化工原理课程设计换热器

1、银川能源学院化工原理课程设计成绩银川能源学院化工原理课程设计说明书题目：42134吨/ 年乙苯冷却列管式换热器的设计学生姓名李凯学号1410140038指导教师刘荣杰院系石油化工学院专业班级能源化学工程（本）1402 班设计时间2015年 6月 10日化学工程教研室制银川能源学院化工原理课程设计目录摘要 .1abstract .11 设计任务书 .21.1设计题目 .21.2工艺原始数据及操作条件 .21.3设计内容 .21.4设计时间 .22 课程设计概述 .32.1设计目的 .32.2换热器设备的在生产中作用及应用 .32.3工艺流程 .32.4.列管式换热器的特点 .32.4.1应用特点

2、 .32.4.2设备的结构特点 .42.5设计方案的确定 .42.5.1换热器类型的选择 .42.5.2换热器内流体通入空间的选择.42.5.3流速的选择 .53 换热过程工艺计算 .53.1基本物性参数 .53.2计算总传热系数 .63.2.1计算热负荷和冷却水流量 .63.2.2计算两流体的平均传热温差 .63.2.3初算传热面积 .73.3工艺结构尺寸的计算 .83.3.1管径和管内流速 .83.3.2管程数和传热管数 .8I银川能源学院化工原理课程设计3.3.3传热管的排列 .83.3.4壳体内径 .93.3.5折流板 .93.3.6接管 .104换热器主要传热参数的校核 .104.1

3、热流量核算 .104.1.1管程流体流速 .104.1.2课程流速流体 .104.2换热器内流体的流动阻力 .124.2.1管程流动阻力 .125课程设计说明及汇总 .136主要零部件.146.1封头.146.2法兰.156.3管板.156.4垫片.156.5管子在管板上的固定 .156.5.1胀接法 .156.5.2焊接法 .157课程设计心得体会 .158致谢 .16参考文献 .16II银川能源学院化工原理课程设计摘要换热器是化工、石油以及其它许多工业部门的通用设备，在生产制造中占有及其重要的地位。所以，在本次课程设计中我们设计列管式换热器。 设计内容包括设计任务书、课程设计概述、换热工艺

4、计算等。设计过程主要通过设计任务书和国标准则，计算两流体的定性温度，查找资料确定物性参数，计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定主要的零部件。设计结果为单壳程和四管程的固定管板式换热器。优点结构简单、紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生污垢也便于清洗。关键词： 换热器；设计计算；固定管板式换热器abstractHeat exchanger is chemical, oil and many other industrial sectors of general equipment, and its important position in the production and manufac

5、turing. So, in this course we design in the design of shell and tube heat exchanger. Design content includes the design plan descriptions of the overview, curriculum design, so the heat exchange process calculation, etc. Mainly through the design plan descriptions of the design process and gb standa

6、rds, calculated two fluid temperature, and to find the data to determine physical parameters, calculate the total heat transfer coefficient, process structure size and to determine the main components. The shell side of the design results for single fixed tube plate heat exchanger and four sides. Th

7、e advantages of simple structure, compact, low manufacturing cost; Tube is not easy to fouling, even cause fouling also facilitate clean.Key words: heat exchanger; Design calculation; Fixed tube-sheet1银川能源学院化工原理课程设计1 设计任务书1.1 设计题目处理能力为 5320Kg/h的乙苯冷却；1.2 工艺原始数据及操作条件（1） 管程进口温度为 136, 出口温度为 60；允许压力降：不大于

8、 105Pa；（2） 壳程进口温度为 30，出口温度 50；允许压力降：不大于 105MPa；（3） 每年按 330天计 , 每天 24小时连续运行。1.3 设计内容（1）工艺设计：确定设备的主要工艺尺寸，如：管径、管长、管子数目、管程数目等，计算 K0。（2）结构设计：确定管板、壳体、封头的结构和尺寸； 确定连接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。（3）绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书。1.4 设计时间2016年12月5日 2016年12月16日设计学生：李凯指导教师：刘荣杰2银川能源学院化工原理课程设计2 课程设计概述2.1 设计目的课程设计是化工原

9、理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过课程设计使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，进而提高我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。2.2 换热器设备的在生产中作用及应用换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的 10%20%，在炼油厂约占总费用 35%40%。换热器在其他部门如动力、原子能

