年处理2.4万吨的列管式换热器设计书

化工原理课程设计任务书 列管式换热器 1 年处理 管式换热器 设计书 第一章 概 述 热器的简单介绍 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。化工生产中换热器的使用十分普遍，由于 物料 的性质、歘热要求各不相同，换热器的种类很多。了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器 是 非常重要的。 按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器式换热器三种。化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合 ， 所以，间壁式换热器的应用最广泛。在换热器中至少要有两种温度不同 的流体，一种流体温度较高，放出热量 ； 另一种流体温度较低，吸收热量。换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位 。 设计的目的和意义 通过本次课程设计，培养学生多方位、综合地分析考察工程问题并独立解决工程实际问题的能力。主要体现在以下几个方面： （ 1）资料、文献、数据的查阅、收集、整理和分析能力。要科学、合理、有创新地完成一项工程设计，往往需要各种数据和相关资料。因此，资料、文献和数据的查找、收集是工程设计必不可少的基础工作。 （ 2）工 程的设计计算能力和综合评价的能力。为了使设计合理要进行大量的工艺计算和设备设计计算。本设计包括热工计算和冷却器设备的结构计算。 （ 3）工程设计表达能力。工程设计完成后，往往要交付他人实施或与他人交流，因此，在工程设计和完成过程中，都必须将设计理念、理想、设计过程和结果用文字、图纸和表格的形式表达出来。只有完整、流畅、正确地表达出来的工程设计的内容，才可能被他人理解、接受，顺利付诸实施。 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 2 通过本设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关啊知识，提高学生学以致用的综合能力，尤其对传热学、流体力学等课程更加熟悉，同 时还可以培养学生尊重科学、注重实践和学习严禁、作风踏实的品格。 第二章 设计计算 定设计方案 两流体温度变化情况：热流体进口温度 140，出口温度 40；冷流体进口温度 20，出口 35。该换热器用岷江水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 由于冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，原油走壳程。选用 25 碳钢管，管内流速取 iu m s。 （ 1） 热流体 ：入口温度 140; 出口温度 40 （ 2）冷却介质： 岷江水 （ 3）允许压降：不大于 4） 年处理量： 吨 （ 5） 定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 壳程原油的定性温度为 1 4 0 4 0 9 0 ( )2 管程流体的定性温度为 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 3 2 0 3 5 2 7 . 5 ( )2 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 原油在 90下的有关物性数据如下： 33218 1 5 /3 . 0 1 02 . 2 /0 . 1 2 8 /0 . 0 0 0 4 4 4 m g mP a sc k J k g CW m 密 度粘 度定 压 比 热 容导 热 系 数污 垢 热 阻水在 27,5下的有关物性数据如下： 34 6 . 3 8 k g /8 . 6 2 3 1 04 . 1 7 7 / ( )0 . 6 1 2 / ( )0 . 0 0 0 3 4 4 a sC k J k g CW m 密 度粘 度定 压 比 热 容导 热 系 数污 垢 热 算总传热系数 702 . 4 1 0 2 7 3 9 . 7 3 /3 6 5 2 4mq k g h ； 30002 7 3 9 . 7 33 . 3 6 /815m h 550 0 0 0 2 7 3 9 . 7 3 2 . 2 1 4 0 4 0 6 . 0 8 1 0 / 1 . 6 9 1 0pQ m c t k g h w 12121 4 0 3 5 4 0 2 05 1 . 2 61 4 0 3 5 2 0 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 4 122121111 4 0 4 0 6 . 