化工原理课程设计---循环水冷却器设计

1、齐齐哈尔大学化工原理课程设计任务书专业：高分子材料与工程班级：高分子姓名：设计日期：设计题目：循环水冷却器设计设计条件：1 .设备处理量76 T/h02 .循环水：入口温度 60C,出口温度45C3 .冷却水：入口温度 20C,出口温度 30C4 .常压冷却，热损失5%。5 .两侧污垢热阻0.00017 m2：C/W。6 ,初设 K=900 W /m2。设计要求：1 .设计满足以上条件的换热器并写出设计说明书。2 .根据所选换热器画出设备装配图。指导教师:目 录1主要物性参数表 12工艺计算 22.1 确定设计方案 22.1.1 选择换热器的类型22.1.2 计算热负荷和冷却水流量22.1.3

2、 计算两流体的平均温差，确定管程数 32.1.4 工艺结构尺寸 42.2 核算总传热系数52.2.1 管程对流传热系数Ai 52.2.2 壳程流体传热系数 0 62.2.3 计算总传热系数K0 62.3 核算压强降82.3.1 管程压强降82.3.2 壳程压强降校核103设备参数的计算113.1 确定换热器的代号113.1.1 换热器的代号 113.1.2 确定方法123.2 计算壳体内径Di 123.3 管根数及排列要求123.4 计算换热器壳体壁厚123.4.1 选适宜的壳体材料 123.4.2 该钢板的主要工艺参数性能133.4.3 壁厚的计算133.5 选择换热器的封头153.6 选择

3、容器法兰 163.6.1 选择法兰的型式163.6.2 确定法兰相关尺寸163.6.3 选用法兰并确定其标记 163.7 选择管法兰和接管173.7.1 热流体进出口接管173.7.2 冷流体进出口接管 183.7.3 选择管法兰183.8 选择管箱193.9 折流档板的设计193.10 支座的选用 203.11 拉杆的选用和设置213.11.1 拉杆的选用213.11.2 拉杆的设置223.12 确定管板尺寸 223.13 垫片的选用 233.13.1 设备法兰用垫片 233.13.2 管法兰用垫片 244数据汇总 255总结评述 266参考文献 277主要符号说明288附表 301主要物性

4、参数表在定性温度下：t定=(20+30)/2=25 Ct 定循=(60+45)/2=52.5C表3-1物性参数表物性壳程(循环水)管程(冷却水)符号数据符号数据密度kg/m3P1987.1任997.0比热容kJ/kg CPi4.175CP24.179粘度 Pa.s M0-3W0.5335戌0.9028导热系数W/m- C入 10.650?20.609进口温度CTi60t120出口温度CT245t2302工艺计算2.1 确定设计方案2.1.1 选择换热器的类型(1)两种流体的变化情况：热流体(循环水)进口温度 60°C,出口温度45°C;冷流体(冷却水)进口温度 20

5、6;C,出口温度30°C;1 1伶水止性温度：tm - t1 t2- 20 30 25c2 2热的循环水的定性温度：Tm 1 T1 T2 1 60 45 52.5C22由于两流体温差小于50,不必考虑热补偿。因此初步确定选择 用固定管板式换热器固定管板式换热器(2)流程安排由于是常温冷却，并且循环水相对比较洁净，所以选择循环水走 管间,冷却水走管内，既有利于冷却水冷却效率，也可借助于外界温度 加速循环水冷却。2.1.2计算热负荷和冷却水流量(1)热负荷的计算Qh mh Cph t1760004175 603600451.3221 106 W热负荷 Q QhQl1 5% Qh 0.95

6、 1.3221 106W =1.2561x 106W(2)冷却水流量的计算Q 0.95 mc ph ( T1 T 2 ) m c c pc (1211 )mc c0.95 mhCph T1 T2Cpc t2 t11 5% 76000 4.175 103 60 454.179 103 30 20=30057.4kg/h=8.35kg/s2.1.3计算两流体的平均温差，确定管程数(1)平均传热温差Atmlnt2t2(按逆流计算)其中6030 30 C ；t245 20 25 ctm3025ln302528 C;t1T1t130 20 0.2560 20TiT2t2ti60 45,广1.530 20

