。保证生产安全在工艺流程和操作中，若有爆炸、燃烧、中毒等危险性，则要考虑必要的安全措

27、施。对设备材料强度的验算，除应有一定的安全系数外，还应考虑防止由于设备压力突然升高或造成真空，而需要安装安全阀等措施。4.列管式换热器的工艺计算4.1确定物性数据水的定性温度取进出口温度的平均值，tm=t1+t22=10+52=7.5甲苯的定性温度取进出口温度的平均值，Tm=T1+T22=60+452=52.5查化工手册5 夏清.化工原理.天津：天津大学出版社.P338,2013.3和姚玉英.化工原理.天津:天津大学出版社.P350,2005.1资料，可制得以下物性表：表- 1 水和甲苯的物性参数表物质水999.74.191130.77×10-50.5745甲苯838.751.804

28、.24×10-40.12364.2初算换热器传热面积4.2.1热流量及冷却水用量计算热流量：冷却水用量：4.2.2计算平均温差并确定管程数根据所学知识已知逆流的换热效果要比并流的好，故选取逆流流向，同时先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差tm'平均传热温差：tm'=t1-t2lnt1t2=60-10-(45-5)ln60-1045-5=44.8折流时的平均温度差：R=T1-T2t2-t1=60-4510-5=3P=t2-t1T1-t1=10-560-5=0.09t=R2+1R-1×ln(1-P1-PR)ln(2P)-1-R+R2+12P-1-R-R2+1=

29、0.994tm=ttm'=0.994×44.8=44.54.2.3按经验数值初选总传热系数因为壳程温度较高，故选取较大K值，又根据管壳式换热器中的总传热系数K的经验值表6 夏清.化工原理.天津：天津大学出版社.P365,2013.36，查得水有机溶剂中总传热系数在280850，不妨假设 K估=550W/(m2·）4.2.4初算出所需传热面积S估=QK估tm'=225×103550×44.81=9.129(m2)4.3主要工艺及结构基本参数计算4.3.1换热管规格及材质的选定查阅有关资料可得我国目前使用的管壳式换热器系列标准中仅有25mm&

30、#215;2.5mm及19mm×2mm两种规格的管子，对于管程流体是冷却水的换热器，应选用直径较大的管子，故选用25mm×2.5mm钢管。4.3.2换热管数量及长度的确定管数：ns=4Vsdi2ui=4×38.6536003.14×0.022×0.74=46.2247根管长：L=A估dons=9.1293.14×0.025×47=2.47(m)按商品管长系列规格，取管长L=1.5m，则管程数为Np=2.471.52，总管数N=NpNs=2×47=94根4.3.3管子排列方式及管子与管板的连接方式的选定管子的排列方式

31、：采用正三角形排列，因为正三角形排列时，管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同壳程内可排列更多的管子。管子与管板的连接方式，采用平焊凹凸法兰连接法，因为这样能有效防止甲苯泄漏，管子在管板上排列间距t取0.032m。4.3.4计算外壳内直径D多管程的壳体内径计算公式为：D=1.05tN/=1.05×0.032×94/0.7=0.389(m)，其中=0.70.85按壳体直径标准系列尺寸圆整，可取D=400mm。4.3.5管子在管板上排列间距 t=1.25do=1.25×0.025=0.032m横过管束中心线管数nc=1.1n=

32、1.1×94=10.711根4.3.6传热管排列确定实际管数根据壳体内径、管中心距、横过管中心线管束及其排列方式可通过查阅系列标准得到，对于单壳程双管程的散热器，当中心排11根管时，按正三角形排列可排90根,剩余4根按中心对称分布在两侧，具体在CAD装配图的左视图中能够看到，此处不在引进图片进行展示。4.3.7折流板切去弓形高度及板间距的确定常用的为圆缺型挡板，切去高度约为外壳内径的10%40%，一般取20%25%，过高或过低都不利于传热。切去弓形高度：0.25D=0.25×400=100mm即可取100mm。 板间距h两相邻的挡板的距离h为外壳内径D的0.21倍，标准系列

