列管式换热器课程设计报告书资料

1、专业资料专业资料wordword完美格式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 月日目录一、化工原理课程设计任务书2二、确定案二、确定案31,选择换热器的类型三、确定物据4四、估算传积5.热流量.平均传热温差七、结构设计13 TOC o 1-5 h z 设计方.管程安排 性数热面.传热面积4,冷却水用量五、工艺结构寸6管径和管内流速6.折流管程数和传热管数板7传热温差校平均正及壳程数7,其他附件传热管排列和分程方法8,接管壳体内径六、换热器核算81,热流量核算102,壁温计 3,换热器内流体的流动阻力算 HYPERLINK l bookmark222

2、o Current Document 七、结构设1.浮头管板及钩圈法兰结构设计5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计计,.,143.管箱结构设计6.外头盖结构设计4.固定端管板结构设计7.垫片选择鞍座选用及安装位置确定折流板布置10. 说明八、强15. 固 定 管 板算. 固 定 管 板算18.浮头管板及钩圈19.无折边球封头计算. 浮 头 法 兰算20.外头盖短节、封头厚度计算.管箱短节、封头厚度计 TOC o 1-5 h z 算16.管箱短节开孔补强校核17.壳体接管开孔补强校核九、参考文献20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。反应器的混合气体

3、经与进料物流换热后， 用循环冷却水将其从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 231801kg/h ,压力为6.9 MPa ,循环冷却水的 压力为0.4 MPa ,循环水的入口温度为29C,出口白温度为39C,试设计一列管式换热器，完成生产任务。已知：密度混合气体在85c下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）密度90 kgm定压比热容cp1 3.297kj kggC热导率 10.0279 w/mg C粘度 1 1.5 10 5Pags密度循环水在34c下的物性数据:密度994.3kg m3定压比热容cp1 4.174kj kggK热导率 1

4、 0.624 wmgK粘度 1 0.742 10 3Pags.、确定设计方案.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 C,出口温度为 39C,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。.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

5、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=110 602T=110 602=85 C管程流体的定性温度为39 29239 29234 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 Cp1 =3.297kj/kg ? C热导率i=0.0279w/m? C粘度1 =1.5 X i0-5Pa? s循环水在34 c下的物性

6、数据：3笥度i=994.3 kg /m定压比热容cpi=4.174kj/kg ? K热导率i=0.624w/m? K粘度1=0.742 X 10-3Pa? s四、估算传热面积.热流量Q - Cp1 t1=231801X 3.297 X (110-60)=3.82 X 107kj/h=10614.554kw.平均传热温差先按照纯逆流计算，得tm.(110 39) (60 29)=48.3 K110 39ln 60 293.传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的 积为K值。假设K=320W/(itf k)则估算的传热面Ap=Qi10614554K tm 320 48.3686.76m24.

7、冷却水用量m=-cQi106145547T 4.174 103 102543kg/s 9154862kg/h五、工艺结构尺寸1 1 .管径和管内流速选用25X2.5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据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=915486.2/(3600 994.3)4di2u按单程管计算，所需的传热管长度为20.785 0.0221.3627L=A dons686.763.14 0.025 62714mNp=传热管总根数Np=传热管总根数按单程管设计，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=7

8、m,则该换热器的管程数为L 14 o 2l 7Nt=627 X 2=1254.传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数：R=Ti -T2110 60R=12 t139 29P=t2 tP=t2 ti39 290.124Ti ti 110 29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：0.96平均传热温差tmt 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。.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】

9、：图6-13。取管心距 t=1.25d 0,贝U t=1.25 X 25=31.25 =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=22mm各程相邻管的管心距为 44 mmo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。.壳体内径采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率刀=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 Di应等于或大于（在浮头式

10、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 1.1, Nt 1.11254 39取 e=1.2 d0=1.2 25=30mmDi =32(39-1 ) +230 =1276mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整:Di =1400mm25%则切去的圆缺.25%则切去的圆缺高度为h=0.25X1400=350m,故可取 h=350mm取折流板间距B=0.3D,贝U B=0.3X h=0.25X1400=350m,故可取 h=350mm取折流板间距B=0.3D,贝U B=0.3X 1400=420mm 可取 B 为 45

11、0mm折流板数目Nb传热管长折流板间距1 7000 145014,5 14化工原理（第三版）上册】：图6-9化工原理（第三版）上册】：图6-9。1400mm故其拉杆直径为中16拉杆数折流板圆缺面水平装配， 见图：【化学工业出版社.其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为量8,其中长度5950mma勺六卞5500mma勺两根。壳程入口处，应设置防冲挡板。.接管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nRV；4 231801/（3600 90） nD1 J t 0.302、33,14 10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.

12、5m/s,则接管内径为4 915486.2/（3600 994.3）D2 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（5-72a）:0 0.36,Re。55 Pr 13（）0.14dew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,3 224 de = -24 0.02mdo壳程流通截面积：d-25.SoBD（1o） 450 1400（1 一）0.1378t32壳程流体流速及其雷诺数分别为Uo231801/(3600 90) 52m/s0.