7、t 山 ln) ln(2P)1 R R2 bR 11PR (2 P) 1 R R21,1.52 1 10.25、-(2 0.25)1 1.5.1.521、ln() ln(.)1.5 11 1.5 0.25(2 0.25) 1 1.51.52 10.94可得： t =0.94,则有 tm=0.94 28=26.32(2)确定管程数由于 t0.94> 0.8,故此换热器应选用单壳程2.1.4工艺结构尺寸(1)初选换热器的规格假设 K=900 w/(m2. C)6则估算的传热面积为：A=的- 1.2561 1053.7m2;KA tm 900 26(2)管径和管内流速选用25 2.5的碳钢传热

8、器(Gb81632-87)取管内流速为Ui0.5m/s(3)估算管程数和传热管数由V ns d"得4ns V -d2Ui 4由4.1.2可知冷却水流量m= 8.35kg/s则 Vm -835 0.008375 m3/s997.0"2/3.1424口ns V/ -di Ui 0.008375. -(0.02)0.5 54(根)根据列管式换热器传统标准，此数据可选取 按单程算，所需的单程热管长程度AdMs53.73.14 0.02 54158 m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。先取传热管长 l=4.5m则该换热器的管程数为Z L 15.8Np 4 件Dl 4.5传热

9、管总根数Nt Npns 4 54 216(根)p根据列管式换热器传统标准取传热总管根数Nt 222(4)实际传热面积：S0N u d(l 0.1) 222 3.14 0.025 (4.5 0.1) 76.6m2则要求过程的总传热系数为, Q 1.2561 1062 万ko = 630.70 w/(m . C )S0 tm76.6 26该换热器的基本结构参数如下：表4-1换热器的基本结构参数公称直径：6°°mm公称压强：1.6MPa总管数：NT =222 根管心距：t=32mm管尺寸：25 2.5管程数:m =4管程流通面积一一一 .一2S: °.°174

10、m中心排管数：17管长：4.5m公称面积：76.7 m2管子排列方式：正三角形排列2.2核算总传热系数2.2.1 管程对流传热系数AA七d2，M 誓(°.°2)2 与 O'743m2UiAi°.°°83750.01743°.481m/sReidu°.°2 °.481 997_59°.28 1°1°623 1°°°° 湍流ricpU4.179 1°3 9°2.8 1° 66°9 1°

11、; 36.2°Rei 1°623 1°°°°故可应用贝尔特关联式计算°.°23Re°.8Pr°.4di°.°23 °609(1°623)°.8(6.2°)°.42416.9W (m2 C)°.°22.2.2壳程流体传热系数0换热器列管之中心距t=32mm则液体通过管间最大截面积为:A=hD(1-其中:包）t一折流板间距，取为150mmD 壳体公称直径，取为 600mmd0管子外径，为25mmA=hDt管子中

12、心距，可取（1-）=0.15 0.6 （1 t32mm0.0252)0.0197 m0.032V。76000u0- A 3600 987.1 0.01971.09m/s换热管呈三角形排列,则当量直径:de4(尹 F2)d0de3.22、4(-t二 d0)24d04 0.0322 23.14型(0.025)2 - 0.0202 m0.025Re0deUo0.0202 1.09 987.16533.5 102 -40738.4W/m C ;ProcPh一 3 一一一4.175 103 533.5 1065010-363.43 ；由于 2 103R0 40738.41 106 ,可以应用壳程流体的对

13、流传热系数关联式计算0,即o0.36()(d)0.55(工)13(一严dew壳程中的循环水被冷却，取（尸140.95代入数据得:c cc o.65oo.5513o o.36 (4o738.4)3.43 3 o.95o.。2。25695.4W (m2 C)2.2.3计算总传热系数Ko （管壁热阻可忽略时，总传热系数K。为）Ko1(RsoRsi 支odiidi其中:壳程、管程对流传热系数 w/m Cdo,di,dm换热管外径、内径和内外径平均值 mmRsi, Rso 管内侧、外侧污垢热阻 m2 C/w;Ko16 RSo&七制Ko（总1o.oooi7 o.oooi70025 o.o20.02