33、中固定管板式采用的有150、300和600mm三种，但考虑到壳程压降要符合0.1Mpa以内，可选用h=170mm。折流板数量NB=Lh-1=1.50.17-1=7(块）折流板圆缺面水平装配。4.4换热器核算4.4.1热量核算（1）壳程对流传热系数因甲苯无相变，故其对流传热系数应对应流体无相变时的计算公式。 壳程流通截面积：A=hD(1-dot)=0.17×0.4×(1-0.0250.032)=0.0149(m2)壳程流体流速及其雷诺数uo=(×3600)A=30000/(3600×838.75)0.0149=0.668（m/s)Reo=douo=0.02

34、5×0.53×838.750.000424=20964普朗特准数Pr=cp=1.8×103×0.0004240.1236=6.175粘度校正：由于甲苯是热流体，水是冷流体，水走管程，甲苯走壳程时可看做是加热水，故=w0.14=1.05壳程对流传热系数：由于选用圆缺形折流板，可采用克恩公式计算： o=0.36odeReo0.55Pr1/3（w)0.14=1159.1W/(m2)当量直径，由正三角形排列得： de=4(32t2-4do2)do=0.020(m)（2）管程对流传热系数因水无相变，故其对流传热系数应对应流体无相变时的计算公式。管程流通截面积：Si

35、=4di2ns=0.01476(m2)壳程流体流速及其雷诺数：ui=(×3600)A=38670/(3600×999.7)0.01476=0.728(m/s)Rei=diui=0.020×0.728×999.70.0013077=11127.3普朗特准数：Pr=cp=4.191×103×0.00130770.5745=9.538由圆直管内湍流迪特斯和贝尔特关联式7 姚玉英.化工原理.天津:天津大学出版社.P254,2005.1可得：因水走管程是被加热流体，故n取0.4，则i=0.023didiu0.8(cp)n=2811.4/(m2)

36、（3）传热系数K查阅化工手册8 钱颂文.换热器设计手册.北京.化学工业出版社.2002.8.有，碳钢的Rsi=3.4394×10-4Wm2，钢=45Wm，Rso=1.7197×10-4Wm2，dm=0.025-0.02ln0.0250.02=0.0224K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o=507.3W/(m2)（4）实际传热面积A计=QK实tm=225000507.3×44.5=9.90（m2)S实=doLN=3.14×0.025×1.5×94=11.07（m2)（5）裕度H=A计-S实S实×100%

37、=11.07-9.909.90=11.84%换热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.4.2换热器内流体的流动阻力（1）管程流动阻力Pi=P1+P2FtNsNp其中，对于25mm2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4，串联壳程数 Ns=1，管程数Np=1，P1=ildu22，P2=u22考虑到钢管在使用一段时间后其相对粗糙度会增大，故根据有换热器设计手册（钱颂文），选取相对粗糙度=0.0120=0.005，查莫狄图得i=0.034W/(m2)则P1=ildu22=0.034×1.5×999.7×0.72820.02×2=675.53PaP2

38、=u22=3×999.7×0.72822=794.74（Pa）Pi=P1+P2FtNsNp=675.53+794.74×1.4×2×1=4116.76Pa<104Pa（2）壳程流动阻力Po=P1'+P2'FtNsP1'=Ffonc(Ns+1)uo22P2'=NB(3.5-2hD)uo22其中，液体结垢校正系数Ft=1.15，串联壳程数 Ns=1，正三角形管子排列方式对压力降的校正系数F=0.5，壳程流体的摩擦系数fo=5.0×Re-0.228Re>500P1'=FfoncNB+1uo

