化工原理课程设计1

化工原理课程设计任务书

材化学院专业班学生姓名学号:

设计题目：列管式换热器设计

设计时间：200年月日——200年月日

指导老师：吴世彪

设计任务:

某炼油厂用柴温度"C工作

油将原油预压力

热。柴油和原

油的有关参数

如下表，两侧

的污垢热阻均

可取1.72X

10-4m2・K/W.

换热器热损失

忽略不计，管

质量流量比热密度导热系数粘度

程的绝对粗糙

入口出口kg/hkj/(kg-V)kg/m3W/(m-℃)Pa•s

度£=0/mm,

要求两侧的阻

力损失均不超

过0.3X

105Pao试设计

一台适当的列

管式换热器。

(y：学号后2位

数字)

物料

柴油0.64X10“常压

175T234000+100*y2.487150.133

原油7011044000+150*y2.208150.1283.0X103常压

设计内容：

(1)设计方案的确定及流程说明

(2)换热面积的估算

(3)管子尺寸及数目计算

(4)管子在管板二的排列

(5)壳体内径的确定

(6)附件设计(选型)

(7)换热器校核(包括换热面枳、压力降等)

(8)设计结果概要或设计一览表

(9)对本设计的评述或有关问题的分析讨论

(10)参考文献

图纸要求：1.换热器化工设备图(1#图纸)

安徽建筑工业学院材化学院化工系

目录

第一章文献综述................................................................

第一节概述...............................................................

一、换热器的概念

二、换热器的分类

三、列管式换热器的标准简介

四、列管式换热器选型的工艺计算步骤

第二节换热器设备应满足的基本要求.......................................

一、合理的实现所规定的工艺条件

一、安全可靠性

三、安装、操作及维护方便

四、经济合理

第三节列管式换热器结构及基本参数.......................................

一、管束及克程分程

二、传热管

三、管的排列及管心距

四、折流板和支撑板

五、旁路挡板和防冲挡板

六、其他主要附件

七、列管式换热器结构基本参数

第四节设计计算的参数选择................................................

一、冷却剂和加热剂的选择

二、冷热流体通道的选择

三、流速的选择

四、流向的选择

第二章列管式换热器的设计计算.................................................

第一节换热面积的估算.....................................................

一、计算热负荷

二、估算传热面积

第二节换热器及主要附件的试选.............................................

一、试选管型号

二、换热器结构一些基本参数的选择

第三节换热器校核.........................................................

一、核算总传热系数

二、核算压强降

第四节设计结果一览表.....................................................

第五节设计总结及感想.....................................................

一、设计总结

二、感想

参考文献....................................................................

笫一章文献综述(略)

笫二章列管式换热器的设计计算

第一节换热面积的估算

一、计算热负荷(不考虑热损失)

由于设计条件所给为无相变过程。由设计任务书可知热负荷为

..w原油Cp原油(t2・tL.(50000/3600)X2.20X1000X(110-70).1222222W.

由热量守恒可计算柴油出口温度T2

Q=w柴油Cp柴油(T1-T2)=(380(X)/3600)X2.48X1000X(175-T2)=1222222W

T2=128.31℃

二、计算平均温度差：

△11=175-110=65℃

At2=128.31-70=58.31℃

逆流温度差

A/1—65-58.31

&僦==61.6℃

,65

In

58.31

三.确定流体走向

由于原油温度低于柴油，为减少热损失和充分利用柴油的热量，选择原油走壳

程，柴油走管程。

四.换热面积估算

由《化工原理课程设计》的表4-6,取K估=200W/(m2・℃).

先假设换热器为单管程、单壳程的，且冷热流体逆流接触。则

2

A估二Q/(K估义△L逆)二1222222/(200X61.6)=99.2m.

2

预先估算传热面积为99.2m0

五、选柴油的流速为Ui=lm/s

取换热管的规格为中25X2.5mm碳素钢管(8.3kg/6m)o估算单管程的管子根数

卬柴油38000x4

n=-------------------=47.02,47根。

冗2

3600*夕熙油x-:dJ为3600x715x3.14x(0.02)xl

根据传热面积A估计算管子的长度L',有

99.2

£'==26.9x27m

加2n'3.14x0.025x47

式中：dl---换热管的内径，为0.02m

d0---换热管的外径，为0.025m

五、管程数Nt的确定

由于L'数值太大，换热器不可使用单管程的形式，必须用多管程。我们选择

管程的长度为6m,则Nt=L'/6=27/6=4.5%4.(管程数通常选择偶数)

六、校正温度差

R=(T-T2)/(t2-t1)=(175-128.31)/(110-70)=1.167

P二(t2-tJ/(T-t,)=(110-70)/(175-70)=0.381

根据R,P的值，查化工原理教材中图4-25(a),得温度校正系数

小=0.91>0.9,说明换热器采用单壳程，四管程的结构是合适的。

△tLcpXAtni!g=O.91*61.6=56.06℃o

七、亲实际换热面积A实际

换热管数为n'XNt=47X4=188tMo

2

A实片LX(兀Xd0)Xn*=6X(3.14X0.025)X188=88.55m.

