列管式换热器设计课程设计说明书

1、化工原理课程设计说明书化工原理课程设计说明书列管式换热器设计专 业：过程装备与控制工程学 院： 机电工程学院 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书- 2 - / 23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 110进一步冷却至 60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 220301，压力为 6.9，kg hMPa循环冷却水的压力为 0.4，循环水的入口温度为 29，出口的温度为MPa39，试设计一列管式换热器，完成生产任务。已知：混合气体在 85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）密度 3190kg m定压

2、比热容13.297pckj kgA热导率10.0279w mA粘度511.5 10 Pa sA循环水在 34下的物性数据：密度 31994.3kg m定压比热容K14.174pckj kgA热导率K10.624w mA粘度310.742 10 Pa sA- 3 - / 23目录目录1 1、确定设计方案、确定设计方案- - 5 5 - -1.1 选择换热器的类型- 5 -1.2 流程安排- 5 -2 2、确定物性数据、确定物性数据- - 5 5 - -3 3、估算传热面积、估算传热面积- - 6 6 - -3.1 热流量- 6 -3.2 平均传热温差- 6 -3.3 传热面积- 6 -3.4 冷

3、却水用量- 6 -4 4、工艺结构尺寸、工艺结构尺寸- - 6 6 - -4.1 管径和管流速- 6 -4.2 管程数和传热管数- 6 -4.3 传热温差校平均正与壳程数- 7 -4.4 传热管排列和分程方法- 7 -4.5 壳体径- 7 -4.6 折流挡板- 8 -4.7 其他附件- 8 -4.8 接管- 8 -5 5、换热器核算、换热器核算- - 9 9 - -5.1 热流量核算- 9 -5.1.1 壳程表面传热系数- 9 -5.1.2 管表面传热系数- 9 -5.1.3 污垢热阻和管壁热阻- 10 -5.1.4 传热系数- 10 -5.1.5 传热面积裕度- 10 -5.2 壁温计算-

4、10 -5.3 换热器流体的流动阻力- 11 -5.3.1 管程流体阻力- 11 -5.3.2 壳程阻力- 12 -5.3.3 换热器主要结构尺寸和计算结果- 12 -6 6、结构设计、结构设计- - 1313 - -6.1 浮头管板与钩圈法兰结构设计- 13 -6.2 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计- 14 -6.3 管箱结构设计- 14 -6.4 固定端管板结构设计- 15 -6.5 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计- 15 -6.6 外头盖结构设计- 15 -6.7 垫片选择- 15 - 4 - / 236.8 鞍座选用与安装位置确定- 15 -6.9 折流板布置- 16 -6.10 说明-

5、16 -7 7、强度设计计算、强度设计计算- - 1616 - -7.1 筒体壁厚计算- 16 -7.2 外头盖短节、封头厚度计算- 17 -7.3 管箱短节、封头厚度计算- 17 -7.4 管箱短节开孔补强校核- 18 -7.5 壳体接管开孔补强校核- 19 -7.6 固定管板计算- 20 -7.7 浮头管板与钩圈- 21 -7.8 无折边球封头计算- 21 -7.9 浮头法兰计算- 22 -参考文献参考文献- - 2323 - - 5 - / 231 1、确定设计方案、确定设计方案1.11.1 选择换热器的类型选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度 110 出口温度 60；冷流

6、体进口温度 29，出口温度为 39，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。1.21.2 流程安排流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。2 2、确定物性数据、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均值。故壳程混和气体的定性温度为T= =85260110管程流体的定性温度为t=34229

7、39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 85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 3190kg m定压比热容13.297pckj kgA热导率10.0279w mA粘度511.5 10 Pa sA循环水在 34 下的物性数据：密度31994.3kg m定压比热容k14.174pckj kgA热导率k10.624w mA粘度310.742 10 Pa sA- 6 - / 233 3、估算传热面积、估算传热面积3.1

