列管式换热器设计-职业学院石油化工生产技术专业大学论文.doc

酒 泉 职 业 技 术 学 院

毕业设计（论 文）

2013 级 石油化工生产技术 专业

题 目： 列管式换热器设计
毕业时间： 2015年7月
　　　　　　　学生姓名： 李侠虎
指导教师： 王钰
班 级： 13级石化（3）班

2015 年 4月20日

酒泉职业技术学院 2013 届各专业
毕业论文（设计）成绩评定表
姓名
李侠虎
班级
13级石化3班
专业
石油化工生产技术
指导教师第一次指导意见
1.摘要太长，需精简。
2.致谢信内容不合适，需修改。
2015年 4 月 7 日
指导教师第二次指导意见
1.正文格式不正确。
2.封皮书写错误。
3.小结内容混乱。
2015年 4 月 15 日
指导教师第三次指导意见
1.封面格式及布局不对。
2.格式细致修改。
3.插图明细栏修改。
2015年 4 月 28 日
指导教师评语及评分

成绩： 签字（盖章） 年 月 日
答辩小组评价意见及评分

成绩： 签字（盖章） 年 月 日
教学系毕业实践环节指导小组意见

签字（盖章） 年 月 日
学院毕业实践环节指导委员会审核意见

签字（盖章） 年 月 日

列管式换热器设计
摘　　要：提出了在设计列管式换热器时的整体优化、简化设计的计算步骤及过程，从而可使便于计算，以获适宜或最优化设计。化工设备课程设计是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去完成某一设备设计任务的一次训练。本次的设计的内容是水—CO2列管式固定管板换热器的设计。这方面的知识虽然我们在大三上学期进行了理论课的学习，但是了解和掌握的东西仍然很有限。在这次的课程设计，通过热量衡算，工艺计算，结构设计和校核等一系列工作，我们基本上完成了设计任务，也让我明白了怎么应用所学的化工设备知识，结合我们所掌握的其他相关学科的知识、计算机技术、参照相关的书籍文献等去解决实际的设计问题。并且通过在设计过程中，不断的发现问题解决问题，使我们能够更加熟练的运用这些知识与技能。这些经验的积累是对课堂学习的巩固和拓展，也是一次宝贵的经验积累。当然在整个设计过程种，也离不开老师的悉心指导和同组各位组员的同心协力。在我们的实践过程中，通过小组各位组员的分工合作和相互配合，我们才能比较顺利的完成各个时段的工作，在遇到问题时，我们能够一起参与讨论，通过查阅资料、咨询老师等来解决。虽然在这个过程中，我们有发生过计算失误而重头开始计算，有过发现画图过程中的设计缺陷而重新设计等等问题，但这不但没有让我们知难而退，反而让我们更加深刻的认识到科学设计中所应该持有的严谨务实的态度的重要性。这些宝贵经验的积累，对我们今后的学习工作也一定会有很大的帮助。
关键词：换热器，简化，热流量，折流挡板

一、化工原理课程设计任务书

某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102℃冷却至40℃。已知有机料液的流量为2.23×104 kg/h，循环冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产
任务。
已知：
有机料液在71℃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35℃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
（一）选择换热器的类型

列管式换热器
（二）两流体温的变化情况：
热流体进口温度102℃ 出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度为40℃，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。
（三）管程安排
从两物流的操作压力看，应使有机料液走管程，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。
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
T= =71℃
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。对有机料液来说，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。 有机料液在71℃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35℃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
（一）热流量
Q1==22300×4.19×(102-40)=5.79×106kj/h =1609.193kw
（二）平均传热温差
先按照纯逆流计算，得

（三）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=640W/(㎡k)则估算的传热面积为

（四）冷却水用量
=

五、工艺结构尺寸
（一）管径和管内流速
选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.1m/s。
（二）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
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=6m，则该换热器的管程数为
Np=
传热管总根数 Nt=111×2=222
（三）传热温差校平均正及壳程数
平均温差校正系数：
R=

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
（四）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【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-13
取管心距。t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32㎜
隔板中心到离其最.近一排管中心距离：
S=t/2+6=32/2+6=22㎜
各程相邻管的管心距为44㎜。
每程各有传热管222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。
（五）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η=0.75 ，则壳体内径
为：
D=1.05t
按卷制壳体的进级档，可取D=600mm
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内径，其表达式为：

管子按正三角形排列：
取e=1.2=1.225=30mm
=32 （17-1）+2 30 =572mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：
=600mm
（六）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=0.25×600=150m，故可取h=150mm
取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×600=180mm，可取B为200mm。
折流板数目
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。
（七）其他附件
拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为600mm，故其拉杆直径为Ф16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。
（八）接管
壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为u1=10m/s，则接管内径为

圆整后可取管内径为30mm。
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

圆整后去管内径为140mm

六、换热器核算
（一）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】：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

2．管内表面传热系数

管程流体流通截面积：

管程流体流速：

雷诺数：
普朗特数：

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查得碳钢在该条。
件下的热导率为50w/(m·K)。所以
4．传热系数有：

