列管式换热器课程设计

1、精选文档精选文档PAGEPAGE34精选文档PAGE适用标准文档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：年月日文案大全适用标准文档目录一、化工原理课程设计任务书2二、确立设计方案31.选择换热器的种类2.管程安排三、确立物性数据4四、估量传热面积51.热流量3.传热面积2.均匀传热温差4.冷却水用量五、工艺结构尺寸61.管径和管内流速5.壳体内径2.管程数和传热管数6.折流挡板73.传热温差校均匀正及壳程数7.其余附件4.传热管摆列和分程方法8.接收六、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.浮头管板及钩圈法

2、兰结构设计6.外面盖结构设计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.鞍座采纳及安装地址确立4.固定端管板结构设计9.折流板部署5.外面盖法兰、外面盖侧法兰设计1410.说明八、强度设计计算151.筒体壁厚计算6.固定管板计算182.外面盖短节、封头厚度计算7.浮头管板及钩圈193.管箱短节、封头厚度计算168.无折边球封头计算4.管箱短节开孔补强校核179.浮头法兰计算205.壳体接收开孔补强校核九、参照文件20文案大全适用标准文档一、化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图3-20所示。反应器的混杂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以后

3、，进入汲取塔汲取此中的可溶性组分。已知混杂气体的流量为231801kgh，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的进口温度为29，出口的温度为39，试设计一列管式换热器，完成生产任务。已知：混杂气体在85下的相关物性数据以下（来自生产中的实测值）密度190kgm3定压比热容cp13.297kjkg热导率10.0279wm粘度11.5105Pas循环水在34下的物性数据：密度1994.3kgm3定压比热容cp14.174kjkgK热导率10.624wmK粘度10.742103Pas文案大全适用标准文档二、确立设计方案1选择换热器的种类两流体温的变化状况：热流体进口温度110出

4、口温度60；冷流体进口温度29，出口温度为39，该换热器用循环冷却水冷却，冬天操作时，其进口温度会降低，考虑到这一要素，预计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，所以初步确立采纳浮头式换热器。2管程安排从两物流的操作压力看，应使混杂气体走管程，循环冷却水走壳程。但因为循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增加速度，使换热器的热流量下降，所以从整体考虑，应使循环水走管程，混平易体走壳程。文案大全适用标准文档三、确立物性数据定性温度：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均匀值。故壳程混平易体的定性温度为11060T=852管程流体的定性温度为3929t=342依据定

5、性温度，分别查取壳程和管程流体的相关物性数据。对混杂气体来说，最靠谱的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混杂无辜组分的相关物性数据，而后依照相应的加和方法求出混平易体的物性数据。混平易体在85下的相关物性数据以下（来自生产中的实测值）：密度190kg/m3定压比热容cp1=3.297kj/kg?热导率1=0.0279w/m?粘度-51=1.510Pa?s循环水在34下的物性数据：密度1=994.3/m3定压比热容cp1=4.174kj/kg?K热导率1=0.624w/m?K-3粘度1=0.74210Pa?s文案大全适用标准文档四、估量传热面积1.热流量Q1=m1cp1t1=2318

6、013.297(110-60)=3.82107kj/h=10614.554kw2.均匀传热温差先依照纯逆流计算，得tm=(11039)(6029)48.3K11039ln29603.传热面积因为壳程气体的压力较高，故可采纳较大的K值。假设K=320W/(k)则估量的传热面积为Ap=Q110614554686.76m2Ktm32048.34.冷却水用量Q110614554m=cpiti=4.174103254.3kg/s915486.2kg/h10文案大全适用标准文档五、工艺结构尺寸1管径和管内流速采纳252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。2管程数和传热管数可依照传热

7、管内径和流速确立单程传热管数Ns=V915486.2/(3600994.3)62720.7850.0221.34diu按单程管计算，所需的传热管长度为Ap686.7614mL=3.140.025627dons按单程管设计，传热管过长，宜采纳多管程结构。依据本设计实质状况，采纳非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为L14Np=2l7传热管总根数Nt=6272=12543.传热温差校均匀正及壳程数均匀温差校订系数：T1-T2110605R=t13929t2P=t2t139290.124T1t111029按单壳程，双管程结构，查【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：图5-19得：

8、0.96均匀传热温差tmttm塑0.9648.346.4K因为均匀传热温差校订系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程适合。4.传热管摆列和分程方法采纳组合摆列法,即每程内均按正三角形摆列,隔板双侧采纳正方形摆列。见【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：图6-13。取管心距t=1.25d0，则t=1.2525=31.2532隔板中心到离其最.近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。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序次按【化文案大全适用标准文档学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：图6-8采纳。5壳体内