8、3.1 热流量热流量Q1=111tcmp=2203013.297(110-60)=3.64107kj/h =10098kw3.23.2 平均传热温差平均传热温差先按照纯逆流计算，得=mtK3 .48296039110ln)2960()39110(3.33.3 传热面积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=313W/(m2k)则估算的传热面积为Ap=216683 .4831310098000mtKQm3.43.4 冷却水用量冷却水用量m=ipitcQ11010174. 4100980003hkgskg/870855/9 .2414 4、工艺结构尺寸、工艺结构尺寸4.1

9、4.1 管径和管流速管径和管流速选用 252.5 较高级冷拔传热管（碳钢） ，取管流速u1=1.3m/s。4.24.2 管程数和传热管数管程数和传热管数可依据传热管径和流速确定单程传热管数ns=5963 . 102. 0785. 03 .994/9 .241422udVi按单程管计算，所需的传热管长度为 L=mndAsop3 .14596025. 014. 3668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，- 7 - / 23采用非标设计，现取传热管长 l=7m，则该换热器的管程数为 Np=（管程）273 .14lL传热管总根数 NT=5962=1192（根）4.34.3

10、 传热温差校平均正与壳程数传热温差校平均正与壳程数平均温差校正系数：R=5293960110ttT-T1221P=124. 0291102939tTtt1112按单壳程，双管程结构，查化学工业化工原理 （第三版）上册：图5-19 得：96. 0t平均传热温差K46.448.30.96塑mtmtt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。4.44.4 传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。见化学工业化工原理 （第三版）上册：图 6-13。取管心距 t=1.25d0，则 t=1.2525=31.25

11、32（mm）隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22（mm）各程相邻管的管心距为 44mm。管束的分程方法，每程各有传热管 596 根，其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按化学工业化工原理 （第三版）上册：图 6-8 选取。4.54.5 壳体径壳体径采用多管程结构，进行壳体径估算。取管板利用率 =0.7 ，则壳体径为： D=1.05tmmNT13877 . 0/11923205. 1/按卷制壳体的进级档，可取 D=1400mm筒体直径校核计算：壳体的径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板iD- 8 - / 23直径的计算可以决定壳体的径，其表达式为

12、：e21ntDci）（管子按正三角形排列：3912541 . 1N1 . 1ntc取 e=1.2=1.2 25=30mm0d=32 （39-1）+2 30 =1276mm 按壳体直径标准系列尺寸进行iD圆整：=1400mmiD4.64.6 折流挡板折流挡板采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体径的 25%，则切去的圆缺高度为h=0.251400=350m，故可 取 h=350mm取折流板间距 B=0.3D，则 B=0.31400=420mm，可取 B 为 450mm。折流板数目（块）1414.5145070001NB折流板间距传热管长折流板圆缺面水平装配，见图：化学工业化工原理 （第三版）

13、上册：图 6-9。4.74.7 其他附件其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体径为 1400mm，故其拉杆直径为 12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。4.84.8 接管接管壳程流体进出口接管：取接管气体流速为u1=10m/s，则接管径为（m）294. 01014. 3)903600/(2203014u4VD1圆整后可取管径为 300mm。管程流体进出口接管：取接管液体流速u2=2.5m/s，则接管径为（m）352. 05 . 214. 3)3 .9943600/(87085542D圆整后去管径为 360mm- 9 - / 235

14、 5、换热器核算、换热器核算5.15.1 热流量核算热流量核算5.1.1 壳程表面传热系数用克恩法计算，见式化学工业化工原理 （第三版） 上册：式（5-72a）：14. 03155. 0010)(PrRe36. 0wed当量直径，依化学工业化工原理 （第三版）上册：式（5-73a）得=ed mddtoo02. 0025. 014. 3025. 0785. 0032. 023 4423 42222壳程流通截面积： mtdBDoo1378. 0)32251 (4 . 145. 0)1 (S壳程流体流速与其雷诺数分别为smuo/76. 41378. 0)903600/(220301571200105

