乙醇-管壳式换热器课程设计

1、乙醇管壳式换热器课程设计 ft 5 课程设计说明书 题目： 管壳式换热器设计 课程名称：化工原理课程设计 学 院：化学与环境工程学院 学生姓名：李杠 学 号：20120501 好“ 专业班级：化学工程与工艺12-2 指导教师：张允 2014年II月26日 2 摘要：管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最 为广泛地应用，管壳式换热器主要有固定管板式换热器，斧头式换热器，U型 管式换热器等。一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件 组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的 冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动

2、，称为壳 程流体本次设计的换热器为固定管板式换热器，具有结构简单、重量轻、造价 低等优点。依据GB150-1998钢制压力容器和 GB151-1999管壳式换热器 等标准对换热器各零件进行选择和计算。固定管板式换热器包括外壳、封头、 管板、折流板、法兰、以及支座等。还涉及到了管子与管板之间的连接以及确 定壁厚的校验等内容。设计计算结果准确，图纸符合国家机械制图标准要求， 传热效果满足要求。 关键词：固定管板式换热器，传热系数，管程数与壳程数，传热管排列和分 程方法，折流板，接管，换热器的校核，壳体的选择，法兰的选择，折流板的 设计，是否使用膨胀节的确定，开孔补强等。 9 目录 1. 设计背景

3、7 1.1课程背景 7 1.2设计目的 7 2. 设计方案 8 2.1设计条件 8 2.2设计流程 8 3. 方案实施 9 3.1确定设计方案 9 3.1.1选择换热器的类型 9 3.1.2流动空间及流速的确定 9 3.1.3计算总传热系数 10 3.1.4计算传热面积 11 3.1.5工艺结构尺寸的计算 11 3.1.6换热器的核算 13 3.2机械设计 16 3.2.1换热器壳体壁厚计算及校核 16 3.2.2换热器封头的选择及校核 17 3.2.3容器法兰的选择 17 3.2.4管板结构尺寸 18 3.2.5管子拉脱力的计算 18 3.2.6计算是否安装膨胀节 20 3.2.7折流板设计

4、 21 3.2.8开孔补强 21 3.2.9支座 22 4. 结果与结论 23 4.1工艺设计结果汇总表 23 5. 收获： 25 6. 谢辞 26 设计背景 1.1课程背景 换热器是化工、石油、钢铁、动力、食品、发电等许多工业部门的通用设 备，在生产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，换热器关系到生产的正常 运行和操作费用。换热器的种类繁多，但管壳式换热器设备在化工生产中仍占 据主要地位，尤其在高温或有腐蚀性介质的作业中更能显出优势。管壳式换热 器是由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成，其结构 坚固，适应性强，选材广，易制造，成本低等优点。 其中，管壳式换热器虽然在换热效

5、率、设备的体积和金属材料的消耗量等 方面不如其他新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使 用范围广等优点，所以在各工程中仍得到普遍使用。 管壳式换热器的结构设计，是为了保证换热器的质量和运行寿命，必须考 虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与 清理等等来选择某一种合适的结构形式。 对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。 在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计， 以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造 的换热器等等）。 1.2设计目的 通过对乙醇产品冷却的管式换热器设

6、计，了解该换热器的结构特点，并能 根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确 定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。并对自己所学课程的 应用有一定的了解。 2.设计方案 2.1设计条件 设计一管式换热器，处理乙醇20 104 t年，一年按330天，每天24小时 生产，其中高温液体为乙醇，入口温度750C，出口 150C。冷却液体为水，入 口温度50C，出口温度150C。要求其最大压力降不大于105pa。 2.2设计流程 （1）工艺设计 工艺结构尺寸的确定包括管程数与壳程数，传热管排列和分程发发、壳 体内经、折流板数、接管。 换热器的核算包括热量核算，换热管