9、径采纳多管程结构，进行壳体内径估量。取管板利用率=0.75，则壳体内径为：D=1.05tNT/1.05321254/0.751374mm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Di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：Dit（nc1）2e管子按正三角形摆列：nc1.1Nt1.1125439取e=1.2d0=1.225=30mmDi=32（39-1）+230=1276mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：Di=1400mm6折流挡板采纳圆缺形折流挡板，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=0.2

10、51400=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NB传热管长7000114.514折流板间距1450折流板圆缺面水平装置，见图：【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：图6-9。7其余附件拉杆数目与直径采纳，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为16拉杆数目8，此中长度5950mm的六根，5500mm的两根。壳程进口处，应设置防冲挡板。8接收壳程流体进出口接收：取接收内气体流速为u1=10m/s，则接收内径为4V4231801/(360090)0.302D13.1410圆整后可取管内径为300mm。

11、管程流体进出口接收：取接收内液体流速u2=2.5m/s，则接收内径为4915486.2/(3600994.3)D23.142.50.361文案大全适用标准文档圆整后去管内径为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【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：式（5-72a）：0.361Re01)0.1400.55Pr3(dew当量直径，依【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：式（5-73a）得43t24do2de=20.02mdo壳程流通截面积：SoBD(1do)4501400(125)0.1378t32壳程流体流速及其雷诺数分别为231801/(36

12、0090)uo0.13785.2m/sReodeu00.025.2906240001.5105普朗特数cp3.2971031.5105Pr0.02791.773粘度校订()0.141wo0.360.02796240000.551.7730.02（2）管内表面传热系数：1935.7w/m2K3i0.023iRe0.8Pr0.4di管程流体流通截面积：Si0.7850.02212540.19692管程流体流速：文案大全适用标准文档915486.2/(3600994.3)ui0.19691.3m/s雷诺数：Re0.021.3994.3/(0.742103)34841普朗特数：4.1741030.74

13、2103Pr0.6244.960.0230.624348410.84.960.45858w/m2K0.023）污垢热阻和管壁热阻：【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：表5-5取：管外侧污垢热阻Ro0.0004m2k/w管内侧污垢热阻Ri0.0006m2k/w管壁热阻按【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：图5-4查得碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以Rw0.00250.00005m2k/w50（4）传热系数Ke有：Ke1(doRidoRwdoRo1)idididmo1250.0006250.000052515858202022.50.0004935.7402w/m2K

14、（5）传热面积裕度：计算传热面积Ac：AcQ110614.554103546.7m2Ketm40248.3该换热器的实质传热面积为Ap：ApdolNT3.140.02571254689.1m2该换热器的面积裕度为HApAc689.1546.726%Ac546.7文案大全适用标准文档传热面积裕度适合，该换热器可以完成生产任务。2.壁温计算Twtm因为管壁很薄，并且壁热阻很小，故管壁温度可按式tw1cn计算。因为该1cn换热器用循环水冷却，冬天操作时，循环水的进口温度将会降低。为保证靠谱，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为39计算传热管壁温。其余，因为传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温高升

15、，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，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，所以，取双侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：Twtmtwcn11cn式中液体的均匀温度tm平易体的均匀温度分别计算为tm0.439+0.615=24.6Tm(110+60)/2=85ci5858w/Kho935.7w/K传热管均匀壁温tw32.3壳体壁温，可近似取为壳程流体的均匀温度，即T=85。壳体壁平易传热管壁温之差t8532.352.7。该温差较大，故需要设温度赔偿装置。因为换热器壳程压力较大，所以，需采纳浮头式换热器较为适合。3换热器内流体的流动阻力（1）管程

16、流体阻力pt(pipr)NsNpFsNs1,Np2,piilu2di2由Re=34841，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图:【化学工业第一版社化工原理（第三版）上册】：图1-27得i0.04，流速ui=1.3m/s,994.3kg/m3,所以：文案大全适用标准文档pi0.0471.32994.311762.57Pa20.02pru23994.31.322520.55Pa22p1(11762.572520.55)21.542849.4Pa管程流体阻力在同意范围以内。（2）壳程阻力：按式计算ps(popi)FsNs,Ns1,Fs1流体流经管束的阻力poFfoNTC(NB1)uo22F=0.5fo5

