列管式換熱器課程設(shè)計

1、文案大全大學(xué)化工原理列管式換熱器課程設(shè)計說明書學(xué)院：班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)教師：時間：年月日目錄一、化工原理課程設(shè)計任務(wù)書四、估算傳熱面積1.選擇換熱器的類型2.管程安排三、確定物性數(shù)據(jù)3.傳熱面積4.冷卻水用量二、確定設(shè)計方案1.熱流量平均傳熱溫差TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸61.管徑和管內(nèi)流速5.殼體內(nèi)徑2.管程數(shù)和傳熱管數(shù)6.折流擋板7傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)7.其他附件傳熱管排列和分程方法8.接管六、換熱器核算81.熱流量核算3.換熱器內(nèi)流體的流動阻力2.壁溫計算10七、結(jié)構(gòu)設(shè)計131.

2、浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計2.管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計3.管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計4.固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計5.外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設(shè)計14八、強度設(shè)計計算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164.管箱短節(jié)開孔補強校核175.殼體接管開孔補強校核6.外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)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156.固定管板計算187.浮頭管板及鉤圈198.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(shè)計任務(wù)書某生產(chǎn)過程的流程如圖3-20所示。反應(yīng)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110C進一步冷卻至60C之后

3、，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231801kg/h，壓力為6.9MPa，循環(huán)冷卻水的壓力為0.4MPa，循環(huán)水的入口溫度為29C，出口的溫度為39C，試設(shè)計一列管式換熱器，完成生產(chǎn)任務(wù)。已知：混合氣體在85C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p=90kg；m3定壓比熱容c=3.297jkgCpi熱導(dǎo)率什=0.0279wmC粘度卩=1.5x10-5Pasi循環(huán)水在34C下的物性數(shù)據(jù)：密度p=994.3kgim3i定壓比熱容c=4.174kjikg.Kpi熱導(dǎo)率九=0.624w：mK粘度卩=0.742x10-3Pa.si二、確定設(shè)計方案1選擇換熱器的類型兩流體溫

4、的變化情況：熱流體進口溫度110C出口溫度60C；冷流體進口溫度29C，出口溫度為39C，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(yīng)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(yīng)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110+60T=85C2管程流體的定性溫度

5、為t=39+292=34C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(yīng)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(yīng)的加和方法求出混和氣體的物性數(shù)據(jù)。混和氣體在85C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P=90kg/m3定壓比熱容c=3.297kj/kgCp1熱導(dǎo)率九=0.0279w/mC粘度m=1.5x10-5Pas1循環(huán)水在34C下的物性數(shù)據(jù)：密度p=994.3kg/m31定壓比熱容c=4.174kj/kgKp1熱導(dǎo)率九=0.624w/mK1粘度m=0.742x10-3Pas1四、估算傳熱面積1.熱流量Q1

6、=mcAt1p11=231801X3.297X(110-60)=3.82X107kj/h=10614.554kw平均傳熱溫差先按照純逆流計算，得1110-39In60-29At=(110-39)7(60-29)=48.3Km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(shè)K=320W/(m?k)則估算的傳熱面積為Q1061455468676Ap=1=686.76m2卩KAt320 x48.3m4.冷卻水用量m=先二晶06船0=254盹/s=9154862kg/hpii五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用25X2.5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

7、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)0.785x0.022x1.3=V_915486.2/（3600 x994.3）肋d2u4i按單程管計算，所需的傳熱管長度為AL=p兀dno686.7614m3.14x0.025x627按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為L14Np=2l7傳熱管總根數(shù)Nt=627X2=12543.傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)：T-T110-60R=2_5t-139-2921t-139-29P=t1_0.124T-1110-2911按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查【化學(xué)工業(yè)出版社化工

8、原理（第三版，上冊】：圖5-19得：=0.96At平均傳熱溫差A(yù)t_At_0.96x48.3_46.4KmAtm塑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。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(xué)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，貝9t=1.25X25=31.2532mm隔板中心到離其最.近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22m各程相鄰管的管心距為44mm。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(shè)置和介質(zhì)的流通順序按【化學(xué)工業(yè)出版社化工原

9、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n=0.75，則殼體內(nèi)徑為：D=1.05tJN/耳=1.05x32、；1254/0.75=1374mm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D應(yīng)等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑i的計算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達式為：D=t（n一1）+2eic管子按正三角形排列：n=1.1N=l.lxJ1254=39cvt取e=1.2d0=1.2x25=30mmD=32x（39-1）+2x30=1276mm按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進行圓整:iD=1400mmi6折流擋板采用

10、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=0.25X1400=350m，故可取h=350mm取折流板間距B=0.3D，貝9B=0.3X1400=420mm,可取B為450mm。折流板數(shù)目NB=傳熱管長_折流板間距一1=7000450-1=14.5沁14折流板圓缺面水平裝配，見圖：【化學(xué)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(yīng)設(shè)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

