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1、化工原理课程设计报告题目： 列管式换热器设计 学 院 生命科学与工程学院 专 业 生物工程 班 级 生物工程2班 姓 名 卫 宇 学 号 20104467 指导教师 王 枢 2012 年 7 月 18日课程设计成绩评定表学生姓名卫宇学号20104467专业班级生工2班课程设计题目列管式换热器设计课程设计报告评语：课程设计总评成绩：指导教师： 年 月 日课程设计任务书学院生命科学与工程学院专业班级生物工程2班姓名卫宇学 号20104467课程设计题目列管式换热器设计完成时间年 7 月 11 日 至 2012 年 7 月18 日设计内容及要求 设计一列管式换热器，使其满足下列要求，反应器的混合气体
2、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234000，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27，出口的温度为39，试设计一列管式换热器，完成生产任务工作计划及进度 2012年7月11日至7月13日阅读及查阅相关教材和资料，并整理其中与本次设计有关的资料，以备用。 7月14日至7月16日推测及演算与设计相关数据，基本完成。7月17日至7月18日绘制列管式换热器设计图形，整理实验数据及撰写实验报告。指导教师： 王 枢 2012年 7 月 18 日 摘 要首先，根据设计任务书的要求，结合换热介质的物性
3、特征确定换热器的类型。其次，根据流体流动级传热等章节中关于流体阻力，传热面积的计算，初步确定大道设计要求所需要的传热面积，确定穿热气的大致尺寸，而后经过压降校核，传热校核确定传热器尺寸。最后通过化工机械设计确定换热器各附件的尺寸。本次列管式换热器的设计主要是为了培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力。设计的列管式换热器的主要任务是用循环冷却水将气体其从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。本次设计根据气体的流量及其基本参数确定传热所需的面积、单程管数、单程管长及管程的基本参数，从而选择相应的换热器关键词：列管式换热
4、器，设计，任务书，数据，装配图 AbstractFirst of all, according to the requirements of the design plan descriptions, combined with the heat transfer medium property characteristics determine the types of heat exchanger. Secondly, according to the fluid flow and heat transfer in the chapter on level fluid resistance
5、, heat transfer area calculation, preliminary design requirements need to determine avenue of heat transfer area, determine the heat in roughly size, and then after check pressure drop and heat transfer check to determine the size heat transfer. Finally through the chemical machinery design to deter
6、mine the size of the heat exchanger attachments. The tubular heat exchanger design to students integrated use of the course and related elective courses in basic theory and basic knowledge to complete the practical ability of a particular unit operation equipment design task. The main task is the de
7、sign of tubular heat exchanger with circulating cooling water of its gas from 110 , further cooling to 60 after entering the absorber absorb soluble fraction. The design according to the gas flow and the basic parameters to determine the heat transfer area required for one-way number of tubes, the b
8、asic parameters of the one-way length and tube process to select the appropriate heat exchanger. Keywords:tube heat exchanger,design,plan,data,assembly drawing目 录第一章 绪论 .81.1 设计的目的和意义. . . .8 1.1.1 设计目的. .81.1.2 设计意义 .81.2 选题背景.81.3 发展现状 .8第二章 工艺流程及方案说明.92.1 工艺流程.92.2 设计方案.92.2.1 选择换热器类型.92.2.2 管程安排
9、.92.3 确定物性数据.9第三章 设计计算及说明.113.1估算传热面积，初步确定换热器的类型和尺寸 . . . . . . . . 11 3.1.1 查取物性数据 .113.1.2 热负荷计算 . .11 3.1.3 计算平均温度差 . 113.1.4 传热面积的计算 .123.1.5 计算管子数和管长的计算,确定壳体直径.123.2 核算压强降 .133.2.1 管程压强降.13 3.2.2 壳程压强降 .133.3 核算总传热面积.143.3.1 管程对流传热系数.143.3.2 壳程对流传热系数 .153.3.3 污垢热阻和管壁热阻 .153.3.4 总传热系数 .163.3.5传热
10、面积裕度 .163.4 壁温计算 . . .163.5 结构设计 . .173.5.1浮头管板及钩圈法兰结构设计.173.5.2 管箱法兰和管箱侧壳法兰计 .183.5.3 管箱结构设计 .18 3.5.4 固定端官板结构设计 .183.5.5外头盖法兰，外头盖侧法兰设计 .183.5.6 外头盖结构设计 .183.5.7 垫片选择 .183.5.8 鞍座选用及安装位置确定.193.5.9 折流板布置 .193.5.10 说明 .19 3.6 强度设计计算 .20 3.6.1 筒体壁温计算 .203.6.2 外头盖短节 封头厚度计算 .20 3.6.3 官箱短节 封头厚度计算 .213.6.4
