列管式換熱器課程設計

實用標準大學化工原理列管式換熱器課程設計說明書 學院： 班級： 學號： 姓名： 指導教師： 時間： 年 月 日目錄一、化工原理課程設計任務書.2二、確定設計方案.3文案大全1.選擇換熱器的類型 2.管程安排3、 確定物性數(shù)據(jù).44、 估算傳熱面積.5 1.熱流量 2.平均傳熱溫差 3.傳熱面積 4.冷卻水用量5、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.6 1.管徑和管內(nèi)流速 2.管程數(shù)和傳熱管數(shù) 3.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 4.傳熱管排列和分程方法 5.殼體內(nèi)徑 6.折流擋板.7 7.其他附件 8.接管6、 換熱器核算.8 1.熱流量核算 2.壁溫計算.10 3.換熱器內(nèi)流體的流動阻力7、 結(jié)構(gòu)設計.13 1.浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設計 2.管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設計 3.管箱結(jié)構(gòu)設計 4.固定端管板結(jié)構(gòu)設計 5.外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設計.14 6.外頭蓋結(jié)構(gòu)設計 7.墊片選擇 8.鞍座選用及安裝位置確定 9.折流板布置 10.說明8、 強度設計計算.15 1.筒體壁厚計算 2.外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計算 3.管箱短節(jié)、封頭厚度計算.16 4.管箱短節(jié)開孔補強校核.17 5.殼體接管開孔補強校核 6.固定管板計算.18 7.浮頭管板及鉤圈.19 8.無折邊球封頭計算 9.浮頭法蘭計算.20九、參考文獻.20一、化工原理課程設計任務書某生產(chǎn)過程的流程如圖3-20所示。反應器的混合氣體經(jīng)與進料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶性組分。已知混合氣體的流量為231801，壓力為6.9，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4，循環(huán)水的入口溫度為29，出口的溫度為39，試設計一列管式換熱器，完成生產(chǎn)任務。已知：混合氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）密度 定壓比熱容熱導率粘度循環(huán)水在34下的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱容K熱導率K粘度 二、確定設計方案1 選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度110 出口溫度60；冷流體進口溫度29，出口溫度為39，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環(huán)水走管程，混和氣體走殼程。三、確定物性數(shù)據(jù) 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =85 管程流體的定性溫度為t= 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對混合氣體來說，最可靠的無形數(shù)據(jù)是實測值。若不具備此條件，則應分別查取混合無辜組分的有關(guān)物性數(shù)據(jù)，然后按照相應的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)。 混和氣體在85下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實測值）： 密度 定壓比熱容 =3.297kj/kg 熱導率 =0.0279w/m粘度 =1.510-5Pas循環(huán)水在34 下的物性數(shù)據(jù)： 密度=994.3/m3 定壓比熱容=4.174kj/kgK 熱導率 =0.624w/mK粘度 =0.74210-3Pas四、估算傳熱面積1.熱流量 Q1=2318013.297(110-60)=3.82107kj/h =10614.554kw2. 平均傳熱溫差 先按照純逆流計算，得 =3. 傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=320W/(k)則估算的傳熱面積為 Ap=4.冷卻水用量 m=五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1管徑和管內(nèi)流速 選用252.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=1.3m/s。2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) Ns=按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L=按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設計實際情況，采用非標設計，現(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=6272=12543. 傳熱溫差校平均正及殼程數(shù) 平均溫差校正系數(shù)： R= P=按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖5-19得： 平均傳熱溫差 K 由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4. 傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列。見【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖6-13。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離： S=t/2+6=32/2+6=22各程相鄰管的管心距為44。管數(shù)的分程方法，每程各有傳熱管627根，其前后管程中隔板設置和介質(zhì)的流通順序按【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖6-8選取。5殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，進行殼體內(nèi)徑估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05t按卷制殼體的進級檔，可取D=1400mm筒體直徑校核計算：殼體的內(nèi)徑應等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑 的計算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達式為： 管子按正三角形排列：取e=1.2=1.225=30mm=32 （39-1）+2 30 =1276mm 按殼體直徑標準系列尺寸進行圓整：=1400mm6折流擋板 采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 h=0.251400=350m，故可取h=350mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.31400=420mm，可取B為450mm。