10、、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。2.3 工艺流程冷却水从换热器左侧封头的下方进入，从换热器右侧封头的上方排出，乙苯从换热器左侧上方的入口进入，经过个管程再从左侧下方排出。2.4.列管式换热器的特点应用特点列管换热器的特点是壳体和管板直接焊接， 结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、 成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，

11、其造价比较低，因此得到了广泛应用。3银川能源学院化工原理课程设计设备的结构特点列管式换热器的结构特点是管束以焊接或胀接在两块管板上， 管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的， 当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器。当管子和壳体的壁温差大于50时，应在壳体上设置温差

12、补偿膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有形、平板形和 形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于 60和壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2.5 设计方案的确定换热器类型的选择对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、 换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。设计所选用的列管换热器的类型为

13、固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史， 具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于 50时，需在壳体上设置膨胀节， 依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力， 使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于 70和壳程流体压强小于 600kpa 的场合，否则因膨

14、胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。换热器内流体通入空间的选择在列管式换热器中，哪一种流体走管程，哪一种走壳程，一般可从下列几个方面考4银川能源学院化工原理课程设计虑。（ 1）不洁净或易结垢的流体走易于清洗的一侧；对于固定管板式换热器，一般走管程； U 形管换热器，一般走壳程。（ 2）粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，在较低的雷诺数（ Re100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。（ 3）有腐蚀性流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的（ 4）压力高的流体走管程，因为管子直径小，承受压力的能

15、力好，还避免了采用高压壳体和高压密封。（ 5）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。（ 6）饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出，而且蒸汽较清洁，无清洗要求。（ 7）被冷却的流体走壳程，便于散热。（ 8）对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程， 这样可以降低管壁与壳壁的温差。减少热应力。以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当的选择。流速的选择换热器内流体的流速大小 , 应有经济衡算来决定 . 增大器内流体的流速 , 可增强对流传热 ,

16、 减少污垢在换热管表面上沉积的可能性 , 即降低了污垢的热阻 , 使总传热系数增大 , 从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费 , 但是流速增大 , 又使流体阻力增大 , 动力消耗也就增多 , 从而致使操作费用增加 , 若流速过大 , 还会使换热器产生震动 , 影响寿命 ,因此选取合适的流速是十分重要的。3 换热过程工艺计算3.1 基本物性参数（ 1）定性温度：可取流体进口温度的平均值。（ 2）壳程流体井水的定性温度为 t= （136+60） /2=98 （ 3）管程流体残油的定性温度为 t= （30+50）/2=40 （ 4）根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。5银川能源学

17、院化工原理课程设计表 1 基础物数据流体 物性Cpkg/m3kJ/(kg ·k)w/(m·c)pa·s乙苯797.80000312.000601148水992.20.00065324.1740.634表 2 常用流速黏度>1500>500100>10035>351<1>1500 500(pa ·s)最大流速0.60.751.11.51.82.4m/s表 3 不同介质在管程（壳程）的流速介质循环水一般液体易结垢液气体流速（ m/s）体管程1.02.00.5 3>1.0530壳程0.51.50.2 1.5>0.

18、52153.2 计算总传热系数计算热负荷和冷却水流量热负荷：Qi =qmi×Cpi × t i =5320×2.0006 × (136-60) ×103/3600=224690W 冷却水流量：Wo=Q/Cp2× t 2=224690/ 4.174 × 103× (50-30)=9689.5 kg/h计算两流体的平均传热温差按单壳程多管程进行计算，对逆流传热温度差进行校正得逆流传热温差为:t 1t 28630ot mt18653. 17 Clnlnt1306银川能源学院化工原理课程设计而T1- T213660R- t

19、 1503. 8t 230t 2t 15030Pt 11380. 189T130由 P和 R查图一可得温度校正系数t0. 91 ，图一因 t 0. 8 ，故可行。所以修正后的传热温度差为：t mtt m0. 9153.1748.4 o C初算传热面积K 值大致范围为 200800W/ （ m2·K）假设 K=300 W/（m2· K），则估算的传热面积为A估QT2246902K t m 30048. 415. 5m .换热管实际面积按1.10A 估，则 A 实=1.10 ×15.5=17 m27银川能源学院化工原理课程设计3.3 工艺结构尺寸的计算管径和管内流速选

