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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 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MPa 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 3 1 90kg
2、m 定压比热容 1 3.297 p ckj kgA 热导率 1 0.0279w mA 粘度 5 1 1.5 10 Pa s A 循环水在 34下的物性数据： 密度 3 1 994.3kg m 定压比热容K 1 4.174 p ckj kgA 热导率K 1 0.624w mA 粘度 3 1 0.742 10 Pa s A 目录目录 1、确定设计方案、确定设计方案.- 5 - 1.1 选择换热器的类型.- 5 - 1.2 流程安排.- 5 - 2、确定物性数据、确定物性数据.- 5 - 3、估算传热面积、估算传热面积.- 6 - 3.1 热流量.- 6 - 3.2 平均传热温差.- 6 - 3.3
3、 传热面积.- 6 - 3.4 冷却水用量 .- 6 - 4、工艺结构尺寸、工艺结构尺寸.- 6 - 4.1 管径和管内流速.- 6 - 4.2 管程数和传热管数.- 6 - 4.3 传热温差校平均正及壳程数.- 7 - 4.4 传热管排列和分程方法.- 7 - 4.5 壳体内径.- 7 - 4.6 折流挡板.- 8 - 4.7 其他附件.- 8 - 4.8 接管.- 8 - 5、换热器核算、换热器核算.- 9 - 5.1 热流量核算.- 9 - 5.1.1壳程表面传热系数.- 9 - 5.1.2管内表面传热系数.- 9 - 5.1.3污垢热阻和管壁热阻.- 10 - 5.1.4传热系数.-
4、10 - 5.1.5传热面积裕度.- 10 - 5.2 壁温计算.- 10 - 5.3 换热器内流体的流动阻力.- 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、结构设计、结构设计.- 13 - 6.1 浮头管板及钩圈法兰结构设计.- 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 - 6.
5、8 鞍座选用及安装位置确定.- 15 - 6.9 折流板布置.- 16 - 6.10 说明.- 16 - 7、强度设计计算、强度设计计算 .- 16 - 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 浮头管板及钩圈.- 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 .- 23 - 1、确定设计方案、确定设计方案 1.1 选择
6、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。 1.2 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、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
7、出 口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为 T= =85 2 60110 管程流体的定性温度为 t=34 2 2939 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 3 1 90kg m 定压比热容 1 3.297 p ckj kgA 热导率 1 0.0279w mA 粘度 5 1 1.5 10 Pa s A 循环水在 34 下的物性数据： 密度 3 1 994.3kg
8、 m 定压比热容k 1 4.174 p ckj kgA 热导率k 1 0.624w mA 粘度 3 1 0.742 10 Pa s A 3、估算传热面积、估算传热面积 3.1 热流量热流量 Q1= 111 tcm p =2203013.297(110-60)=3.64107kj/h =10098kw 3.2 平均传热温差平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 = m tK3 .48 2960 39110 ln )2960()39110( 3.3 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= 21 668 3 . 483
9、13 10098000 m tK Q m 3.4 冷却水用量冷却水用量 m= ipi tc Q 1 1010174 . 4 10098000 3 hkgskg/870855/ 9 . 241 4、工艺结构尺寸、工艺结构尺寸 4.1 管径和管内流速管径和管内流速 选用 252.5 较高级冷拔传热管（碳钢） ，取管内流速u1=1.3m/s。 4.2 管程数和传热管数管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 ns=596 3 . 102 . 0 785. 0 3 . 994/9 .241 4 2 2 ud V i 按单程管计算，所需的传热管长度为 L=m nd A so p 3 .
