毕设论文--管列式换热器设计课程设计说明书.doc

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 - 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=
=220301×3.297×(110-60)=3.64×107kj/h =10098kw
3.2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/(m2·k)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Φ25×2.5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
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=596×2=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（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η=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：
=1400mm
4.6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=0.25×1400=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（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Ф12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。
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360mm
5、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：

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/(m·K)。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
0.4×39+0.6×15=24.6℃
(110+60)/2=85℃
5858w/m2·K
891.3w/m2·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。
5.3换热器内流体的流动阻力
5.3.1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

0.5×0.2435×38×(14+1)×=70757Pa
流体流过折流板缺口的阻力
, B=0.45m , D=1.4m
Pa
总阻力
70757+41100=1.12×Pa
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
870855
220301
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
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）
1.3
4.76
表面传热系数/[W/（㎡•K）]
5858
891.3
污垢热阻/（㎡•K/W）
0.0006
0.0004
阻力/ MPa
0.043
0.112
热流量/KW
10098
传热温差/K
46.4
传热系数/[W/（㎡•K）]
394
裕度/%
17.7
6、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6-1。

图6-1
6.2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6-3
6.7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6.9M，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7-1
7.8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
34
34
36
36
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
9
50
150
20
20
16Mn锻
16Mn锻
16Mn锻
16MnR
16Mn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] GB4557.1——84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.
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