化工原理列管式换热器课程设计

力处

ChangchunUniversityofScienceandTechnology

化工原理课程设计

设计说明书

设计题目换热器

学院机电工程学院

专业过程装备与限制工程

姓名

学号

指导老师

日期2017/6

书目

一、化工原理课程设计任务书.............................................2

二、确定设计方案..................................3

I.选择换热器的类型2.管程支配

三、确定物性数据..................................4

四、估算传热面积........................................................5

L热流量3.传热而积

2.平均传热温差4.冷却水用量

五、工艺结构尺寸..................................6

I.管径和管内流速5.壳体内径

2.管程数和传热管数6.折流挡板....................7

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

六、换热器核算....................................8

1.热流量核算3.换热器内流体的流淌阻力

2.壁温计算..........................10

七、结构设计...........................................................13

1.浮头管板及钩圈法兰结构设计6.外头盖结构设计

2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计7.垫片选择

3.管箱结构设计8.鞍座选用及安装位置确定

4.固定端管板结构设计9.折流板布置

5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设计....1410.说明

八、强度设计计算..................................15

1.筒体壁厚计算6.固定管板计算..........18

2.外头盖短节、封头厚度计算7.浮头管板及钩圈.......19

3.管箱短节、封头厚度计算......168.无折边球封头计算

4.管箱短节开孔补强校核........179.浮头法兰计算..........20

5.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,

用循环冷却水将其从110C进一步冷却至60c之后，进入汲取塔汲取其中的可溶

性组分。已知混合气体的流量为221801奴"，压力为6.9M/Z,循环冷却水的

压力为0.4M4,循环水的入口温度为29C,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）

密度夕|=90依/加

定压比热容j=3.297切依・℃

热导率4=0.0279

粘度“=1.5x10-54・s

循环水在34℃下的物性数据：

密度Pi=994.3万/加

定压比热容Cp|=4.174勺7依・K

热导率4=0.624vv/zrz.K

粘度“=0.742xl(r3.es

二、确定设计方案

1.选择换热器的类型

两流体温的改变状况：热流体进口温度HOC出口温度60C；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

确定选川浮头式换热器。

2.管程支配

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，将会加快污垢增长谏度，使换热器的热流品下

降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混在气体走壳程。

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

T110+60

T=---------=85℃

管程流体的定性温度为

39+29

=34℃

依据定性温度，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，

最牢靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别杳取混合无辜组分的有关

物性数据，然后依据相应的加和方法求出混和气体的物性数据。

混和气体在85c下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：

密度A=90kg/m3

定压比热容cpl=3.297kj/kg-℃

热导率2,=O.O279w/nr0C

粘度Ai=1.5x105Pa*s

循环水在34℃下的物性数据：

密度q=994.3kg/m3

定压比热容cjA=4.174kj/kg•K

热导率2）=0.624w/m*K

3

粘度A-0.742xlO_Pa-s

四、估算传热面积

I.热流量

Q尸小CpiM

=221801X3.297X(110-60)=3.66X107kj/h=10166.667kw

2.平均传热温差

先依据纯逆流计算，得

(110-39)-(60-29)

=48.3K

1nli2^

60-29

3.传热面枳

由于光程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(nfk)则估算的传热面

枳为

人0101666672

Ap=1=---------=657.78〃?

K\tm320x48.3

10166667

4.冷却水用量m=0243.6依/s=876856.8版“2

cpM4.174X103X10

五、工艺结构尺寸

1.管径和管内流速选用中25X2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速Ul=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

V876856.8/(3600x994.3)

Ns=«600

0.785xO.O22x1.3

按单程管计算，所需的传热管长度为

L-657.78

«14m

3.14x0.025x600

按单程管设计，传热管过长，宜采纳多管程结构。依据本设计实际状况，采纳非标设计，现

取传热管长i=7m,则该换热器的管程数为

Np=7=7=2

传热管总根数N(=5OOX2=I2(X)

3.传热温差校平均正及壳程数

平均温差校正系数：

IF110-60

K-----------------------J

t2-t,39-29

l,—t[39-29_..

