化工原理课程设计-循环水冷却器设计说明书.doc

键入文字化工原理课程设计循环水冷却器设计说明书学 校：学 院：专业班级： 学 号： 姓 名：指导老师：目录1设计任务书11.1设计题目：循环水冷却器的设计11.2设计日任务及操作条件11.3厂址：齐齐哈尔地区12设计摘要 23主要物性参数表 34工艺计算 4 4.1确定设计方案 4 4.2核算总传热系数 8 4.3核算压强降115设备参数的计算 15 5.1确定换热器的代号15 5.2计算壳体内径D15 5.3管根数及排列要求16 5.4计算换热器壳体的壁厚16 5.5选择换热器的封头17 5.6选择容器法兰19 5.7选择管法兰和接管21 5.8选择管箱22 5.9折流挡板的设计23 5.10支座选用 23 5.11拉杆的选用和设置 24 5.12垫片的使用 267总结评述 278参考文献 289主要符号说明 2910附表301设计任务书1.1设计题目：循环水冷却器的设计1.2设计任务及操作条件1.2.1、设计任务处理能力：70000kg/h设备型式：列管式换热器1.2.2、操作条件循环水：入口温度60，出口温度45冷却介质水：入口温度15，出口温度40管程和壳程的压强不大于1.6MPa换热器的热损失5%1.1、 厂址：齐齐哈尔地区2设计摘要在国内外的化工生产工程中，列管式换热器在目前所用的换热器中应用极为广泛由于它具有结构牢固，易于制造，生产成本较低等特点。管壳式换热器作为一种传统的标准换热器，在许多部门中都被大量使用。其结构由许多管子所组成的管束，并把这些管束固定在管板上，热管板和外壳连接在一起。为了增加流体在管外的流速，以改善它的给热情况在筒体内安装了多块挡板。我们的进行作业时列管换热器的设计，根据所给的任务，进行综合考虑。首先确定流体流径。我们选择冷却水通入管内，儿循环水通过入管间。其次，我们确定两流体的定性温度，由于温度引起的热效应不大，可以选择固定管板式换热器。根据初算的总传热系数和热负荷，以及换热器的换热面积，换热器的根数和长度，来确定管程数。并查阅相关资料。初步工作完成之后，对设备的各种参数校核，包括换热器壳体，封头，管箱，管板，法兰的选用等等，接着进行一系列的检查。选择这些附件，不仅要与所选换热很好的匹配，而且要兼顾经济的要求，让换热器既造价低廉又坚固耐用，以达到即经济又实惠的效果。主要物性参数表在定性温度下：t定冷=（10+35）/2=22.5 t定循=（55+40）/2=47.5表3-1物性参数表物性壳程（循环水）管程（冷却水）符号数据符号数据密度/m2987.05996.74比热容kJ/（kgCp14.176Cp14.178粘度Pas154910-62886.30导热系数w/m650.7910-3610.510进口温度T155t210出口温度T240t2354工艺计算4.1确定设计方案 4.1.1 选择换热器的类型 （1）两种流体的变化情况： 热流体（循环水）进口温度55，出口温度40； 冷流体（冷却水）进口温度10，出口温度35;冷水定性温度：t定冷=（10+35）/2=22.5 循环水定性温度：t定循=（55+40）/2=47.5 由于两流体温差小于50，不必考虑热补偿。因此初步确定选择用固定管板式换热器。 （2）流程安排 由于该换热器是具有冷却水冷凝的换热器，应使循环水走壳程，以便于排除冷却水。4.1.2计算热负荷和冷却水流量 （1）热负荷的计算 Qh=mhcpht1 =(74000/3600) 4180.5(55-40) =1.289106w 热负荷 Qh=Qh-Q1 =(1-5%)Qh =0.951.289106w =1022455106w（2）冷却水流量的计算Q=0.95mhcph(T1-T2) =mhcph(t1-t2)所以mc=0.95700004.805（55-40）/36004.181(35-10) =11.72/s4.1.3计算两流体的平均温差，确定管程数 （1）平均传热温差 tm=t1-t2/ln（t1-t2）（按逆流计算） 其中：t1=55-35=10；t2=40-10=30tm=25 P=t2-t1/T1-t1=0.56 