13、1378Reo普朗特数Prcp_ _ _ 3_ 53.297 103 1.5 10 5 177。1.7730.0279粘度校正Reo普朗特数Prcp_ _ _ 3_ 53.297 103 1.5 10 5 177。1.7730.0279粘度校正(一)0.14wo 0.3600279 6240000.55 1.7733 935.7w/m2 K(2)管内表面传热系数:0.023Re0.8di0.4Pr管程流体流通截面积:Si20.785 0.0221254-1254 0.19692管程流体流速:deU00.02 5.2 90 6240001.5 10 5uui915486.2/(3600 994.

14、3) 1 3m/s0.1969.雷诺数:Re0.02 1.3 994.3/(0.742 10 3) 34841普朗特数:0.624。0230.624。023 畿 348.8 4960.45858w/m2 K4.174 103 0.742 103Pr4.96(3)污垢热阻和管壁热阻：:表5-5:表5-5取:管外侧污垢热阻 Ro 0.0004m2 k/w管内侧污垢热阻 Ri0.0006m2 k/w管壁热阻按【化学工业出版社化工原理件下的热导率为50w/(m K)。所以Rw(第三版)0.0025上册】：图5-4查得碳钢在该条500.00005m2 k/w(4)传热系数Ke有:RidoRwdodidm

15、1Rot)o255858 202402w/m2 K0.0006 25200.00005 2510.0004 22.5935.7(5)传热面积裕度：计算传热面积Ac：AcQiKe tm10614.554 103402 48.32546.7m2该换热器的实际传热面积为ApdoM3.14 0.025 71254 689.1m2该换热器的面积裕度为689.1 546.7546.726%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。.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twT因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式twTwcn计算。由于该为确保可靠，取循环冷却换热器用循环水冷却，冬

16、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15 C,出口温度为39c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 0.4 X 39+0.6 X 15=24.6 C传热管平均壁温Tm(110+60)/2=85 Ci 5858w/ m2传热管平均壁温Tm(110+60)/2=85 Ci 5858w/ m2 - Ko 935

17、.7w/ m2 - Ktw32.3 c为 t 85 32.3 52.7 CoT=85C。T=85C。壳体壁温和传热管壁温之差.换热器内流体的流动阻力Pt (PiPr)NsNpFPt (PiPr)NsNpFsNsNp 2 ,l u2Pi GW-由Re=34841,传热管对粗糙度0.01:【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:Pi0.04 0.021.32994 3_994 11762.57PaPi0.04 0.021.32994 3_994 11762.57PaPr994.3 1.32 2520.55PaP1(1

18、1762.572520.55) 21.5 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, Fs1,流体流经管束的阻力2PoF3Ntc(Nb1)2-F=0.5fo5 588000 0.228 0.2419NTC 1.1NT0.5 1.1 12540.539Nb 14 U0 5.2m/s290 5.2po 0.5 X 0.2419 X 39X(14+1) X=86095.6Pa2流体流过折流板缺口的阻力2B uo2Pi Nb (3.5) , B=0.45 m , D=1.4mD 22 0.4590 5.22pi 14 (3.5 )

19、 48672 Pa1.42总阻力5 ps 86095.6+48672=1.35 X 10 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/c3485密度/ (kg/m3)994.390定压比热容/kj/(kg? K)4.1743.297粘度/ (Pa? s)0.742 X 10 31.5 X 10 5热导率(W/m? K)0.6240.0279普朗特数4.961.773务设形式浮头式壳程数1壳体内径/ mm14

20、00台数1管径/ mm 25X2.5管心距/ mm32管长/ mm7000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/689.1折流板间距/mm450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表向传热系数/W/ （/？ K）5858935.7污垢热阻/ （itf ? 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/ (itf ? 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、定浮头管板外径及各结构尺寸（参照化工

21、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 2bl 1400 2 5 1390mm浮头管板外径与壳体内径间隙：取bi 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 1.5 17.5mm浮头法兰和钩圈的内直径：DfiDi2(b1bn) 1400 2 (516)1358mm浮头法兰和钩圈的外直径：Df0Di801400 80 1480mm外头盖内径：D Di 100 1400

22、 100 1500mm螺栓中心圆直径：Db (D0 Df0) /2 (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：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

23、 _Lgmin hf 2C 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

24、工单元过程及设备课程设计(化学工业出版社出版)：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4-39 (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85O,选缠绕式垫片，垫片：1609mm 1500mm （JB4705-92 ） 缠绕式垫片。c.浮头垫片：根据管壳程压差，

25、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 1358mm；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 Lr 0.6L 0.6 6700 4020mmB . . 取：LB 4000mm, LC LC 1350mm9、折流板布置：折流板尺寸：外径：D DN 8 1400 8 1392mm ；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见化工单元过程及

26、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 163Mp a ；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=1mm16MnR钢板的负偏差