15、 . 19076. 402. 0udRe50eo普朗特数773. 10279. 0105 . 110297. 3cPr53p粘度校正 1)(14. 0wKmwo23155. 0/3 .8891773. 157120002. 00279. 036. 05.1.2 管表面传热系数4 . 08 . 0PrRe023. 0iiid管程流体流通截面积： 221871. 02119202. 0785. 0mSi 管程流体流速：- 10 - / 23smui/3 . 11871. 0)3 .9943600/(870855雷诺数：34841)10742. 0/(3 .9943 . 102. 0Re3 普朗特数

16、：96. 4624. 010742. 010174. 4Pr33K/585896. 43484102. 0624. 0023. 024 . 08 . 0mwi5.1.3 污垢热阻和管壁热阻化学工业化工原理 （第三版）上册：表 5-5 取：管外侧污垢热阻 wkmRo/0004. 02 管侧污垢热阻 wkmRi/0006. 02管壁热阻按化学工业化工原理 （第三版）上册：图 5-4 查得碳钢在该件下的热导率为 50w/(mK)。所以wkmRw/00005. 0500025. 025.1.4 传热系数K/3943 .89110004. 05 .222500005. 020250006. 020585

17、8251)1(12mwRddRddRddKoomowioiiioe5.1.5 传热面积裕度计算传热面积 Ac： 2315524 .463941010098mtKQAmec该换热器的实际传热面积为 Ap 265511927025. 014. 3mlNdATop该换热器的面积裕度为%7 cpAAAH传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.25.2 壁温计算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- 11 - / 23计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水ncnmcwwtTt11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 15，

18、出口温度为 39计算传热管壁温。另外，由于传热管侧污垢热阻较大，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：ncnmcwwtTt11式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为mt0.439+0.615=24.6mt(110+60)/2=85mT5858w/m2Kic891.3w/m2Koh传热管平均壁温6 .323 .891/15858/13 .891/6 .245858/85wt壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 T=85。壳体壁温和传热

19、管壁温之差为 。4 .526 .3285t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。5.35.3 换热器流体的流动阻力换热器流体的流动阻力5.3.1 管程流体阻力spsritFNNppp)( , , 1sN2Np22udlpiii由 Re=34841，传热管对粗糙度 0.01，查莫狄图:化学工业化工原理（第三版）上册：图 1-27 得，流速ui=1.3m/s，, 04. 0i3/3 .994mkg所以Papi57.1176223 .9943 . 102. 0704. 02- 12 - / 23Paupr55.252023 . 13 .99432

20、22Pap.4428495 . 12)5.525207.511762(1管程流体阻力在允许围之。5.3.2 壳程阻力按式计算 , , ssiosNFppp)(1sN1sF流体流经管束的阻力2) 1(2oBTCoouNNFfpF=0.52435. 05712005228. 0of3811921 . 11 . 15 . 05 . 0TTCNN14BNsm/76. 4u00.50.243538(14+1)=70757Paop276. 4902流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.45m , D=1.4m2)25 . 3(2oBiuDBNpPa41100276. 490)4 . 145. 025 .

21、3(142ip总阻力70757+41100=1.12Pasp510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。5.3.3 换热器主要结构尺寸和计算结果- 13 - / 23参数管程壳程流率870855220301进/出口温度/29/39110/60压力/MPa0.46.9定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.7423101.5510热导率（W/mK）0.6240.0279物性普朗特数4.961.773形式浮头式壳程数1壳体径/1400台数1管径/252.5管心距/32管长/7000管子排列正

22、三角形排列管数目/根1192折流板数/个14传热面积/655折流板间距/450设备结构参数管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.34.76表面传热系数/W/（K）5858891.3污垢热阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.0430.112热流量/KW10098传热温差/K46.4传热系数/W/（K）394- 14 - / 23裕度/%17.76 6、结构设计、结构设计6.16.1 浮头管板与钩圈法兰结构设计浮头管板与钩圈法兰结构设计由于换热器的径已确定，采用标准径决、定浮头管板外径与各结构尺寸（参照化工单元过程与设备课程设计 （化学工业出版）：第四章第一节