7、内流体的流动阻力等。 （2）机械设计 设计过程包括对壳体材料的选择，换热器圭寸头的选择，容器法兰的选择， 管子拉脱力的计算，死否需要膨胀节的计算，折流板设计，开孔补强等。 方案头施 3.1确定设计方案 3.1.1选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度 75C，出口温度15C。冷流体（循 环水）进口温度5C,出口温度15C。该换热器冷却热的混合气体，因此初步 确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。 3.1.2流动空间及流速的确定 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；且两流体温度相差较大，应使a较大的循环水走管内。所以从 总体考虑，应使循

8、环水走管程，混和气体走壳程。选用25mm 2.5mm的碳钢 管，管内循环水流速取0.5m/s。 2 p o= 767.35kg/m 壳程乙醇的定性的温度为：T二竺上=45 C 密度 定压比热容 Cp o=2.63kJ/kg oC 热导率 粘度 管程（水）的定性的温度为：T二口5 =10 C 2 密度p i = 999.7kg/m3 密度 定压比热容 C pi = 4.191kJ/kg oC 入 o= O.164W/moC 卩 o= 7.5 10 mPa s 热导率 粘度 卩 i = 130.77 10 m Pa - s 入 i = 0.5745W/ moC 3.1.3计算总传热系数 331.热

9、流量 m o=2OX 104 x 103/(330 x 24)=7.0(kg/s) Q o= moCOA t o=7.0 X 2.63 X (75-15) =1104.6(kw) 3.3.2. 平均传热温差 ：tm=( A11- A12)/ ln( A 11/ A 12)=(75-15 ) -(15-5 )/ ln(75-15 )/ (15 -5 ) =27.9( C) 其中 A11=Trt 2, A12=T 1 o 3.3.3. 水用量 Wi =Q0/(C i A ti)=1104.6/4.191X (15-5)=26.36kg/s 2.2.4. 总传热系数K 管程传热系数：Re=dLuA

10、= .2 5 999.7 =7644.7 叫 0.0013077 :i=0.023 丄( di diUiPi )0严) 0.4 850 11 =0.023 X 0.5745 X 7644.70.8 (4.191 3077 )4 =2082W/ (m? C) 0.0200.5745 壳程传热系数： 假设壳程的传热系数:0=850w/ (m? C) 污垢热阻 Ri=0.00017197nf? C/W R=0.00017197nf? C/W +吕+処 i didm 管壁的导热系数=45 W/ (m? C) K=一 do :idi 0.025 2082 0.02 0.00017197 0.025 0.

11、0025 0.025 0.0245 0.0225 0.00017197 1 =449.3W/ (n? C) 13 3.1.4计算传热面积 Sz =88.12nf Q =1104.6x1000 K.：tm 449.3 27.9 考虑 15%勺面积裕度，S=1.15X Sz =1.15 X 88.12=101.34 (mi) 3.1.5工艺结构尺寸的计算 (1) 管径和管内流速 G25X2.5传热管(碳管)，取管内流速J=0.5m/s (2) 管程速和传热管数 V26.36/999.7c /士口、 ns=_=2=167.9=168 (根) n 20.785 0.020.5 -diU 4 i 按单程

12、计算，所需的传热管长度为L=而喘冷=7.7 (m) 按单程设计，传热管过长，宜采用多管结构。现在传热管长l=6m则该换热器 管程数为NP=L=ZZ=2(管程) l 6 传热管总根数N=168X 2 =336 (根) (3) 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数： R二匸卫=血=6 t2 -t115-5 = 1=0.17 7515 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但R=5的点在图上难以 读出，因而相应以1/R代替R，PR代替P,查同一图线，可得仁t=0.85 平均传热温差 tmF-: at t 尸0.85 X 27.9=23.725( oC) (4) 传热管排列和分程方

13、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。取 管心距a=1.25do，则: a=1.25 X 25=31.25=32 ( mm 横过管束中心线的管数 耳=1.19.N =1.19 X . 336 =21.8=22 壳体内径 采用多管结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为： D=1.05a N/ =1.05 X 32X 336/0.7 =736.1 (mm) 圆整可取D=800mm (5) 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺 高度为 h=0.25 X 800=200 (mm) 取折流板间距 B=0.3D，贝U B=0.3 X

