列管式换热器课程设计报告书

1、专业资料大学化工原理列管式换热器课程设计说明书学院：班级：学号：姓名：指导教师：时间：年月日word完美格式目录一、化工原理课程设计任务书1 .选择换热器的类型2.管程安排三、确据四、估 积1.热流量3 .传热面积2.平均传热温差4.冷却水用量五、工寸.1.6管径和管内流速6.2.管程数和传热管数3.传热温差校平均正及壳程数7.其他附件4.传热管排列和分程方法8.接管5.壳体内径六、换算2.1 .热流量核算七、结1.2.3.4.103.换热器内流体的流动阻力13浮头管板及钩圈法兰结构设计管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 管箱结构设计固定端管板结构设计5.146.7.外头盖结构设计垫片选择外头盖法兰

2、、外头盖侧法兰设10.说明8 .鞍座选用及安装位置确定9 . 折流板布置八、强度算151 .筒体壁厚计算2 .外头盖短节、封头厚度计算3 .管箱短节、封头厚度计算164 .管箱短节开孔补强校核175 .壳体接管开孔补强校核九、参献设计计6. 固 定 管 板 计算187. 浮头管板及钩圈198. 无折边球封头计算9. 浮 头 法 兰 计算20文20、化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图3-2。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60C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 231801kg/h ,压力为6.9 MPa,循环冷却

3、水的压力为0.4 MPa,循环水的入口温度为 29,出口的温度为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1 90kg/m3定压比热容epi 3.297kjXgg热导率 10.0279 w/mg粘度 11.5 10。Pags循环水在34 下的物性数据：密度1 994.3kg/m3定压比热容epi 4.174kjggK热导率 1 0.624 w/mgK粘度 10.742 10 3 Pags二、确定设计方案1 .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

4、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。2 .管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。三、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=11。6085 2管程流体的定性温度为t= 39 29 34 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。对混合气体来说

5、，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1 90kg / m 3c pi =3.297kj/kg ? 定压比热容热导率1 =0.0279w/m ? 粘度I =1.5 X 10-5 Pa? S循环水在 34 下的物性数据:密度1 =994.3 kg/m3cPi 4.174kj/kg ? K定压比热容热导率1 =0.624w/m? K粘度1=0.742 x 10 3Pa? s四、估算传热面积i.热流量Qi= mic pi ti=231801 X

6、3.297 X (110-60)=3.82 X 107kj/h= 10614.554kw2 .平均传热温差先按照纯逆流计算，得tm = (110 39)(60 29) 48.3K11039In60 293 .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=320W/(Df k)则估算的传热面 积为Ap=-Q4 54-686.76 m2K tm 320 48.34.冷却水用量1061磐54254.3kg/ s 915486.2kg / hCpi ti 4.174 10 10五、工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用25X2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速ui=1.3m/s o2

7、.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 =915486.2/( 3600 994.3)5 6270.785 0.022 134 di u按单程管计算，所需的传热管长度为686.76d oils 3.14 0.025627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1=7 m，则该换热器的管程数为Np=传热管总根数Nt=627工217X 2=12543 .传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数：Ti-T2110 60R= 12 ti39 29ILA39 290 124Ti ti11029按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社

8、化工原理 （第三版）上册】：图5-19 得：t 0.96平均传热温差tm t tm塑0.96 48.3 46.4 K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 .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613 o取管心距 t=1.25d 0，则 t=1.25 X 25=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=22mm各程相邻管的管心距为 44 mmo管数的分程方法，每程各有传热管 627根，其前后管程中隔板设置和介质的流

9、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。5 .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Q =0.75 ,则壳体内径为：D=1.05tJNt /1.05 32d254 /0.7 5 1374mm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 Di应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：D i t （ n c 1） 2e管子按正三角形排列：nc l.lN7 1.1 V1254 39e = l .2 do =1.225=30mmDi =32（ 39-1 ） +2 30 =1276mm

