列管式换热器课程设计教学内容

1、精品资料大学化工原理列管式换热器课程设计说明书学院：班级：学号：姓名：指导教师：时间：年月曰仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢-43 -目录、化工原理课程设计任务书2二、确定设计方案 31. 选择换热器的类型2.管程安排三、确定物性数据 4四、估算传热面积 51热流量3传热面积2. 平均传热温差4.冷却水用量五、工艺结构尺寸61. 管径和管内流速2. 管程数和传热管数3. 传热温差校平均正及壳程数4. 传热管排列和分程方法5. 壳体内径6. 折流挡板77. 其他附件8. 接管六、 换热器核算 81. 热流量核算3.换热器内流体的流动阻力2. 壁温计算10七、 结构设计131. 浮头管

2、板及钩圈法兰结构设计6.外头盖结构设计2. 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计7.垫片选择3. 管箱结构设计8.鞍座选用及安装位置确定4. 固定端管板结构设计9.折流板布置5. 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计 1410.说明156. 固定管板计算187. 浮头管板及钩圈198. 无折边球封头计算9. 浮头法兰计算20八、强度设计计算1. 筒体壁厚计算2. 外头盖短节、封头厚度计算3. 管箱短节、封头厚度计算164. 管箱短节开孔补强校核175. 壳体接管开孔补强校核九、参考文献20亠、化工原理课程设计任务书原料补定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

3、110C进一步冷却至60C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231801 kg h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29T，出口的温度为39C，试设 计一列管式换热器，完成生产任务。已知：混合气体在85C下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度190 kg m3定压比热容cp1 3.297jkgC热导率 1 0.0279 w C粘度 11.5 105P«循环水在34 C下的物性数据：密度1994.3kg m3定压比热容cp1 4.174kj;kg|K热导率 i 0.624 w. m|K粘度 10.742 103P

4、a|s.、确定设计方案1. 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度 110C出口温度60C；冷 流体进口温度29 r，出口温度为39 r，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降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气 体走壳程。三、确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

5、均值。故壳程混和气体的定性温度为T=110 602管程流体的定性温度为t=3L29234 °C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 合无辜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85C下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度1 90kg/m3定压比热容Cp! = 3.297kj/kg?C热导率！ = 0.0279w/m?C-5粘度i =1.5 xi0 Pa?s循环水在34 C下的物性数据：密度1=994.3 kg /m3定压比热容Cp1 = 4.17

6、4kj/kg ?K热导率1=0.624w/m 水粘度-31=0.742 x10 Pa?s四、估算传热面积1热流量Qi=ti7= 231801 >0.297X(110-60)=3.82 X10 kj/h=10614.554kw2. 平均传热温差先按照纯逆流计算，得tm48.3K(11039)(6029),11039In60 293. 传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/( m2 k)则估算的传热面积为Ap=Q1K tm10614554320 48.3686.76m24.冷却水用量m= -Q =10614554254.3kg/s 9154862kg/hcpi

7、 ti4.174 103 10五、工艺结构尺寸1 管径和管内流速 选用25 X2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速ui=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Ns= V 915486.2/(3600 994.3)627S= 匚 0.785 0.022 1.3 di u4L=Apdons按单程管计算，所需的传热管长度为686.7614m3.14 0.025 627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 非标设计，现取传热管长1=7m，则该换热器的管程数为L 14Np=2l 7传热管总根数 Nt=627 X2=12543. 传热

8、温差校平均正及壳程数平均温差校正系数:R=T1-T2t2 t1110 603929P=39 29110290.124按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图5-19得：t 0.96平均传热温差tm t tm塑 0.96 48.3 46.4 K由于平均传热温差校正系数大于 0.8,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。见【化 学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图 6-13。取管心距 t=1.25do，贝U t=1.25 X25=31.25 32 伽隔板中心到离其最.近一排

9、管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22 mm各程相邻管的管心距为44伽。管数的分程方法，每程各有传热管 627根，其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图 6-8选取。5壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率n =0.75 , 则壳体内径为：D=1.05t Nt/1.05 32 .1254/0.75 1374mm按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm筒体直径校核计算：壳体的内径Dj应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：Di t （nc 1） 2e管子按正三角形排列：nc