10、14 596025 . 0 14. 3 668 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=（管程）2 7 3 . 14 l L 传热管总根数 NT=5962=1192（根） 4.3 传热温差校平均正及壳程数传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数： R=5 2939 60110 tt T-T 12 21 P=124 . 0 29110 2939 tT tt 11 12 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： 96 . 0 t 平均传热温差 K 46.44
11、8.30.96 塑mtm tt 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。 4.4 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=1.2525=31.2532（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【化学工业出版社化工原理 （第三版）
12、上册】：图 6-8 选 取。 4.5 壳体内径壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率 =0.7 ，则壳体内 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： 壳体的内径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管 i D 板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为： e21ntD ci ）（ 管子按正三角形排列：3912541 . 1N1 . 1n tc 取 e=1.2=1.2 25=30mm 0 d =32 （39-1）+2 30 =1276mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆
13、 i D 整： =1400mm i D 4.6 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内径的 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）1414.51 450 7000 1NB 折流板间距 传热管长 折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社化工原理 （第三版） 上册】：图 6-9。 4.7 其他附件其他附件 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 12 拉杆数量 8，其中长度 5950m
14、m 的六根，5500mm 的两根。 壳程入口处，应设置防冲挡板。 4.8 接管接管 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 （m）294. 0 1014 . 3 )903600/(2203014 u 4V D1 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 （m）352. 0 5 . 214 . 3 ) 3 . 9943600/(8708554 2 D 圆整后去管内径为 360mm 5、换热器核算、换热器核算 5.1 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【化学工业出版社化工
15、原理 （第三版） 上册】： 式（5-72a）： 14 . 0 3 1 55 . 0 0 1 0 )(PrRe36 . 0 we d 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 = e d m d dt o o 02 . 0 025 . 0 14 . 3 025 . 0 785 . 0 032 . 0 2 3 4 42 3 4 22 2 2 壳程流通截面积： m t d BD o o 1378 . 0 ) 32 25 1 (4 . 145 . 0 )1 (S 壳程流体流速及其雷诺数分别为 smuo/76 . 4 1378 . 0 )903600/(220301
16、571200 105 . 1 9076 . 4 02 . 0 ud Re 5 0e o 普朗特数 773. 1 0279 . 0 105 . 110297 . 3 c Pr 53 p 粘度校正 1)( 14 . 0 w Kmw o 2 3 1 55 . 0 / 3 . 8891773 . 1 571200 02. 0 0279 . 0 36 . 0 5.1.2 管内表面传热系数 4 . 08 . 0 PrRe023 . 0 i i i d 管程流体流通截面积： 22 1871 . 0 2 1192 02 . 0 785. 0mSi 管程流体流速： smui/3 . 1 1871 . 0 )3
17、.9943600/(870855 雷诺数：34841)10742 . 0 /( 3 . 9943 . 102 . 0 Re 3 普朗特数： 96 . 4 624 . 0 10742 . 0 10174 . 4 Pr 33 K/585896. 434841 02 . 0 624 . 0 023 . 0 24 . 08 . 0 mw i 5.1.3 污垢热阻和管壁热阻 【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 wkmRo/0004 . 0 2 管内侧污垢热阻 wkmRi/0006 . 0 2 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
18、得碳钢在该件下的热导率为 50w/(mK)。所以 wkmRw/00005 . 0 50 0025 . 0 2 5.1.4 传热系数 K/394 3 . 891 1 0004. 0 5 .22 2500005 . 0 20 250006 . 0 205858 25 1 ) 1 ( 1 2 mw R d dR d dR d d K o o m ow i oi ii o e 5.1.5 传热面积裕度 计算传热面积 Ac： 2 3 1 552 4 . 46394 1010098 m tK Q A me c 该换热器的实际传热面积为 Ap 2 65511927025 . 0 14 . 3 mlNdA T
19、op 该换热器的面积裕度为 % 7 . 18 552 552655 c cp A AA H 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 5.2 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 计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水 nc n m c w w tT t 11 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
20、热阻为零计算传热管壁温。于是有： nc n m c w w tT t 11 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 m t 0.439+0.615=24.6 m t (110+60)/2=85 m T 5858w/m2K ic 891.3w/m2K oh 传热管平均壁温 6 .32 3 .891/15858/1 3 . 891/6 .245858/85 w t 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 。 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。 5.3 换热器内
