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 完美格式专业资料目录一、化工原理课程设计任务书.2二、确定设计方案 .31. 选择换热器的类型2. 管程安排三、确定物性数据 .4四、估算传热面积 .51. 热流量3. 传热面积2. 平均传热温差4. 冷却水用量五、工艺结构尺寸 .61.管径和管内流速6.折流挡2.管程数和传热管数板 .73.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、换热器核算 .81. 热流量核算.102.壁温计3.换热器内流体的流动阻力算 .七、结构设计 .131.浮头管板及钩圈

2、法兰结构设计5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计计 .143.管箱结构设计6.外头盖结构设计4.固定端管板结构设计7.垫片选择word 完美格式专业资料8. 鞍座选用及安装位置确定10. 说明9. 折流板布置八、强度设计计算 .151.筒体壁厚计算6.固定管板计2.外头盖短节、封头厚度计算算 .183.管箱短节、封头厚度计7.浮头管板及钩圈 .19算.168.无折边球封头计算4.管箱短节开孔补强校9.浮头法兰计核.17算 .205. 壳体接管开孔补强校核九、参考文献 .20一、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

3、，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231801kg h ，压力为 6.9 MPa ，循环冷却水的压力为 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word 完美格式专业资料管式换热器，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 cp13.297kj kgg热导率 10.0279 w mg粘度 11.510 5 Pags循环水在 34下的物性数据：密度1 994.3kg m3定压比热容 cp14.174kj kggK热导率 10.624

4、 w mgK粘度 10.74210 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。word 完美格式专业资料三、确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏

5、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=110 60 =85 2管程流体的定性温度为t= 39 2934 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，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190kg / m 3定压比热容c p1 =3.297kj/kg? word 完美格式专业资料热导率1 =0.0279w/m ? 粘度1 =1.5 × 10-5 Pa? s循环水在34 下

6、的物性数据：密度1 =994.3 /m3c p14.174kj/kg ? K定压比热容=热导率1 =0.624w/m? K粘度1 =0.742 × 10-3 Pa? s四、估算传热面积1. 热流量Q1= m1c p1 t1=231801×3.297×(110-60)=3.82×107kj/h=10614.554kw2. 平均传热温差先按照纯逆流计算，得tm =(110 39)(60 29)48.3K11039ln29603. 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/( k) 则估算的传热面积为Ap=Q1106145546

7、86.76 m2K t m320 48.3word 完美格式专业资料4. 冷却水用量m= Q1=10614554254.3kg/ s 915486.2kg / h310c piti4.174 10五、工艺结构尺寸1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 。2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=V915486.2/( 3600994.3)0.7850.02262721.34di u按单程管计算，所需的传热管长度为Ap686.76mL=14d ons3.14 0.025627按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构

8、。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7 m， 则该换热器的管程数为L142Np=7l传热管总根数Nt=627× 2=1254word 完美格式专业资料3. 传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数：T1-T2110605R=t 2 t13929t 2t139290.124P=T1t111029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：t0.96平均传热温差tmttm塑0.9648.346.4 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

9、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=1.25d 0，则 t=1.25× 25=31.25 32 隔板中心到离其最. 近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44 。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=0.75，则壳体内径为：D=1.05tNT /1.0532 1254 / 0.7 51374mm按卷制壳体的进级档，

10、可取D=1400mm筒体直径校核计算：壳体的内径D i 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 c1） 2e管子按正三角形排列：nc1.1 N t1.1125439取 e=1.2 d0 =1.225=30mmD i =32（ 39-1 ） +230 =1276mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：D i =1400mmword 完美格式专业资料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=

11、0.3× 1400=420mm，可取 B 为 450mm。折流板数目 N B传热管长70001 14.5 14折流板间距1450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 。7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16 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。8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D14V4231801/(360090)0.3023.1410圆整后可取管内径为 300mm。管程流体进出口接管：取接管内

12、液体流速u2=2.5m/s ，则接管内径为D 24915486 .2 /(3600994.3)3.142.50.361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 ）：0.36Re01)0.14010.55 Pr 3 (d ew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43t 24do2 de=20.02md o壳程流通截面积：SoBD(1do )450 1400(125) 0.1378t32壳程流体流速及其雷诺数分别为word 完美格式专业资料2