10、 1.1小；1.11254 39取 e=1.2d0=1.2 25=30mmDi =32（39-1 ） +2 30 =1276mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：Di =1400mm6. 折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度为h=0.25 xi400=350m，故可 取 h=350mm折流板数目N b传热管长折流板间距取折流板间距 B=0.3D，贝U B=0.3 Xl400=420mm，可取 B 为 450mm。70001114.514450折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社化工原理(第三 版)上册】：图6-97. 其他附件拉杆数量与直径选

11、取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为16拉杆数量8，其中长度5950mm的六根，5500mm的两根。壳程入口处，应设置防冲挡板。8. 接管4 231801/(3600 90)3.14 10壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为U1=10m/s，则接管内径为0.302圆整后可取管内径为300mm管程流体进出口接管：取接管内液体流速U2=2.5m/s，贝U接管内径为4 915486.2/(3600 994.3)0.3613.14 2.5圆整后去管内径为360mm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，见式【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：式（5-7

12、2a）：O.36Re00.55 Pr'3(一)0.14d ew当量直径，依【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：式（5- 73a）得2 3 22仃-do de=24 0.02mdo壳程流通截面积:d25S。BD(1 寸)450 1400(1 32)O.1378壳程流体流速及其雷诺数分别为0.1378Re。de。0.02 5.2 90 62400051.5 10普朗特数PrCp3.297 103 1.5 10 5 7730.0279粘度校正()0.141wUo 231801/(3600 90)5.2m/s。0.36 0.0279 6240000.55 1.773 3935.7w/m2

13、 K0.02（2）管内表面传热系数:逸捫计4管程流体流通截面积:Si 0.785 0.02遊口 O.。0005 25 0.0004 丄5858 202022.5935.7 402w/m K 字 0.1969管程流体流速：Ui915486.2/(3600 994.3) 3m / s0.1969雷诺数:0.023益 3484108 阿0"25858w/m K3Re 0.02 1.3 994.3/(0.742 10 )34841普朗特数:0.624Pr 4174 103 O'742 1034.96(3) 污垢热阻和管壁热阻:【化学工业出版社化工原理(第三版)上册】：表 5-5取:管

14、外侧污垢热阻 Ro 0.0004m2 k/w管内侧污垢热阻Ri 0.0006m2 k/w管壁热阻按【化学工业出版社化工原理(第三版)上册】：图 5-4查得碳钢在该条件下的热导率为50w/(m K)。所以Rw0.0025500.00005m2 k/w(4) 传热系数Ke 有:Rd。 diRwd。r(5) 传热面积裕度:计算传热面积Ac：QiKrtm10614.554 103402 48.3546.7m2A该换热器的实际传热面积为AP :2ApdJNT 3.14 0.025 7 1254 689.1m该换热器的面积裕度为689.1 546.7546.7传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务2.

15、 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15C，出口温度为39T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 是有：式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别计算为tm 0.4X39+0.6 X15=24.6 CTm (110+60)/2=85 C5858w/ m2 K935.7w/ m

16、K传热管平均壁温tw 32.3 °c壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85 C。壳体壁温和传热管壁温之差为t 85 32.3 52.7 C。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Pt ( PipJNsNpFsNs 1 , Np 2 , Pii d ULdi 2由Re=34841，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图：【化学工业出版社化工原理(第三版)上册】：图1-27 得 i 0.04，流速 Ui=1.3m/s,994.3kg/m3,所以:Pi0.0470.021.32 99

17、4.3211762.57 PaPr2994.3 1.322520.55Pap1(11762.57 2520.55) 2 1.5 42849.4 Pa管程流体阻力在允许范围之内。(2) 壳程阻力:按式计算Ps ( PoPi)FsNs , Ns 1 , Fs 1流体流经管束的阻力PoFfoNTC(NB1)2Uo2F=0.50 228fo 5 588000 .0.24190.50 5Ntc1.1Nt1.1 1254 .39NB 14 u05.2m/ sPo0.5X0.2419X39X(14+1)=86095.6Pa流体流过折流板缺口的阻力PiNb(3.52B)2Uo2,B=0.45m , D=1.4