17、5880000.2280.2419NTC1.1NT0.51.112540.539NB14u05.2m/spo905.220.50.241939(14+1)=86095.6Pa2流体流过折流板缺口的阻力pi2Buo2NB(3.5)2,B=0.45m,D=1.4mD20.45905.22pi14(3.5)48672Pa1.42总阻力ps86095.6+48672=1.35105Pa因为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合。文案大全适用标准文档（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/29/39110/60压力/MPa

18、0.46.9物定性温度/3485性密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kg?K）4.1743.297粘度/（Pa?s）0.7421031.5105热导率（W/m?K）0.6240.0279普朗特数4.961.773设形式浮头式壳程数1备壳体内径/1400台数1结管径/252.5管心距/32构参管长/7000管子摆列正三角形数摆列管数目/根1254折流板数/个14传热面积/689.1折流板间距/450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/（?K）5858935.7污垢热阻/（?K/W）0.00060.0004阻力/MPa0.04285

19、0.135热流量/KW10615传热温差/K48.3传热系数/W/（?K）400裕度/%26%文案大全适用标准文档七、结构设计1、浮头管板及钩圈法兰结构设计：因为换热器的内径已确立，采纳标准内径决、定浮头管板外径及各结构尺寸（参照化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：第四章第一节及GB151）。结构尺寸为：浮头管板外径：D0Di2b11400251390mm浮头管板外径与壳体内径缝隙：取b15mm（见化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：表4-16）；垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）:表4-16：取bn16mm浮头管板密封面宽度：

20、b2bn1.517.5mm浮头法兰和钩圈的内直径：DfiDi（2b1bn）14002（516）1358mm浮头法兰和钩圈的外直径：Df0Di801400801480mm外面盖内径：DDi10014001001500mm螺栓中心圆直径：Db（D0Df0）/2（13901480）/21435mm其余尺寸见化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：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长颈对焊法标准采纳。并确立各结构尺寸，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：图4-50（

21、a）所示。3、管箱结构设计：采纳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：Lgminhf2Cdgh1h23202100377350501297mm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（化学工业第一版社第一版）：图4-50（a）所示。4、固定端管板结构设计：依照选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确立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（化学工业第一版社第一版）：图4-50（b）文案大全适用标准文档所示。5、外面盖法兰、外面盖侧法兰设计：依工艺条

22、件，壳侧压力、温度及公称直径DN1500mm；按JB4703-93长颈法兰标准采纳并确立尺寸。6、外面盖结构设计：外面盖结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：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立厚度后决定，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：图4-51。7、垫片选择：a.管箱垫片：依据管程操作条件（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（化学工业第一版社第一版）：图4-39（b）所示：D1508mm;d1400mm.b.外面盖垫片：依据壳程操作条件（混杂气体，压力6.9Mpa，

23、温度85。C），选环绕式垫片，垫片：1609mm1500mm（JB4705-92）环绕式垫片。c.浮头垫片：依据管壳程压差，混杂气体温度确立垫片为金属包石棉垫，以浮动管板结构确立垫片结构尺寸为1390mm1358mm；厚度为3mm;JB4706-92金属包垫片。8、鞍座采纳及安装地址确立：鞍座采纳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（化学工业第一版社第一版）：图4-44所示此中：L6700，LB0.6L0.667004020mm取：LB4000mm，LCLC1350mm9、折流板部署：折流板尺寸：外径：DDN8140081392mm；厚度取8mm

24、前端折流板距管板的距离最少为850mm；结构调整为900mm；见化工单元过程及设备课程设计（化学工业第一版社第一版）：图4-50（c）后端折流板距浮动管板的距离最少为950mm；实质折流板间距B=450mm，计算折流板数为12块。10、说明:在设计中因为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，对壳体及外面盖法兰没法直接采纳标准值，只好进行非标设计强度计算。文案大全适用标准文档八、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，查得资料85。C时许用应力t163Mpa；过程设备设计（第二

25、版）化学工业第一版社。取焊缝系数=0.85，腐化裕度C2=1mm；对16MnR钢板的负误差C1=0依据过程设备设计（第二版）化学工业第一版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公式：=PcDi从而：t2Pc计算厚度：=6.9140035.75mm1630.856.92设计厚度：dC235.75136.75mm名义厚度：有效厚度：ndC136.75mm圆整取n38mmenC1C237mm水压试验压力：PT1.25Pct1.256.918.625Mpa所选资料的敬佩应力水式实验应力校核：325Mpa（Di）（）PTe8.625140037t2237167.5Mpae167.5Mpa0.9s0.90.