39、22=4034.63PaP2'=NB3.5-2hDuo22=3471.36(Pa)Po=P1'+P2'FtNs=4034.63+3471.36×1.15×1=8635.9Pa<104Pa由上述结果可以看出，管程压降和壳程压降都能满足设计要求，换热面积满足生产所需，故设计的换热器在理论上是可行的。5.换热器主要部件及选择5.1换热器筒体尺寸与接管尺寸确定5.1.1壳体壁厚确定查阅有关的设计资料9，能得到如下信息：9 钱颂文.换热器设计手册.北京.化学工业出版社.P136.2002.8.mm的钢板，即取壳体厚度为8mm。5.1.2流体进出口接管直径

40、计算壳程流体进出口接管：取接管内油品流速0.668m/s，则接口管内径为：d=4Vu=4×30000/（838.75×3600）3.14×0.668=0.1376m查阅相关行业标准，可取标准管146×6mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速0.74m/s，则接口管内径为d=4Vu=4×38.6736003.14×0.74=0.1360m查阅相关行业标准，取标准管146×6mm。5.2换热器封头及防冲板选择5.2.1封头选型及尺寸确定本设计选用的是单壳程、单管程固定板式换热器，壳径D=400mm。封头有方形和圆形两种，方

41、形用于直径小（一般小于400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。壳径为400mm，故选用圆形封头。上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4737-95椭圆形封头标准，封头为DN=400mm，曲面高度h1=100mm，h2=25mm。如图所示，下封头常与裙座焊接，材料用20R钢。工业生产上常用的的固定板式管热器有两种结构型式8，分别为焊入式和贴面式两种，考虑到甲苯走壳程时容易渗漏，故选择贴面式，由下图可知，其法兰是凹凸面法兰，密封性能好，能有效防止甲苯的泄漏。故可在D=400mm时选用的换热器结构如下图所示：5.2.2封头厚度选取本课程设计的固定板式换热器DN=400mm，公称压力PN=0

42、.6MPa。由下表选取封头厚度为8mm。5.2.3防冲板的选择防冲板一般有圆形和方形两种，目的是为了减少流体对入口处的管子经行冲击从而引起设备的腐蚀和破坏。在本换热器中，考虑到拆卸的方便性，选取比接口管径大50mm的圆形防冲板。5.3管板的确定5.3.1管板尺寸管板除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个重要的受压器件。查得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：尺寸对照图如下：5.3.2管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接均采用焊接的方法。由于管板兼作法兰与不兼作法兰的区别因而结构各异，前者的结构见图1-15，其中图1-15（a）形式是在管板上开槽，壳体嵌入后进行焊接，壳体对

43、中容易，施焊方便，适合于压力不高、物料危害性不高的场合；如果压力较高，设备直径较大，管板较厚时，可采用图1-15（b）形式，其焊接时较难调整。5.3.3管板厚度管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关，其计算过程较为复杂，而且从不同角度出发计算出的管板厚度往往相差很大。一般浮头式换热器受力较小，其厚度只要满足密封性即可。对于胀接的管板，考虑胀接刚度的要求，其最小厚度可按表1-6-21选用。考虑到腐蚀裕量，以及有足够的厚度能防止接头的松脱、泄露和引起振动等原因，建议最小厚度应大于20mm。换热管的外径为25mm，因而管板厚度取

44、为3/4=18.75，取上述的最小厚度20mm。5.3.4管箱接管最小尺寸查阅设计手册，可以得到在无需膨胀节的情况下，其管箱接管位置的最小尺寸为可取120mm。5.3.5管板到第一块折流板间距查阅网上的资料,第一块折流板到管板的距离在设计时考虑两个，一是接管中心到管板的距离L1，这个考虑接管法兰跟管板法兰之间保证一定距离一遍安装；二是接管中心到第一个折流板的距离L2，根据GB 151标准文件：折流板要尽量靠近防冲板，而防冲板要比接管大50mm；L1+L2就是第一块折流板到管板的距离”，可以计算出，因此在CAD的装配图上管板到第一块折流板的安装尺寸应为305mm。5.4换热器支座及法兰选定5.4