27、 C1 =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：PcDi=1从而：2 Pc6.9 1400计算厚度：=35.75mm2 163 0.85 6.9设计厚度：d C2 35.75 1 36.75mm专业资料专业资料wordword完美格式专业资料专业资料Sn Sn S C1 C2 37.822 1 38.822mmword完美格式名义厚度：n d Ci 36.75mm 圆整取38mm有效厚度：e n C1 C2 37mm水压试验压力：PT 1.25Pc-f 1.25 6.9 1 8.625Mpa所选材料的屈服应力s 325Mp asa水式实验应力校核:P

28、r（Die）8.625（1400 37）水式实验应力校核:Pr（Die）8.625（1400 37）2 37167.5Mpa167.5Mpa 0.9 s 0.9 0.85 325 248.625Mp 167.5Mpa 0.9 s 0.9 0.85 325 248.625Mp a 水压强度满足气密试验压力：PT Pc 6.9Mpa2、外头盖短节、封头厚度计算:外头盖内径=1500mrm其余参数同筒体：短节计算壁厚：。FCDi6.9 1500S=c-i= 38.3mm2 tFC 2 163 0.85 6.9短节设计壁厚：Sd S C2 38.3 1 39.3mm短节名义厚度：Sn Sd C1 39

29、.3mm圆整取 s=40mm有效厚度：Se Sn C1 C2 39mm压力试验应力校核:Pt（ D ie）Pt（ D ie）2 e8.625（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=37.822mmPcDi_6.9 1500S=37.822mm2 t0.5PC 2 163 0.85 0.5 6.9封头名义厚度:取名义厚度与短节等厚： Sn 40mm 3、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,设计压力为0.4Mpa,选用16MnR钢板，材料许用应力t 170Mpa,屈服强度s 345Mpa,取焊缝系数

30、=0.85 ,腐蚀裕度 C2 =2mm 计算厚度：。PCDi0.4 1400S= c_i= 1.94mm2Pc 2 170 0.85 0.4设计厚度：Sd S C2 1.94 2 3.94mm 名义厚度：Sn Sd C13.94mm结合考虑开孔补强及结构需要取 Sn 8mm有效厚度：Se Sn C1 C2 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，接管尺寸为素钢管 t 130Mpa 4 、管箱短节开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为素钢管 t 130Mpa ,377 9, C2=1

31、mm接管计算壁厚：Q皿Stt HYPERLINK l bookmark210 o Current Document 2Pc接管有效壁厚：Set Snt Ci C2开孔直径：d di 2C 377377 9,考虑实际情况选 20号热轧碳0.4 3770.68 mm2 130 0.85 0.49-1-9 0.15 6.65mm2 9 2 2.35 363.7mm接管有效补强高度:B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度：h1dSnt363.7 9 57.2mm需补强面积： A=d S=363.7 1.94=705.6 mm2可以作为补强的面积：20.68) 130/170 522

32、.3mm22705.6mmA1 (B-d)(S0.68) 130/170 522.3mm22705.6mmA2 2h 1( Set-St) fr 2 57.2 (6.65A1 A2 1476.6 522.3 1998.9 A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 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:StPcDitStPcDit6.9 325Pc2 137 16.97.98mm接管有效壁厚:SetSntCiCS

33、etSntCiC212-1-120.159.2mm开孔直径:di 2C325di 2C3252 12 2(1 12 0.15) 306.6mm接管有效补强厚度：B=2d=2接管有效补强厚度：B=2d=2接管外侧有效补强高度:306.6=613.2mmh1h1dSnt306.6 12 60.7mm需要补强面积:A=d=306.635.75=10960.95 A=d=306.635.75=10960.95 mm2可以作为补强的面积为:(B-d)(一 可以作为补强的面积为:(B-d)(一 _ _ 2)(613.2 306.6) (37 35.75) 383.25mm2A22hA22h1(SeSt)f

34、r 2 60.7 (9.2 7.98) 137/170 119.4mm2尚需另加补强的面积为:A-A1-A尚需另加补强的面积为:A-A1-A2 _210960.95 - 383.25-119.4 10458.3nm补强圈厚度:A 4B do10458.336.3mmA 4B do10458.336.3mm613.2 325实际补强圈与筒体等厚：Sk 38 mm则另行补强面积:A4 SK(B-d0) 38 (613.2 325) 10951.6mm2A1 A2 A4 383.25 119.4 10951.6 11454.25mm2 A 10960.95mn 2同时计算焊缝面积 A3后，该开孔补强

35、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)1766mm244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：K2na1.32瓦？ Lb1.3214001254 176.61000.56850 10014.85K=3.855接管板筒支考虑,依K2na1.32瓦？ Lb1.3214001254 176.61000.56850 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

36、工业出版社：图4-45 ,图 4-46 ,图 4-47得：G12.9,G2 -0.65, G3232.8管板最大应力：t - Pa(PsFt)G20.2336.41(6.90.4)( t - Pa(PsFt)G20.2336.41(6.90.4)( 0.65)0.60757.4MpaT 1 c或tFa(R Pt) G31 人(6.9 0.4)2.86.41 0.2330.607101.2Mpa筒体内径截面积： TOC o 1-5 h z A d2 14002 1538600mm2 44管板上管孔所占的总截面积：c ? n 2125422Cd025 615555.8mm44系数A-C1538600 615555.80.61538600系数A-C15