列管式換熱器設(shè)計(jì)

1、酒 泉 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論 文） 2013 級(jí) 石油化工生產(chǎn)技術(shù) 專業(yè)題 目： 列管式換熱器設(shè)計(jì) 畢業(yè)時(shí)間： 2015年7月 學(xué)生姓名： 陳澤功 劉升衡 李俠虎 指導(dǎo)教師： 王鈺 班 級(jí)： 13級(jí)石化（3）班 2015 年 4月20日- 20 -酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2013 屆各專業(yè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定表姓名陳澤功 劉升衡 李俠虎班級(jí)13級(jí)石化3班專業(yè)石油化工生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)教師第一次指導(dǎo)意見年 月 日指導(dǎo)教師第二次指導(dǎo)意見年 月 日指導(dǎo)教師第三次指導(dǎo)意見年 月 日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及評(píng)分 成績(jī)： 簽字（蓋章） 年 月 日答辯小組評(píng)價(jià)意見及評(píng)分成績(jī)： 簽字（蓋章） 年 月 日教學(xué)系畢

2、業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)小組意見簽字（蓋章） 年 月 日學(xué)院畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)委員會(huì)審核意見簽字（蓋章） 年 月 日一、列管式換熱器計(jì)任務(wù)書某生產(chǎn)過程中，需用循環(huán)冷卻水將有機(jī)料液從102冷卻至40。已知有機(jī)料液的流量為2.23×104 kg/h，循環(huán)冷卻水入口溫度為30，出口溫度為40，并要求管程壓降與殼程壓降均不大于60kPa，試設(shè)計(jì)一臺(tái)列管換熱器，完成該生產(chǎn)任務(wù)。已知：有機(jī)料液在71下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）密度 定壓比熱容熱導(dǎo)率粘度循環(huán)水在35下的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱容K熱導(dǎo)率K粘度二、確定設(shè)計(jì)方案（1） 選擇換熱器的類型（2） 兩流體溫的變化情況： 熱流體進(jìn)口溫度10

3、2 出口溫度40；冷流體進(jìn)口溫度30，出口溫度為40，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)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。（3） 管程安排 從兩物流的操作壓力看，應(yīng)使有機(jī)料液走管程，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(huì)加快污垢增長(zhǎng)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(duì)于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =71 管程流體的定性溫度為t= 根據(jù)定性溫度，分別查取殼程

4、和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。對(duì)有機(jī)料液來說，最可靠的無形數(shù)據(jù)是實(shí)測(cè)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)。 有機(jī)料液在71下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下（來自生產(chǎn)中的實(shí)測(cè)值）密度 定壓比熱容熱導(dǎo)率粘度循環(huán)水在35下的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱容K熱導(dǎo)率K粘度四、估算傳熱面積（一）熱流量 Q1=22300×4.19×(102-40)=5.79×106kj/h =1609.193kw（二）平均傳熱溫差 先按照純逆流計(jì)算，得 =（三）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=640W/(k)則估算的

5、傳熱面積為 Ap=（四）冷卻水用量 m=五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸（一）管徑和管內(nèi)流速 選用25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u1=1.1m/s。（二）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(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 L=按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用非標(biāo)設(shè)計(jì)，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=傳熱管總根數(shù) Nt=111×2=222（三）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)， 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(shí)殼程流體流量

6、較大，故取單殼程合適。（四）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。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=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222根，其前后管程中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按（五）殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(jìn)級(jí)檔，可取D=600mm筒體直徑校核計(jì)算：殼體的內(nèi)徑應(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 的

7、計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達(dá)式為： （六）管子按正三角形排列： 取e=1.2=1.225=30mm=32 （17-1）+2 30 =572mm 按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進(jìn)行圓整：=600mm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=0.25×600=150m，故可取h=150mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×600=180mm，可取B為200mm。折流板數(shù)目折流板圓缺面水平裝配。（七）其他附件 拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為600mm，故其拉桿直徑為16拉桿數(shù)量8，其中長(zhǎng)度5950mm的六根，5500mm的