45、.1支座的选择本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座，依照JB/T4712-92双鞍式支座标准，选用DN=400 mm B1型鞍式支座。根据鞍式支座在换热器上的布置原则：如图所示：在本换热器设计过程中，L=1500mm ，取LB=0.6L=900mm，LC=LC，则LC=LC=300mm。 5.4.2法兰选择按照有关的标准JB/T 81-1994文件进行选择,上文也提到该换热器应使用凹凸面法兰，此处不再进行详细说明。5.4.3折流板折流板的有关设计资料如下：a.折流板的最大无支撑间距换热管外径（mm）141619253238最大无支撑间距(mm)11001300150018502200250

46、0由上表可知 本换热器的最大无支撑间距为1850mm。b.折流板的厚度可由下表得出：(参考文献：化工设备设计手册 朱有庭，曲文海主编)公称直径DN（mm）换热管无支撑跨距<3003006006009009001200120015001500折流板的最小厚度(mm)<4003458101040070045610101270090056810121690015006810121616由上表知折流板的厚度取3mm，支撑板厚度为4mm。5.4.4拉杆直径和数量与定距管选定根据初步设计方案，应选用钢拉杆，数量6条，但考虑到换热器的结构对称更有利于设备使用寿命，故本换热器选择8根钢拉

47、杆。又根据标准文件GB/T 8163-2008流体输送用无缝钢管，故应采用的定距管，并设定每个挡板的间距为170mm。5.4.5温度补偿圈选用冷热流体的定性温度差为：，从工程的经济性上考虑，可不设置补偿圈。5.4.6列出所设计换热器的结构基本参数根据以上计算可初步得出换热器的基本参数，如下表所示：表- 2 换热器基本参数 外壳直径： D=400mm换热面积： S=11.07换热管数量： 94根管长： 1500mm管子规格： 25mm2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm 管子排列方式： 正三角形排列管程数 2壳程数： 1折流板数： 7折流板间距： h=170mm拉杆数量： 8拉杆直径： 1

48、2mm定距管： 与换热管相同规格25mm2.5mm（钢管）通过管板中心的管子数： nc=116辅助设备的计算和选型6.1辅助设备的设计流程辅助设备的设计流程如下：冷流体出口温度流量管径大小离心泵进出口流速压头损失及相应压头离心泵类型必须气蚀余量离心泵理论安装高度离心泵实际安装高度图- 3 辅助设备的设计流程6.2 离心泵2的计算和选型质量流量： 总传热截面积：取离心泵的入口管内径 此段工序中，采用一个弯头，取其当量长度L=1.73m,入口阻力系数,一个截止阀，其当量长度,取离心泵的出口管长L =150m。管路阻力： =12.555m.又因为换热器距地面7.5m，所以所需压头不低于（12.555

49、+7.5)=19.555m 。参考天津大学出版社（化工原理上册）附录，可选型号为IS80-65-125.可知必需气蚀余量.允许安装高度：通常为了安全起见，离心泵的实际安装高度比允许安装高度低0.5-1.0m。即，实际的安装高度之间。6.3管道设计管道设计采用地下铺设，这是由于地形因素，水管冰冻及节约投资等多种因素限制而采用这种铺设方式。采用的管道管径应较一般管径大，参考天津大学出版社（化工原理上册），附录P350。可选用109×9mm的无缝钢管，与该管相连的离心泵入水口管径可选用114×10mm的无缝钢管。从河边到蓄水池的管路应根据地形适当设置一些弯管，以达到补偿的作用，所