20、用 25×2.5 的传热管（碳钢钢管），管内径 di=0.025-0.0025 ×2=0.02m，取管内流速 ui=0.86m/s ；管程数和传热管数依据传热内径和流速确定单程传热管数di =0.02m d0=0.025mnsV9689. 5/( 3600992. 2)20. 02210根0. 785diui0. 7850. 86按单管程计算，所需的传热管长度为A17L21. 7md0 ns3. 14 0. 025 10按单管程设计，传热管过长，故采用多管程，取传热管长l=6m，则该换热器管程数为:L21. 7Np（4管程）l 6热管总根数N T=NP×Ns4&#

21、215;10=40(根)传热管的排列表 4正三角形排列时的管数不计弓形弓形部分管数六角形的对角线上换热器内部分时管在弓形的在弓形的在弓形的在弓形的层数的管数总管数子的根数第一排第二排第三排总管数137725191937373749616151191916131271278银川能源学院化工原理课程设计不计弓形弓形部分管数六角形的对角线上换热器内部分时管在弓形的在弓形的在弓形的在弓形的层数的管数总管数子的根数第一排第二排第三排总管数715169318187817217424241919271530301102133163636711233977424391225469848517132754792

22、6661314296311059072115317211161028231633817127114913采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。如右图二所示；管心距 t=1.25do ，则 t=1.25 ×0.025=0.032m。3.3.4 壳体内径图二采用多管程结构，取管板利用率=0.8 ，壳体内径为D1. 05tN32401. 05237mm0. 8壳程直径可选取的直径有（ 159 273 400 500 600 800）mm故圆整可取 D273mm。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 × 27368.25m

23、m，故可取 h68 mm。B 的范围在（ 0.2DD），取 0.6D；取折流板间距B 163.8mm，固定管板换热器B 有（ 150 300 600 ）mm，取值为 300mm。9银川能源学院化工原理课程设计折流板数 NB传热管长60001 19块折流板间距13003.3.6 接管由表三知：管程流体进出口接管：取接管内水流速为u1 1.5m/s ，则接管内径为49689. 5 /（3600992. 2）0. 05md o=3. 141. 5圆整后可取管内径为 50mm；壳程流体进出口接管：取接管内乙苯流速u2 1.0m/s ，则接管内径为d45320/(3600797 . 8)3. 141 .

24、 00. 048 mi圆整后可取壳内径为48mm。4 换热器主要传热参数的校核4.1 热流量核算4.1.1管程流体流速Ai0. 7852NT240103 2diNP0. 785 0. 0243. 14mW9689. 5uih0. 86m/ s3600 iA33600992. 2(3. 1410 )i雷诺数i ui di992. 20. 860. 0226126Rei0. 0005632iPriCpii4. 1741030. 00065324. 3i0. 634i0. 023iRe0. 8Pri0 . 33859 (2)diiW m课程流速流体当量直径：43t 2d 02430. 032 20.

25、 7850. 025 2d e2420. 02 md 03. 140. 02510银川能源学院化工原理课程设计nc1. 19N1. 19407. 5u 0Wo53200 . 07 m / s3600o Ao3600797.80. 026A( Dnd )h( 0. 2737. 5 0. 025)0. 30. 026m2oco雷诺数Reoo u o d o797.8 0. 070. 02o0 . 000313603普朗特数ProCpo o2 . 000610 30 . 000315 . 6o0 . 11148o0. 36oReo0. 55Pro(1/ 3)1. 05338 (2)d oW m传热

26、Ko 的核算：K0(d 0Rsid0Rso1 ) 1ididi0其中 Rsi1. 72104( m2)/ W；Rso1. 7210 4( m2)/W。K0(d 0Rsid0Rso1 ) 1ididi0K00. 025(1. 72104)0. 0251(1.72 104)138590.02()3380. 02K0272W /( m2)带入数据得出 Ko=272W/( m2)。传热面积：AQ22469017m2Kot m 27248. 4/d LN3. 140. 02564018. 8m20A /A18.817100 %10.6%A17核算结果表明，换热器的面积裕度为10.6%，所以，符合要求。1