实际换热面积为88.55m2.

八、选择换热器壳体尺寸

选择换热管为三角形排列，换热管的中心距为t=32mm。横过管束中心线的管数:

最外层换热管中心线距壳体内壁距离：b*=(l——1.5)d0,此处b'取一倍dO,

即b，=0.025m

壳体内径：

圆整后，换热器壳体圆筒内径为D=550mm,壳体厚度选择8mm0长度定为

5996mmo

壳体的标记：筒体DN5506二8g5910。

筒体材料选择为Q235-A,单位长度的筒体重110kg/m,壳体总重为

110*(5.910-0.156)=632.94kgo(波形膨胀节的轴向长度为0.156m,见本设计设备

图)

九、确定折流挡板形状和尺寸

选择折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为540mm,厚度为6m黑缺口弓形高

度为圆形板直径的约1/4,本设计圆整为120nlm。折流挡板上换热管孔直径为25.6mm,

共有188-22-13/2=159.5个；拉杆管孔直径为16.6mm,每个折流挡板上有4个。折

流挡板上的总开孔面积=159.5*514.7185+4*216.4243=82963.2972nlm2。折流挡板的

实际面积=191126.3264-82963.2972=108163.0292mm2,重量为5.1kg。选择折流

挡板间距h=400mm。折流挡板数NB=L/h-1=6000/400-1=14块.换热管排列的横截面

如下图所示：

图中圆环形的剖切面表示换热器壳体的剖面.换热管分为四个管程,每个管程

47根换热管(图中各个小菱形的顶点表示换热管横截面的中心).图中8个“十”字形

表示拉杆的开孔,拉杆直径为16mm.

十、波形膨胀节

冷流体原油为黏度较高的流体,其定性温度为(110*0.4+70*0.6)=86℃....热

流体柴油的定性温度为(175*0.5+128.31*0.5)=87.5+64.155=151.66c.冷热

流体的定性温度差二151.66-86=65.66℃>50℃,所以换热器壳体上要安装波形膨

胀节。波形膨胀节的壁厚与壳体相同，为8mm。根据换热器壳体的公称直径550mm,

可知波形膨胀节的公称直径也是550mm,根据公称直径，查《化工设备机械基

础》(化学工业出版社，2008)书中表16-9的对应条目，获得波形膨胀节的具体

尺寸(见换热器设备图)。

单个波形膨胀节的质量=4579586.3154mm；iX7.8X103X103kg-nun3=35.721kg。

十一、传热系数K的计算

1.管程对流传热系数。i

换热管内柴油流速：

二卬柴油/36004x38000

u=1.00m/s

-3600x3.14XO.O22X715X47

71xd,2

4<x夕柒油xn

雷诺数，

普兰德数，

柴油而黏度分、于常温水黏度的两倍，是低黏度液体，且是被冷却，所以

=0.023^Re08Pr03=0.023xx(22344)08x(11.93)03=970.2w/(m2•℃)

2.壳程对流传热系数a。

壳程流通截面积：

S=〃。(1一?)=0.400x0.550x(l-^|)=0.0481m2

壳程流速:

果泮黑翳™s

换热管为三角形排列，壳程的当量直径为

3.14

4(—4x(—x0.0322-------X0.0252)

4

'矶3.14x0.025

=4x(8.87-4.91)x104/0.0785

=0.0202/77

雷诺数，

普兰德数，

原油被加热，所以

05503330550333

a=0.36&RePr(ptl=0.36xg生-x(1943)x(51.56)x1.05

°de〃0.0202

=2.28x64.37x3.72x1.05

=573.2w/(nr•℃)

3.污垢热阻

根据设计任务书,两侧的污垢热阻Rso=Rsi=l.72X10-4m2・℃/Wo

4.总传热系数Ko

Ko=----------!------——丁；取管壁入w=45w/(m-℃)

_L+RJ旦+R0+4_

%444

K=-------------------------------------------!------------------------------------------

“‘+L72xm+00°25x0025+L72xMx些+。必

573.245x0.02250.020970.2x0.020

__________________________1_________________________

-0.001745+1.72xlO-4+6.17x10-5+2.15xl0-4+0.001288

=287.2w/(m2-℃)

2

A«R=Q/(K0XAtn)=1222222/(287.2X56.06)=75.91m.