10、按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：D i=1400mm25%,则切去的圆缺6 .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 高度为h=0.25X1400=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Nb传热管长70001 14.5 14折流板间距450折流板圆缺面水平装配,7.其他附件见图：【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】拉杆数量与直径选取, 量8,其中长度5950mm本换热器壳体内径为，的六根，5500mm的两根。1400mm,故其拉杆直径为 16拉杆数壳程入口处，应设置防冲挡板。8.接

11、管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为Ul = 10m/s ,则接管内径为423186 ”(360。96)V/ J Vz 乙3.14 10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4 。1 S426 2/(46002)D23.142.50.361圆整后去管内径为360mm六、换热器核算1.热流量核算（1）壳程表面传热系数 上册】：式（5-72a ）：用克恩法计算，见式【化学工业出版社化工原理（第三版）0.36 d_ / 11 Reo055 pr 3(0.14当量直径，依【化学工业出版社化工原理 _4flt2 d02（第三版）上册】：式

12、（5-73a ）得壳程流通截面积:de0.02mSoBD(1450251400(1) 0.137832壳程流体流速及其雷诺数分别为231801/(3600 90)Uo0.13785.2m/sde uo 0.02 5.2 90Re。1.5 10 5624000普朗特数 35Pr 33.297 101.5 10 1.7730.0279粘度校正一)。41Wo 0.36 0.0279 624OOO055 1.773 935,7w/m 2 K0.02-(2)管内表面传热系数：i 0.023Reo.sPro.4di管程流体流通截面积：Si 0.785 0.0220.19692 管程流体流速：Ui91548

13、6.2 /(3600 994.3)0.19691.3m / s雷诺数：普朗特数:Re 0.02 1,3994.3 /(0.742 10 3 ) 348414.174 10 3 0.742 10 30.6244.960.0230.624348410 8 4.960/ 5858w / m2 K0.02（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Ro 0.0004m2 k/w管内侧污垢热阻 Ri 0.0006m2 k/w管壁热阻按【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图5-4查得碳钢在该条件下的热导率为 50w/（m K） o 所以 Rw 0.0

14、025 0.00005m2 k/w50(4)Rw do Ko250.0006 2510.00005 255858 20 402w/m22022.510.0004 935.7（5）传热面积裕度：计算传热面积Ac：Ac-Qf-K e tm10614.554 IB546.7m240248.3该换热器的实际传热面积为dolNT3.140.025 71254 689.1m2该换热器的面积裕度为Ap AcAc689.1546.7546.726%T计算。由于该为确保可靠，取循环冷却水进n传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2 .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tw换热器用循环水

15、冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。口温度为15C,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：式中液体的平均温 度t m和气体的平均温度分别计算为m 0.4 X 39+0.6 X 15=24.6 Tm (110+60)/2=85 ci 5858w/nf Kho 935.7w/ m2 K传热管平均壁温 t w 32.3 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 T=85O

16、壳体壁温和传热管壁温之差 为 t 85 32.3 52.7o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。3 .换热器内流体的流动阻力(1)管程流体阻力pt ( pi pr )N s N p Fs1 u 2N s 1 , Np2 ,piidi 2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)U.上册】：图1.27得i 0.04 ,流速994.3kg/m3 ,所以：Pi 0.04 -二994：.31 1762 57 Pa0.022u2994.3 1.32pr 3 2520.55Pa22pi (11762

17、 .57 2520.55) 2 1.5 42849 .4Pa管程流体阻力在允许范围之内。(2)壳程阻力:按式计算ps ( Po Pi) Fs N s , Ns 1, Fs 1流体流经管束的阻力2u。Po Ff o N TC (N B 1)F=0.5lo 5 588000 -228 0.2419N 1.1 0.5 1.1 12540-5 39 tc NtN b 14 u o 5.2 m / sPo 0.5 xo.2419 X39X (14+1) X 90 5.22 =86095.6Pa 2流体流过折流板缺口的阻力2B Uo 2Pi N B (3.5)-,B=0.45 m , D=1.4mD 2p