P=^~L=-----------=0.124

T.-t,110-29

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：

£&=0.96

平均传热温差AJ=屋4“烬=0.96x48.3=46.4K

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

采纳组合排列法，即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采纳正方形排列。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=L25dO，则t=1.25X25=31.25%32nm

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廊。

管数的分程方法，每程各有传热管600根，其前后管程中隔板设置和介质的流通依次按【化

学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-8选取。

5.壳体内径采纳多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率n=0.75,则壳体内径

为：

D=1.05t《N"T]=1.05x32V1200/0.75=1344〃〃%

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Dj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

的计算可以确定壳体的内径，其表达式为：

D=t（nc-l）+2e

管子按正三角形排列：L=1.1阿=l.lx71200=38

取e=1.2d（）=1.2x25=30mm

Di=32x（38-1）+2x30=1244mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整:

Dj=1400mm

6.折流挡板采纳圆缺形折流挡板，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=0.25X1400=350m,故可取h=350mm

取折流板间距B=0.3D,贝ijB=0.3X1400=420mm,可取B为450mm。

传执管长7000

折流板数目NB=-^^--l=-^--l=14.5«14

B折流板I可距450

折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社《化T原理》（第三版）上册工图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①16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Ul=10m/s,则接管内径为

4x221801/(3600x90)

D|==0.295

3.14x10

I员I整后可取管内径为300mme

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

4x876856.8/(3600x994.3)八℃

£)2:---------------------------=0.353

3.14x2.5

圆整后去管内径为350mm

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）

上册工式（5-72a）：

0,55

%=0.36^Re0Pr%(4严4

de

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

.rv3->71.2T

一=---——=0.02m

皿

光程流通截面积:

?5

S“=1-亍d)=450x1400(1-II)=0.1378

壳程流体流速及其雷诺数分别为

221801/(3600x90)_八.

应,=-------------------------------=D.0/7?/5

0.1378

氏=3=0.0220x90

600000

1.5x10-5

普朗特数

―泌=3.297x102.5x1。一5.I

0.0279

粘度校正(幺严4~1

ZAv

=0.36x00279x60000rt,55x1.773^=915.7w/w2

“0.02

(2)管内表面传热系数：

4=0.023&Re°'Pr°4

，d:

管程流体流通截面积：

5,.=0.785x0.022x^2=0.1884

，2

管程流体流速:

876856.8/(3600x994.3)

=].3m/s

0.1884

雷诺数：Rc=0.02x1.3x994.3/(0.742xl0-3)«34841

普朗特数:

4.174X103X0.742X103

-4.96

0.624

%=0.023xx3484108x4.96f14=5858卬/〃/.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R,=0.0004//•A/卬

管内侧污垢热阻??.=O.OOO6/77*2-klw

管壁热阻按【化学工业出版社《化工原理》(第三版)上册工图5-4查得碳钢在该条

件下的热导率为50w/(m・K)。所以Rw=气含=0.00005加2.k/w

(4)传热系数有：

250.0006x250.00005x25八“〜1

--------+-----------------+------------------+0.0004+——

x402vv//??2-K

(5)传热面积裕度：

计算传热面积Ac：

4Q,10166.667XI03

=523.6疗

r-

Ke\tm—402x48.3

A

该换热器的实际传热面积为%：

Ap=7nlJNT=3.14X0.025x7x1200=659.4“

该换热器的面积裕度为

4,-4659.4-523.6

=26%

H=—_523.6

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，故管壁温度可按式乙计算。由于该

换热器用循环水冷却，冬季操作时.，循环水的进口温度将会降低。为确保牢靠，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，会使传热管壁温上升，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，应当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晨和气体的平均温度分别计算为

tm=0.4X39+0.6X15=24.6℃

T/n=(110+60)/2=85℃

,

ctr—a{-5858w/m•K

2

ah=ao=935.7w/m-K

传热管平均壁温

tw=323℃

壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=85°C。壳体壁温柔传热管壁温之差

为4=85-32.3=52.7。。。

该温差较大，故须要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头

式换热器较为相宜。

3.换热器内流体的流淌阻力

(1)管程流体阻力

△Pi=(N)i+N)r)NNE

N,=1,即=2,△亿=4；牛

42

由R-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)

上册工图1-27得4=0.04,流速％=1.3m/s,

p=994.3kg/m\所以：

7Ix0943

\p=O.(Mx——x---------------=11762.57Pa

10.022

吟至"/。至川

A广"=3'