50、以综上所述取河边到工厂蓄水池的管路全长为2100m。6.4离心泵1的计算和选型取水的质量流量为，离心泵的进水管长为4m(包括弯头、阀门的当量长度) ，则进水口的流速为：管路阻力：又因为该厂与河面的海拔高度差为4-6m，所以所选泵的压头不低于49.65m。参考天津大学出版社（化工原理上册），附录P355，可离心泵的型号为IS80-50-200.其必需气蚀余量为2.5m。其允许安装高度为：6.5蓄水池的设计根据，并假设水的损失率为1%，所以水的损失流量为据此，可，并假设对蓄水池内水的补偿周期T=10天，即240h，所以蓄水池在半个月内所需补偿谁的体积为。根据所选离心泵的汽蚀余量为3m,所以蓄水池的

51、深度定为5m（即蓄水池深度大于所需汽蚀余量）且蓄水池设计为圆柱体型。由此可求出该蓄水池的直径根据实际情况，考虑到蓄水池附近员工的生活、消防等用水，则所需蓄水池的体积应大于144m3因此，蓄水池的直径，则蓄水池的实际体积为：根据此工艺设计，离心泵2每天工作24h,离心泵1的工作周期为10天，即每隔10天抽水1次，工作时间为6.5h。7设计结果汇总表7.1固定管板式换热器设计一览表表- 3 固定管板式换热器设计一览表换热器型式：固定管板式换热器冷却甲苯处理量：30吨/h主要工艺参数名称管程壳程物料名称处理后的水甲苯操作压力 MPa0.60.6操作温度 进/出 5/1060/45流量 kg/h386

52、5030000流体密度 kg/m³993.7838.75流速 m/s0.7280.668传热量 kw225总传热系数 w/（·）507.3对流传热系数 w/·k2811.41159.1污垢系数 ·/w3.4394×10-41.7197×10-4压强降 Pa4114.28635.9程数 21使用材料碳钢碳钢换热管管规格 25mm2.5mm管数 N94管心距 mm32中心排管数 Nc11管排列方式正三角形定管距25mm2.5mm拉杆数量8拉杆直径12mm折流挡板型式圆缺形折流板数 NB7折流板间距 mm170折流板厚度 mm12壳体内径

53、mm400传热面积 S（）11.07封头类型椭圆形壳体壁厚 mm8管板厚度 mm20封头壁厚 mm8裕度 %11.84管长 mm15007.2辅助设备一览表表- 4 辅助设备一览表设备参数离心泵1离心泵2型号IS80-50-200IS80-65-125转速r/min29002900流量40.0038.67扬程/m49.6519.56效率%6972轴功率/KW9.873.63电机功率/KW155.5必需汽蚀余量/m2.53.0质量（泵/底座）/Kg64/12044/46出口管道直径/mm108×9mm75×2.5进口管道直径/mm114×10mm108×4

54、mm允许安装高度/m6.74-7.246.23-6.83蓄水池大小/8.设计评述8.1设计目的及其意义化工原理课程设计是化工原理课程教学的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。其次，化工设计所涉及到的知识全面性更是对我们自身所学知识的一种检验，同时更是以实际工程问题锻炼着我们对问题的思考能力以及解决能力，这两种能力也是我们立足竞争社会的制胜法宝。8.2设计过程的回顾本次化工原理课程设计历时两周，是自本人上大学以来第一次以小组合作形式来完成的实践课程。通过课程设计，我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查阅方法和技巧；掌握各种结果的校核，能运用CAD制图软件画出简单的工艺流程、换热器装配图；在设计过程中本人明白到了整个设计过程应该不停地询问着自己问什么要这样子选择，因为这不仅只是我们设计的依据，更是我们锻炼自己活跃思维的有效方法。回想起设计的第一天，当得知我们小组的设计题目是用水温为5的河水将60的甲苯冷却到45，且甲苯流量为30t/h时，我们根本不知道应该如何下手，虽然有化工原理课程设计作为设计参考书籍，但经过与化工原理课本相比，发现书上的计算公式都不尽相同，当然，其结果也会截然不同。在这些计算结果面前，我们显得有些不知所措，于是查阅更多的文献，例如：化工工艺