14、800=240mm)可取 B=0.3 X 800=240mm 折流板数 比=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24 (块) 接管 壳程流体进、出口接口 ：取接管内油品流速u=1.5m/s，则接管内径: 二 0.088m d _ 4V _4 7.0 767.35 . - u3.14 1.5 取标准管径为 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=2.0m/s，则接管内径为: = 0.1296m d = 4V =4 26.36 999.7 二u ；3.14 2.0 取标准管径为 3.1.6换热器的核算 (1)热量衡算 壳程对流传热系数。对圆缺形折流板，可采用凯恩公式: 34 0 43

15、6汁。00.55 屛3(召 ew 0.14 当量直径，由正三角形排列得: de 、3 2：2 32：2 4 t-do 40.0322 -一 0.0252 2424 do二 0.025 0.02m 壳程流通截面积: So =BD(1-)=0.24 0.8 (1-0025) t0.032 =0.042m 壳程流体流速及其雷诺数分别为: uo 7.0/767.35 0.042 = 0.217m/s Re。 O.2 027 767.35 “A。/ 0.00075 普朗特数: Pr 2.62 103 715 10* 0.164 -12.03 粘度校正: (严，1 Jw = 685.9w/m2 K 0.1

16、6405513 ：。=0.364404.412.03 3 0.02 管内表面传热系数： S =0.023么 Re0.8Pr0.4 di 管程流体流通截面积： 2 3362 Si =0.785 0.0220.052752 m2 管程流体流速:u26-36/9990.4998m/s 0.052752 Re =0.02 0.4998 999.7/(130.77 10 上)=7645.17 普朗特数: Pr = 9.54 4.191 103 130.77 10-5 0.5745 0.57450 80 42 I 卄 0.。23 砖 7645.17 - 9.57 - = 2084.79w/m.k 传热系数

17、Ke: “ Rs洛囂氐J 0.025 2084.79 0.02 0.00017197 0.025 0.0025 0.025 0.0245 0.0225 0.00017197 1 685.9 =399.0 w/m2.k 传热面积裕S: Q1 3 1104.6 10 399.023.715 Am 该换热器的实际传热面积为 Sp 该换热器的面积裕度为: H_Sc 100% Sc 146.4-116.74 116.74 100% = 25.4% 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务 (2)换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力 巾珂 P P)FtNsNp 2=1，NP=4， Ft=1.4 LP1

18、= i l :-u2 d2- :-u 所以 l ?u2 二 i d 2 P2 u2 2 =3X 999.7 X 0.4998 /2=374.59(Pa) 由Re = 7645.17，传热管相对粗糙度 e/D=0.01/20=0.0005，查图得 入=0.04 流速 Ui =0.4998 ,= 999.7kg/m3，所以： 2 =0.04 X 6/0.02 X 999.7 X 0.4998 /2=1498.35(Pa) 5 2 A pi = (1498.35+374.59) X 1.4 X 2 = 5244.232Pa 10 Pa 管程压降再允许范围之内 流体流经管束的阻力： Pu A p 1

19、= Ff 風(2+1) 2 F=0.5 f0 =5.0 Re。28 =5.0 4440.4亠228 = 0.7368 nc = 22 nB = 24u0 二 0.5 :-u2 A p 1 = Ff onc(NB+1) 2 = 0.5 X 0.7368 X 22X(24+1 )X 2 767.35 0.5 =19435.06 Pa 流体流过折流板缺口的阻力: A p 2 = N b(3.5- f) :-u2 2 B =0.24 D =0.8 A p 2 = Nb(3.5- 2 =24X (3.5- 2 24) X 0.52X 767.35/2 =1381.23(Pa) 0.8 总阻力： X 1.

