列管式换热器优秀课程设计.doc

——大学

《化工原理》

列管式换热器

课程设计说明书

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目录
一、化工原理课程设计任务书......................................................................................2

二、确定设计方案..........................................................................................................3
1.选择换热器类型
2.管程安排

三、 确定物性数据..........................................................................................................4

四、 估算传热面积..........................................................................................................5

1.热流量
2.平均传热温差
3.传热面积
4.冷却水用量

五、 工艺结构尺寸..........................................................................................................6

1.管径和管内流速
2.管程数和传热管数
3.传热温差校平均正及壳程数
4.传热管排列和分程方法
5.壳体内径
6.折流挡板...................................7
7.其它附件
8.接管

六、 换热器核实..............................................................................................................8

1.热流量核实
2.壁温计算.....................................................10
3.换热器内流体流动阻力

七、 结构设计.................................................................................................................13

1.浮头管板及钩圈法兰结构设计
2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计
3.管箱结构设计
4.固定端管板结构设计
5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设计............14
6.外头盖结构设计
7.垫片选择
8.鞍座选择及安装位置确定
9.折流板部署
10.说明

八、 强度设计计算.........................................................................................................15
1.筒体壁厚计算
2.外头盖短节、封头厚度计算
3.管箱短节、封头厚度计算.................16
4.管箱短节开孔补强校核......................17
5.壳体接管开孔补强校核
6.固定管板计算......................18
7.浮头管板及钩圈.................19
8.无折边球封头计算
9.浮头法兰计算.......................20

九、参考文件..................................................................................................................20

一、化工原理课程设计任务书

某生产过程步骤图3-20所表示。反应器混合气体经和进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃深入冷却至60℃以后，进入吸收塔吸收其中可溶性组分。已知混合气体流量为231801，压力为6.9，循环冷却水压力为0.4，循环水入口温度为29℃，出口温度为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℃下相关物性数据以下（来自生产中实测值）
密度
定压比热容℃
热导率℃
粘度
循环水在34℃下物性数据：
密度
定压比热容K
热导率K
粘度

二、确定设计方案
1． 选择换热器类型
两流体温改变情况：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，考虑到这一原因，估量该换热器管壁温度和壳体温度之差较大，所以初步确定选择浮头式换热器。
2． 管程安排
从两物流操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但因为循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加紧污垢增加速度，使换热器热流量下降，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：对于通常气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度平均值。故壳程混和气体定性温度为
T= =85℃
管程流体定性温度为
t=℃

依据定性温度，分别查取壳程和管程流体相关物性数据。对混合气体来说，最可靠无形数据是实测值。若不含有此条件，则应分别查取混合无辜组分相关物性数据，然后按摄影应加和方法求出混和气体物性数据。
混和气体在85℃下相关物性数据以下（来自生产中实测值）：
密度
定压比热容 =3.297kj/kg•℃
热导率 =0.0279w/m•℃
粘度 =1.5×10-5Pa•s

循环水在34℃ 下物性数据：
密度 =994.3㎏/m3
定压比热容 =4.174kj/kg•K
热导率 =0.624w/m•K
粘度 =0.742×10-3Pa•s

四、估算传热面积
1.热流量
Q1=
=231801×3.297×(110-60)=3.82×107kj/h =10614.554kw
2. 平均传热温差
先根据纯逆流计算，得
=
3. 传热面积
因为壳程气体压力较高，故可选择较大K值。假设K=320W/(㎡k)则估算传热面积为
Ap=

4.冷却水用量 m==

五、工艺结构尺寸
1．管径和管内流速 选择Φ25×2.5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
Ns=
按单程管计算，所需传热管长度为
L=
按单程管设计，传热管过长，宜采取多管程结构。依据本设计实际情况，采取非标设计，现取传热管长l=7m，则该换热器管程数为
Np=
传热管总根数 Nt=627×2=1254
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
因为平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程适宜。
4. 传热管排列和分程方法
采取组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采取正方形排列。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㎜
各程相邻管管心距为44㎜。
管数分程方法，每程各有传热管627根，其前后管程中隔板设置和介质流通次序按【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-8选择。
5．壳体内径 采取多管程结构，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
按卷制壳体进级档，可取D=1400mm
筒体直径校核计算：
壳体内径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板直径，所以管板直径 计算能够决定壳体内径，其表示式为：

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：
=1400mm
6．折流挡板 采取圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径25%，则切去圆缺高度为
h=0.25×1400=350m，故可取h=350mm
取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。
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。
7．其它附件
拉杆数量和直径选择，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为Ф16拉杆数量8，其中长度5950mm六根，5500mm两根。
壳程入口处，应设置防冲挡板。
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

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

圆整后去管内径为360mm
六、换热器核实
1． 热流量核实
（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：

该换热器实际传热面积为：

该换热器面积裕度为

传热面积裕度适宜，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，故管壁温度可按式计算。因为该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水进口温度将会降低。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，因为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。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最不利操作条件考虑，所以，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是有：