13、31801/(360090)5.2m / suo0.1378de u00.025.290624000Reo1.5105普朗特数cp3.2971031.5105Pr1.7730.0279粘度校正()0.141wo0.360.02796240000.551.7730.021w / m2K3935.7（ 2）管内表面传热系数：i0.023iRe0.8Pr 0. 4di管程流体流通截面积：Si0.7850.02212540.19692管程流体流速：915486.2 /(3600994.3)ui0.19691.3m / s雷诺数：Re 0.02 1.3994.3 /(0.742 10 3 ) 34841

14、普朗特数：4.17410 30.74210 3Pr0.6244.96i 0.023 0.624 348410.8 4.960.4 5858w / m2 K 0.02（ 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Ro0.0004m2k / w管内侧污垢热阻Ri0.0006m2k / 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) 。所以 Rw0.00250.00005m2 k / w50word 完美格式专业资料（4） 传热系数K e 有：K e1doRi d

15、 oRw doRo1)(did mi dio1250.0006250.000052515858202022.50.0004935.7402w / m2 K（5）传热面积裕度：计算传热面积Ac：AcQ110614.554 103546.7m2K etm40248.3该换热器的实际传热面积为Ap ：Apd olN T3.140.025 71254 689.1m2该换热器的面积裕度为HApAc689.1546.726%Ac546.7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Twtm因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式twcn 计算。由于该11cn换热器用循环水冷却，冬季操作

16、时， 循环水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：Twtmt wcn11cn式中液体的平均温度 t m 和气体的平均温度分别计算为t m0.4 ×39+0.6 ×15=24.6 word 完美格式专业资料Tm(110+60)/2=85ci5858w/ · Kho935.7w/ &#

17、183; K传热管平均壁温t w32.3 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 t 85 32.3 52.7。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( pipr )N s N p FsN s1 ,Np2 ,piilu 2di2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 i0.04 ，流速 ui =1.3m/s,994.3kg / m3 , 所以：pi0.0471.32994.

18、311762 .57 Pa20.02pru23994.31.322520.55Pa22p1(11762 .572520.55)21.542849 .4Pa管程流体阻力在允许范围之内。（ 2）壳程阻力：按式计算ps( popi ) Fs N s ,N s1,Fs1流体流经管束的阻力2uopoFf o N TC (N B1)F=0.5word 完美格式专业资料fo5588000 0 .2280.2419NTC1.10. 51.112540.539NTN B14u 05.2 m / spo 0.5 ×0.2419 ×39× (14+1) ×905.22=860

19、95.6Pa2流体流过折流板缺口的阻力piN B (3.52Buo2, B=0.45 m , D=1.4mD)2pi14 (3.520.45)90 5.2248672 Pa1.42总阻力ps86095.6+48672=1.35 × 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：参数管程壳程流率915486.2231801进/ 出口温度 / 29/39110/60压力 /MPa0.46.9物定性温度 / 3485性3994.390密度 / （kg/m ）定压比热容 /kj/（ kg? K） 4.1743.297粘

20、度 / （Pa? s）0.742 × 10 31.5×10 5热导率（ W/m?K）0.6240.0279普朗特数4.961.773结 备 设形式浮头式壳程数1壳体内径 / 1400台数1word 完美格式专业资料管径/ 25×2.5管心距 /32管长/7000管子排列正三角形排列管数目/根1254折流板数 / 个14传热面积 / 689.1折流板间距 / 450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/ （ ? K）5858935.7污垢热阻 / （ ? K/W）0.00060.0004阻力 / MPa0.0428

21、50.135热流量 /KW10615传热温差 /K48.3传热系数 /W/ （ ? 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： D 0 D i 2b114002 51390 mm浮头管板外径与壳体内径间隙：取b15mm （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bn16mm浮头

22、管板密封面宽度：b2bn1.517.5mm浮头法兰和钩圈的内直径：word 完美格式专业资料DfiDi2 b1bn）1400 2 516 1358mm（）浮头法兰和钩圈的外直径：D f 0D i801400801480mm外头盖内径：DD i10014001001500mm螺栓中心圆直径：Db（D0Df0）/213901480 / 21435mm（）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，