26、85325248.625Mpa水压强度满足气密试验压力：PTPc6.9Mpa2、外面盖短节、封头厚度计算：外面盖内径=1500mm，其余参数同筒体：短节计算壁厚：S=PcDi=6.91500t216338.3mm2Pc0.856.9短节设计壁厚：SdSC238.3139.3mm短节名义厚度：文案大全适用标准文档SnSdC139.3mm圆整取Sn=40mm有效厚度：SeSnC1C239mm压力试验应力校核：（Di）（）PTe8.625150039t2239170.2Mpae压力试验满足试验要求。外面盖封头采纳标准椭圆封头：封头计算壁厚：S=PcDi=6.91500t0.5Pc37.822mm22

27、1630.850.56.9封头名义厚度：SnSC1C237.822138.822mm取名义厚度与短节等厚：Sn40mm3、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0.4Mpa，采纳16MnR钢板，资料许用应力t170Mpa，敬佩强度s345Mpa，取焊缝系数=0.85，腐化裕C2=2mm计算厚度：S=PcDi=0.414002t21701.94mmPc0.850.4设计厚度：SdSC21.9423.94mm名义厚度：SnSdC13.94mm结合考虑开孔补强及结构需要取Sn8mm有效厚度：SeSnC1C28-26mm压力试验强度在这类状况下必定满足。文案大

28、全适用标准文档管箱封头取用厚度与短节同样，取Sn8mm4、管箱短节开孔补强校核开孔补强采纳等面积补强法，接收尺寸为3779，考虑实质状况选20号热轧碳素钢管t130Mpa，3779，C2=1mm接收计算壁厚：StPcDi0.43770.68mm2t21300.85Pc0.4接收有效壁厚：SetSntC1C29-1-90.156.65mm开孔直径：ddi2C3772922.35363.7mm接收有效补强高度：B=2d=2363.7=727.4mm接收外侧有效补强高度：h1dSnt363.7957.2mm需补强面积：A=dS=363.71.94=705.6mm2可以作为补强的面积：A1（B-d）(

29、Se-S)（727.4363.7）（61.94）1476.6mm2A22h（1Set-St）fr257.2（6.650.68）130/170522.3mm2A1A21476.6522.31998.9A705.6mm2该接收补强的强度足够，不需另设补强结构。5、壳体接收开孔补强校核：开孔校核采纳等面积补强法。采纳20号热轧碳素钢管32512tC2=1mm钢管许用应力：137Mpa，接收计算壁厚：StPcDi6.93257.98mm2tPc213716.9接收有效壁厚：SetSntC1C212-1-120.159.2mm开孔直径：ddi2C3252122（1120.15）306.6mm文案大全适用

30、标准文档接收有效补强厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接收外侧有效补强高度：h1dSnt306.61260.7mm需要补强面积：A=d=306.635.75=10960.95mm2可以作为补强的面积为：A1（B-d）(e-)（613.2306.6）（3735.75）383.25mm2A22h（S-St）fr260.7（9.27.98）137/170119.4mm21et尚需另加补强的面积为：A4A-A1-A210960.95-383.25-119.410458.3mm2补强圈厚度：SkA410458.336.3mmBd0613.2325实质补强圈与筒体等厚：Sk38mm；则另行补强面

31、积：A4SK(B-d0)238（613.2325）10951.6mmA1A2A4383.25119.410951.611454.25mm22A10960.95mm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纳BS法。假设管板厚度b=100mm。总换热管数目n=1254；一根管壁金属横截面积为：a（d02di2）（252202）176.6mm244开孔温度削弱系数（双程）：0.5两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L取6850mm计算系数K：K21.32Dina1.3214001254176.614.85bLb1000.56850100K=3.855接收

32、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第一版社：图4-45，图4-46，图4-47得：G12.9,G2-0.65,G32.8文案大全适用标准文档管板最大应力:t1Pa（PsPt）G216.41（6.90.4）（0.65）57.4Mpa0.2330.607或t1Pa（PsPt）G316.41（6.90.4）2.8101.2Mpa0.2330.607筒体内径截面积：ADi2140021538600mm244管板上管孔所占的总截面积：Cnd021254252615555.8mm244系数系数A-C1538600615555.8A0.61538600na1254176.6A-C15386000.24615555.8壳程压力：Ps6.9Mpa管程压力:Pl0.4Mpa当量压差：PaPs-P（l1）6.90.4（10.24）6.404Mpa管板采纳16Mn锻