11、 管箱短节开孔补强校核 .22 3.6.5 壳体接管开孔补强校核.22 3.6.6 固定管板计算 .23 3.6.7 浮头管板及钩圈计算 .24 3.6.8 无折边球封头的计算 .24结束语 .26参考文献 .27致谢 .28第一章 绪论1.1设计的目的和意义1.1.1设计目的 培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力，培养学生化工设备设计能力的重要环节。通过这一环节的训练，使学生掌握化工设备设计的基本方法，熟悉查询和正确使用技术资料。能在独立分析和解决实际问题能力方面有较大提高，增强工程观念和实践能力。 1.1.2设计的意义 换热器设计
12、分为工艺选项和结构设计，工艺选项是为了得到适合工况的最合理最有效也是最经济的换热器，一个有经验的工程师选择的换热器型式可以使成本节省10%-50%，甚至更多。结构设计则是为了保证换热器的质量和运行寿命。1.2选题背景 根据热流体在传送过程中释放热量，而冷流体在传送过程中吸收热流体所释放的热量，热流体与冷流体在传送过程分别走管程或壳程，而热量则通过两流体本身及管壁由热流体向冷流体传递的原理而设计的一种传热设备。1.3发展现状 对列管式换热器现状进行深度全面分析，且对列管式换热器市场前景进行科学预测的专业研究报告。本报告是中经先略针对列管式换热器市场广泛、深入的调查，并结合国家统计局、商务部、工商
13、部门、海关、行业协会等官方权威数据，由中国产业发展研究网专家团队共同完成。中国列管式换热器市场现状分析及前景预测报告主要包括列管式换热器市场宏观环境、列管式换热器行业总体发展、列管式换热器市场运行现状、列管式换热器进出口状况、列管式换热器替代品发展、列管式换热器关联行业发展、列管式换热器市场竞争格局及策略、列管式换热器市场主要企业情况、列管式换热器市场前景预测等。第二章 工艺流程及方案说明2.1工艺流程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234000 kg/h ,
14、 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27出口的温度为39.2.2确定设计方案2.2.1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27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。2.2.2 管程安排虽然混合气体的操作压强大于循环水，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。2.3物性数据定性温度:对于一般气体和水
15、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=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 1=90 kg/m定压比热容Cp1=3.277 kj/kg热导率1=0.0279 w/m粘度 1=1.510 -5Pas循环水在33下的物性数据密度2=994.3 kg m定压比热容Cp2=4.1783 kj/kg热导率2
16、=0.6214 w/m粘度2=7.53310 -4Pas列管式换热器常用的流速范围流体种类流速(m/s)流体种类流速(m/s)管程壳程管程壳程冷却水一般流体（黏度不高）低黏油高黏油13.50.53.00.81.80.51.50.51.50.21.50.41.00.30.8油蒸气气体气体混合流体51553026363150.53第三章 设计计算及说明3.1 估算传热面积，初步确定换热器的类型和尺寸3.1.1 查取物性数据85下的混合气五行数据: 密度 1=90 kg/m定压比热容Cp1=3.277 kj/kg热导率1=0.0279 w/m粘度 1=1.510 -5Pas33下水的物性数据：密度2
17、=994.3 kg m定压比热容Cp2=4.1783 kj/kg热导率2=0.6214 w/m粘度2=7.53310 -4Pas3.1.2热负荷的计算根据热流体传送过程所需放出热量：=2340003.29750=38574900kj/h 3.1.3 平均传热温差的计算先按照纯逆流计算,得平均温差校正系数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0.96平均传热温差 0.9649.6=47.616K3.1.4 传热面积的计算由于壳程气体的压力较高,故可选取较大的K 值。假设K=290W/( k)则估算的传热面积为A=m23.1.5管子数及管长的计算，确
18、定管壳直径（1）冷却水用量 m=769349.9Kg/h（2）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=1.6m/s。（3）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=按单程管计算所需的传热管长度为 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=6m,则该换热器的管程数为 因此用4管程。传热管总根数 N=3774=1508（4）初步确定传热热规格项目数据项目数据壳径D1600mm管尺寸25mm2.5mm管程数Np4管排列方式正方形斜转45。管数n1508管心距32mm中心管束
19、nc30传热面积744.9管程流通面积Si0.125m2管长L6m3.2核算压强降3.2.1管程压强降 , , 由Re=，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=1.6m/s, 所以： 管程流体阻力在允许范围之内3.2.2壳程压强降 按式计算 流体流经管束的阻力 F=0.4 0.40.229147(19+1)=96326.21Pa 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.3m , D=1.6mPa 总阻力96326.2+66441.6=187182.9Pa 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。3.3核算总传热面
20、积3.3.1壳程对流传热系数 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 =0.3 w/(m2 k)3.3.2管内对流传热系数 管程流体流通截面积管程流体流速雷诺数: 普朗特数 w/(m2k)3.3.3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 即下表：污垢热阻大致数值范围流体污垢热阻/KkW-1流体污垢热阻/KkW-1水（v1m/s,t50）蒸馏水海水洁净的河水未处理的冷水塔用水经处理的冷水