面积裕量：〉15%

符合换热器设计规范的要求。

十二、压强降的计算

1.管程压强降

己知管程直管的绝对粗糙度£=0.1mm,WJe/dl=0.1/20=0.005,雷诺准数

,查摩擦系数图「28,得到入=0.035,所以，每程直管的压降：.75Pa；

柴油在每管程中局部阻力导致的压强降按经验公式计算如下：

△p、=3x/^；tl|U|=3x715x1=1072.5Pa；

匕22

一般地，流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。

对于中25X2.5的换热管，结垢校正系数Ft=1.4；因为是单壳程、四管程的奥热那,

所以Ns=l,Np=4；

=(Ap1+Ap2)x耳xNpxN,=(3753.75+1072.5)xl.4x4xl=27027Pa<30000Pa,

符合任务书的要求。

2.壳程压强降

流体横过管束的压强降：

管子排列方法对压强降的校正因数F=0.5(正三角形排列)；

壳程流体的摩擦系数fo,当Re2)500时，fo=5.0XRe2-0.228=5.0X

1943-0.228=0.89；

横过管束中心线的管子数nc=15；

折流板数NB=14；

壳程流速u2=0.354m/s；

P原油=815kg/n?

22

-

Ap,=Ff°n<NB+1).原油—=o.5x0.89xl5x(14+l)x8仆><°.354用13Pa.

流体通过折流板缺口的压强降：

折流板间距h=400mm=0.400m；

壳体内径D=550nlm=0.550m

AP"NQ5-丝)3:14x(3.5-”当)X业空左二1462Pa

F2八D20.5502

一般地，流体流经换热器进出口导致的压强降可以忽略。

壳程总压降：

对于液体壳程压强降的结垢校正系数Fs=l.15；

壳程数Ns=l

=7561Pa<30000Pa.符合任务书的要求。

十三、主要附件的选择

1.接管及法兰的选型

1)管口A

管口A为柴油出口。

①接管管径的确定：

流量为38000kg/h,密度为715kg/m3,相当于

q=38000/715/3600=0.01476m3/s。柴油为低粘度流体，在接管中的合理流速u=l—

-2m/so本设计取u=lm/so则接管的内径二二0.1371m=137mm。接管的外径选择为

159mm,壁厚选择为4.5mm,材质为20钢，每米管子的重量17.14kg(GB-T

17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差）。

②接管长度的选择：

接管的长度L选择150mm,则重量为2.6kg。

接管的标记：接管①159X4.5L=150

③接管法兰的选择：

查《大学工程制图》（华东理工大学出版社，2005）表14-5,接管外径

dH=159mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=150加。选择公称压力PN=0.6MPa

的突面法兰,材料为Q235-A,标记为：HG20592法兰PL150（B）-0.6RFQ235-A。

重量为5.14kg.

该法兰有8个均布在外周的螺孔，使用8个M16螺栓、螺母、垫片与工

艺管道连接。

2）管口B

管口B为原油出口。原油的流量为50000kg/h,密度为815kg/m3,相当于

q=50000/815/3600=0.01704m3/s<,原油在接管中的合理流速u=l——2m/s。本设计

®u=lm/so则接管的内径==0.147m=147mmo选择接管的外径、壁厚、材质、长度

和接管法兰都与管口A的相同。

3）管口C

管口C为排气口。

①接管管径的确定：

接管的外径选择32mm,壁厚选择为3.5mm,材质为20钢，每米管子的重量

2.46kg（GB-T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差）。

②接管长度的选择：

接管的长度L选择150mm,则重量为0.369kg。

接管的标记：接管①32X3.5L=150

③接管法兰的选择：

查《大学工程制图》（华东理工大学出版社，2005）表14-5,接管外径

dH=32mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=25mm。选择公称压力PN=O.6\lPa的突