18、mPi14 (3.52 0.45)1.4290 5.2248672 Pa总阻力Ps 86095.6+48672=1.35 X105 Pa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见下表:参数管程壳程流率915486.2231801进/出口温度/C29/39110/60压力/MPa0.46.9物 性定性温度/r3485密度/ (kg/m3)994.390定压比热容/kj/ (kg?K)4.1743.297粘度/ (Pa?s)0.742X10 31.5X10 5热导率(W/m ?K)0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结

19、构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/伽1400台数1管径/ mm25X2.5管心距/ m32管长/ m7000管子排列正三角形 排列管数目/根1254折流板数/个14传热面积/ m2689.1折流板间距/ m450管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/ (m/s)1.35.2表面传热系数/W/ (tf?K)5858935.7污垢热阻/ (tf?K/W)0.00060.0004阻力/ MPa0.042850.135热流量/KW10615传热温差/K48.3传热系数/W/ (tf?K)400裕度/%26%七、结构设计1浮头管板及钩圈法兰结构设计：由于换热器的内径已确定，采用标准内径决、定浮头管板

20、外径及各结构尺 寸（参照化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：第四章 第一节及GB151）。结构尺寸为：浮头管板外径： D0 Di 2b11400 2 51390mm浮头管板外径与壳体内径间隙：取 b1 5mm （见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：表 4-16）；垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）表 4-16 :取 bn 16mm浮头管板密封面宽度：b2 bn 1.517.5mm浮头法兰和钩圈的内直径：Df Di 2（ b1 bn）1400 2 （5 16）1358mm浮头法兰和钩圈的外直径：Df0 Di 801400 801480mm外

21、头盖内径：D Di 1001400 1001500mm螺栓中心圆直径：Db （D。Df0）12（1390 1480）/2 1435mm其余尺寸见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50。2、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中的高值，以及设计温度和公称直径1400，按JB4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见化工单 元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（a）所示。3、管箱结构设计：选用B型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算：Lgmin hf 2C

22、dg h1 h2 320 2 100 377 350 50 1297mm取管箱长为1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（a）所示。4、固定端管板结构设计：依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：D=1506mm ;结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社 出版）：图4-50（b）所示。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径Dn 1500mm ;按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。6外头盖结构设计：外头盖结构如化工单元过程及设备课程设计（化

23、学工业出版社出版）：图4-51所示。轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰及钩圈强度计算确定厚度 后决定，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4- 51。7、垫片选择：a. 管箱垫片：根据管程操作条件（循环水压力0.4Mpa，温度34°C）选石棉橡胶垫。结构尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 439 （b）所示:D 1508mm; d 1400mm.b. 外头盖垫片：根据壳程操作条件（混合气体，压力 6.9Mpa，温度85°C），选缠绕式 垫片，垫片：1609mm 1500mm （JB4705-92）缠绕式垫片。c. 浮头垫片：根据管壳程压

24、差，混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫，以浮动管 板结构确定垫片结构尺寸为1390mm1358mm ;厚度为3mm;JB4706-92 金属包垫片。8、鞍座选用及安装位置确定：鞍座选用 JB/T4712-92 鞍座 BI1400-F/S ；安装尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-44所示其中：L 6700, Lb 0.6L0.6 67004020mm取：L b 4000mm， L c L c 1350mm9、折流板布置：折流板尺寸：外径：D Dn 81400 81392mm ;厚度取 8mm前端折流板距管板的距离至少为 850mm ;结构调整为900mm ;见化 工单

25、元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图 4-50（c）后端折流板距浮动管板的距离至少为 950mm ；实际折流板间距B=450mm，计算折流板数为12块。10、说明：在设计中由于给定压力等数及公称直径超出JB4730-92，长颈对焊法兰标准范围，对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值，只能进行非标设计强度 计算。八、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 °C，设计压力等于工作压力为6.9Mpa，选低合金结构钢板16MnR卷制，查得材料85°C时许用应力t 163Mpa;过程设备设计（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数 =0.85，腐蚀裕度C2=1m