14、50.02 2416.9)929.99W /m2C计算安全系数 1计K选K选100% 侬99 630.70 100%47.4%630.70核算表明该换热器可以完成任务。2.3核算压强降2.3.1管程压强降(Pi11P2)FtNp其中:P232Ui2Ft对于252.5的管子取1.4Np是管程数，为4(1)对于Pi的计算:管程流通截面由此可知UiRei设管壁粗糙度ANp0.48im/s106230.1mm由化工原理0.037代入2224c . , 0.023.14 4一一 2=0.0174m2di0.1200.005(天津大学出版社，上)第54页Re关系图查Pi计算式Pl0.03740.02997

15、 (0.481)22853.47 Pa(2)对于P2的计算c 3 u20 997 (0.481)2P2 3 346.00 Pa22Pi的计算则：Pi( PP2)FtNp(853.47 346.00) 1.4 4 6717.03Pa2.3.2壳程压强降校核P0 ( Pi'P2')FsNs122其中：中Ff0nc(N b 1)工22h u02P2'nb(3.5 yFs是壳程压强降届垢校正因数，液体取 1.15;Ns是壳程数，为1。对于中的计算由于换热器列管呈三角形排列F=0.5Nc 1.1、n 1.1 .222 16.40 c取折流板间距为150mm；N传热管长B 折流板间

16、距”1 0.15壳程的流通面积:A0h(Dncdo)0.15 (0.5_-_216.40 0.025) 0.0135mu。V。A760003600 987.1 0.01351.564m/s可见P1d0uo 0.025 1.584 987.1533.5 10 6500故可应用下式计算f00.2285.0Re0Ff°nc(NB0.51 0.388973269.20.2285.0 73569.22U01) 216.4 (29 1)也1(2)对于P2'的计算P2Nb(3.529 (3.5")0.15)0.50.38892L-111648.8Pa22U02 _2 987.1

17、(1.564) 101531.4Pa;(3)对于P0的计算P.(P2)FsNs(111648.8 101531 .4) 1.15 1 245157.23Pa;计算表明：管程压强降为 6717.03Pq小于设计压1.6Mpa；壳程压强降为245157.23Pa亦小于设计压强降1.6MPa；综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设要求。3设备参数的计算3.1 确定换热器的代号3.1.1 换热器的代号所选换热器的代号为G-500-" 1.6 80133.1.2 确定方法此代号根据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系列列管式固定管板换热器的规定。查化学化工出版社化工工艺设计 手册(上

18、)第120页表3-10列管式固定管板换热器标准图号和设 备型号得到壳体内径Di,公称压强，管根数及排列要求而确定。3.2 计算壳体内径Di公式：Di t(nc 1) 2b,其中：t管中心距，m对 25 2.5管，t取32mmnc 横过管束中心线的管数，用nc 1.16计算b' 管束中心线上2管的中心至壳体内壁的距离，取b, 1.5d0计算：Di 0.032 (1.1.222 1) 2 1.5 0.025 0.568m 600mm3.3 管根数及排列要求(1)换热器采用25 25 mm的无缝钢管，材质选用可焊性好的10号钢，管长4.5m,共222根管。(2)排列方式及管中心距的确定1)可

19、该换热器列管采用三角形排列；2)管子与管板采用焊接，故可取t 1.25do 32mm 03.4 计算换热器壳体壁厚3.4.1 选适宜的壳体材料根据化工设备设计手册.材料与部件(上海)第102页压力容 器用碳素钢及普通低合金厚钢板(Yb 536-69),换热器公称压强为1.1.1 a选用车冈A3F板1.1.2 该钢板的主要工艺参数性能加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开 坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度-20475C,可以作中低压设 备，所以筒体材质选用 AF钢板，钢板标准GB32741.1.3 壁厚的计算(1)公式：pCi C2其中：p钢板在不考虑加工裕量时的厚度，mm

20、；计算厚度，mm；C1钢板负偏差，mm；C2腐蚀裕量，mm；圆整值。式中 C2 d ,为设计厚度，可用下式计算PcDidt2PcC 14C2其中：Pc设计压力，取1.6MPaDi壳体内径，mmt设计温度下材料的许用应力，MPa焊缝系数(2)查算：依据化工设备机械基础(华东理工大学出版社)表14-3,钢制压力容器中使用的钢板许用应力可得t113MPa ,依表14-4焊缝系数可得0.85,依表14-6腐蚀裕量的 C2 2mm1.6 6002 7.2mm2 113 0.85 1.6依化工设备机械基础(华东理工大学出版社)表14-5,钢板厚度常用规格及其负偏差得C1 0.6mm,1.2mm故 P dC