折流板數(shù)目折流板圓缺面水平裝配，見圖：【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖6-9。7其他附件 拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為1400mm，故其拉桿直徑為16拉桿數(shù)量8，其中長度5950mm的六根，5500mm的兩根。殼程入口處，應設置防沖擋板。8接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后去管內(nèi)徑為360mm六、換熱器核算1 熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計算，見式【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版） 上冊】：式（5-72a）： 當量直徑，依【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：式（5-73a）得 = 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為 普朗特數(shù) 粘度校正 （2）管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 雷諾數(shù)： 普朗特數(shù)： （3） 污垢熱阻和管壁熱阻： 【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：表5-5取： 管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖5-4查得碳鋼在該條 件下的熱導率為50w/(mK)。所以（4） 傳熱系數(shù)有：（5） 傳熱面積裕度： 計算傳熱面積Ac：該換熱器的實際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。2. 壁溫計算 因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式計算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，冬季操作時，循環(huán)水的進口溫度將會降低。為確?？煽浚⊙h(huán)冷卻水進口溫度為15，出口溫度為39計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有： 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為 0.439+0.615=24.6 (110+60)/2=85 5858w/K 935.7w/K傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。 該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。3換熱器內(nèi)流體的流動阻力（1）管程流體阻力 , , 由Re=34841，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖:【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：圖1-27得，流速=1.3m/s, 所以： 管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。（2） 殼程阻力： 按式計算 , , 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5 0.50.241939(14+1)=86095.6Pa 流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.45m , D=1.4mPa 總阻力86095.6+48672=1.35Pa 由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。（3）換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表：參數(shù)管程殼程流率915486.2231801進/出口溫度/29/39110/60壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/3485密度/（kg/m3）994.390定壓比熱容/kj/（kgK）4.1743.297粘度/（Pas）0.7421.5熱導率（W/mK） 0.6240.0279普朗特數(shù)4.961.773設備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/1400臺數(shù)1管徑/252.5管心距/32管長/7000管子排列正三角形排列管數(shù)目/根1254折流板數(shù)/個14傳熱面積/689.1折流板間距/450管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.35.2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（K）5858935.7污垢熱阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.042850.135熱流量/KW10615傳熱溫差/K48.3傳熱系數(shù)/W/（K）400裕度/% 26%七、結(jié)構(gòu)設計 1、浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設計： 由于換熱器的內(nèi)徑已確定，采用標準內(nèi)徑?jīng)Q、定浮頭管板外徑及各結(jié)構(gòu)尺寸（參照化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：第四章第一節(jié)及GB151）。結(jié)構(gòu)尺寸為： 浮頭管板外徑： 浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙：?。ㄒ娀卧^程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：表4-16）； 墊片寬度：按化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）:表4-16： 取 浮頭管板密封面寬度： 浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)直徑： 浮頭法蘭和鉤圈的外直徑： 外頭蓋內(nèi)徑： 螺栓中心圓直徑： 其余尺寸見化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-50。