换热器课程设计11.doc

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1、化工原理课程设计设计题目：换热器专业：过程装备与控制工程学号：07学生姓名：2010年6月28日目录一：设计任务和设计条件1二：确定设计方案1三：确定物性数据2四：估算传热面积2五：工艺结构尺寸3六：换热器核算4七、强度设计计算9八、参考文献：15一：设计任务和设计条件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239301，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

2、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粘度二：确定设计方案1 选择换热器的类型两流体温度的变化情况：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贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。三：确

3、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 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粘度四：估算传热面积1 热流量 =2393013.297(110-60)=3.94107kj/h =10944kw2.

4、平均传热温差 先按照纯逆流计算，得： =3.传热面积 为求得传热面积A，需先求出传热系数K，而K值又与给热系数、污垢热阻等有关。在换热器的直径、流速等参数均未确定时，给热系数也无法计算，所以只能进行试算。假设K=313W/(k)则估算的传热面积为 A=4.冷却水用量 五：工艺结构尺寸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。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 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，采用标准设计，现取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为 传热管总根

5、数 Nt=6462=1292(根)3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 按单壳程，四管程结构，查图5-19（a）得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.9，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,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。 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按式（3-16）计算 S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为44。管数的分成方法，每程各有传热管646根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5壳体内径 采

6、用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）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=1400mm6折流板 采用圆缺折流板，去弓形之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=360mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.31400=420mm，可取B为450mm。折流板数目NB=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。7其他附件 拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为12拉杆数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。8接管壳程流体进出口接管：取接

7、管内气体流速为，则接管内径为圆整后可取管内径为310mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为圆整后去管内径为370mm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 据式（5-72） 当量直径 =壳程流通截面积 (m2)壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数 据式（5-63a） 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 按表5-5，可取管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻管壁热阻按式计算，依附录4查表知，碳钢在该条件下的热导率为45.3w/(mK)。所以（4） 传热系数依式（5-11c）有 （5）传热面积裕

8、度 依式（5-23）可得所计算传热面积Ac为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。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3-42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，按式4-42有 式中液体的平均温度

9、和气体的平均温度分别计算为 0.439+0.615=24.6 (110+60)/2=85 5852w/k 925.7w/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，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换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , 由Re=33063，传热管对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得，流速u=1.299m/s,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 按式（6-4）计算 , , 流体流经管束的阻力 (Pa)流体流过折流板缺口的阻力 ,

10、, Pa总阻力85357+49050=1.34Pa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: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943200239301进/出口温度/29/39110/60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/1450台数1管径/252.5管心距/44管长/7000管子排列管数

11、目/根1292折流板数/个14传热面积/710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）1.2995.2表面传热系数/W/（k）5618996.1污垢热阻/（k/W）0.000580.0004阻力/ MPa0.039930.13热流量/KW10944传热温差/K48.3传热系数/W/（K）415裕度/% 25%七、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，设计压力等于工作压力为6.9，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（第二版）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（第二

12、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：=设计厚度：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： 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 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： 封头计算壁厚： S= 封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 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34，设计压力为0.4M，选用16MnR钢板，材料许

13、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 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， 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： 接管外侧有效补强高度： 需补强面积： 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。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：， 接管计算壁厚： 接管有效壁厚

14、： 开孔直径： 接管有效补强厚度： 接管外侧有效补强高度： 需要补强面积： 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。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。 总换热管数量 ； 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)取 计算系数K： 取 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

15、数 系数 壳程压力： 管程压力: 当量压差： 管板采用锻： 换热管采用号碳系钢： 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，实际 管板厚为。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； 钩圈采用型。材料与浮头管板相同，设计厚度按浮头管板厚加，定为。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，依照方法计算。选用板，封头封头外侧 气体，内侧为 循环水，取壁温。假设名义厚度；双面腐蚀取，钢板主偏差 ； 当量厚度 : ，封头外半径: ，计算系数:依据所选材料，温度，系数查外压圆筒，球壳厚度计算得：B=176计算许用

16、外压力 9、浮头法兰计算：按GB151-89相关规定。因此法兰出于受压状态。计算过程取法兰厚度。结构见化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图下表为设计汇总：名称尺寸/材料名称尺寸/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 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锻锻锻锻八、参考文献： 1 化工原理（第三版）化学工业出版社出版 2 GB4557.184机械制图图纸幅面及格式 3 GB15098钢制压力容器4 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年。5 过程设备设计（第二版）化学工业出版社6 化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社