21、115 7.2 0.6 1.2 9.0mm可根据JB/708-65选用厚度为9mm的钢板材质A3F(3)水压试验强度校核:水压试验应力为T左担一22 e式中：PT 1.25P 1.25 1.6 2.0MPae P Ci C29.0 0.6 2 6.4mm将有关数据代入原式可得T 2口(600 6.4) 111.47MPa2 6.4 0.85查阅化工设备机械基础(华东理工大学出版社)表14-3,钢制压力容器中使用的钢板许用应力可得 A3F钢制容器在常温水压试验时的许用应力 s 235MPa从而有T 0.9 S 0.9 235 211.5MPa由于 T 111.47MPa t 211.5MPa所以

22、壳体壁厚满足水压试验的强度要求。3.5 选择换热器的封头(1)公式：d -'DCi C2 2 0.5FC其中：由于Di 600 1200mm，用整块钢板冲压成型，此时1,PC 1.6MPa, t 113MPa,C1 0.6mm,C2 2.0mm 7 ca ,a , 1721.6 600(2)计算：d 0.6 2.0 6.2mm2 113 1 0.5 1.6(3)选择适宜厚度，并确定封头型式规格根据化工设备手册材料与零部件(上册)第327页椭圆封头JB1154-73,应选封头JB/T4737-45,且根据其选用一椭圆封头尺寸如下:坯料直径：666mm坯料质量:21.8kg容 积 v :0

23、.0213m2质 量:20kg表 5-1 封头 JB/T4737-45型式公称直径曲回图度直边高度内表面积椭圆形600mm150mm40mm0.395m2所选封头的结构示意图如下:图5-1封头的结构示意图3.6 选择容器法兰3.6.1 选择法兰的型式采用甲型平焊容器法兰。已知换热器的公称压力为PN=1.6Mpa,公称直径600mm。查阅压力容器与化工设备实用手册中3-1-1,压 力容器法兰分类，宜采用甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材 Q235-B,工作温度-20 C 200c的最大允许工作压力为 1.05Mpa,小 于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足要求。3.6.2 确定法兰相

24、关尺寸查阅压力容器与化工设备实用手册第467页，表3-1-2 (A)甲型平焊法兰尺寸和表 3-1-2 (B)甲型平焊法兰质量可得法 兰相关尺寸如下表：表5-2甲型平焊容器法兰公称 直径DN法兰螺栓DDiD2D3D4d规格数量6006305905555455424423科20283.6.3 选用法兰并确定其标记选用甲型平焊容器法兰（凹凸密封面）为宜标记为：法兰AT 500-1.6JB/T4701-2000结构如图图5-2法兰3.7 选择管法兰和接管3.7.1 热流体进出口接管取接热流体的流速u1 1.7m/s0则接管内径为:Di125mm4D 4 0.0208. ui : 3.14 1.7可选取

25、接管：133 4mm ,长150mm两个3.7.2 冷流体进出口接管取接冷流体的流速u2 1.5m/s0接管内径为:4 0.01175 99.9 100mm3.14 1.5可选取接管133 4mm,长150mm,两个表5-3钢制管法兰(HGJ45-91)公称直 径DN管子外 径A连接尺寸螺栓柱法兰 内径B法兰 外径D螺栓孔 中心圆 直彳至K螺栓孔直径L螺 栓 孔 数n螺 栓 长 度螺 柱 长 度法 兰 厚 度C1001082201801866585181101251332502101867090201353.7.3 选择管法兰根据公式直径与公称压力选用板式平焊钢制管法兰。HG20593-97

26、SO150 2.5RF16Mn图5-3管法兰3.8 选择管箱查阅化工设备标准图册，选择封头管箱，材料为 A3F钢，其简图如下所示：图5-4封头管箱3.9 折流档板的设计查阅换热器原理及计算根据换热器的要求，选用厚度为 5mm的圆缺形档板，其参数如下:两板间距离：h=D(0.21)=150mm折流板高度：h =500(1-25%)=450mm折流档板个数：NB=L/h-1=4.5/0.15-1=29折流档板厚度：=5mm图5-5折流板及管子的排列3.10 支座的选用查阅化工设备设计手册材料与零部件，选用A3F材料，采用 鞍式支座Dg500AJB1167-73。尺寸如下表：表 5-4 鞍式支座 D

