列管式换热器课程设计

1-——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、确定设计方案31.选择换热器的类型2.管程安排确定物性数据4估算传热面积51.热流量2.平均传热温差3.传热面积4.冷却水用量工艺结构尺寸61.管径和管内流速2.管程数和传热管数3.传热温差校平均正及壳程数TC"平均传热温差校正及壳程数"\fC4.传热管排列和分程方法5.壳体内径6.折流挡板77.其他附件8.接管换热器核算81.热流量核算2.壁温计算103.换热器内流体的流动阻力结构设计131.浮头管板及钩圈法兰结构设计2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计3.管箱结构设计4.固定端管板结构设计5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设计146.外头盖结构设计7.垫片选择8.鞍座选用及安装位置确定9.折流板布置10.说明强度设计计算151.筒体壁厚计算2.外头盖短节、封头厚度计算3.管箱短节、封头厚度计算164.管箱短节开孔补强校核175.壳体接管开孔补强校核6.固定管板计算187.浮头管板及钩圈198.无折边球封头计算9.浮头法兰计算20九、参考文献20一、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231801，压力为6.9，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39℃，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）密度定压比热容℃热导率℃粘度循环水在34℃下的物性数据：密度定压比热容K热导率K粘度二、确定设计方案TC"确定设计方案"\fC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。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TC"确定物性数据"\fC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==85℃管程流体的定性温度为 t=℃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）：密度定压比热容=3.297kj/kg•℃热导率=0.0279w/m•℃粘度=1.5×10-5Pa•s 循环水在34℃下的物性数据：密度 =994.3㎏/m3定压比热容 =4.174kj/kg•K热导率 =0.624w/m•K粘度 =0.742×10-3Pa•s四、估算传热面积TC"估算传热面积"\fC1.热流量TC"热流量"\fCQ1==231801×3.297×(110-60)=3.82×107kj/h=10614.554kw平均传热温差TC"平均传热温差"\fC先按照纯逆流计算，得=传热面积TC"传热面积"\fC由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(㎡k)则估算的传热面积为Ap=4.冷却水用量TC"冷却水用量"\fCm==五、工艺结构尺寸TC"工艺结构尺寸"\fC1．管径和管内流速TC"管径和管内流速"\fC选用Φ25×2.5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TC"管程数和传热管数"\fC可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为L=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l=7m，则该换热器的管程数为Np=传热管总根数Nt=627×2=1254传热温差校平均正及壳程数TC"平均传热温差校正及壳程数"\fC平均温差校正系数：R=P=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：平均传热温差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TC"传热管排列和分程方法"\fC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】：图6-13。取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32㎜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顺序按【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-8选取。5．壳体内径TC"壳体内径"\fC采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率η=0.75，则壳体内径为：D=1.05t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：管子按正三角形排列：取e=1.2=1.225=30mm=32（39-1）+230=1276mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：=1400mm6．折流挡板TC"折流板"\fC采用圆缺形折流挡板，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=0.25×1400=350m，故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。折流板数目折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-9。7．其他附件TC"其他附件"\fC拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为Ф16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。8．接管TC"接管"\fC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=2.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为360mm六、换热器核算TC"换热器核算"\fC热流量核算TC"热流量核算"\fC（1）壳程表面传热系数TC"（1）壳程表面传热系数"\fC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）：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=壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数粘度校正 （2）管内表面传热系数TC"（2）管内表面传热系数"\fC：管程流体流通截面积： 管程流体流速： 雷诺数： 普朗特数：污垢热阻和管壁热阻：TC"（3）污垢热阻和管壁热阻"\fC【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：表5-5取：管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻管壁热阻按【化学工业出版社《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/(m·K)。所以（4）传热系数TC"（4）传热系数"\fC有： 传热面积裕度TC"（5）传热面积裕度"\fC：计算传热面积Ac： 该换热器的实际传热面积为： 该换热器的面积裕度为 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，故管壁温度可按式计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，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℃，出口温度为39℃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和气体的平均温度分别计算为0.4×39+0.6×15=24.6℃(110+60)/2=85℃5858w/㎡·K935.7w/㎡·K传热管平均壁温℃壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85℃。壳体壁温和传热管壁温之差为℃。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。3．换热器内流体的流动阻力TC"换热器内流体的流动阻力"\fC（1）管程流体阻力TC"（1）管程流体阻力"\fC ,,由Re=34841，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图:【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图1-27得，流速=1.3m/s,,所以：管程流体阻力在允许范围之内。壳程阻力：TC"（2）壳程阻力"\fC按式计算 ,,流体流经管束的阻力 F=0.50.5×0.2419×39×(14+1)×=86095.6Pa流体流过折流板缺口的阻力,B=0.45m,D=1.4mPa总阻力86095.6+48672=1.35×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TC"（3）换热器主要结构尺寸和计算结果"\fC见下表：参数管程壳程流率915486.2231801进/出口温度/℃29/39110/60压力/MPa0.46.9物性定性温度/℃3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/[kj/（kg•K）]4.1743.297粘度/（Pa•s）0.742×1.5×热导率（W/m•K）0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/㎜1400台数1管径/㎜Φ25×2.5管心距/㎜32管长/㎜7000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/㎜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/MPa0.042850.135热流量/KW10615传热温差/K48.3传热系数/[W/（㎡•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：浮头管板外径与壳体内径间隙：取（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：取浮头管板密封面宽度：浮头法兰和钩圈的内直径：浮头法兰和钩圈的外直径：外头盖内径：螺栓中心圆直径：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：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。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；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。外头盖结构设计：外头盖结构如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-51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，温度34）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：b.外头盖垫片：根据壳程操作条件（混合气体，压力，温度85），选缠绕式垫片，垫片：（JB4705-92）缠绕式垫片。c.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3mm;JB4706-92金属包垫片。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：取：9、折流板布置：折流板尺寸：外径：；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，设计压力等于工作压力为6.9M，选低合金结构钢板16卷制，查得材料85时许用应力；《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=1mm；对16钢板的负偏差=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：=从而：计算厚度：=mm设计厚度：mm名义厚度：圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足气密试验压力：2、外头盖短节、封头厚度计算：外头盖内径=1500mm，其余参数同筒体：短节计算壁厚：S==短节设计壁厚：短节名义厚度：圆整取=40mm有效厚度：压力试验应力校核：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==封头名义厚度：取名义厚度与短节等厚：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0.4M，选用16MnR钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=2mm计算厚度：S==设计厚度：名义厚度：结合考虑开孔补强及结构需要取有效厚度：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，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，，=1mm接管计算壁厚：mm接管有效壁厚：开孔直径：接管有效补强高度：B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度：需补强面积：A=dS=363.71.94=705.6可以作为补强的面积：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号热轧碳素钢管钢管许用应力：，=1mm接管计算壁厚：接管有效壁厚：开孔直径：接管有效补强厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：需要补强面积：A=d=306.635.75=10960.95可以作为补强的面积为：尚需另加补强的面积为：补强圈厚度：实际补强圈与筒体等厚：；则另行补强面积：同时计算焊缝面积后，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：开孔温度削弱系数（双程）：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：K=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》化学工业出版社：图4-