27、1银川能源学院化工原理课程设计4.2 换热器内流体的流动阻力管程流动阻力 pi （ p1+p2）Ft NsNp其中： Np=4Ns=1Ft = 1.4P1Li ui2i di2P23i ui22由 Re=26120时，设管壁粗糙度 =0.1mm，则相对粗糙度 /d=0.005 ，查莫狄图（图三）图三莫狄图得： i =0.038(W/(m· 0C)P10.0386992.20.8620.0224182PaP2992.20.862321100Pa总压强降：Pi4182 11001.414 29572. 2Pa 105 Pa4.2.2 壳程流动阻力,）Ft Ns po（ p1 p2其中：

28、Ft = 1.15Ns=112银川能源学院化工原理课程设计流体流过管束的阻力ou21cB1oPFfonN2fo 壳程流体的摩擦系数 , 当 Re0 > 500 时 ,f0. 2285. 03603 0. 2280. 775. 0 Reio流体通过折流板缺口的压力降P2NB 3.5 -2Bo uo2D2P10.50. 777. 519 1797.80. 0722112. 9PaP2193.5-20.3797. 80. 072123. 9Pa0.2732总压强降：Pi112.9123. 91.15 15273. 3Pa<10 Pa符合设计要求。5 课程设计说明及汇总换热器主要结构尺寸和

29、计算结果见下表：表 5 换热器主要结构尺寸换热器型式：固定管板式换热器面积（）： 18.8工艺参数名称管程壳程物料名称水乙苯操作温度，30/50136/60流量， kg/h968955320流体密度， kg/ m3992.2797.8流速， m/s0.860.07传热量， kw224.6913银川能源学院化工原理课程设计续表 5总传热系数， w/·272对流传热系数， w/·21972146污垢系数，· k/w1.72 ×10-41.72 ×10-4阻力降， Pa29572.22733程数41使用材料碳钢碳钢管子规格25 2.5管数 4管长 m

30、m6000管间距， mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距， mm 300切口高度 68mm壳体内径， mm273保温层厚度， mm8传热面积18.8m2面积富裕度10.5%6 主要零部件6.1 封头封头又称端盖（或顶盖），按其形状可分为凸形封头、锥形封头和平板封头三类。其中凸形封头按结构形状又可分为球形、椭圆形、蝶形和无折边球形的四种封头。对于列管式换热器一般取用椭圆形封头为多。 椭圆形封头是由半椭球和具有一定高度的短圆筒两部分所组成。直边的作用是避免壳体与封头间环向焊缝的边缘应力，由于椭球封头各点曲率的变化是连续的，当其承受内压时封头内的应力分布不会发生突变，所以其承受能力较大。椭圆

31、形封头的壁厚与其长短轴的比值有关。标准椭圆封头长短轴之长 , 即长轴 D, 短轴 1/2D,D/2h=2 。大多数椭圆封头的壁厚是与筒体厚度相等或比筒稍厚。椭圆封头直边的内径与壳体内径相同。根据本实验可选 :椭圆形封头上下两封头均选用标准椭圆形封头， 根据 JB/T4737-2002 标准，封头为：DN=273mm,曲面高度 h1=100mm(如图四所示 )图四14银川能源学院化工原理课程设计6.2 法兰法兰是压力容器用的法兰。压力容器法兰分为平焊法兰和对称法兰两类，平焊法兰又分为甲型和乙型两种。甲型平焊法兰适用于公称压强（MPa） Pg0.25、0.6 、1.0 、1.6四个压强等级的较小范

32、围。乙型平焊法兰适用公称压强Pg2.54.0 两个压强等级的较小范围，其最高工作温度为350o C 。本设计选用甲型平焊法兰。6.3 管板管板，就是在钢板上钻出和管子外径一样的孔，将管子穿入焊住固定，起这样作用的一种配件。在固定式管板强度校核计算中，当管板厚度确定之后，不设膨胀节时，有时管板强度不够，设膨胀节后，管板厚度可能就满足要求。此时，也可设置膨胀节以减薄管板，但要从材料消耗、制造难易、安全及经济效果等综合评估而定。固定管板换热器中常用的是 U型膨胀节，它具有结构紧凑简单，补偿性好，价格便宜等优点。6.4 垫片换热器垫片通过以上设计，按照GB/T539,选定耐油石棉橡胶板作为垫片。6.5 管子在管板上的固定管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。 其原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄露。胀接法此法是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部使管端发生塑性变形，管板同时也产生弹