R=T1-T2/t1-t2=0.6由P、R值查阅化工原理（天津大学出版社）（上册）图4-19，可得：t=0.88，则有tm=0.8825=22（2）确定管程数由于t=0.880.8，故此换热器应选用双壳程4.1.4工艺结构尺寸（1）初选换热器的规格 假设K=900 W/(m) 则估算的传热面积为： A=Q/Ktm=61.85（2）管径和管内流速 选用252.5的碳钢传热器 取管内流速为ui=0.5m/s (3)估算管程数和传热管数V=ns3.14/4di2ui 由4.1.2可知：冷却水用量=11.08kg/s则 Mc/ c=0.0111m3/sNs=0.111/3.14/4(0.02)20.5=75根根据列管式换热器传统标准，此数据可选取按单程算，所需的单程热管长度 L=A/3.14dins=13.7m 取传热管长l=6m 则该传热管的管程数为 Np=L/l=2 传热总根数NT=Npns=275=150根实际传热面积So=N3.14d（1-0.1）=77.81则要求过程的总传热系数为 Ko=Q/Sotm=715.3w/() 该换热器的基本结构参数如下：表4-1换热器的基本结构参数公称直径：500m工程压强：1.6MPa总管数：NT=168根管间距：t=32mm管数：84管程数：m=2管长：6.0m工程面积：80管子排列方式：正三角形排列4.2 核算总传热系数4.2.1 管程对流传热系数普兰特准数：4.2.2 壳程传热系数取换热器管心距t=32 mm壳程流通截面积为：其中：h-折流板间距。取为150。D-壳体公称直径，取为150d-管子外径，可取25t-中心距，可取32。壳程流体流速：当量直径按三角形排列有：，当量直径：普兰特准数：用壳方流体的对流传热系数的关联式计算带入数据得：4.2.3 计算总传热系数其中：壳程管程对流传热系统w/换热管外径内径和内外径的平均值mm管内侧外侧污垢热阻/w；b换热器壁厚，取 0.0025m碳钢的导热系数，取45 w/管壁热阻碳钢在该条件下=45 w/ 计算安全系数核算表明该换热器可以完成任务。4.3 核算压强降4.3.1 管程流体阻力 （1）对于P1的计算：管程流通截 由此可知 设管壁粗糙度=0.037代入计算式P1=0.037(2)对于的计算（3）对于的计算则：由此可知，管程流通阻力在允许范围之内。4.3.2 壳程压强降校核 其中： Fs是壳程压强降届后校正因数，液体取1.15；Ns是壳程数，为1（1）对于 的计算由于换热器列管呈三角形排列F=0.5取折流板间距为300mm；块壳程的流通面积可见500故可应用下式计算 (2)对于 的计算 (3)对于 的计算计算表明： 管程压强降为3487.32，小于压强1.6壳程压强降为34270.6，亦小于设计压1.6;综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设要求5 设备参数的计算5.1 确定换热器的代号5.1.1 换热器的代号所选换热器的代号为 5.1.2 确定方法此代号根据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系列列管式固定管板换热器的规定。查化学化工出版杜化工工艺设计手册（上）第120页表3-10列管式固定管板换热器标准图号和设备型号得到壳体内径Di，公称压强，管根数及排列要求而确定。5.2 计算壳体内径Di 公式：其中：管中心距， m对横过管束中心线的管线，用计算管束中心线上2管的中心到壳体内辟的距离，取计算：5.3 管根数及排列要求（1）换热器采用的无缝钢管，材质选用可焊接性好的10号钢，管长6m ，共168根管。（2）排列方式及管中心距的确定1）可该换热器列管采用三角排列2）管子与管板采用焊接，故可取 5.4 计算换热器壳的壁厚5.4.1选适宜的壳体材料根据化工设备手册-材料与部件（上海）第102页压力容器用碳素碳及普通低合金厚板钢，换热器公称压强为选用钢板。5.4.2 该钢板的主要工艺参数性能加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度，可以作中低压设备，所以简体材质选用钢板，钢板标准。