18、i 14 (3.5 545)-舒- 48672 Pa1.42总阻力Ps 86095.6+48672=1.35 X 105 Pa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。（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见下表:参数壳程流率915486.2231801进/出口温度/29/39110/60压力/MPa0.46.9物性定性温度/34853密庶 / (ka/m )004 aQO定压比热容/kj/( kg? K)4.1743.297粘度/ (Pa? s)0.742 X 10 31.5X10 5热导率（W/m? K）0.6240.0279普朗特数4.961.773备设浮头式壳程数1

19、壳体内径/ mm1400台数1管径/mm 25X2.5管心距/mm32管长/mm7000管子排列正三角形 排列管数目/根1254折流板数/个14传热面积/ m2689.1折流板间距/ mm450管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/ ( m/s )1.35.2表面传热系数/W/ （m2 ? K）5858935.7污垢热阻/ (m2 ? KAV)0.00060.0004阻力/MPa0.042850.135热流量/KW10615传热温差/K48.3传热系数/W/ (m2 ? K)400裕度/%26%七、结构设计1、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

20、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：Do Di 2bi 1400 2 5 1390 mm浮头管板外径与壳体内径间隙：取 bi 5mm （见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）；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 bn 16mm浮头管板密封面宽度：b2 bn 1.5 17.5mm浮头法兰和钩圈的内直径：D D 2 b b ）1400 2 5 16 1358mmfi i （ i n（）浮头法兰和钩圈的外直径：Df。 Di 80 140080

21、1480mm外头盖内径：D Di 100 1400 1001500mm螺栓中心圆直径：D D D /213901480 /2 1435mmb （0 仍）（）其余尺寸见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4.50。2、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，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-50 （ a）所示。3、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：

22、Lgmin hf 2C dg hl h 2 320 2 100 377 350 50 1297mm取管箱长为1300mm,管道分程隔板厚度取14mm,管箱结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-50 （a）所示。4、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；结构如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-50 （ b）所示。5、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Dn 1500 mm ；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。6、外头盖结构设计：外头盖结构如

23、化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-51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，见化工单元过程及设 备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-51。7、垫片选择：a.管箱垫片：根据管程操作条件（循环水压力0.4Mpa ,温度34 C ）选石棉橡胶垫。结构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4-39 （ b）所示：D 1508mm; d 1400mm.b.外头盖垫片：根据壳程操作条件（混合气体，压力 6.9Mp a，温度85 ）,选缠绕式垫片，垫片：1609mm 1500mm （ JB4705-92 ）缠绕式垫片。 c.浮头垫片：根

24、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 1358mm ；厚度为3mm;JB470692金属包垫片。8、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：L 6700, Lb 0.6L0.6 6700 4020mm,L取：Lb 4000mm, Lee 1350mm9、折流板布置：折流板尺寸：外径：D Dn 8 1400 8 1392mm ；厚度取 8mm前端折流板距管板的距离至少为850mm；结构调整为900mm；见化工单元

25、过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-50 （ 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12块。10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。八、强度设计计算1、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度85 C,设计压力等于工作压力为 6.9Mpa ,选低合金结构钢板 16MnR卷制，查得材料85 C时许用应力 t 163Mp a ；过程设备设 计（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数=0.85 ,腐蚀裕度2=lmm 16 Mn

26、RCi =0C ；对钢板的负偏差根据过程设备设计（第二版）化学工业出版社：公式（4-13 ）内压圆筒计算厚度公式：=PeD i从而：2 Pc计算厚度：=-9一!4 英一 35.75mm2 163 0.85 6.9设计厚度：d C2 35.75 1 36.75 mm名义厚度:Ci 36.75mm圆整取n 38mm有效厚度:Ci C 2 37mm水压试验压力：Pt1.25PCt1.256.9 1 8.625Mp a所选材料的屈服应力s 325Mp a水式实验应力校核:(Di )2 e( )2 37167.5Mp a167.5Mp a 0.90.9 0.85 325248.625Mp a水压强度满足

