化工原理化工设备水冷却煤油设计说明书

1、化工原理 化工设备课程设计任务书设计题目： 年处理4.8万吨煤油固定管板式换热器设计书 学生姓名： 康 国 梅 专业班级： 资源环境与城乡规划管理2010级4班 学 号： 100704034 指导教师： 徐慎颖 张燕 宜宾学院化学与化工学院2012年 12月 30 日列管式换热器设计任务书一、设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力二、设计目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的三、设计题目列管式换热器设计 四、设计任务及操作条件 1. 设计任务 设备型式：列管式 处理任务：如下表所示：处

2、理量（万吨/年）物料2426283032343.6384042444648原油121213煤油14邹艳平1007040222526#柴油2737#3839# 2. 操作条件（1）热流体：入口温度140; 出口温度40 （2）冷却介质：岷江水（3）允许压降：不大于0.1MPa（4）物性数据煤油定性温度下的物性数据原油定性温度下的物性数据柴油定性温度下的物性数据：五、设计内容1. 设计方案的选择2. 设计计算（1） 计算总传热系数（2） 计算传热面积3. 主要设备工艺尺寸设计     （1）管径尺寸和管内流速的确定 （2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定

3、 4. 换热器核算 5. 设计结果汇总 6. 绘制换热器简图 7. 换热器壳体封头材料，厚度以及壳体和封头的连接形式；8换热列管的设计选型；9管板厚度；10换热管的排列及管孔尺寸；11换热管与管板的连接，管板与壳体的连接；12管箱设计；13所有接管设计选型；14折流板的设计；15支座设计选型；16所涉及到的所有法兰设计选型目 录第一章 概 述11.1换热器的简单介绍2 1.2本设计的目的和意义3第二章 设计计算42.1确定设计方案42.2确定物性数据42.3计算总传热系数52.4计算传热面积62.5工艺结构尺寸62.6换热器核算8第三章 工艺设计.113.1壳体与封头的确定.11 3.1.1

4、壳体和封头的材料选择.11 3.1.2 圆筒壳体的厚度计算.12 3.1.3 封头厚度计算.12 3.1.4 水压试验.13 3.1.5换热列管的设计选型.133.2 管板设计.133.3 管板与壳体、换热管的连接形式.133.4 管箱设计.143.5壳体开孔补强.143.6 所有接管的设计选型.14 3.6.1 壳程接管最小位置.15 3.6.2 管箱接管最小位置.15 3.6.3 接管伸出长度.153.7 防冲板.153.8 折流板.15 3.8.1 折流板的型式和尺寸.15 3.8.2 折流板的布置.153.9 支座设计选型.163.10所涉及到的所有法兰设计选型.17第四章 设计结果汇

5、总.18设计图纸21心得体会.22参考文献24评语及成绩25第一章 概 述1.1换热器的简单介绍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。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、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。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。 在化工生产中，经常要求在各种不同的条件下进行热交换，因此对各种换热器的要求必然是多种多样的。而每种类型的换热器都有其优缺点，选择时考虑的因素很多，

6、例如材料、压强、温度、温度差、压强降、流动状态、传热效果、结垢腐蚀情况、检修和操作等。1.1.1 固定管板式换热器这类换热器操作简单、便宜。最大的缺点是管外侧清洗困难，因而多用于壳侧流体清洁，不易结垢或污垢容易化学处理的场合。当壳壁与壳壁温度相差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏整个换热器，因此，一般管壁与壳壁温度相差50以上时，换热器应有温差补偿装置，图为具有温差补偿圈（或称膨胀节）的固定管板式换热器。1.1.2 浮头式换热器用法兰把管束一侧的管板固定到壳体的一端，另一侧的管板不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩。这种形式

7、的优点是当前两侧传热介质温差较大时，不会因膨胀产生温差压力，且管束可以自由拉出，便于清洗。缺点是结构复杂，造价高。1.1.3 U型管式换热器 此类换热器只有一个管板，管程至少为两程。由于管束可以取出，管外侧清洗方便，另外，管子可以自由膨胀。缺点是U型管的更换及管内清洗困难。1.1.4 填料函式换热器填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是

8、填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。1.2本设计的目的和意义通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面：（1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。（2）工程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。（3）工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他

9、人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。 通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。第二章 设计计算2.1确定设计方案2.1.1换热器类型的选型本设计任务是利用冷流体（岷江水）给煤油降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。用冷水冷却煤油。煤油作为热流体，其入口温度为140°