8、兩根。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。（八）接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為圓整后可取管內(nèi)徑為30mm。管程流體進(jìn)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140mm六、換熱器核算（一）熱流量核算1.殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用克恩法計(jì)算，見式【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版） 上冊(cè)】：式（5-72a）： 當(dāng)量直徑，依式（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?cái)?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?cái)?shù)： 3.污垢熱阻和管壁熱阻： 管外側(cè)污垢熱阻 管

9、內(nèi)側(cè)污垢熱阻4. 傳熱系數(shù) 有：碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K)。所以5.傳熱面積裕度： 計(jì)算傳熱面積Ac：該換熱器的實(shí)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(wù)。（二）壁溫計(jì)算 因?yàn)楣鼙诤鼙。冶跓嶙韬苄?，故管壁溫度可按式?jì)算。由于該換熱器用循環(huán)水冷卻，傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)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(jì)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(jì)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(jì)算為 0.4×40+0

10、.6×15=34 (102+40)/2=71 4946w/·K 1076.5w/·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=71。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。 該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)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。（三）換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力1.管程流體阻力 , , 由Re=28528，傳熱管對(duì)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(cè)】：圖1-27得，流速=1.1m/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(jì)算 , , .15 流體流經(jīng)管束的阻力 F=0.5

11、 0.5×0.63×16.4×(29+1)×=4400.9Pa 流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.3m , D=0.6mPa 總阻力4400.9+2058.8=6460Pa 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(jì)算結(jié)果見下表：參數(shù)管程殼程流/出口溫度/30/40102/40壓力/MPa0.46.9物性定性溫度/3571密度/（kg/m3）994986定壓比熱容/kj/（kgK）4.1744.19粘度/（Pas）0.728×0.54×熱導(dǎo)率（W/mK）

12、0.6260.662普朗特?cái)?shù)4.853.416設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/600臺(tái)數(shù)1管徑/25×2.5管心距/32管長(zhǎng)/8000管子排列正三角形排列管數(shù)目/根222折流板數(shù)/個(gè)29傳熱面積/88.225折流板間距/200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.10.24表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（K）49461076.5污垢熱阻/（K/W）3.4394×1.7197阻力/ MPa0.0350.0065熱流量/KW1609.193傳熱溫差/K28.5傳熱系數(shù)/W/（K）600裕度/% 34%七、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）固定管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 由于換熱器的

13、內(nèi)徑已確定，采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑?jīng)Q、定固定管板外徑及各結(jié)構(gòu)尺寸。結(jié)構(gòu)尺寸為： 固定管板外徑： 固定管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙：?。ㄒ娀卧^程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：表4-16）； 墊片寬度： 取 固定管板密封面寬度： 固定法蘭和鉤圈的內(nèi)直徑： 固定法蘭和鉤圈的外直徑： 外頭蓋內(nèi)徑： 螺栓中心圓直徑： (二)管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì)： 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(jì)溫度和公稱直徑800，按JB4703-92長(zhǎng)頸對(duì)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(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-50（a）所示。（三）管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 選用B型封頭管箱，因換熱器直徑

14、較大，且為二管程，其管箱最小長(zhǎng)度可不按流道面積計(jì)算，只考慮相鄰焊縫間距離計(jì)算： 取管箱長(zhǎng)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(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-50（a）所示。（四）固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 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(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-50（b）所示。（五）外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設(shè)計(jì)： 依工藝條件，殼側(cè)壓力、溫度及公稱直徑；按JB4703-93長(zhǎng)頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取并確定尺寸。（六）外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 外頭蓋結(jié)構(gòu)如化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工

15、業(yè)出版社出版）：圖4-51所示。軸向尺寸由浮動(dòng)管板、鉤圈法蘭及鉤圈強(qiáng)度計(jì)算確定厚度后決定，見化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-51。（七）墊片選擇： a.管箱墊片： 根據(jù)管程操作條件選石棉橡膠墊。結(jié)構(gòu)尺寸如化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-39（b）所示： b.外頭蓋墊片： 根據(jù)殼程操作條件選纏繞式墊片，墊片：（JB4705-92） 纏繞式墊片。 c.固定墊片： 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(dòng)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。（八）鞍座選用及安裝位置確定： 鞍座選用JB