20、0 X 1.0 = 20816.29Pa 105 Pa 2 A po = ( 19435.06+1301.23) 壳程压降也在范围之内。 3.2机械设计 3.2.1换热器壳体壁厚计算及校核 材料选用Q245R 计算壁厚为：, 26 * - pc 式中：pc 为计算压力，取 pc=1.1 Pw =1.1 0.6=0.66Mpa Di = 800mm;=0.85; 汀=147Mpa(设壳壁温度为 350 C) 将数值代入上述厚度计算公式，可以得知: 0.66 800 2 147 0.85-0.66 =2.1 mm 查化工设备机械基础表 4-11取C2 =1.0 mm ； 查化工设备机械基础表 4-

21、9得G =0.3 mm C1 C2 -圆整值=2.1 0.3 1. 3.4 圆整值 查表4-13圆整后取= 6.0 mm 1、液压试验应力校核 CJ PTQ 2 e 0.9 - t PT -1.15P 厂1.15 0.66=0.759Mpa 汀 、e 二、nC = 61.3 = 4.7 mm 查化工设备机械基础附表 9-1 Re|=245Mpa 0.759 (8004.7) 2 汉 4.7 =64.98Mpa， 0.9 Rei =0.9 0.85 245 =187.425Mpa 可见故水压试验强度足够。 t 兰 0.9Rei 3.2.2换热器封头的选择及校核 上下封头均选用标准椭圆形封头，根据

22、 GB/T25198压力容器封头，封 头为DN800X 8,查化工设备机械基础表 4-15得曲面高度0 = 200 mm , 直边高度=40 mm 材料选用Q245F钢 3.2.3容器法兰的选择 材料选用 Q345R 根据 NB/T47021-2012 选用 DN800 PN1.0 Mpa的榫槽密封面平焊焊法兰。 查化工设备机械基础附表14得 法兰尺寸如下表： 表4-1法兰尺 公称 法兰尺寸 柱 螺 直径 /mm DN/mm DD1 D2 D3D4云d 规格 数量 800 93 890 85 845 84 54 23 M20 40 0 5 2 324管板结构尺寸 固定管板式换热器的管板的主要尺

23、寸: 表5-1 的主要尺寸 固定管板式换热器的管板 公 称 螺栓 D DiD3 D4b c d 直 孔数 径 80 93 84 84 890 54 15 23 40 0 0 5 2 3.2.5管子拉脱力的计算 计算数据按表6-1选取 表6-1 项目 管子 壳体 操作压力 0.7 0.6 /Mpa 材质 20钢 Q245R 线膨胀系数 11.8汇10上 11.80 弹性模量 0.194 x 106 0. 194 x 106 许用应力 140 140 /Mpa 尺寸 管子根数 管间距/mm 管壳壁温差 / C 管子与管板 连接方式 胀接长度 /mm 许用拉脱力 /Mpa 25 2.5 6000 3

24、36 32 -t = 30 开槽胀接 心45 4.0 800 7 1、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力qp qp pf 其中 f -0.866t2d0-396mm2 mm 2 4 p =0.6Mpa , l - 50 mm 0.6 396 3.14 25 50 =0.06Mpa 2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力 qt 2 2 qt J(d P ) 4dol :E(tt -ts) 2 2 As = :D中、.n =3.14 806 6 =15185 .04mm mm At 二(d0 2 - di2) n = 44509.5mm2(6-6) G =20.5Mpa 20.5

25、(252 -202) qt0.9MPa 4汉25汇50 由此可知qp, qt作用方向相同，都使管子受压，贝U管子的拉脱力: q= q p + qt =0.06+0.9=0.96 Mpa 4.0 Mpa 因此拉脱力在许用范围内。 3.2.6计算是否安装膨胀节 管壳壁温差所产生的轴向力为 F: -：iE 魚 ts) AsA AsAt 11.8 10198 103 35 15185.04 44509.5 15185.04 44509.5 = 0.9 103 (N) 压力作用于壳体上的轴向力: F2 = QAs As At 其中 Q ( D2 -nd0)ps n(d -2 J2 Pt 4 =(8002