10、C，出口温度为40°C；岷江水作为冷流体，入口温度为20°C,出口温度为34°C。该换热器采用循环冷却水冷却，因为由于岷江水容易结垢，为便于水垢清洗，定为固定管板式换热器，它操作简单、便宜。管内不易积累污垢，也便于清洗。2.1.2 换热器内冷热流体通道的选择由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，油品走壳程2.1.3 换热管的选择选用25×2.5的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s2.2确定物性数据壳程油的定性温度为T=90(°C)岷江水的定性温度为T= =27(°C)煤油定性温度下的物性数据水的定性温度下的物性数据

11、密度=997kg/m粘度 µ=90.285×10Pas定压比热容 c=4.179kJ/(kg)导热系数 2.3计算总传热系数q=5479.51热流量Q=337.90kW2平均传热温差.3因数R=7.14 P=0.12单壳程 查图得平均传热温差 4冷却水用量=20801.825总传热系数K 管程传热系数 Re= =11556.3>10000 = = =2542.14壳程传热系数 假设壳程传热系数为；污垢热阻 管壁的导热系数 2.4计算传热面积考虑15%的面积裕度，2.5工艺结构尺寸1. 管径和管内流速选用传热管（碳钢），取管内流速。2. 管程数和传热管数依据传热管内径和

12、流速确定单程传热管数按单管程计算，所需的传热管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现去传热管长，则该换热器管程为 传热管总根数3. 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 横过管束中心线的管数 4. 壳体内径采用多管程结构，去管板利用率，则壳体内径为 圆整可取5. 折流板（目的：为了加大壳程流体的湍流速度，使湍流程度加剧。提高壳程流体的对流传热系数。）采用弓形折流板，去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，故可取取折流板间距，则 ，则B为150mm折流板数 折流板圆缺面上下装配。6. 接管壳程流体进

13、出口接管：取接管内煤油流速为，则接管内径为 取标准管径为50mm。管程流体进出口接管：取接管内河水的流速，则接管内径为 取标准管径为80mm。2.6换热热量核算2.6.1壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径由正三角形排列得壳程流通截面积壳程流体流速、雷诺数、普兰德数及壳程对流传热系数分别为2.6.2 管程对流给热系数管程流通截面积管程流体流速、雷诺数、普兰德数及管程对流传热系数分别为 2.6.4 传热面积(一)该换热器的实际换热面积面积裕度为换热面积裕度合适，能够满足设计要求。（二）换热器内流体的流动阻力1.管程流动阻力（Ft结垢校正系数，管程数，Ns壳程数）取换热管的管壁

14、粗糙度为0.01mm，则，而，查图得 对的管子有管程阻力在允许的范围之内。2.壳程流动阻力（Fs为结垢校正系数，对液体Fs=1.15，Ns为壳程数）流体流经管束的阻力F为管子排列方式对压强降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列，正方形错列时，。为壳程流体的数，当为横过管束中心线的管数，。折流板间距，折流板数流体流经折流板缺口的阻力该换热器的管程与壳程压降均满足要求，故所设计的换热器合适第三章 结构设计3.1 壳的直径、长度、厚度设计。壳体和封头材料均选择Q235-B由上面的计算可得壳体直径为壳体长度为操作压力根据以上假设和查表数据可得腐蚀余量，钢板厚度负偏差设计厚度=+ +=5.53

15、+0.25+=6mm因而可取名义厚度3.1.2封头尺寸考虑综合因素，使用标准椭圆封头，材料使用碳素钢Q235-B，封头连接形式为甲型平焊法兰。焊接接头形式采用单面焊对接接头，无损检测比例100%，故。在。下，厚度假设为时，碳钢Q235-B的许用应力为按计算。根据以上假设和查表数据可得腐蚀余量，钢板厚度负偏差设计厚度名义厚度=+ +=5.70+0.25+=6mm，没有变化，故取名义厚度合适。因为=1由此可得椭圆头短半径3.1.3液压实验=1.25P =1.25P=1.875t=查表，Q235-B的s=235 0.9×0.9×235=190.35>t所有满足水压试验要求查