Ap,=(11762.57+2520.55)x2xl.5=42849APa

管程流体阻力在允许范围之内。

(2)壳程阻力：

按式计算

△区=(△儿+3)FN,,N,='，Fs=1

流体流经管束的阻力

△P"=F%N./NB+1)。

F=0.5

=5x588000/228=02419

O5,5

=1.17V7=l.lxl2O(y=38

NB=14u()=5.2m/s

A90x5.22

\p=0.5X0.2419X38X(14+1)X------------=83888.0Pa

o2

流体流过折流板缺口的阻力

W=乂(3.5-*)^-,B=0.45m,D=1.4m

2

A」”2x0.45、90x5.2

A/?.=14x(3.5-------------)x------------=48672Pa

'1.42

总阻力

△凡=83888.0+48672=1.33X105Pa

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相宜。

(3)换热器主要结构尺匚和计算结果见下表:

参数管程壳程

流率876856.8221801

进/出口温度/C29/39110/60

压力/MPa0.46.9

物定性温度/℃3485

性

密度/(kg/n?)994.390

定压比热容/[kj/(kg・K)]4.1743.297

粘度/(Pa・s)

0.742XIO”I.5X10"

热导率(W/m・K)0.6240.0279

普朗特数4.961.773

设形式浮头式壳程数1

备

结壳体内径/mm1400台数1

构管径/mm025X2.5管心距/mm32

参

数管长/mm7000管子排列正三角形

排列

管数目/根1200折流板数/个14

传热面积/nf659.4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)1.35.0

表面传热系数/[W/(肝・K)]5858915.7

污垢热阻/(m^K/W)0.0006O.(X)()4

阻力/MPa0.042850.135

热流量/KW10167

传热温差/K48.3

传热系数/[W/(nf・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，采纳标准内径决、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：D0=Dj-2b,=1400-2x5=1390mm

浮头管板外径与壳体内径间隙：取b1=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=161rm

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：

Dfi=Di-2（b,+bn）=1400-2x（5+16）=1358mm

浮头法兰和钩圈的外直径：

Dfn=D,+80=1400+80=1480mm

外头盖内径：

D=Dj+100=1400+100=1500imi

螺栓中心圆直径：

Db=（D0+Dro）/2=（13^+1480）/2=1435mm

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：管恻压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径①1400,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，只考虑相邻焊舞间距离计算：

Lginin>hf+2C+dg+hl+h2=320+2x100+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=1500mm；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确定，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：

依据管程操作条件（循环水压力0.4Mp/温度340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：

依据壳程操作条件（混合气体，压力6.9Mp；1,温度85C）,选缠绕式垫片，

垫片：1609mmx（JB4705-92）缠绕式垫片。

c.浮头垫片：

依据管壳程压差，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①1390mmx①1358mm；厚度为3n】m;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

其中：L=6700,LB=0.6L=0.6x6700=4020mm

取：LB=4（XX）nim*Lc«Lc=135（）mm

9、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干脆选取标准值，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85C,设计压力等于工作压力为6.9Mp」

选低合金结构钢板16MnR卷制，查得材料85C时许用应力匕1=163Mpa；《过程设备设

计》（其次版）化学工业出版社。

取焊缝系数0=0.85,腐蚀裕度C2=lmm；对16MnR钢板的负偏差C1二0

依据《过程设备设计》（其次版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公

式：

从而:

2a0-R

计算厚度：5=-69x140。_b35.75mm

2x163x0.85-6.9

设计厚度：=^+C2=35.75+1=36.75mm

名义厚度：浦=2+G=36.75mm圆整取，=38mm

有效厚度：4=2—G—C,=37mm

水压试验压力：PT=1.25P＜、耳=1.25x6.9xl=8.625Mp.t

所选材料的屈服应力。、=325Mpa

PT(R+心)_8.625x(1400+37)

水式试验应力校核:=167.5Mp

—-2x37a

167.5Mpa<0.960=0.9x0.85x325=248.625Mp”水乐强度满意

气密试验压力：PT=P.=6.9Mpa

2、外头盖短节、封头厚度计算：

外头盖内径中=1500mm,其余参数同筒体:

短节计算壁厚：

ShRDj_6.9x1500

«38.3mm

-2[cr]^-Pc-2x163x0.85-6.9

短节设计壁厚:

Sd=S+C2=38.3+l=39.3mm

短节名义厚度：

Sn=Sd+G=39.3mm圆整取Sn=40mm

有效厚度：

Sc=Sn—C1—C2=39mm

压力试验应力校核：

P/Dj+夕)_8.625x(1500+39)