11、內(nèi)徑為D=i14V=,i4x231801/(3600 x90)=0301祁3.14x10*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D2=3.14x2.5=0.361.4x915486.2/(3600 x994.3)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(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】式（5-72a）：TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 九/pa_0.36Re0.55Pr鮎（）0.140d0pew當(dāng)量直

12、徑，依【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】式（5-73a）得3兀412-d2d=一2土厶_0.02mendo殼程流通截面積：S=BD（1-匕）=450 x1400（1-蘭）=0.1378ot32殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為231801/（3600 x90）0.1378_5.2m/sRe_odup0.02x5.2x90e0_624000p1.5x10-51普朗特數(shù)cPr=p九P_3.297x103x1.5x10-51仆0.0279粘度校正（）0.14沁1pwTOC o 1-5 h za=0.36x0.0279x6240000.55x1.77313=935.7w/m2-Ko0.022）管內(nèi)表面

13、傳熱系數(shù)：九a=0.023Reo.8Pro.4idi管程流體流通截面積：1254S_0.785x0.022x_0.1969i2管程流體流速：雷諾數(shù)：普朗特數(shù)915486.2/(3600 x994.3)/u=1.3m/si0.1969Re=0.02x1.3x994.3/(0.742x10-3)沁34841Pr=4.174x103x0.742x1030.624=4.96i=0023x営x348410 x4=5858W/m2-K3)污垢熱阻和管壁熱阻：【化學(xué)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R=0.0004m2-k/wo管內(nèi)側(cè)污垢熱阻R=0.0006m2-k/wi管壁熱阻按

14、【化學(xué)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0.00250000057/0.00005m2-k/w50件下的熱導(dǎo)率為50w/(mK)。所以R=w4)傳熱系數(shù)K有:eKeRdRd+io+wo+Rddim15)25+15858x20傳熱面積裕度：計算傳熱面積AcO.。006x25十O.。0005x25十0.0004十丄935.7丿2022.5Q1KAtem10614554x103=546.7m2402x48.3A該換熱器的實際傳熱面積為p:A=ndINpoT該換熱器的面積裕度為=3.14x0.025x7x1254=689.1m2A-AH=pcAc6891-5467=26%546

15、.7傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。cn計算。由于該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tw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?，取循環(huán)冷卻水進口溫度為15C，出口溫度為39C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(yīng)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：tw式中液體的平均溫度t和氣體的平均溫度分別計算為mt=0.4X39+0.6X15=24.6CmT=(110+60)/2=

16、85Cma=a=5858w/m?Kcia=a=935.7w/m?Kho傳熱管平均壁溫t=32.3Cw殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85C。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為At=8532.3=52.7C。該溫差較大，故需要設(shè)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Ap=(Ap+Ap)NNFtirspslOu2N=1,Np=2,Ap=Xsiid2i由Re=34841，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖：【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理(第三版)上冊】圖1-27得X=0.04，流速ui=1.3m/s,iO=994.3kg/m3

17、,所以：Ap=0.04x丄x1.32%994.3=11762.57Pai0.022巴2=3x994.3xI=2520.55Pa2Api二(11762.57+2520.55)x2x1.5二42849.4Pa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。(2)殼程阻力：按式計算N二1,F二1ssAp=(Ap+Ap)FN,soiss流體流經(jīng)管束的阻力2o2puAp=FfN(N+1)ooTCBF=0.5f二5x588000-0.228二0.2419oN=1.1N0-5=1.1x12540.5=39TCTNB二14u0二52m/sApo二0.5X0.2419X39X(14+1)X90 x5.222=86095.6Pa流體

18、流過折流板缺口的阻力Api2Bpu2二NbE-B)&,B=0.45m,D=1.4mApi90 x5.22=14x(3.5-2x0.45)x1.42=48672Pa總阻力Ap二86095.6+48672=1.35X105Pas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：數(shù)參程管CO溫口出/9249物性CO溫性定3358密394.99911792A7SaP/|粘226數(shù)特朗普63力11設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)式頭浮數(shù)程殼11詡41111mm管I距心23mm管列rFr子管形角三列正排艮數(shù)管4521141111986O數(shù)程管2質(zhì)材鋼碳程管31128585

19、7395311K溫?zé)醾?4/%裕%62七、結(jié)構(gòu)設(shè)計1、浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計：由于換熱器的內(nèi)徑已確定，采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)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：D=D一2b=1400一2x5=1390mm0i1浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙：取b二5mm（見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計1（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：表4-16）；墊片寬度：按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)工業(yè)出版社出版）:表4-16：取b=16mmn浮頭管板密封面寬度：b=b+1.5=17.5mm2n浮頭法蘭和鉤圈的內(nèi)直徑：D二D-2（b+