5.4.3 壁厚的计算（1） 公式： 其中：钢板在不考虑加工裕量时的厚度，mm；计算厚度，mm；钢板负偏差，mm；腐蚀裕量，mm；圆整值。式中为设计厚度，可用下式计算：其中：Pc设计压力，取；Di壳体内径，mm；设计温度下材料的许用应力，；焊缝系数。（2） 查算：依据化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-3，钢制压力容器中使用的钢板许用应力可得=113,依表14-4焊缝系数可得=0.85，依表14-6腐蚀裕量可得=2mm。依化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-5，钢板厚度常用规格及其负偏差得=0.6mm，=1.2mm。故可根据 选用厚度为8mm的钢板材质（3） 水压实验强度校核水压试验应力为式中：将有关数据代入原式可得查阅化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-3，钢制压力容器中使用的钢许用应力可得到钢制容器在常温水压试验时从而，有所以壳体壁厚满足水压试验的强度要求。5.5 选择换热器的封头（1） 公式：其中：由于，用整块钢板冲压成型，此时（2） 计算：（3） 选择适宜厚度，并确定封头型式规格根据化工设备手册材料与零部件第327页椭圆封头应选封头mm，且根据其选用一椭圆封头尺寸如下：坯料直径：666mm坯料质量：21.8kg容积：0.0213m2质量：20kg型式公称直径曲面高度直边高度椭圆形500mm125mm0.309m2 所选封头的结构示意图如下：5.6 选择容器法兰5.6.1选择法兰的型式选用甲型平焊容器法兰。已知换热器的公称压力为，公称直径500mm。查阅压力容器与化工设备使用手册中3-1-1，压力容器法兰分类，宜采用甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材Q235-B，工作温度-20摄氏度的最大工作压力为，小于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足要求。5.6.2 确定法兰相关尺寸查阅压力容器与化工设备使用手册第467页。表3-1-2（A）甲型平焊法兰尺寸和表3-1-2（B）甲型平焊法兰质量可得法兰相关尺寸如下表：平面凸面凸面法兰质量（kg）36.8138.4337.21衬环质量（kg）1.73.72.5公称直径DN法兰螺栓DD1D2D3D4d规格数量500630590555545542442320285.6.3 选用法兰并确定标记选用甲型平焊容器（凹凸密封面）为宜标记为：法兰 结构如图5.7选择管法兰和接管5.7.1热流体进出口接管取接管热流体流速为u=1.7/ m s，则接管内径为 可取接管:mm,长150mm两个5.7.2冷流体进出口接管 取接管内流体流速u2=1.5m/s,则接管内径为 可取接管：108，长150 mm两个 表53钢制管法兰（HGJ45-91） 公称直径DN管子外径A连接尺寸螺栓柱法兰内径B法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数n螺栓长度螺柱长度法兰厚度C 100108220180186658518110 125 133250210186709020135 第21页5.7.3选择法兰 根据公式直径与公称压力选用板式干旱钢制管法兰。 HG20593-97 SO150-2.5RF 16Mn查阅化工设备标准图册，选择封头管箱，材料为A3F钢，其简图如下所示：5-4封头管箱 5.9 折流挡板的设计查阅换热器原理及计算根据换热器的要求，选择厚度为5mm的圆缺形挡板。其参数如下： 两板间距离： h=D(0.2-1)=300mm 折流板高度： H=500(1-25%)=375mm 折流挡板个数： N=L/h -1=6/0.3 -1=19 折流挡板厚度： =5mm 5.10支座选用 查阅化工设备设计手册材料与零部件第625页, 选用A3F材料，采用鞍式支座 Dg500AJB1167-73. 