6 73 5 2 03 5 2 0 0 . 1 2 51 4 0 2 0 初步决定采 用单壳程、偶数管程的管板式换热器，由 查温差校正系数图，温差校正系数为 ，可行。 0 . 9 4 5 1 . 2 6 4 8 . 1 8 4 4m t 50 1 . 6 9 1 0 9 7 0 3 . 9 3 ( / )4 . 1 7 7 ( 3 5 2 0 )i p i k g 管程传热系数 0 . 40 . 80 . 430 . 8 20 . 0 2 0 . 5 9 9 6 . 3 8R e 1 1 5 5 4 . 9 10 . 0 0 0 8 6 2 30 . 0 2 3 R 6 1 2 4 . 1 7 7 1 0 0 . 0 0 0 8 6 2 30 . 0 2 3 1 1 5 5 4 . 9 1 2 5 4 4 . 3 2 / ( )0 . 0 2 0 . 6 1 2i i i m C 壳程传热系数 假设壳程的传热系数 20 2 9 0 /W m C 污垢热阻 20 . 0 0 0 3 4 4 / . 0 0 0 4 4 4 / 5 / ( ) 0 0 00011s i si i i iK d d b d d 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 5 21 2 0 5 . 1 1 /0 . 0 2 5 0 . 0 2 5 0 . 0 0 2 5 0 . 0 2 5 10 . 0 0 0 3 4 4 0 . 0 0 0 4 4 42 5 4 4 . 3 2 0 . 0 2 0 . 0 2 4 5 0 . 0 2 2 9 0W m C 算传热面积 5 21 . 6 9 1 0 1 7 . 0 12 0 5 . 1 1 4 8 . 1 8 4 4 考虑 15%的面积裕度， 21 . 1 5 1 . 1 5 1 7 . 0 1 1 9 . 5 7S S m 艺结构尺寸 选用 25 热管（碳钢），取管内流速 iu m s依据传热管内径和流速确定单程传热管数 229 7 0 3 . 9 3 / 9 9 6 . 3 8 3 6 0 0 1 7 . 2 3 1 80 . 0 2 0 . 544 根按单程管计算，所需的传热管长度为 01 9 . 5 7 1 3 . 8 5d 3 . 1 4 0 . 0 2 5 1 8 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l=6m，则该换热器 管程数为 1 3 . 8 5 26p LN l 管 程根据初步计算结果：传热面积 m ，总管数 36根， 2管程，管长 6m， (查化工设备设计手册表 95管板式壳体直径 325热面积 m ，公称压力 管数 56， 2管程，每管程的管子数为 28根。 采用正三角形排列。管孔加工两端必须倒角 45 。则 1 . 2 5 2 5 3 1 . 2 5 3 2 ( )t m m 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 6 横过管束中心线的管数 1 . 1 9 3 6 1 8 采用多管程结构，取管板利用率 =壳体内径为 361 . 0 5 1 . 0 5 3 2 2 4 0 . 9 60 . 7ND m m 圆整可取 D=325以壳体的壁厚为 6化工单元设备设计表 1 8） 选用甲型平焊法兰， 4701化工设备机械基础表 12 箱支座和管箱垫片 管箱的分程隔板厚度为 12座采用固定型和滑动型鞍式支座各一个，按型带垫板，高度为 200 尺寸选取。位置尺寸为两支座间距离为换热管束长度的 与两端相等。 耐油橡胶石棉板（ 51录 H）。垫片厚度，本设计确定为 3板槽部分垫片厚度取 10角尺寸取 R=8 换热管材料选择碳钢，规格 25径公差 上偏差 +12%，下偏差 化工设备设计手册表 9 管板与法兰连接密封面为凸面，分程隔板槽拐角处倒角 10 45 ，隔板槽宽度为 12板与换热器连接处采用胀接。 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则却去的圆整高度为 h=325=故取 h=80 取折流板间距 B= B=325=120（ 可取 50 折流板数 60001 1 3 9 ( )150 传 热 管 长 块折 流 板 间 距由于本设计中 两相全为液相故选择挡板为上下缺边形，无支撑长度 300折流板厚度确定为 3 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 7 拉杆直径 12量 4个。 壳程流体进出口接管：取接管内原油流速为 u=s，则接管内径为 04 4 2 7 3 9 . 7 3 / ( 8 1 5 3 6 0 0 ) 0 . 0 3 4 9 9 ( )3 . 1 4 1 . 0 取标准管径为 30 管程流体进出口接管：取接管内水流速 u=s，则接管内径为 4 9 7 0 3 . 