23、与GB151） 。结构尺寸为：浮头管板外径：mm1390521400b2DD1i0浮头管板外径与壳体径间隙：取（见化工单元过程与设备课mm5b1程设计 （化学工业出版）：表 4-16） ；垫片宽度：按化工单元过程与设备课程设计 （化学工业出版）:表 4-16：取 mm16bn浮头管板密封面宽度：.5mm175 . 1bbn2浮头法兰和钩圈的直径：mm135816521400bb2DDn1ifi）（）（浮头法兰和钩圈的外直径：1480mm80400180DDi0f外头盖径：1500mm1004001100DDi螺栓中心圆直径：mm14352/14801390/2DDDf00b）（）（其余尺寸见图

24、 6-1。- 15 - / 23图 6-16.26.2 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计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，以与设计温度和公称直径1400，按 4703-92 长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，图 6-1（a）所示。6.36.3 管箱结构设计管箱结构设计选用 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：mm1297503503771002320hhdC2hL21gfgmin取管箱长为 1300mm，管道分程隔板厚度取 14mm，管箱结构如图 6-1（a）所示。6.46.4 固定端管板结

25、构设计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；结构如图 6-1（b）所示。6.56.5 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计外头盖法兰、外头盖侧法兰设计依工艺条件，壳侧压力、温度与公称直径；按 4703-93 长mm1500DN颈法兰标准选取并确定尺寸。6.66.6 外头盖结构设计外头盖结构设计外头盖结构图 6-2 所示。轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰与钩圈强度计算确定厚度后决定。图 6-2 图 6-36.76.7 垫片选择垫片选择a.管箱垫片 根据管程操作条件（循环水压力，温度 34）a0.4MpC。选石棉橡胶垫。结构尺寸图 6-3 所示

26、：1400mm.d 1508mm;D b.外头盖垫片 根据壳程操作条件（混合气体，压力，温度 85a6.9Mp） ，选缠绕式垫片，垫片（4705-92） 缠绕式垫片。C。mm1500mm1609c.浮头垫片 根据管壳程压差，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1390mm；厚度为mm13583mm;4706-92 金属包垫片。- 16 - / 236.86.8 鞍座选用与安装位置确定鞍座选用与安装位置确定鞍座选用/T4712-92 鞍座 BI1400-F/S；安装尺寸如化工单元过程与设备课程设计 （化学工业出版）：图 4-44 所示 其中：mm40206700.

27、60.6L0L6700LB，取：mm1350LL4000mmLCCB，6.96.9 折流板布置折流板布置折流板尺寸：外径：；厚度取 8mmmm1392814008DDN前端折流板距管板的距离至少为 850mm；结构调整为 900mm；图 6-1（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 14 块。6.106.10 说明说明在设计中由于给定压力等数与公称直径超出 4730-92，长颈对焊法兰标准围，对壳体与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。7 7、强度设计计算、强度设计计算7.17.1 筒体壁厚计算筒体壁厚计算由工艺设

28、计给定设计温度 85，设计压力等于工作压力为 6.9M，选C。ap低合金结构钢板 16卷制，查得材料 85时许用应力；MnRC。 atMp163过程设备设计 （第三版）化学工业。取焊缝系数=1，腐蚀裕度=1mm；对 16钢板的负偏差=02CMnR1C根据过程设备设计 （第三版）化学工业：公式（4-13）压圆筒计算厚度公式： = 从而 cticP2DP计算厚度：=mm3 .30.96116321400.96设计厚度：mm3 .3113 .30C2d名义厚度： 圆整取mm3 .32C1dnmm34n- 17 - / 23有效厚度：mm32CC21ne水压试验压力： atcTMp25.681.965

29、.21P5.21P所选材料的屈服应力asMp325水式实验应力校核：aeeiTt93Mp132232140025.682DP）（）（水压强度满足asaMp5 .2923251.90.9093Mp1气密试验压力：acT.9Mp6PP7.27.2 外头盖短节、封头厚度计算外头盖短节、封头厚度计算外头盖径=1500mm，其余参数同筒体：短节计算壁厚： S= cticP2DPmm3 .32.96116321500.96短节设计壁厚：3.3mm312.33CSS2d短节名义厚度： 圆整取=36mm34.3mmCSS1dnnS有效厚度：3.9mm3CCSS21ne压力试验应力校核：aeeiTt95Mp19