式中液体平均温度和气体平均温度分别计算为
0.4×39+0.6×15=24.6℃
(110+60)/2=85℃
5858w/㎡·K
935.7w/㎡·K
传热管平均壁温
℃
壳体壁温，可近似取为壳程流体平均温度，即T=85℃。壳体壁温和传热管壁温之差为 ℃。
该温差较大，故需要设温度赔偿装置。因为换热器壳程压力较大，所以，需选择浮头式换热器较为适宜。
3．换热器内流体流动阻力
（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=1.3m/s,
, 所以：

管程流体阻力在许可范围之内。
（2） 壳程阻力：
按式计算
, ,
流体流经管束阻力

F=0.5

0.5×0.2419×39×(14+1)×=86095.6Pa
流体流过折流板缺口阻力
, B=0.45m , D=1.4m
Pa
总阻力
86095.6+48672=1.35×Pa
因为该换热器壳程流体操作压力较高，所以壳程流体阻力也比较适宜。

（3）换热器关键结构尺寸和计算结果见下表：

参数
管程
壳程
流率
915486.2
231801
进/出口温度/℃
29/39
110/60
压力/MPa
0.4
6.9
物性
定性温度/℃
34
85
密度/（kg/m3）
994.3
90
定压比热容/[kj/（kg•K）]
4.174
3.297
粘度/（Pa•s）
0.742×
1.5×
热导率（W/m•K）
0.624
0.0279
普朗特数
4.96
1.773
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/㎜
Φ25×2.5
管心距/㎜
32
管长/㎜
7000
管子排列
正三角形排列
管数目/根
1254
折流板数/个
14
传热面积/㎡
689.1
折流板间距/㎜
450
管程数
2
材质
碳钢
关键计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
1.3
5.2
表面传热系数/[W/（㎡•K）]
5858
935.7
污垢热阻/（㎡•K/W）
0.0006
0.0004
阻力/ MPa
0.04285
0.135
热流量/KW
10615
传热温差/K
48.3
传热系数/[W/（㎡•K）]
400
裕度/%
26%

七、结构设计
1、浮头管板及钩圈法兰结构设计：
因为换热器内径已确定，采取标准内径决、定浮头管板外径及各结构尺寸（参考《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：
浮头管板外径和壳体内径间隙：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：

浮头法兰和钩圈内直径：

浮头法兰和钩圈外直径：

外头盖内径：

螺栓中心圆直径：

其它尺寸见《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。
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高值，和设计温度和公称直径1400，按JB4703-92长颈对焊法标准选择。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）所表示。
3、管箱结构设计：
选择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）所表示。
4、 固定端管板结构设计：
依据选定管箱法兰，管箱侧法兰结构尺寸，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）所表示。
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
标准选择并确定尺寸。
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所表示。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。
7、垫片选择：
a.管箱垫片：
依据管程操作条件（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）所表示：

b.外头盖垫片：
依据壳程操作条件（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：
依据管壳程压差，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。
8、 鞍座选择及安装位置确定：
鞍座选择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4-44所表示
其中：
取：
9、折流板部署：
折流板尺寸：
外径：；厚度取8mm
前端折流板距管板距离最少为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）
后端折流板距浮动管板距离最少为950mm；
实际折流板间距B=450mm，计算折流板数为12块。
10、说明:
在设计中因为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择标准值，只能进行非标设计强度计算。

八、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6.9M，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=0.85，腐蚀裕度=1mm；对16钢板负偏差=0
依据《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：
所选材料屈服应力
水式试验应力校核：
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，其它参数同筒体：
短节计算壁厚：
S==
短节设计壁厚：

短节名义厚度：
圆整取=40mm
有效厚度：

压力试验应力校核：

压力试验满足试验要求。
外头盖封头选择标准椭圆封头：
封头计算壁厚：
S==
封头名义厚度：

取名义厚度和短节等厚：

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，选择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。
管箱封头取用厚度和短节相同，取
4、 管箱短节开孔补强校核
开孔补强采取等面积补强法，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=363.71.94=705.6
能够作为补强面积：

该接管补强强度足够，不需另设补强结构。
5、壳体接管开孔补强校核：
开孔校核采取等面积补强法。选择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
能够作为补强面积为：

尚需另加补强面积为：

补强圈厚度：

实际补强圈和筒体等厚： ； 则另行补强面积：

同时计算焊缝面积后，该开孔补强强度足够。
6、固定管板计算：
固定管板厚度设计采取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：

开孔温度减弱系数（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：

管板上管孔所占总截面积：

系数

系数
壳程压力：

管程压力:

当量压差：

管板采取16Mn锻：
换热管采取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、浮头管板及钩圈：
浮头式换热器浮头管板厚度不是由强度决定，按结构取80mm； 钩圈采取B型。
材料和浮头管板相同，设计厚度按浮头管板厚加16mm，定为96mm。
8、无折边球封头计算：
封头上面无折边球形封头计算接外压球壳计算，依据GB151-89方法计算。选择 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

9、浮头法兰计算：
按GB151-89相关要求。所以法兰出于受压状态。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

38
38
40
40
8
8
14
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
16MnR
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

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

九、参考文件：
1． 《化工原理》（第三版）化学工业出版社出版
2． GB4557.1——84机械制图图纸幅面及格式
3． GB150——98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