26、 -252 252) 0.6 252 (25 - 2 2.5)2 0.7 4 = 0.28 106N 6 6 = 0.072 10 N 0.28 1015185.04 15185.0444509.5 压力作用于管子上的轴向力为: QAt 0.28 102 147 0.66 1.0 0.85 44509.5( As At 15185.04 44509.5 F1F2 0.9 1060.072 106 _ ( As- 15185.04 F1F3 6 6 -0.9 100.21 10 At 44509.5 F3 64.01Mpa 则匚s 6N =-15.5Mpa 根据GB15 1 1 9 9 9管壳式

27、换热器 匚s =64.01Mpa ：2 匚；=2 0.85 140 =238Mpa G =-15.5Mpa ：2 二；=2 140 =280Mpa =4.0 Mpa，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。 327折流板设计 3 3 经选择，我们采用弓形折流板，h=Dj二800 =600mm,折流板间距取600mm, 4 4 查化工设备机械基础表 7-7得折流板最小厚度为4 mm,折流板外径负偏差 -1.0 查化工设备机械基础表 7-9折流板外径为796mn材料Q235-A 查化工设备机械基础表 7-10拉杆12，共8根，材料20钢。 3.2.8开孔补强 1、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径

28、接管计算厚度为 PcDo 2汀Pc 其中D。=89mm 选用20钢 查附表9得147Mpa =0.23mm 0.66 汉 89 厲=0.2+0.3+1.0+ 圆整值=1.5 + 圆整值 =4.6 开孔直径为：d =di 2C =80 2 4.6mm = 93.6mm 2、 确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h 已知壳体名义厚度 r，mm，补强部分厚度为 m =6mm 接管有效补强宽度为 B=2d=2 93.6.6=：187.2mm 接管外侧有效补强高度h = fd：n； - 93.623.7mm 3、计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积 需要补强的金属面积为：

29、 A =d、. =93.6 2.1 =196.56 mm 2 可以作为补强的金属面积为： 2 A =(B d)(、e -、)=(196.56 93.6)(61.3 2) =196.56 mm 2 A =2het t)f=2汉22汉(3.10.2)x1.0=142.56(mm ) 4、代=A + A2 = 214.76 +198mm2 = 412.76( mm 丫( 5、比较 Ae与A，Ae(305.36mm2)A(196.56mm2) 同时，计算接管与壳体焊缝面积 As之后，该开孔接管补强的强度足够。 3.2.9支座 根据附表10-4 BI型鞍座标准系列(DN500-900 公称 直径 允 许

30、 载 荷 鞍 座 高 度 底板 腹 板 筋板 垫板 螺 栓 间 距 鞍座质 量 增加 100m m高 度增 加的 质量 li bi di 2 1 3 b3 弧 长 b4 e 带 垫 板 不 带 垫 板 800 220 20 0 72 0 15 0 10 1 0 400 120 1 0 940 260 6 6 5 53 0 3 8 27 7 4.结果与结论 4.1工艺设计结果汇总表 换热器形式 固定管板式换热器 理论换热面积，m 88.12 头际换热面积，m 101.34 传热速率，kW 1104.6 总传热系数，W/ （m K） 449.3 名称 壳程 管程 物料名称 乙醇 水 入口温度，C

31、75 5 出口温度，C 15 15 流量，kg/h 25200 94896 流体密度，kg/m3 767.35 999.7 流速，m/s 0.217 0.4998 对流传热系数， w/（ m. K） 850 2082 污垢热阻，m.K/w 0.00017197 0.000197 阻力降,MPa 0.019435 0.001381 程数 2 单 推荐使用材料 Q245R 20钢 管子规格 25 X 2.5mm 换热管排列方 式 正三角形 管心距 32mm 管数 336 管长 6000mm 折流板数 24 间距 240mm 切口高 度 折流板形式 上下 横过管束中 心 线的管数 壳体内 径 800mm a 对流传热系数，w/（m2?oc）； 有