27、g500AJB1167-73公称直径Dg每个支 座允许 负荷tb1LBlK1bm重量（kg）60036.81805501202604209022026.33.11 拉杆的选用和设置3.11.1 拉杆的选用查阅化工过程和设备设计第 15页表可知:表5-5拉杆拉杆直径数量拉杆螺纹 公称直径LaLbb1241620602.03.11.2 拉杆的设置拉杆与折流板和档板的连接形式如下图所示:图5-7拉杆3.12 确定管板尺寸由化工设备机械基础查得，管板选用的材料为16Mn,管板厚度为30mm,质量为59.6kg。焊接坡口图5-8整体管板3.13 垫片的选用3.13.1 设备法兰用垫片根据压力容器与化工设

28、备实用手册，密封垫片选用非金属软垫 片,JB 4704-92.厚度30mm,该垫片为法兰用垫片，其尺寸为：公称直径Dg垫片内径d公称压力F(m2)垫片外径D60061516655图5-9设备法兰用垫片3.13.2 管法兰用垫片材料：耐油橡胶石棉板 S20-0056-3.厚度3mm法兰公称压力Mpa介质温度密封闻型式垫片名称材料冷却水<1.6<60光滑橡胶垫片橡胶板循环水<1.6<60光滑橡胶垫片橡胶板4数据汇总表6-1数据汇总表管程壳程质量流速Kg/h760007000温度进/出c20/3060/45物 性定性温度C2552.5密度Kg/m3997.0987.1比热容K

29、J/Kg 4.1794.175粘度Pa S902.8533.5导热系数W/m- C0.6090.650普兰特数6.533.73设 备 结 构 参 数型号固定管板式台数1壳体内径mm600壳程数1管径mm 25X2.5管心距mm32管长mm4500管子排列方 式正三角形管根数（根）222折流挡板数29传热面积花76.1折流板距mm150管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速m/s0. 4811.09传热膜系数W/itf ：c2416.95695.4污垢热阻 m2 -/W1.7 ¥0-41.7 10-4阻力损失MPa0.00390.127热负荷Kw1256.1传热温差C27.5传热系数

30、W/m2 929.995总结评述在这次的设计中，我们的设计题目是“循环水冷却器的设计”，我 们小组共计五个人，为了更好更高效的完成设计，我们各自明确自己 负责的版块任务，有的不懂的地方，我们共同探讨商议查资料。刚开始接触这个课题时，我们都有点生疏，不知道从何着手，经 过老师细心指导，我们都有信心把这次设计做好。在这次设计中，我 们遇到了许多困难，有的我们靠团队力量解决了，但有的我们只能借 助老师的帮助才能顺利解决。经过这次课程设计，让我从中学到了许 多东西，知道了知识必须运用到实践中去才能显现出其价值的所在， 现在的学习是为今后更好的工作打基础。工作中要对设备、工作参数 要有充分的了解。这次的

31、设计能够顺利的完成，令我们每个人都感到了成功带来的 喜悦与鼓舞，除了学习到了更多的知识，我还学会了如何同他人合作， 同时更加感谢我们的指导老师张老师的热心帮助，尽管设计的时间不 长，但它对我们每个人来说的是一个难忘的回忆，对我们未来的学习 和生活将会有很大的帮助！6参考文献1 化工原理（上册）修订版.夏涛 陈常贵 主编.天津：天津大 学出版,20052 魏崇关，郑晓梅，化工工程制图，北京，化学工业出版社，1992.3 化工设备结构图册编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版社，1978.4 柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计,天津，天津科学技术出版社，1994.5 Perry化学工程手册.6 华南理工大学，化工过程及设备设计，广州，华南理工大学出版社，1986.7 刁玉玮，王立业编，化工设备机械基础，大连，大连理工大学出版社，1989.8 中华人民共和国化学工业部工程建设标准钢制管法兰，垫片，坚固件（1991-12）化学工业出版社.9 钢制列管式固定管板式换热器结构设计手册1994.11.7.10化工设备设计手册材料与零部件上海人民出版社 .11齐齐哈尔大学化工原理教研室编，