列管式换热器设计课程设计说明书.doc

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1、化工原理课程设计说明书列管式换热器设计专 业：过程装备与控制工程学 院： 机电工程学院 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220301，压力为6.9，循环冷却水的压力为0.4，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 定压比热容热导率粘度循环水在34下的物性数据：密度 定压比热容K热导率K粘度 目录1、确定设计方案- 5 -1.1选择换热

2、器的类型- 5 -1.2流程安排- 5 -2、确定物性数据- 5 -3、估算传热面积- 6 -3.1热流量- 6 -3.2平均传热温差- 6 -3.3传热面积- 6 -3.4 冷却水用量- 6 -4、工艺结构尺寸- 6 -4.1管径和管内流速- 6 -4.2管程数和传热管数- 6 -4.3传热温差校平均正及壳程数- 7 -4.4传热管排列和分程方法- 7 -4.5壳体内径- 7 -4.6折流挡板- 8 -4.7其他附件- 8 -4.8接管- 8 -5、换热器核算- 9 -5.1热流量核算- 9 -5.1.1壳程表面传热系数- 9 -5.1.2管内表面传热系数- 9 -5.1.3污垢热阻和管壁热

3、阻- 10 -5.1.4传热系数- 10 -5.1.5传热面积裕度- 10 -5.2壁温计算- 10 -5.3换热器内流体的流动阻力- 11 -5.3.1管程流体阻力- 11 -5.3.2壳程阻力- 12 -5.3.3换热器主要结构尺寸和计算结果- 12 -6、结构设计- 13 -6.1浮头管板及钩圈法兰结构设计- 13 -6.2管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计- 14 -6.3管箱结构设计- 14 -6.4固定端管板结构设计- 15 -6.5外头盖法兰、外头盖侧法兰设计- 15 -6.6外头盖结构设计- 15 -6.7垫片选择- 15 -6.8鞍座选用及安装位置确定- 15 -6.9折流板布置-

4、 16 -6.10说明- 16 -7、强度设计计算- 16 -7.1筒体壁厚计算- 16 -7.2外头盖短节、封头厚度计算- 17 -7.3管箱短节、封头厚度计算- 17 -7.4管箱短节开孔补强校核- 18 -7.5壳体接管开孔补强校核- 19 -7.6固定管板计算- 20 -7.7浮头管板及钩圈- 21 -7.8无折边球封头计算- 21 -7.9浮头法兰计算- 22 -参考文献- 23 -1、确定设计方案1.1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

5、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。1.2流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。2、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= =85管程流体的定性温度为t=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

6、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 定压比热容热导率粘度循环水在34 下的物性数据：密度 定压比热容k热导率k粘度3、估算传热面积3.1热流量 Q1=2203013.297(110-60)=3.64107kj/h =10098kw3.2平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 =3.3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=313W/(m2k)则估算的传热面积为 Ap=3.4 冷却水用量m=4、工艺结构尺寸4.1管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。4.2管程数和传热管数

7、可依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 L=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l=7m，则该换热器的管程数为 Np=（管程）传热管总根数 NT=5962=1192（根）4.3传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数：R=P=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：平均传热温差 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。4.4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

8、版社化工原理（第三版）上册】：图6-13。取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=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=22（mm）各程相邻管的管心距为44mm。管束的分程方法，每程各有传热管596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。4.5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=0.7 ，则壳体内径为： D=1.05t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

9、内径，其表达式为： 管子按正三角形排列：取e=1.2=1.225=30mm=32 （39-1）+2 30 =1276mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：=1400mm4.6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=0.251400=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（块）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。4.7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12拉杆数量8，其中长度595

10、0mm的六根，5500mm的两根。壳程入口处，应设置防冲挡板。4.8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（m）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（m）圆整后去管内径为360mm5、换热器核算5.1热流量核算5.1.1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）：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=壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数 粘度校正 5.1.2管内表面传热系数管程流体流通截面积：

11、管程流体流速：雷诺数： 普朗特数：5.1.3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 管内侧污垢热阻 管壁热阻按【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图5-4查得碳钢在该件下的热导率为50w/(mK)。所以5.1.4传热系数 5.1.5传热面积裕度计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为Ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.2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。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15，出口温度为39计算传

12、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和气体的平均温度分别计算为 0.439+0.615=24.6 (110+60)/2=85 5858w/m2K 891.3w/m2K传热管平均壁温壳体壁温，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 。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。5.3换热器内流体的流动阻力5

13、.3.1管程流体阻力 , , 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，流速ui=1.3m/s，, 所以 管程流体阻力在允许范围之内。5.3.2壳程阻力 按式计算 , , 流体流经管束的阻力F=0.5 0.50.243538(14+1)=70757Pa流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.45m , D=1.4mPa总阻力70757+41100=1.12Pa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。5.3.3换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率870855220301进/出口温度/29/3911

14、0/60压力/MPa0.46.9物性定性温度/3485密度/（kg/m3）994.390定压比热容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.7421.5热导率（W/mK） 0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/1400台数1管径/252.5管心距/32管长/7000管子排列正三角形排列管数目/根1192折流板数/个14传热面积/655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）1.34.76表面传热系数/W/（K）5858891.3污垢热阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.0430.