16、得： 封头短筒边高度为，直边高度h=25mm，封头内表面积，封头容积，封头质量3.14换热列管的设计选型：25×2.5的碳钢管3.2 管板厚度管板工程上常采用材料0Cr18Ni9查得管板尺寸为：厚度，管板质量M=48kg，螺栓材料为Q235-A，规格M16，数量为24个。换热管的排列及管孔尺寸换热管采用正三角形排列 管间距为32mm 管长为4.5m管孔直径所以管孔直径取为25.83.3 换热管与管板的连接，管板与壳体的连接换热管与管板连接形式为：采用胀焊结合 管板与壳体连接：采用管板兼做法兰 使用板式平焊法兰形式进行连结3.4 管箱设计（由短节与封头组成）管箱为椭圆形管箱，因为椭圆形

17、封头的应力分析比较均匀，而且其深度较半球封头小得多，易于冲压成型。因此选用标准钢制椭圆形封头，故短节部分的厚度同封头厚度一样为6mm。短节的长度为25mm。管箱最小长度L3.5 壳体开孔补强根据GB150-1998表8-1，不另行补强的最大接管外径为89mm，因此不需要考虑补强。按HG20592-20639-2009 钢制管法兰，紧固件，垫片可选接管的规格为50mm和80mm 3.6 所有接管设计选型采用带劲平焊法兰，接管材料选用Q235-B 壳程接管位置接管不带补强圈壳程接管位置最小尺寸mm一般C3倍壳体壁厚且不小于50100mm b：管板厚度 ：接管外径，mmC：接管外边缘至壳体连接焊缝之

18、间的距离mm 管箱接管位置，不带补强圈最小尺寸 ：法兰高度 接管伸出长度 靠壳程：L=150mm 靠管箱：L=150mm3.7 防冲板材料选用Q235-B由于壳程流体的p=825×1=825kg/（m.）740 kg/（m.）因此，在该固定管板换热器需要设置防冲板防冲板与壳体内壁的厚度H=()接管外径，取H=13mm 最小厚度为4.5mm，防冲板的直径或边长W、L应大于接管外径的50mm取W=L=100mm3.8折流板的设计 3.8.1 折流板的型式与尺寸 此时两端采用环形折流板，中间选用单弓形折流板，上下方向排列。折流板的材料为Q235-B，由前可知，弓形制缺口高度为125mm，折

19、流板间距为150mm，据GB151-1999-管壳式换热器表34可知折流板懂得最小厚度为12mm3.8.2 折流板的布置 一般应使管束两端的折流板尽可能的靠近壳程进出口管，其余折流板按照等距离布置，靠近管板的折流板的折流板与管板间的距离应按下面计算 L=：为防冲挡板长度mm：壳程接管位置的最小尺寸mmb：管板的厚度mm因为应使折流板尽可能的靠近壳程进出口管，所以L=196.5 mm3.9 支座设计选型：壳体质量m1：m1= D×L××7.85=3.14×0.50×4.5×6×7.85=332.76kgD: 中径，单位m L:

20、 筒体长度，单位m :壁厚(单位mm封头的质量m2的标准椭圆形封头，其质量m=15.1Kg，所以m2=15.1×2=30.2Kg水的质量，式中装填系数储罐体积则 附件质量管子质量 单重 7.82Kg有：m5=法兰质量 DN=500mm；法兰质量70Kg。则 设备总质量：m=m1+m2+m3+m4+m5+m法=332.76+30.2+911.5+300+1157.36+280=3011.82Kg所以选重型B1型，120度包角，焊制，双筋，带垫片的鞍座。鞍式支座(JB T4712 - 92)材料用Q235-A卧式容器的支座常用鞍式支座, 简称鞍座。它是由底板、腹板、筋板和垫板四种板组焊而

21、成的焊制鞍座; 或其中腹板与底板由同一块钢板弯制的弯制鞍座.这次设计采用重型弯制鞍座。公称直径mm允许载荷Qkg鞍座高度mm底板腹板筋板垫板螺栓间距L质量带垫板kgL500159200460150108120833025 3.10 所涉及到的所有法兰设计选型:所用数据由下表查得：接管公称直径分别为50、80，查表可得法兰型号，筒体公称直径为500。根据HB20592-20639-2009钢制管法兰，紧固件，垫片得 接管法兰尺寸公称直径D钢管外径连接尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰高度H法兰劲大端N法兰外径螺栓孔中心圆直径 螺栓规格 螺栓孔数量n5057165125M1642059348480892