23、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：L"gminh f2Cdgh1h 23202 100377350501297mm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

24、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D N1500 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0.4Mp a ，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

25、（ b）所示：D1508mm;d1400mm.b. 外头盖垫片：word 完美格式专业资料根据壳程操作条件（混合气体，压力6.9Mp a ，温度 85 。C ），选缠绕式垫片，垫片： 1609mm 1500mm （ JB4705-92 ） 缠绕式垫片。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1390mm1358mm ；厚度为 3mm;JB4706-92 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

26、其中： L6700， L B0.6L0.6 67004020mm取： LB4000mm， L'CL C1350mm9、折流板布置：折流板尺寸：外径： DD N8140081392mm ；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

27、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6.9M pa ，选低合金结构钢板16MnR 卷制，查得材料 85。C 时许用应力t163Mp 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C2=1mm16 MnR钢板的负偏差C1 =0；对根据过程设备设计 （第二版）化学工业出版社：公式（4-13 ）内压圆筒计算厚度公式：=PcD i从而：t2Pc计算厚度：=6.9140035.75mm1630.8526.9设计厚度：dC235.751 36.75 mmword 完美格式专业资料名义厚度：ndC136.75m

28、m圆整取n 38mm有效厚度：enC1C 237mm水压试验压力： PT1.25Pct 1.256.9 18.625Mp a所选材料的屈服应力水式实验应力校核：s 325Mp a（D i）（）PTe8.625140037t2237167.5Mp ae167.5Mp a0.9 s0.90.85325248.625Mp a 水压强度满足气密试验压力：PTPc6.9Mp a2 、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=PcD i6.9150038.3mmt=2Pc 2 1630.85 6.9短节设计壁厚：SdSC 238.3139.3mm短节名义厚度：S

29、nSd C1 39.3mm圆整取 Sn =40mm有效厚度：SeSnC1C 239mm压力试验应力校核：（D i）（）PTe8.625150039t2239170.2Mp ae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=PcD i6.91500t=37.822mm20.5Pc2 1630.85 0.5 6.9封头名义厚度：Sn SC1 C237.822138.822mmword 完美格式专业资料取名义厚度与短节等厚：Sn40mm3 、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0.4M pa ，选用16MnR钢ts 345Mp a

30、，取焊缝系数=0.85 ，腐蚀裕板，材料许用应力170Mp a ，屈服强度度 C2 =2mm计算厚度：S=Pc Di0.414001.94mmt=2Pc 2 1700.85 0.4设计厚度：SdSC21.9423.94mm名义厚度：SnSdC13.94mm结合考虑开孔补强及结构需要取Sn8mm有效厚度：SeSnC1C 28 - 26mm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t130Mp a ，3779 ， C2 =1mm接管计算壁厚：StPcD i

31、0.43770.68 mm2tPc21300.850.4接管有效壁厚：SetSntC1C 29-1-90.156.65mm开孔直径：ddi2C37729 2 2.35363.7mm接管有效补强高度：B=2d=2363.7=727.4mmword 完美格式专业资料接管外侧有效补强高度：h1dSnt363.7957.2mm需补强面积： A=d S=363.71.94=705.6mm 2可以作为补强的面积：A 1（ B - d）(Se - S)（727.4 363.7）（61.94） 1476.6mm 2A22h（ S - St） fr2 57.2 （6.650.68） 130/170 522.3m

32、m 21etA 1A 21476.6522.3 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325 12钢管许用应力：接管计算壁厚：t137Mp a ，C2 =1mmStPc D i6.9325tPc 2 1377.98mm21 6.9接管有效壁厚：SetSntC1C 212 -1-120.159.2mm开孔直径：ddi2C3252 122 （1120.15） 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：h1dSnt306.612 60.7mm需要补强面积：A=d=306.635.75=10960.95mm2可以作为补强的面积为：A 1（ B - d）(e - ) （613.2306.6）（3735.75） 383.25mm 2A22h（ S- St） fr2 60.7 （9.2 7.98） 137/170119.4mm 21et尚需另加补强的面积为：A 4A - A 1 - A 2 10960.95 - 383.25 - 119.410458.3mm