30、 .3329 .33150025.682DP）（）（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= cticP5 . 02DP2.1mm3.96.50116321500.96封头名义厚度：33.1mm132.1CCSS21n取名义厚度与短节等厚：- 18 - / 2336mmSn7.37.3 管箱短节、封头厚度计算管箱短节、封头厚度计算 s s由工艺设计结构设计参数为：设计温度为 34，设计压力为 0.4M，C。ap选用 16MnR 钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊 atMp170asMp345缝系数=0.85，腐蚀裕度=2mm2C计算厚度： S= cticP2DP1

31、.94mm.405.80170214000.4设计厚度：3.94mm24.91CSS2d名义厚度：3.94mmCSS1dn结合考虑开孔补强与结构需要取8mmSn有效厚度：6mm2-8CCSS21ne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一样，取8mmSn7.47.4 管箱短节开孔补强校核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，考虑实际情况选 209377号热轧碳素钢管，=1mm atMp13093772C接管计算壁厚：mm 8.60.405.801302377.40P2DPSctict接管有效壁厚：6.65mm0.159-1-9CCSS21ntet开孔直径：

32、.7mm3635.32292377C2ddi接管有效补强高度：- 19 - / 23 B=2d=2 363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度：.2mm579.7363dShnt1需补强面积：A=d S=363.7 1.94=705.62mm可以作为补强的面积：2e1.6mm14764.916.7363.4727S)-(Sd-BA）（）（）（2ret12.3mm522170/1308.605.66.2572fSt-S2hA）（）（221.6mm705A.91998.3522.61476AA 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。7.57.5 壳体接管开孔补强校核壳体接管开孔补强校核 开孔

33、校核采用等面积补强法。选取 20 号热轧碳素钢管12325 钢管许用应力：， =1mm atMp1372C 接管计算壁厚： mm8.976.9113723256.9P2DPSctict接管有效壁厚：9.2mm0.1512-1-12CCSS21ntet开孔直径：06.6mm35.101212122325C2ddi）（接管有效补强厚度：B=2d=2 306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：60.7mm1206.63dShnt1需要补强面积：A=d=306.6 35.75=10960.952mm可以作为补强的面积为：2e1383.25mm5.7353706.63613.2)-(d-BA）（）

34、（）（2ret12119.4mm170/1378.97.2960.72fSt-S2hA）（）（尚需另加补强的面积为：- 20 - / 23221410458.3mm119.4-383.25-10960.95A-A-AA补强圈厚度：.3mm363252 .613.310458dBAS04k实际补强圈与筒体等厚： ； 则另行补强面积：mm38Sk20K4.6mm10951325.261338)d-(BSA）（2242110960.95mmAmm5.211454.610951.41195.2383AAA同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。3A7.67.6 固定管板计算固定管板计算固定管板厚度

35、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：2222i20.6mm17620254dd4a）（）（开孔温度削弱系数（双程）：.50两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L 取 6850mm计算系数 K：5.8141006850.50.6176125410014002.31LbnabD2.31Ki2 K=3.855接管板筒支考虑，依 K 值查化工单元过程与设备课程设计化学工业：图 4-45， 图 4-46，图 4-47 得：2.8G-0.65,G, 9 . 2G321管板最大应力:a2tsatMp4 .5707.605.60.40.961.4633.201GPPP1）（）（）（或a3tsat.2Mp10107.60.82.40.961.4633.201GPPP1）（）（筒体径截面积：222imm153860014004D4A管板上管孔所占的总截面积：2220mm8 .6155552541254d4nC- 21 - / 23系数.601538600.86155551538600AC-A系数.240.86155551538600176.61254C-Aan壳程压力：as.9Mp6P 管程压力:al0.4MpP 当量压差：alsaMp404. 64.201.40.961P-