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：

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。

（二）壁温计算
因为管壁很薄，而且壁热阻很小。由于该换热器用循环水冷却，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
0.4×40+0.6×15=34℃
(102+40)/2=71℃
4946w/㎡·K
1076.5w/㎡·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=71℃。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。
（三）换热器内流体的流动阻力
1．管程流体阻力

, ,
由Re=28528，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=1.1m/s,
, 所以：

管程流体阻力在允许范围之内。
2．壳程阻力：
按式计算
, , .15
流体流经管束的阻力

F=0.5

0.5×0.63×16.4×(29+1)×=4400.9Pa
流体流过折流板缺口的阻力
, B=0.3m , D=0.6m
Pa
总阻力 4400.9+2058.8=6460Pa
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见下表：

参数
管程
壳程
流率
138260
22300
进/出口温度/℃
30/40
102/40
压力/MPa
0.4
6.9
物性
定性温度/℃
35
71
密度/（kg/m3）
994
986
定压比热容/[kj/（kg•K）]
4.174
4.19
粘度/（Pa•s）
0.728×
0.54×
热导率（W/m•K）
0.626
0.662
普朗特数
4.85
3.416
设备结构参数
形式
固定管板式
壳程数
1
壳体内径/㎜
600
台数
1
管径/㎜
Φ25×2.5
管心距/㎜
32
管长/㎜
8000
管子排列
正三角形排列
管数目/根
222
折流板数/个
29
传热面积/㎡
88.225
折流板间距/㎜
200
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
1.1
0.24
表面传热系数/[W/（㎡•K）]
4946
1076.5
污垢热阻/（㎡•K/W）
3.4394×
1.7197
阻力/ MPa
0.035
0.0065
热流量/KW
1609.193
传热温差/K
28.5
传热系数/[W/（㎡•K）]
600
裕度/%
34%
七、结构设计
（一）固定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、定固定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：
固定管板外径：
固定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
固定管板密封面宽度：

固定法兰和钩圈的内直径：

固定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。
（二）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800，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。
（三）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计》（化学工业出版社出版）：图4-50（a）所示。
（四）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。
（五）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。
（六）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。
（七）垫片选择：
1．管箱垫片：
根据管程操作条件选石棉橡胶垫。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：

2．外头盖垫片：
根据壳程操作条件选缠绕式垫片，
垫片：（JB4705-92） 缠绕式垫片。
3．固定垫片：
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。
（八）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
其中：
取：
（九）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（c）
后端折流板距固定管板的距离至少为950mm；
实际折流板间距B=300mm，计算折流板数为49块。
（十）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。
八、 强度设计计算
（一）筒体壁厚计算：
由工艺设计给定设计温度71，设计压力等于工作压力为5.0M，选低合金结构钢板16卷制，查得材料71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
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：
（二）外头盖短节、封头厚度计算：
外头盖内径=1500mm，其余参数同筒体：
短节设计壁厚：

短节名义厚度：
圆整取=29mm
有效厚度：

压力试验满足试验要求。
封头名义厚度：

取名义厚度与短节等厚：

（三）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35，设计压力为0.6M，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
（四）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
接管外侧有效补强高度：

需补强面积：A=dS=363.72.91=1058.4
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。
（五）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=306.625.73=7888.82
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。
（六）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=232； 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=2.528
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：

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。
（七）固定管板及钩圈：
固定式换热器固定管板的厚度不是由强度决定的，按结构取80mm； 钩圈采用B型。
材料与固定管板相同，设计厚度按固定管板厚加16mm，定为96mm。
（八）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 71 气体，内侧为 35 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

（九）固定法兰计算：
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150mm。结构见《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社：图4-52（C）

下表为设计汇总：
名称
尺
/mm
材料
名称
尺寸/mm
材料
筒体壁厚
筒体补强圈
外头盖短节
外头盖封头
管箱短节厚
管箱封头厚
管箱分程隔

26
26
29
29
8
8
14
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
管程接管
壳程接管
固定管板
固定管板
钩圈厚
无折边球
固定法兰

108
80
96
50
150
20
20
16Mn锻
16Mn锻
16Mn锻
16MnR
16Mn锻

参考文献：
[1]化学工业出版社《化工原理》（第三版）[M].2006
[2]化学工业出版社《过程设备设计》（第二版）[M].1996
[3]化学工业出版社《化工单元过程及设备课程设计》[M].2006.
[4]陈维汉，孙毅．传热过程损失率方程及参数优化[J]．华中理工大学学报，1996
[5]罗森诺W H．传热学应用手册(上)[M]．北京：科学出版社，1992
[6]陈维汉．换热器两侧表面最佳匹配的一般化推导[J]．华中理工大学学报，1999，

致　　谢
我历时将近两个月时间终于把这篇论文写完了，在这段充满奋斗的历程中，带给我的学生生涯无限的激情和收获。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师给我提供了很多方面的支持与帮助，尤其要强烈感谢我的论文指导老师—王钰老师，没有他对我进行了不厌其烦的指导和帮助，无私的为我进行论文的修改和改进，就没有我这篇论文的最终完成。在此，我向指导和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢！
同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成本篇论文的最终写作。至此，我也要感谢我的朋友和同学，他们在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！
金无足赤，人无完人。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指证！

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