面法兰，材料为Q235-A,标记为：HG20592法兰PL25（B）-0.6RFQ235-A。

该法兰有4个均布在外周的螺孔，使用4个M10螺栓、螺母、垫片与配

套的法兰盖装配。

4）管口D

管口D为原油进口。接管、法兰与管口A和B的完全相同。

5）管口E

管口E为排污口。

①接管管径的确定：

接管的外径选择57mm,壁厚选择为3.5mm,材质为20钢，每米管子的重量

4.62kg0

②接管长度的选择：

接管的长度L选择150n叫则重量为0.693kg。

接管的标记：接管①57X3.5L=150

③接管法兰的选择：

查《大学工程制图》（华东理工大学出版社，2005）表14-5,接管外径

dH=57mm的板式平焊钢制管法兰的公称通径DN=50mm。选择公称压力PN=0.6MPa的突

面法兰，材料为Q235-A,标记为：HG20592法兰PL50（B）-0.6RFQ235-A。重量

为1.51kgo

该法兰有4个均布在外周的螺孔，使用4个M12螺栓、螺母、垫片与配

套的法兰盖装配。

6）管口F

管口F为柴油进口。接管、法兰与管口A.B和D的完全相同。

2.左管板的选型

1）管板厚度：

《化工设备机械基础》（化学工业出版社，2008）中有表16-8管板厚度表。管

板的设计压力为管、壳程设计压力中的大者。当设计压力小于IMPa时，取为IMPa；

表中的设备壳体内径X壁厚最接近本课程设计值的是600X8；管、壳程的温度差

=151.66-86=65.66℃；根据上述的设计压力、壳体内径X壁厚以及温度差，查表得

管板的厚度6二42mm。管板材料为16Mn（锻件）。

2）管板形状：

管板同时起到法兰的作用，密封面为凸面，可以和管箱的法兰（密封面为凹面）

连接。管板直径与管箱法兰的相同，为665mm。外周均布24个①18螺孔，管板重量

约为：

（-xO.6652-188x-xO.O252-24x-x0.0182）x0.042x7800=82kgo

444

管板的大致形状如下图.

3）管板的开孔

①开孔和管程隔板密封槽分布情况：

左管板共有188个安装换热管的开孔和8个拉杆安装孔以及2道管程隔板密

封槽（见设备图）。

②安装换热管的开孔尺寸：

为了便于在管板上焊接换热管，开孔的孔径比换热管的外径大0.4m叫即①25.4

mmo开孔形状见设备图。

（或者:为了便于在管板上胀接换热管，开孔的孔径比换热管的外径大0.3nm,即中

25.3mm。开孔内表面有两道环向的槽，槽深0.5nmo管板开孔形状和内表面环向槽

的位置、尺寸见下图：

③拉杆安装孔和管程隔板密封槽的尺寸见设备图。

3.换热管的选择：

1）选择20钢材质的无缝钢管，规格：①25X2.5。

2）换热管的长度为6000mm。

3）换热管与管板连接采用焊接。

（或者:换热管与管板连接采用胀接。）

具体见设备图。

4.左管箱短节的选择：

1）左管箱短节的内径与壁厚：

左管箱短节为圆柱筒体，内径与壁厚选择与设备壳体相同。

2）左管箱短节的长度：

左管箱短节连接A和F管口。选择左管箱短节的长度为管口接管公称直径的

两倍，即150义2=300廊。选择Q235-A材料制作，单位长度的短节重110kg/m,总重

约为110*0.300=33kgo

左管箱短节的标记:筒体DN5508=8"300。

3）左管箱短节的材质选择

材质选择与换热器壳体相同：Q235-A

5.左管箱封头的选择：

选择公称直径为550mm的标准椭圆封头。壁厚与壳体相同，也是8mmo材质也

是Q235-A。重量约24kg。标记：E1IA550X8-Q235-AJB/T4746-2002o

6.左管箱隔板的选择：

1）材质选择普通的碳素钢：Q235-Ao

2）管箱隔板厚度的选择：

由于管程压强降较小，用公式计算隔板厚度会小于GB151规定的隔板最小厚度

（换热器公称直径＜二600时，碳钢隔板的最小厚度为8mm）,所以直接选择隔板厚度

为10mm。

3）数量：左管箱需要2块相同的隔板。

4）形状：见下图。

面积：217977.2468mm2,厚度：lOnrni。

5）重量：单个左管箱隔板重二（217977.2468mm2X10mm）X7.8X10-3X

10-3kg,mm-3=17kgo

7.左管箱法兰和密封垫片的选型：

1）法兰：

根据公称直径，查《化工设备机械基础》（化学工业出版社，2008）书中表10-3。

选择甲型平焊容器法兰，公称直径550mm,公称压力0.6MPa,密封面为凹面（FM）,

与凸密封面的左管板连接。外周均布24个中16螺孔，用M16双头螺柱与左管板连

接。

标记：法兰一FM550—0.6JB4701—2000o重量为26.4kg。

2）密封垫片：

选择甲型平焊容器法兰用非金属软垫片.，公称直径550nun,公称压力0.6MPa.

标记：垫片550—0.6JB4704—2000o重量略。

左管箱总重量:33+24+17*2+26.4+（2.6+5.14）*2=132.9kg。

8.右管板

右管板没有拉杆开孔，只有一道管程隔板密封槽，其他与左管板相同，具

体见设备图。

9.右管箱设计：

1）右管箱封头：

与左管箱封头相同。

2）右管箱短节的选择：

①右管箱短节的内径与壁厚：

右管箱短节为圆柱筒体，内径与