2、管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設計： 依工藝條件：管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力中的高值，以及設計溫度和公稱直徑1400，按JB4703-92長頸對焊法標準選取。并確定各結(jié)構(gòu)尺寸，見化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-50（a）所示。3、管箱結(jié)構(gòu)設計： 選用B型封頭管箱，因換熱器直徑較大，且為二管程，其管箱最小長度可不按流道面積計算，只考慮相鄰焊縫間距離計算： 取管箱長為1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱結(jié)構(gòu)如化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-50（a）所示。4、 固定端管板結(jié)構(gòu)設計： 依據(jù)選定的管箱法蘭，管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸，確定固定端管板最大外徑為：D=1506mm；結(jié)構(gòu)如化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-50（b）所示。5、外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設計： 依工藝條件，殼側(cè)壓力、溫度及公稱直徑；按JB4703-93長頸法蘭標準選取并確定尺寸。6、 外頭蓋結(jié)構(gòu)設計： 外頭蓋結(jié)構(gòu)如化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-51所示。軸向尺寸由浮動管板、鉤圈法蘭及鉤圈強度計算確定厚度后決定，見化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-51。7、墊片選擇： a.管箱墊片： 根據(jù)管程操作條件（循環(huán)水壓力，溫度34）選石棉橡膠墊。結(jié)構(gòu)尺寸如化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-39（b）所示： b.外頭蓋墊片： 根據(jù)殼程操作條件（混合氣體，壓力，溫度85），選纏繞式墊片，墊片：（JB4705-92） 纏繞式墊片。 c.浮頭墊片： 根據(jù)管殼程壓差，混合氣體溫度確定墊片為金屬包石棉墊，以浮動管 板結(jié)構(gòu)確定墊片結(jié)構(gòu)尺寸為1390mm；厚度為3mm;JB4706-92金屬 包墊片。8、 鞍座選用及安裝位置確定： 鞍座選用JB/T4712-92鞍座BI1400-F/S； 安裝尺寸如化工單元過程及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-44所示 其中： ?。?、折流板布置： 折流板尺寸： 外徑：；厚度取8mm 前端折流板距管板的距離至少為850mm；結(jié)構(gòu)調(diào)整為900mm；見化工單元過程 及設備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-50（c） 后端折流板距浮動管板的距離至少為950mm； 實際折流板間距B=450mm，計算折流板數(shù)為12塊。10、說明: 在設計中由于給定壓力等數(shù)及公稱直徑超出JB4730-92，長頸對焊法蘭標準范圍，對殼體及外頭蓋法蘭無法直接選取標準值，只能進行非標設計強度計算。 八、強度設計計算 1、筒體壁厚計算：由工藝設計給定設計溫度85，設計壓力等于工作壓力為6.9M，選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16卷制，查得材料85時許用應力；過程設備設計（第二版）化學工業(yè)出版社。取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=1mm；對16鋼板的負偏差=0根據(jù)過程設備設計（第二版）化學工業(yè)出版社：公式（4-13）內(nèi)壓圓筒計算厚度公式： = 從而：計算厚度：=mm設計厚度：mm名義厚度： 圓整取有效厚度：水壓試驗壓力：所選材料的屈服應力水式實驗應力校核：水壓強度滿足氣密試驗壓力： 2、外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計算： 外頭蓋內(nèi)徑=1500mm，其余參數(shù)同筒體： 短節(jié)計算壁厚： S= 短節(jié)設計壁厚： 短節(jié)名義厚度： 圓整取=40mm 有效厚度： 壓力試驗應力校核： 壓力試驗滿足試驗要求。 外頭蓋封頭選用標準橢圓封頭： 封頭計算壁厚： S= 封頭名義厚度： 取名義厚度與短節(jié)等厚： 3、管箱短節(jié)、封頭厚度計算：由工藝設計結(jié)構(gòu)設計參數(shù)為：設計溫度為34，設計壓力為0.4M，選用16MnR鋼板，材料許用應力，屈服強度，取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2mm 計算厚度： S= 設計厚度： 名義厚度： 結(jié)合考慮開孔補強及結(jié)構(gòu)需要取 有效厚度： 壓力試驗強度在這種情況下一定滿足。 管箱封頭取用厚度與短節(jié)相同，取 4、 管箱短節(jié)開孔補強校核 開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸為，考慮實際情況選20號熱軋?zhí)妓劁摴埽?1mm 接管計算壁厚： mm 接管有效壁厚： 開孔直徑： 接管有效補強高度： B=2d=2363.7=727.4mm 接管外側(cè)有效補強高度： 需補強面積：A=dS=363.71.94=705.6 可以作為補強的面積： 該接管補強的強度足夠，不需另設補強結(jié)構(gòu)。5、殼體接管開孔補強校核： 開孔校核采用等面積補強法。選取20號熱軋?zhí)妓劁摴?鋼管許用應力：， =1mm 接管計算壁厚： 接管有效壁厚： 開孔直徑： 接管有效補強厚度： B=2d=2306.6=613.2mm 接管外側(cè)有效補強高度： 需要補強面積： A=d=306.635.75=10960.95 可以作為補強的面積為： 尚需另加補強的面積為： 補強圈厚度： 實際補強圈與筒體等厚： ； 則另行補強面積： 同時計算焊縫面積后，該開孔補強的強度的足夠。6、固定管板計算： 固定管板厚度設計采用BS法。假設管板厚度b=100mm。 總換熱管數(shù)量 n=1254； 一根管壁金屬橫截面積為： 開孔溫度削弱系數(shù)（雙程）： 兩管板間換熱管有效長度(除掉兩管板厚)L取6850mm 計算系數(shù)K： K=3.855 接管板筒支考慮，依K值查化工單元過程及設備課程設計化學工業(yè)出版社：圖4-45， 圖4-46，圖4-47得： 管板最大應力: 或 筒體內(nèi)徑截面積： 管板上管孔所占的總截面積： 系數(shù) 系數(shù) 殼程壓力： 管程壓力: 當量壓差： 管板采用16Mn鍛： 換熱管采用10號碳系鋼