9 3 / ( 9 9 6 . 3 8 3 6 0 0 ) 0 . 0 4 7 9 3 ( )3 . 1 4 1 . 5取标准管径为 40 热器核算 （ 1） 壳程当量直径，由正三角形排列得 2 2 2 300334 4 0 . 0 3 2 0 . 0 2 52 4 2 4 0 . 0 2 ( )0 . 0 2 5 壳程流通截面积 200 0 . 0 2 51 0 . 1 5 0 . 3 2 5 1 0 . 0 1 0 6 6 ( )0 . 0 3 2 D 壳程流体流速及其雷诺系数和普兰特准数分别为 0 02 7 3 9 . 7 3 / ( 8 1 5 3 6 0 0 ) 0 . 0 8 7 5 9 7 ( / )u m 0003000 . 0 2 0 . 0 8 7 5 9 7 8 1 5R e 4 7 5 . 9 50 . 0 0 32 . 2 1 0 0 . 0 0 3P r 5 1 . 5 60 . 1 2 8 由于 000,壳程有折流挡板，由于流体被冷却 ) 1w ，查表， 0 . 1 40 . 3 3009 . 4 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 8 0 . 3 3 20 . 1 2 89 . 4 5 1 . 5 6 1 / ( )0 . 0 2 （ 2） 管程对流传热系数 0 . 8 0 . 40 . 0 2 3 R e P 管程流通截面积 22360 . 7 8 5 0 . 0 2 0 . 0 0 5 6 5 2 ( )2 管程流体流速 9 7 0 3 . 9 3 / ( 3 6 0 0 9 9 6 . 3 8 ) 0 . 4 7 8 6 5 ( / )0 . 0 0 5 6 5 20 . 0 2 0 . 4 7 8 5 9 9 6 . 3 8R e 1 1 0 6 1 . 50 . 0 0 0 8 6 2 3iu m s普兰特准数 30 . 8 0 . 4 24 . 1 7 7 1 0 0 . 0 0 0 8 6 2 3P r 5 . 8 8 50 . 6 1 20 . 6 1 20 . 0 2 3 1 1 0 6 1 . 5 5 . 8 8 5 2 4 5 7 ( / ( ) )0 . 0 2 （ 3） 传热系数 K 0 0 00011s i si i i iK d d b d d 21=0 . 0 2 5 0 . 0 2 5 0 . 0 0 2 5 0 . 0 2 5 1+ 0 . 0 0 0 3 4 4 + + 0 . 0 0 0 4 4 4 +2 4 5 7 0 . 0 2 0 . 0 2 4 5 0 . 0 2 2 2 3 . 9 21 6 9 . 2 ( / ( ) ) （ 4） 传热面积 S 521 . 6 9 1 0 2 0 . 7 3 ( )1 6 9 . 2 4 8 . 1 8 查表 4715定管板式换热器型式与参数得， 2= 该换热器的面积裕度为 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 9 2 5 . 9- 1 = - 1 = = 0 . 2 4 5 = 2 4 . 5 %2 0 . 8K 计 算 实实故传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （ 1） 管程 流动阻力 1 2 122121 , 2 , 1 . 4=322i S PS p ti i i P F N ，由 热管相对粗糙度 0 0 0 520 ，差图得 0 . 0 3 9 / ( )i ，流速 0 8 6 /iu m s， 39 9 6 . 3 8 /i k g m 密 度，所以 21226 0 . 4 7 8 7 9 9 6 . 3 80 . 0 3 9 1 3 3 5 . 4 ( )0 . 0 2 29 9 6 . 3 8 0 . 4 7 8 73 3 4 2 . 4 ( )21 3 3 5 . 4 + 3 4 2 . 4 1 . 4 2 4 6 9 7 . 8 4 ( ) 0 . 1 a M P a 管程流动阻力在允许范围之内 。 （ 2） 壳程阻力 0 1 2 11 , 1 . 1 5 P F 流体流经管束的阻力 2 00100 . 2 2 80021120 . 55 4 7 5 . 9 5 = 1 . 2 5 8 383 9 , 0 . 0 8 7 68 1 5 0 . 0 8 7 60 . 5 1 . 2 5 8 3 8 ( 3 9 1 ) 6 2 9 . 6 ( )2 f n a 流体流过折流板缺口的阻力 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 10 2 0022223 . 520 . 1 5 0 . 3 2 5 . 1 5 8 1 5 0 . 0 8 7 6P 3 9 3 . 5 3 1 4 . 3 ( )0 . 