尺寸如下表： 表5-4鞍式支座DG500AJB1167-73公称直径 DN每个支座允许负荷 tbLBK1bm 500 23.016046012033090200 图5-6鞍式支座 5.11 拉杆的选用和设置5.11.1 拉杆的选用查阅化工过程和设备设计 第15页表可知： 表5-5 拉杆拉杆直径数量拉杆螺纹公称直径laLbb124 1620=602.05.11.2 拉杆的设置 拉杆与折流板和挡板的连接形式如下图所示： 图5-7拉杆5.12 确定管板尺寸 由化工设备机械基础查得，管板选用的材料为16Mn,管板厚度为20mm,质量是59.6Kg. 图5-8整体管板5.13 垫片的使用5.13.1 设备法兰用垫片 根据压力容器与化工设备实用手册第491页，密封垫片选用非金属软垫片，JB4704-92。厚度30mm, 该垫片为法兰用垫片，其尺寸： 外径：D2=545mm 内径：D1=500mm PN=1.6Mpa DN=500mm 图5-9设备法兰所用垫片5.13.2 管法兰用垫片材料：耐油橡胶石棉板 S2000563. 厚度3mm.垫片：1.MFM 1502.5 2.MFM 200-2.57 总结评述在教师的悉心指导下，在团队中每个人的积极努力下，在这历时两个星期的课程设计中我们解决了很多难题。 然而，在这次课程设计中，大家更多的发现了自己的不足，以及对实践经验的缺乏，在诸多方面还需提高。在学习中大家分工明确，在每个环节中都能出色的完成。 我组主要进行了以下环节：一、 数据计算在设计刚开始时，大家积极查询相关资料，翻阅了图书馆里的很多相关书籍。在大家不断查找资料、不断的理解公式原理不断进行可行性分析的前提下,很多问题都得到了解决，在很多难点上都有了很大的突破。经过了几天的团结协作完成了计算部分。二、 设计说明书在这个环节中，大家认真的将每一个公式字句输入文档中，输完之后又进行了多次检查，多次审核，终于经过了几天的精诚合作，完成了文档的输入工作。说明书的设计，从封皮到公式到逐字逐句都显得十分谨慎。三、 画图对于每一个环节，都需要每个成员在该环节上有所突破。在这个环节中，在组长的领导下，大家默契配合，充分体现了团队精神，通过对数据的深刻理解，认认真真的完成了制图的工作，终于完成了该设计的最后环节。通过这次设计我们看到了团队的力量，个人离不开团队，团队需要每一个人的精诚合作，才能发挥团结协作的精神。通过老师的耐心的讲解和帮助，我们把公式及其应用范围都巩固了一遍。经过这次课程设计，我们充分的理解了课程设计的真正含义。本次设计给了我知识和技能的同时，也给予我很多经验和教训。 在今后的学习和工作中，我将不断努力学习科学文化知识，不断完善自己，不断的挖掘自己的潜力。 8参考文献【1】 天津大学，化工原理，天津，天津科学技术出版社。【2】 郑晓梅，魏崇关，化工工程制图，北京，化学工业出版社，【3】 化工设备结构图册编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版【4】 柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计，天津，天津科学技术出版社，【5】 化学工程手册。【6】 华南理工大学，化工工程及设备设计，广州，华南理工大学出版社，【7】 刁玉伟，王立业编，化工设备机械基础，大连，大连理工大学出版社【8】 中华人民共和国化学工业部工程建设标准钢制管法兰，垫片，坚固件（1991-12）化学工业出版社【9】 钢制列管式固定板式换热器结构手册1994.1【10】 化工设备设计手册材料与零部件，上海人民出版社。【11】 姚玉英主编化工原理（上）天津大学出版社。【12】 大连理工大学教研室编，化工原理课程设计大连理工大学出版社，1994.【13】 夏清主编化工原理（上）天津大学出版社2005.1【14】 齐齐哈尔大学化工原理教研室主编，化工原理课程设计【15】 谭天恩，麦本熙，丁慧华：化工原理（）第二版，北京，化学工业出版社。9重要符号说