21、流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力 5.3.1 管程流体阻力 spsrit FNNppp)( , , 1 s N2Np 2 2 u d l p i ii 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ui=1.3m/s，04 . 0 i , 所以 3 / 3 . 994mkg Papi57.11762 2 3 . 9943 . 1 02 . 0 7 04 . 0 2 Pa u pr55.2520 2 3 . 13 .994 3 2 22 Pap.4428495 . 12)5.525207.511762( 1 管程
22、流体阻力在允许范围之内。 5.3.2 壳程阻力 按式计算 , , ssios NFppp)(1 s N1 s F 流体流经管束的阻力 2 ) 1( 2 o BTCoo u NNFfp F=0.5 2435 . 0 5712005 228 . 0 o f 3811921 . 11 . 1 5 . 0 5 . 0 TTC NN 14 B Nsm/76 . 4 u0 0.50.243538(14+1)=70757Pa o p 2 76 . 4 90 2 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.45m , D=1.4m 2 ) 2 5 . 3( 2 o Bi u D B Np Pa41100 2 76
23、. 4 90 ) 4 . 1 45. 02 5 . 3(14 2 i p 总阻力 70757+41100=1.12Pa s p 5 10 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 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） 0.742 3 101.5 5 10 热导率（W/mK） 0.6240.0279 物性 普朗特数4.961.773
24、 形式浮头式壳程数1 壳体内径/1400台数1 管径/ 252.5 管心距/32 管长/7000管子排列正三角形 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/（5858891.3 K） 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 裕度/%17.7 6、结构设计、结构设计 6.1 浮头管板及钩圈法兰结构设计浮头管板及钩圈法兰结构设计 由于换热器的内径
25、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：mm1390521400b2DD 1i0 浮头管板外径与壳体内径间隙：取（见化工单元过程及设备mm5b1 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 mm16bn 浮头管板密封面宽度： .5mm175 . 1bb n2 浮头法兰和钩圈的内直径： mm135816521400bb2DD n1ifi ）（）（ 浮头法兰和钩圈的外直径： 1
26、480mm80400180DD i0f 外头盖内径： 1500mm1004001100DD i 螺栓中心圆直径： mm14352/14801390/2DDD f00b ）（）（ 其余尺寸见图 6-1。 图 6-1 6.2 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，图 6- 1（a）所示。 6.3 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： mm12
27、97503503771002320hhdC2hL 21gf gmin 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。 6.4 固定端管板结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。 6.5 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、温度及公称直径；按 JB4703-93mm1500DN 长颈法兰标准选取并确定尺寸。 6.6 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、钩圈法兰及钩圈
28、强度计 算确定厚度后决定。 图 6-2 图 6-3 6.7 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）选 a 0.4MpC 。 石棉橡胶垫。结构尺寸图 6-3 所示： 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 85 a 6.9Mp ） ，选缠绕式垫片，垫片（JB4705-92） 缠绕式垫片。C 。 mm1500mm1609 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mm1358 3mm;JB4706-92 金属包垫片。 6.8 鞍座选用
29、及安装位置确定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：mm40206700.60.6L0L6700L B ， 取：mm1350LL4000mmL C CB ， 6.9 折流板布置折流板布置 折流板尺寸：外径：；厚度取 8mmmm1392814008DD N 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。 6.10
30、说明说明 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。 7、强度设计计算、强度设计计算 7.1 筒体壁厚计算筒体壁厚计算 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C 。 a p 低合金结构钢板 16卷制，查得材料 85时许用应力；MnRC 。 a t Mp163 过程设备设计 （第三版）化学工业出版社。 取焊缝系数=1，腐蚀裕度=1mm；对 16钢板的负偏差=0 2 CMnR 1 C 根据过程设备设计 （第三版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆 筒计算厚度公
31、式： = 从而 c t ic P2 DP 计算厚度：=mm 3 . 30 .9611632 1400.96 设计厚度：mm 3 . 311 3 . 30C2 d 名义厚度： 圆整取mm 3 . 32C1 dn mm34 n 有效厚度：mm32CC 21ne 水压试验压力： a t cT Mp25.681.965.21P5.21P 所选材料的屈服应力 as Mp325 水式实验应力校核： a e eiT t 93Mp1 322 32140025.68 2 DP ）（）（ 水压强度满足 asa Mp 5 . 2923251.90.9093Mp1 气密试验压力： acT .9Mp6PP 7.2 外头盖短节、封头厚度计算外头盖短节、封头厚度计算 外头盖内径=1500mm，其余参数同筒体： 短节计算壁厚： S= c t ic P2 DP mm 3 . 32 .9611632 1500.96 短节设计壁厚： 3.3mm312.33CSS 2d 短节名义厚度： 圆整取=36mm34.3mmCSS 1dn n S 有效厚度： 3.9mm3CCSS 21ne 压力试验应力校核： a e eiT t 95Mp1 9 . 332 9 . 33150025.68 2 DP ）（）（ 压力试验满足试验要求。