27、气密试验压力：PtPc 6.9Mp a外头盖短节、封头厚度计算:短节计算壁厚:S =短节设计壁厚:外头盖内径 =1500mm,其余参数同筒体:38.3mmPcDi 6.9 15002 Pc 2 1630.85 6.9Sd S C 2 38.3 1 39.3mm短节名义厚度:39.3mm 圆整取 =40mm有效厚度:Se Sn Ci C 2 39mm压力试验应力校核：(Di )()t170.2Mp a2 e2 39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：PcD i6.9 1500S= = 37.822mm2 10.5Pc2 163 0.85 0.5 6.9封头名义厚度：

28、Sn S Cl C237.822 1 38.822mm取名义厚度与短节等厚:Sn 40mm3 、管箱短节、封头厚度计算:由工艺设计结构设计参数为：设计温度为34 C ,设计压力为0.4Mpa，选用16MnR钢板，材料许用应力170Mp a ，屈服强度345Mp a ，取焊缝系数=0.85 ，腐蚀裕度 C2 =2mm计算厚度:s=Pc Di0.4 14001.94mm设计厚度:Sd名义厚度:SnPc 2 1700.85 0.4S C2 1 -94 2 3.94mmSd Ci 3.94mm结合考虑开孔补强及结构需要取s n 8mm有效厚度:Se Sn Ci C 2 8-2 6mm压力试验强度在这种

29、情况下一定满足。管箱封头取用厚度与短节相同，取 Sn8mm4 、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377 9，考虑实际情况选 20号热轧碳素钢管130Mp377 9 , C2 =lmm接管计算壁厚:StPcDi0.4 377Pc2 130 0.850.68 mm0.4接管有效壁厚:et9-1-9 0.156.65mm开孔直径:di2C 37729 2 2.35363.7mm接管有效补强高度:B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效补强高度:hi JdSnt J363.7 9 57.2mm需补强面积： A=d S=363.71.94=705.6 mm 2可以作为补

30、强的面积:A i ( B-d) (Se-S) (727.4 363.7) (61.94) 1476.6mm 2A 2h ( S -St) f21 et2 57.2 (6.650.68) 130/170522.3mm 2A 1 A2 1476.6 522.3 1998.9 A705.6mm 2该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。5、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32512钢管许用应力:137Mp a ，C2 =lmm接管计算壁厚:StPc Di6.9 3257.98mmPc2 137 16.9接管有效壁厚:S nt C112 -1-120.15 9.2

31、mm开孔直径:di 2C3252 12 2(1 12 0.15)306.6mm接管有效补强厚度:B=2d=2306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度:hi vdSnt7 306.6 12 60.7mm需要补强面积:A=d=306.6735.75=10960.95 mmz可以作为补强的面积为:Ai ( B-d)e - ) (613.2 306.6) (3735.75)383.25mm 2A 2h ( S2 let-St) f 2 60.7 (9.2 7.98)137/170119.4mm 2尚需另加补强的面积为:10458.3mm 2A 4 A-Ai - A2 10960.95 - 383.25 - 119.4补强圈厚度:Sk A 410458.3 36e3mmB do 613.2 325实际补强圈与筒体等厚：Sk 38mm ；则另行补强面积：A4 SK(B-do) 38 (613.2 325) 10951.6mm 2A i A2 A4 383.25 119.410951.611454 .25mm 2 A 10960.95mm 2同时计算焊缝面积 A3后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算：固定管板厚度设计采用总换热管数量 n=1254a (do24BS法。假设管板厚度b=100mmo;一根管壁金属横截面