3 2 5 2m ，总阻力 0 ( 6 2 9 . 6 3 1 4 . 3 ) 1 . 1 5 1 0 8 5 . 5 0 . 1P P a M P a 10程流动阻力也比较适宜。 管 程 和 壳 程 流 体 阻 力 均 未 超 过 选 用 管 板 式 换 热 5足工艺要求 。 热器的机械设计 头材料，厚度及连接形式 (1)壳体，封头材料： 2)壁厚计算 由于换热器为内压容器，故采用内压容器的设计方案来确定其壁厚，壁厚的计算公式为： 1401221 . 63250 . 91401 1 3 ( )1 . 6 3 2 52 . 5 82 1 1 3 0 . 9 - 1 . 62c M m mt t 式 中 ， 计 算 压 力 ， 取壳 体 内 径 ，焊 接 接 头 系 数 ，壳 程 设 计 温 度 ，壳 程 在 设 计 温 度 下 的 许 用 应 力 ， 取 查 化 工 设 备 设 计 基 础 附 表 一 得则 （ ）又 壳 体 的 名 义 厚 度 为查 化 工 设 备 机12129 - 1 0 0 . 6 , 22 . 5 8 0 . 6 1 6nC m m C m m m 械 基 础 表 得 取则( 3 ) 换 热 器 水 压 试 验 强 度 校 核 水 压 试 验 应 满 足 的 强 度 条 件 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 11 12()0 . 921 . 2 5 1 . 2 5 1 . 6 2 . 03256 0 . 6 2 3 . 40 . 92 3 5 2 3 5() 2 . 0 3 . 49 6 . 52 2 3 . 40.T i c e i P M m m M P a 式 中 ， 试 验 压 力 ， （ ）壳 体 内 径 ，壳 体 有 效 厚 度 ， （ ）焊 接 接 头 系 数 ，的 屈 服 极 限 ，代 入 得（ 325 ）（ ）9 0 . 9 0 . 9 3 2 5 2 6 3 . 30 . 9 , a （ ）显 然 ， 水 压 试 验 满 足 强 度 要 求4（ ） 连 接 形 式 与 封 头 采 用 法 兰 连 接换 热 管 的 设 计 选 型 2 5 2 . 5 2 3 11 . 6 , 3 2 5 4 7 0 1 2 0 0 0 3 0 0 1 . 6 P a D m m m T D N M P a 选 择 尺 寸 为 ， 材 料 为 的 换 热 管管 板 的 设 计由 化 工 设 备 设 计 基 础 表 管 板 厚 度 表 查 得的 换 热 器 管 板 厚 度 为 36管 板 与 管 子 的 连 接 ： 采 用 焊 接 加 贴 胀管 板 与 壳 体 的 连 接 ： 采 用 焊 接管 箱 的 设 计换 热 器 管 内 流 体 进 出 口 的 空 间 称 为 管 箱法 兰 的 设 计材 料 ：由 ， 选 用 ， 的 甲 型 平 焊 法 兰公称直径 型平焊法兰 柱 D 2 4 d 规格 数量 300 430 390 355 345 342 30 23 6 垫片：非金属软垫片，耐油石棉橡胶片。温度限： 200 垫片 B/T 4704柱，螺母材料： 兰标记为：法兰 B/T 4700化工原理课程设计任务书 列管式换热器 12 上下封头采用标准椭圆型封头，查化工设备设计基础附表 5，由 4337头为 边高度为 25料选用 选用弓形折流板 查化工设备设计基础表 5流板最小厚度为 4化工设备设计基础 表 5流板最大间距为 1900流板名义外直径： (拉杆：直径： 10量： 4 材料： 采用组合排列法，每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列 管孔间距 t=2层隔板两侧相邻管中心距 44原油进出口，公称尺寸为 30环水进出口：公称尺寸为 40兰型式： 接面型式： 排污口，排气口：公称尺寸为 25称压力为 兰型式： 接面型式： 1 2 3 4 5 6 71234567m m m m m m m 壳 体 质 量封 头 质 量柴 油 质 量水 的 质 量附 件 质 量管 子 质 量- 法 兰 质 量（ 1） 壳体质量 25mm,n=6化工设备设计基础附表 4得，单位长度筒体质量为111444 4 6 2 6 4q k gm q L k g 则（ 2） 封头质量 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 13 25mm,n=6边高度为 25查化工设备设计基础附表 6得， m= 7 . 7 3 2 1 5 . 4 6m k g (3)原油的质量 33346 02 0 . 0 0 5 3 0 0 . 0 7 1 5 9 2 0 . 0 9 1 2 1 9 2 0 . 10 . 0 7 1 8 8 1 5 4 0 4 . 6( 4 )1 0 . 1 9 9 6 . 3 8 9 9 . 6 3 8( 5 )30063 6 5 . 