26、m ;对16MnR钢板的负偏差G =0根据过程设备设计（第二版）化学工业出版社：公式（4-13 ）内压圆筒计算厚度公式:PcDit2Pc从而:计算厚度:2 1636.9 14000.85 6.935.75 mm设计厚度:C235.75 136.75 mm名义厚度:Ci36.75mm圆整取n 38mm有效厚度:C1C237 mm水压试验压力:所选材料的屈服应力s325Mp a水式实验应力校核：tPtQe） 8.625（1400 37） “一e167.5Mp2 e2 37167.5Mpa 0.9 s0.90.85 325248.625Mp a水压强度满足气密试验压力：Pt巳6.9Mp aPt6.9

27、 1 8.625Mpa1.25Pct 1.252、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：°PcDi6.9 1500S= c -=38.3mm2FC 2 163 0.85 6.9短节设计壁厚:Sd S C238.3 139.3mm短节名义厚度：Sn Sd Ci 39.3mm圆整取 Sn =40mm有效厚度：Se Sn G C2 39mm压力试验应力校核：Pf（Dje）8.625（1500 39）2 39170.2Mpa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=20.5Pc6.9 15002 163 0.85 0.5 6

28、.937.822mm封头名义厚度:Sn S C1 C237.822 138.822mm取名义厚度与短节等厚：Sn 40mm3、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°C，设计压力为0.4M pa，选 用16MnR钢板，材料许用应力 t 170Mpa，屈服强度s 345Mpa，取焊缝 系数=0.85，腐蚀裕度C2=2mm计算厚度：FCDi_0.4 1400S=t=2FC 2 170 0.85 0.4设计厚度：Sd S C21.94 23.94mm名义厚度：Sn Sd Ci 3.94mm结合考虑开孔补强及结构需要取Sn 8 mm有效厚度：Se Sn C1 C2

29、8-2 6mm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Sn 8mm4、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377 9，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管t 130Mpa，377 9， C2=1mm接管计算壁厚:PcDiSt0.4 377Pc0.68mm2 130 0.85 0.4接管有效壁厚:SetSntC1C29-1-9 0.156.65mm开孔直径:d di 2C3772 9 2 2.35363.7mm接管有效补强高度:B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度：h1dSnt 363.7 9 57.2mm需补强面积：A=d S=36

30、3.7 1.94=705.6 mm2可以作为补强的面积：A1 ( B-d)(Se-S) (727.4 363.7)(6 1.94) 1476.6mm2A2 2h1(Set-St)fr 2 57.2 (6.65 0.68)130/170522.3mm2A1 A21476.6 522.3 1998.9 A 705.6mm2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 325 12钢管许用应力： t 137Mpa， C2 =1mm接管计算壁厚：PcDi6.9325Stt7.98mm2Pc2 13716.9接管有效壁厚：SetSn

31、tC1C212-1-120.159.2mm开孔直径：d di2C3252 122(1 12 0.15)306.6mm接管有效补强厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：h1 . dSnt306.6 12 60.7mm需要补强面积：A=d =306.6 35.75=10960.95 mm2可以作为补强的面积为:A1 ( B-d)( e- ) (613.2 306.6)(37 35.75) 383.25mm2A2 2( Set-St) fr 2 60.7 (9.2 7.98) 137/170 119.4mm尚需另加补强的面积为:A4A-A1 -A210960.95-383

32、.25-119.410458.3mn 2补强圈厚度:SkA 4B d0613.210458丄 36.3mm325实际补强圈与筒体等厚：Sk38mm ；则另行补强面积:A4 SK(B-d0)38(613.2325)10951.6mm2A1 A2 A4383.25 119.42 210951.6 11454.25mm A 10960.95mn同时计算焊缝面积A3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b=100mm 。总换热管数量n=1254 ； 一根管壁金属横截面积为:a -（ d0 d2） （252 202）176.6mm244开孔温度削弱系数（双程

33、）：0.5两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚儿取6850mm计算系数K:K2na1.32訂 Lb14001254 176.6132100 V 0.5 6850 10014.85K=3.855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：G12.9,G2-0.65, G32.8管板最大应力：t iPa 迅丄 6.41（69 0.4）（ 0.65）0.2330.60757.4Mpa1（ PsPt）G3Pa 丄 6.41 G9 g）280.2330.607101.2Mpa筒体内径截面积:A -D24140021538600mm24管板上管孔所占的总截面积:C -?nd2 1254252442615555.8mm系数A-C1538600 615555.80.6A1538600系数止 1254 17660.24A-C 1538600 615555.8壳程压力:F