列管式换热器设计课程设计说明书.doc

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 2 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 m 定压比热容 1 3 297 p ckj kg A 热导率 1 0 0279w m A 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 kg A 热导率K 1 0 624w m A 粘度 3 1 0 742 10 Pa s A 3 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 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 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 4 6 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 5 1 确定设计方案 确定设计方案 1 1 选择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 kg A 热导率 1 0 0279w m A 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 kg A 热导率k 1 0 624w m A 粘度 3 1 0 742 10 Pa s A 6 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 220301 3 297 110 60 3 64 107kj 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 t K3 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 m2 k 则 估算的传热面积为 Ap 21 668 3 48313 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 25 2 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 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 7 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 596 2 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 46 448 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 25 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 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 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 8 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 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 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 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 5950mm 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 9 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 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 10 22 1871 0 2 1192 02 0785 0 mSi 管程流体流速 smui 3 1 1871 0 3 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 4 34841 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 得碳钢在该件下的热导率为 50w m K 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 Top 该换热器的面积裕度为 7 18 552 552655 c cp A AA H 11 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 4 39 0 6 15 24 6 m t 110 60 2 85 m T 5858w m2 K ic 891 3w m2 K 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 52 6 3285 t 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 N2 Np 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 12 所以 3 3 994mkg Papi57 11762 2 3 9943 1 02 0 7 04 0 2 Pa u pr55 2520 2 3 1 3 994 3 2 22 Pap 4428495 12 5 525207 511762 1 管程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 4u0 0 5 0 2435 38 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 76 490 4 1 45 02 5 3 14 2 i p 总阻力 70757 41100 1 12 Pa 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 13 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 kg K 4 1743 297 粘度 Pa s 0 742 3 10 1 5 5 10 热导率 W m K 0 6240 0279 物性 普朗特数4 961 773 形式浮头式壳程数1 壳体内径 1400台数1 管径 25 2 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 14 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 1480mm80400180DD 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 15 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 mm1297503503771002320hhdC2hL 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 钩圈法兰及钩圈强度计 算确定厚度后决定 16 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 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 17 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 18 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 外头盖封头选用标准椭圆封头 封头计算壁厚 S c t ic P5 02 DP 2 1mm3 96 5011632 1500 96 封头名义厚度 33 1mm132 1CCSS 21n 取名义厚度与短节等厚 36mmSn 7 3 管箱短节 封头厚度计算管箱短节 封头厚度计算 s 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 C a p 选用 16MnR 钢板 材料许用应力 屈服强度 取 a t Mp170 as Mp345 焊缝系数 0 85 腐蚀裕度 2mm 2 C 计算厚度 S c t ic P2 DP 1 94mm 405 801702 14000 4 设计厚度 3 94mm24 91CSS 2d 名义厚度 3 94mmCSS 1dn 结合考虑开孔补强及结构需要取 8mmSn 19 有效厚度 6mm2 8CCSS 21ne 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8mmSn 7 4 管箱短节开孔补强校核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 209377 号热轧碳素钢管 1mm a t Mp130 9377 2 C 接管计算壁厚 mm 8 60 405 801302 377 40 P2 DP S c t ic t 接管有效壁厚 6 65mm0 159 1 9CCSS 21ntet 开孔直径 7mm3635 32292377C2dd i 接管有效补强高度 B 2d 2 363 7 727 4mm 接管外侧有效补强高度 2mm579 7363dSh nt1 需补强面积 A d S 363 7 1 94 705 6 2 mm 可以作为补强的面积 2 e1 6mm14764 916 7363 4727S Sd BA 2 ret12 3mm522170 1308 605 66 2572fSt S2hA 2 21 6mm705A 91998 3522 61476AA 该接管补强的强度足够 不需另设补强结构 7 5 壳体接管开孔补强校核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12325 钢管许用应力 1mm a t Mp137 2 C 接管计算壁厚 mm8 97 6 911372 3256 9 P2 DP S c t ic t 20 接管有效壁厚 9 2mm0 1512 1 12CCSS 21ntet 开孔直径 06 6mm35 101212122325C2dd i 接管有效补强厚度 B 2d 2 306 6 613 2mm 接管外侧有效补强高度 60 7mm1206 63dSh nt1 需要补强面积 A d 306 6 35 75 10960 95 2 mm 可以作为补强的面积为 2 e1 383 25mm5 7353706 63613 2 d BA 2 ret12 119 4mm170 1378 97 2960 72fSt S2hA 尚需另加补强的面积为 2 214 10458 3mm119 4 383 25 10960 95A A AA 补强圈厚度 3mm36 325 2 613 310458 dB A S 0 4 k 实际补强圈与筒体等厚 则另行补强面积 mm38Sk 2 0K4 6mm10951325 261338 d BSA 22 421 10960 95mmAmm5 211454 610951 41195 2383AAA 同时计算焊缝面积后 该开孔补强的强度的足够 3 A 7 6 固定管板计算固定管板计算 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 2222 i 2 0 6mm1762025 4 dd 4 a 开孔温度削弱系数 双程 50 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 21 5 814 1006850 50 61761254 100 1400 2 31 Lb na b D 2 31K i 2 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 45 图 4 46 图 4 47 得 2 8G 0 65 G 9 2G 321 管板最大应力 a 2ts at Mp 4 57 07 60 5 60 40 96 1 46 33 20 1GPP P 1 或 a 3ts at 2Mp101 07 60 82 40 96 1 46 33 20 1GPP P 1 筒体内径截面积 222 i m4 D 4 A 管板上管孔所占的总截面积 222 0 mm 8 61555525 4 1254 d 4 n C 系数 60 1538600 86155551538600 A C A 系数 240 86155551538600 176 61254 C A an 壳程压力 as 9Mp6P 管程压力 al 0 4MpP 当量压差 alsa Mp404 64 201 40 961P PP 管板采用 16Mn 锻 ar Mp150 换热管采用 10 号碳系钢 at Mp112 管板