=170.2Mp

方e―2x39;t

压力试验满意试验要求。

外头盖封头选用标准椭圆封头:

封头计算壁厚：

_PDj_6.9x1500

s工37.822mm

-2[o-]'^-0.5P.-2x163x0.85-0.5x6.9

封头名义厚度:

Sn=S+C(+C2=37.822+1=38.822m。

取名义厚度与短节等厚：

Sn=40mm

3、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34C,设计压力为0.4Mp「选用16MnR钢

板，材料许用应力［bT=170Mp」屈服强度/=345Mpa,取焊缝系数0=0.85,腐蚀裕

度C2=2mm

计算厚度:

S-RD]_0.4x140()

®1.94mm

'-2同I。-2x170x085-。4

设计厚度:

Sd=S+C2=1.94+2=3.94inn

名义厚度：

Sn=Sd+C1=3.94mm

结合考虑开孔补强及结构须要取Sn=8mm

有效厚度：

-

Se=S|1—C1C2=8-2=6mn

压力试验强度在这种状况下肯定满意。

管箱封头取用厚度与短节相同，取Sn=8mm

4、管箱短节开孔补强校核

开孔补强采纳等面积补强法，接管尺寸为中377x9,考虑实际状况选20号热轧碳

素钢管同,

=130Mpa,①377x9,C2=lmm

接管计算壁厚:

吵0.4x377

St-=0.68mm

2口］7+匕2x130x0.85+0.4

接管有效壁厚:

Sel=S1U-Cj-C2=9-1-9x0.15=6.65mm

开孔直径;

d=di+2C=377-2x9+2x2.35=363.7mm

接管有效补强高度：

B=2d=2x363.7=727.4mm

接管外侧有效补强高度：

h,==7363.7x9=57.2mm

需补强面积：A=d-S=363.7x1.94=705.6mm2

可以作为补强的面积：

2

A,=(B-d)(Sc-8)=(727.4-363.7)x(6-1.94)=1476.6mm

2

A2=2h,(Sel-St)fr=2x57.2x(6.65-0.68)x130/170=522.3mm

A1+A,=1476.6+522.3=1998.9>A=705.6mn2

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：

开孔校核采纳等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管中325x12

钢管许用应力：

[b]'=137Mpa,C2=lmm

接管计算壁厚：

S一一吵6.9x325

=7.98mm

2同。+匕2x137x1+6.9

接管有效壁厚:

Sg=Snt-C,-C2=12-l-12xO.15=9.2mm

开孔直径:

d=4+2C=325—2x12+2x(1+12x0.15)=306.6mm

接管有效补强厚度：

B=2d=2x306.6=613.2mm

接管外侧有效补强高度：

h1=TdS7=7306.6x12=60.7mm

须要补强面积：

A=d-t>=306.6x35.75=10960.95mm2

可以作为补强的面积为：

A।[B-d)(£-5)=(613.2-306.6)x(37-35.75)=383.25mm

A2=2h,(Sel-St)fr=2x60.7x(9.2-7.98)x137/170=119.4nin

尚需另加补强的面积为：

A.>A-A,-A.=10960.95-383.25-119.4=10458.3mm2

412.

补强圈厚度：

A1()458.3

Sk=4=36.3inn

B-d。-613.2-325

实际补强圈与筒体等厚：Sk=38nin；则另行补强面积:

2

A4=SK(B-d0)=38x(613.2-325)=10951.6mm

22

A,+A2+A4=383.25+119.4+10951.6=11454.25mm>A=10960.95mm

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纳BS法。假设管板厚度b=100mmo

总换热管数量n=1254；一根管壁金属横截面积为：

a=-(d^-d?)=-x(252-202)=176.6mm2

4°14

开孔温度减弱系数(双程)：〃=0.5

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：

二1.322•、叵=1.32x幽/1254x1766

14.85

bV/zLb100V0.5x6850x10()

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：G,=2.9,G2=-0.65,GS=2.8

管板最大应力:

(Ps-Pt)G2i(6.9-0.4)x(-0.65)

-----x6.41=57.4Mpa

~T0.2330^607

或5=士P.(PT)G,(6.9-0.4)x2.8

—x6.41-101.2Mpa

A0.2330.607

筒体内径截面积：

A=-D^=-xi4002=153860Qnnr

4,4

管板上管孔所占的总薮面积：

厂4125442XIcccco2

C