20、b）=1400-2x（5+16）=1358mmfii1n浮頭法蘭和鉤圈的外直徑：D=D+80=1400+80=1480mnf0i外頭蓋內(nèi)徑：D=D+100=1400+100=1500mni螺栓中心圓直徑：D=（D+D）/2=（1390+1480）/2=1435mmb0f0其余尺寸見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)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(shè)計：依工藝條件：管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力中的高值，以及設(shè)計溫度和公稱直徑。1400，按JB4703-92長頸對焊法標(biāo)準(zhǔn)選取。并確定各結(jié)構(gòu)尺寸，見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-50（a）所示。3、管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

21、：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：Lh+2C+d+h+h=320+2x100+377+350+50=1297mmgminfg12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(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)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(shè)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(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)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(shè)計：依工藝條件，殼側(cè)壓力、溫度及公稱直徑D二

22、1500mm；按JB4703-93長頸法蘭N標(biāo)準(zhǔn)選取并確定尺寸。6、外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計：外頭蓋結(jié)構(gòu)如化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)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(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-51。7、墊片選擇：管箱墊片：根據(jù)管程操作條件（循環(huán)水壓力0.4Mp，溫度34C）選石棉橡膠墊。結(jié)構(gòu)尺寸a如化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-39（b）所示：D=1508mm;d=1400mm.外頭蓋墊片：根據(jù)殼程操作條件（混合氣體，壓力6.9Mp，溫度85C），選纏繞式墊片，a墊片：1609mmx

23、1500mm（JB4705-92）纏繞式墊片。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1390mmx1358mm；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(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-44所示其中：L=6700，L=0.6L=0.6x6700=4020mmB?。篖=4000mm，L沁L=1350mmBCC9、折流板布置：折流板尺寸：外徑：D=D8=14008=1392mm；厚度取8mmN前端折流板距管板的距離至少為85

24、0mm；結(jié)構(gòu)調(diào)整為900mm；見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計（化學(xué)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)范圍，對殼體及外頭蓋法蘭無法直接選取標(biāo)準(zhǔn)值，只能進行非標(biāo)設(shè)計強度計算。八、強度設(shè)計計算1、筒體壁厚計算：由工藝設(shè)計給定設(shè)計溫度85oC,設(shè)計壓力等于工作壓力為6.9MP,a選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16MnR卷制，查得材料85時許用應(yīng)力LI=163Mp；過程設(shè)備設(shè)a計（第二版）化學(xué)工業(yè)出版社。取焊縫系數(shù)0=0.85，腐蝕裕度C2

25、=1mm；對16MnR鋼板的負(fù)偏差=0根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計（第二版）化學(xué)工業(yè)出版社：公式（4-13）內(nèi)壓圓筒計算厚度公式：計算厚度：設(shè)計厚度：名義厚度：PD8=2WP8=如40。35.75mm2x163x0.85-6.98=6+C二35.75+1二36.75mmd2從而：8=8+C=36.75mm圓整取8=38mmnd1n8=8-C-C=37mmen12、b水壓試驗壓力：P=1.25P店丁=1.25x6.9x1=8.625Mp有效厚度：所選材料的屈服應(yīng)力b=325MpsaP（D+8）8.625x（1400+37）水式實驗應(yīng)力校核：b=Tie=167.5Mpt282x37ae167.5MpA705.

26、6mm212該接管補強的強度足夠，不需另設(shè)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?25x12鋼管許用應(yīng)力：-137Mpa，C2=1mm接管計算壁厚：PD2LT+Pc7.98mm6.9x3252x137x1+6.9接管有效壁厚：SS-C-C12-1-12x0.159.2mmetnt12開孔直徑：dd+2C325-2x12+2x(1+12x0.15)306.6mmi接管有效補強厚度：B=2d=2x306.6=613.2mm接管外側(cè)有效補強高度：dS=*306.6x12二60.7mm1nt需要補強面積：A=d-5=306.6x35.75=10960.95

27、mm2可以作為補強的面積為：A=(B-d)(5-5)=(613.2-306.6)x(37-35.75)=383.25mm21eA=2h(S-St)f=2x60.7x(9.2-7.98)x137/170=119.4mm221etr尚需另加補強的面積為：AA-A-A=10960.95-383.25-119.4=10458.3nn24補強圈厚度：S=kA4-Bd010458336.3mm613.2325實際補強圈與筒體等厚：Sk=38mm；則另行補強面積:kA=S(B-d)=38x(613.2-325)=10951.6mm24K0A+A+A=383.25+119.4+10951.6=11454.25mm2A=10960.95m2124同時計算焊縫面積A3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(shè)計采用BS法。假設(shè)管板厚度b=100mm?？倱Q熱管數(shù)量n=1254；一根管壁金屬橫截面積為：兀兀a=(d2d2)=x(252202)=176.6mm240i4開孔溫度削弱系數(shù)(雙程)：卩=0.5兩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：K2=1.32D.:旦b卩Lb=1.32x竺x；：1254x17$61000.5x6850