15、112热流量/KW10098传热温差/K46.4传热系数/W/（K）394裕度/%17.76、结构设计6.1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：浮头管板外径与壳体内径间隙：取（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 浮头管板密封面宽度：浮头法兰和钩圈的内直径：浮头法兰和钩圈的外直径：外头盖内径：螺栓中心圆直径：其余尺寸见图6-

16、1。图6-16.2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，图6-1（a）所示。6.3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： 取管箱长为1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱结构如图6-1（a）所示。6.4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；结构如图6-1（b）所示。6.5外头盖法兰、外头盖侧法兰设计依工艺条件，壳侧压力、温

17、度及公称直径；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。6.6外头盖结构设计外头盖结构图6-2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。 图6-2 图6-36.7垫片选择a.管箱垫片 根据管程操作条件（循环水压力，温度34）选石棉橡胶垫。结构尺寸图6-3所示： b.外头盖垫片 根据壳程操作条件（混合气体，压力，温度85），选缠绕式垫片，垫片（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1390mm；厚度为3mm;JB4706-92金属包垫片。6.8鞍座选用及安装位置确定鞍座选用J

18、B/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：取：6.9折流板布置 折流板尺寸：外径：；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；图6-1（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14块。6.10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。7、强度设计计算7.1筒体壁厚计算由工艺设计给定设计温度85，设计压力等于工作压力为6.9

19、M，选低合金结构钢板16卷制，查得材料85时许用应力；过程设备设计（第三版）化学工业出版社。取焊缝系数=1，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0根据过程设备设计（第三版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公式： = 从而计算厚度：=mm设计厚度：mm名义厚度： 圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足气密试验压力：7.2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=短节设计壁厚： 短节名义厚度： 圆整取=36mm有效厚度： 压力试验应力校核：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

20、计算壁厚：S=封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 7.3管箱短节、封头厚度计算s由工艺设计结构设计参数为：设计温度为34，设计压力为0.4M，选用16MnR钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=2mm计算厚度： S=设计厚度： 名义厚度： 结合考虑开孔补强及结构需要取 有效厚度： 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7.4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，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，=1mm 接管计算壁厚： mm接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： B=2d=2363.7=727.4mm接管外侧有效

21、补强高度： 需补强面积：A=dS=363.71.94=705.6可以作为补强的面积： 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。7.5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 钢管许用应力：， =1mm 接管计算壁厚：接管有效壁厚：开孔直径：接管有效补强厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：需要补强面积：A=d=306.635.75=10960.95可以作为补强的面积为：尚需另加补强的面积为：补强圈厚度：实际补强圈与筒体等厚： ； 则另行补强面积：同时计算焊缝面积后，该开孔补强的强度的足够。7.6固定管板计算固定管板厚度设计采用BS法。假

22、设管板厚度b=100mm。总换热管数量 n=1254； 一根管壁金属横截面积为：开孔温度削弱系数（双程）：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： 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：管板最大应力:或筒体内径截面积：管板上管孔所占的总截面积： 系数系数壳程压力：管程压力:当量压差：管板采用16Mn锻：换热管采用10号碳系钢：管板管子程度校核： 管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取4mm，实际管板厚为108mm。7.7浮头管板及钩圈浮头式换热器浮头管板的厚度不是由强度

23、决定的，按结构取80mm；钩圈采用B型。材料与浮头管板相同，设计厚度按浮头管板厚加16mm，定为96mm。如图7-1（a）、（b）图7-17.8无折边球封头计算封头上面无折边球形封头的计算接外压球壳计算，依照GB151-89方法计算。选用16MnR析，封头Ri=1100mm封头外侧 85。C 气体，内侧为 34。C 循环水，取壁温45。C。假设名义厚度Sn=50m；双面腐蚀取C2=3mm，钢板主偏差C1=1.2m； 当量厚度 : ，封头外半径: ，计算系数:依据所选16MnR材料，温度，A系数查外压圆筒，球壳厚度计算得：B=176计算许用外压力 7.9浮头法兰计算按GB151-89相关规定。因

24、此法兰出于受压状态。计算过程取法兰厚度150mm。结构见图7-1（c）下表为设计汇总：名称尺寸/mm材料名称尺寸/mm材料筒体壁厚筒体补强圈厚外头盖短节厚外头盖封头厚管箱短节厚管箱封头厚管箱分程隔板厚34343636881416MnR16MnR16MnR16MnR16MnR16MnR16MnR管程接管壳程接管固定管板厚浮头管板厚钩圈厚无折边球封头浮头法兰厚 10880950150202016Mn锻16Mn锻16Mn锻16MnR16Mn锻参考文献1谭天恩，窦梅，周明华等编著.化工原理（第三版），北京：化学工业出版社，2006.4；2郑津洋，董其伍，桑芝富主编.过程设备设计（第三版），北京：化学工业出版社，2010.6；3匡国柱，史启才编著.化工单元过程及设备课程设计，北京：化学工业出版社，2002；4 GB 150-1998.钢制压力容器S .北京：中国标准出版社，2003；5 GB 151-1999.管壳式换热器S .北京：中国标准出版社，2004；6 GB4557.184机械制图图纸幅面及格式；7濮良贵，纪名刚.机械设计第八版M，北京：高等教育出版社，2006；8成大先.机械设计手册第五版M，北京：化学工业出版社，2008.