1 2 1 8 4 . 3 V k k 式 中 ， 装 填 系 数储 罐 容 积柴 油 在 下 的 密 度封 管则 管水 的 质 量附 件 质 量接 管 等 附 件 共 约 为管 子 质 量 :每 根 管 子 单 重 ： 71 2 3 4 527 2 0 . 3 4 8 1 . 22 6 4 1 5 . 4 6 4 0 4 . 6 9 9 . 6 3 8 3 0 0 1 8 4 . 3 2 8 1 . 2 1 3 4 9 . 2 1 81 3 4 9 . 2 1 8 9 . 86 6 1 1 . 2 6 . 6 122k gm m m m m m k K N 法 兰 质 量则支 座 计 算每个支座承受 用重型 120度包角焊制，双筋，带垫片的鞍座 由管壁与壳壁温差引起 温差应力的补偿：在固定管板式换热器的壳体上装设膨胀节 开孔补强设计是在开孔附近区域 增加补强金属，使之达到提高器壁强度、满足强度设计要求的目的。开孔补强的形式分为整体补强和局部补强。 本设计中的接管公称外径小于了 89以根据壳体是否需要进行补强的要求，该壳体不需要进行补强。 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 14 确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径 根据计算可知，壳体的计算厚度为 =，接管的计算厚度为（ 以冷却水进出接管为例，由上可知，冷却管直径 40 6mm m ，材质为 20号钢管 ）。 错误 !未找到引用源。 式中， 错误 !未找到引用源。 计算压力，取 P 错误 !未找到引用源。 壳程温度为 错误 !未找到引用源。 时的的许用应力，取 140 113 M P a （查化工设备设计基础附表一得） 错误 !未找到引用源。 ，查表得： 计算为： 0 1 . 6 3 0 0 . 2 3 42 1 1 3 0 . 9 1 . 62 ct （ ）开孔直径： 2 ( 3 0 2 6 ) 2 2 2 2d d C m m 第三章 设计结果汇总 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 /（ kg/h） 料名称 岷江水 原油 进 /出温度 / 20/35 140/40 物 定性温度 / 0 密度 /（ kg/ 15 定压比热容 /（ K） 工原理课程设计任务书 列管式换热器 15 性 粘度 /（ Pas ） 导率 / w/（ m K） 朗特数 备 结 构 参 数 形式 固定管板式 台数 1 壳体内径 /25 壳程数 1 管径 /25管心距 /2 管长 / 6000 管子排列 管数目 /根 36 折流板数 /个 39 传热面积 /流板间距 /50 管程数 2 材质 碳 钢 主要计算结果 管程 壳程 流速 /（ m/s） 面传热系数 / w/（ K） 垢阻力 /（ w/K） 力 /流量 /69 传热温差 / 传热系数 / w/（ K） 度 /% 流板形式 上下 中心管束， 8 切口高度 25 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 16 根 筒体厚度 / 6 封头厚度 / 6 管板厚度 / 25 折流板厚度 / 30 分层隔板厚度 / 12 壳体长度 / 6000 封头短半径 / 100 法兰类型 甲型平焊法兰 封头短筒边高度 / 25 法兰紧压面 突面 垫片类型 耐油垫 垫片材料 石棉橡胶板 封头材料 头类型 标准椭圆型封头 补强圈厚度 / 管程接管公称直径 / 40 壳程接管公称直径 / 30 拉杆直径 / 16 根数 6 拉杆孔直径 / 17 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 17 附简图 化工原理课程设计任务书 列管式换热器 18 参考文献 化工工艺设计手册 (上、下 )1986 ）等，徐忠权译 1981 家鼎等 学工业出版社， 1996 石油化工基础数据手册，化学工业出版社， 1982 德兹等 上、下册 )(第二版 )2000 化工原理课程设计 社， 2008 国维，李阿娜 天津科学技术出版社， 1995 理等 华南理工大学出版社， 2007 心得和体会 经过本次课程设计，我越来越觉得，课程设计还是多好耍的，多有意思的！困难也不过如此！ 本次化工原理课程设计历时两周，是 上大学 以来第一次独立的工业 化 设计。 从老师以及学长那里了解到 化工原理课程设计是培养 我们 化工设计能力的重要 教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理化工原理课程设计任务书 列管式换热器 19 性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 由于第一次接触课程设计，起初心里充满了新鲜感和期待，因为自我认为在大学里