22、00160M1682491401183.10.2 壳体法兰，管箱法兰选用甲型平焊法兰。凹凸面，材料为Q235-B,查JB/T 4701-2000得公称直径mmDd螺栓质量厚度规格数量5006305905555455424423M202836.848第四章 设计结果汇总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/（kg/h）20801.825479.5物料名称 岷江水煤油进/出温度/20/34140/40物性定性温度/2790密度/（kg/m3）996.5825定压比热容/（kJ/（kg·°C)）4.1772.22粘度/（Pa.s）0.00086230.0007

23、15热导率/w/（m·°C)0.6120.140普朗特数5.8911.34设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm500壳程数1管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/mm 4500管子排列正三角形管数目/根148折流板数/个29传热面积/m2464折流板间距/mm150管程数4材质Q235-B主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.50.125表面传热系数/w/（m2·°C)）3414453污垢阻力/（w/m2·K）0.000709030.00017197阻力/86322197915总热流量/kW33790传热温差/47.

24、88传热系数/w/（m2·K）45裕度/%60折流板形式上下中心管束，根15切口高度25 筒体厚度/ 6 封头厚度/ 6 管板厚度/44 折流板厚度/12 分层隔板厚度/8 壳体长度/4500设计图纸 心得体会 一周多的课程设计结束了，这是我有生以来第一次做这种工业化的设计，通过这次课程设计，我更加深入的了解了固定管板式换热器的构造，等各方面的知识。虽然在设计的过程当中我们遇到了不少的问题，甚至有几次我还把一些数据算错了，与国标不符，但是在我们一遍一遍的思考和讨论中，我们最后还是把这些问题都解决了，让我知道了团结的力量是多么的大。以前总是有什么问题就问老师，但是这一次是经过我们大家一

25、起讨论并查阅各种书籍，还有在网上查的资料国标，从多方面达到我们想要的答案。古人有云：“过而能改，善莫大焉”。说的就是错误并不可怕，人类能不断的进化发展，靠的便是一个个错误，在错误面前不骄不躁，不断思考，不断改正，才能不断的获取新的知识。虽然改正错误的过程是冗长而艰辛的，但是在改正错误的过程中我也发现了成功的真谛，用汗水浇灌收获的果实才是最令人感觉幸福而满足的。遇到困难也需迎难而上，披荆斩棘，诗云：“不经一番寒彻骨，那得梅花扑鼻香。”如果中途荒废，那样便永远不可能成功，以后步入社会仍然适用。在这次课程设计中，使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则与方法、学会各种手册的使用方法及物理性质、化学

26、性质的查找方法和技巧、掌握各种结果的校核、能画出设计图纸，差不多是把课程设计的流程铭记于心了。刚开始我设管程流速时设得过大，管径也取大了，造成我后面算出的管长太短，后来我又改了两三次，最后终于确定了一个值，合适之后才又往后面算了。到后面我们又在那些法兰啊什么的尺寸上面卡住了，不知道在哪里查，有的在手册上可以查到，而有的我们却要到网上去查，去找国家标准，真的是太艰难了。每天早上起床就打开电脑，然后把所有的手册都打开，而且还是那么大一本的，把计算器和笔摆好，我们就开始了一天的工作，就不停的算啊，查啊，写啊，总之没有停，要忙到晚上才可以停，中途我们也会有小小的休息，来调节一下我们紧张的神经，到了晚上

27、睡觉时大家都会觉得很累，一会儿就睡着了。当我们完成了设计说明书后，我们都好高兴啊，以为最难的过去了，因为我们以前也曾经有画过一次这样的设备图，但是当我们真正去画的时候，我们就都郁闷了，以前是照着别人画好了的画啊，而这次我们还要设计一下版面，还有比例啊，尺寸啊，表格啊，还有一些是我们在做说明书时没有做到的东西都要补上去，这就是我们大家都很痛苦的啊。不过最后经过我们两天的努力，还是把这个图纸给弄好了，让我惊讶的是有的同学还去熬夜画图，我觉得这个没有什么必要的，但是我还是很佩服他们啊，大冷的天还去熬夜。不管怎么说，我们都把这次的课程设计完成了，也是人生中第一次课程设计，为我们毕业时做课程设计打了很好的基础。通过这次的课程设计增强了我们对专业的热爱，培养了我们实事求是、一丝不苟的学风：培养了我们脚踏实地、团结协作的作风，激励着学生的创意