21、塔用水经处理的锅炉用水硬水、井水水蒸气优质、不含油0.090.090.210.580.260.260.580.052劣质、不含油往复机排出液体处理过的盐水有机物燃料油焦油气体空气溶剂蒸汽0.090.180.260.181.061.760.260.530.14管外侧污垢热阻0.0004管内侧污垢热阻0.0006 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/(mK)。所以3.3.4总传热系数=358.3 w/m2k3.3.5传热面积裕度该换热器的实际传热面积为：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。3.4壁温计算 因为管
22、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 5816w/K 926.4w/K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
23、，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。3.5结构设计 3.5.1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：
24、 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。3.5.2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1600，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。3.5.3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，管箱结构如化工单元过程及设备课程设
25、计（化学工业出版社出版）：图4-50（a）所示。3.5.4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（化学工业出版社出版）：图4-50（b）所示。3.5.5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；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。3.5.6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。
26、3.5.7 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： 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。3.5.8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
27、业出版社出版）：图4-44所示 其中： 取：3.5.9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；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 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=300mm，计算折流板数为20块。3.5.10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。 3.6强度设计计算 3.6.1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6.9M，选低
28、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（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0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： = 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： 3.6.2外头盖短节、封头厚度计算： 外头盖内径=1600mm，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=66mm 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
29、准椭圆封头： 封头计算壁厚： S= 封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 3.6.3 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33，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 3.6.4 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=
30、2d=2363.7=727.4mm 接管外侧有效补强高度： 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。3.6.5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
31、积后，该开孔补强的强度的足够。3.6.6固定管板计算： 固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度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。
32、考虑管板双面腐蚀取，隔板槽深取4mm，实际 管板厚为108mm。3.6.7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。3.6.8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，封头封头外侧 85 气体，内侧为 34 循环水，取壁温45。假设名义厚度；双面腐蚀取mm，钢板主偏差 ； 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 3.7
33、第四章 设计结果概要表换热器型式：浮头式工艺参数名称管程壳程物料名称冷却水混合气体操作压力，Mpa0.46.9进（出）口温度，273911060定性温度，3385流量，kgh769349234000流体密度，kgm3994.7390定压比热容，kJ/(kg)4.1743.297导热系数，W/(m)0.6130.0279流速 ms164.8粘度 Pas0.0007520.000015裕度27%总传热系数，W(m2)358.3对流传热系数W(m2)55535772.3污垢热阻 w/m20.000580.00053压力降/Pa91818.6187182.9.6普朗特数5.121.77使用材料碳钢碳钢管子规格（mmmm）252.5 管长mm6000管程数4排列方式正方形旋转45折流板间距/mm350挡板数NB20项目数据项目数据公称直径D/mm1600管程数Np4管程数Np(N)4管长 (L/m)6管数n1508管排列方式正方形旋转45中心排管数nc30管心距/mm32传热面积/ m2744.9