16、/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(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-44所示 其中： ?。海ň牛┱哿靼宀贾茫?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(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-50（c） 后端折流板距固定管板的距離至少為950mm； 實(shí)際折流板間距B=300mm，計(jì)算折流板數(shù)為49塊。（十）說明: 在設(shè)計(jì)中由于給定壓力等數(shù)及公稱直徑超出JB4730-92，長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)范圍，對(duì)殼體及外頭蓋法蘭無法直接選取標(biāo)準(zhǔn)值，只能進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算。八、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算（一

17、）筒體壁厚計(jì)算：由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)溫度71，設(shè)計(jì)壓力等于工作壓力為5.0M，選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16卷制，查得材料71時(shí)許用應(yīng)力；過程設(shè)備設(shè)計(jì)（第二版）化學(xué)工業(yè)出版社。取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=1mm；對(duì)16鋼板的負(fù)偏差=0根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)（第二版）化學(xué)工業(yè)出版社：公式（4-13）內(nèi)壓圓筒計(jì)算厚度公式： = 從而：計(jì)算厚度：=mm設(shè)計(jì)厚度：mm名義厚度： 圓整取有效厚度：水壓試驗(yàn)壓力：所選材料的屈服應(yīng)力水式實(shí)驗(yàn)應(yīng)力校核：水壓強(qiáng)度滿足氣密試驗(yàn)壓力：（二）外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計(jì)算： 外頭蓋內(nèi)徑=1500mm，其余參數(shù)同筒體： 短節(jié)計(jì)算壁厚： S= 短節(jié)設(shè)計(jì)壁厚： 短節(jié)名義厚度： 圓整取=29mm

18、 有效厚度： 壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核： 壓力試驗(yàn)滿足試驗(yàn)要求。 外頭蓋封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭： 封頭計(jì)算壁厚： S= 封頭名義厚度： 取名義厚度與短節(jié)等厚： （三）管箱短節(jié)、封頭厚度計(jì)算：由工藝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)溫度為35，設(shè)計(jì)壓力為0.6M，選用16MnR鋼板，材料許用應(yīng)力，屈服強(qiáng)度，取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2mm 計(jì)算厚度： S= 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度： 結(jié)合考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要取 有效厚度： 壓力試驗(yàn)強(qiáng)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（四）管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)校核 開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，接管尺寸為，考慮實(shí)際情況選20號(hào)熱軋?zhí)妓劁摴埽?1mm 接管計(jì)算壁厚：

19、 mm 接管有效壁厚： 開孔直徑： 接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度： B=2d=2363.7=727.4mm 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度： 需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=dS=363.72.91=1058.4 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積： 該接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。（五）殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核： 開孔校核采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法。選取20號(hào)熱軋?zhí)妓劁摴?鋼管許用應(yīng)力：， =1mm 接管計(jì)算壁厚： 接管有效壁厚： 開孔直徑： 接管有效補(bǔ)強(qiáng)厚度： B=2d=2306.6=613.2mm 接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度： 需要補(bǔ)強(qiáng)面積： A=d=306.625.73=7888.82 可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為： 尚需另加補(bǔ)強(qiáng)的面積為： 補(bǔ)強(qiáng)圈厚度： 實(shí)

20、際補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體等厚： ； 則另行補(bǔ)強(qiáng)面積： 同時(shí)計(jì)算焊縫面積后，該開孔補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度的足夠。（六）固定管板計(jì)算： 固定管板厚度設(shè)計(jì)采用BS法。假設(shè)管板厚度b=100mm。 總換熱管數(shù)量 n=232； 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(zhǎng)度(除掉兩管板厚)L取6850mm 計(jì)算系數(shù)K： K=2.528 接管板筒支考慮， 管板最大應(yīng)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(dāng)量壓差： 管板采用16Mn鍛： 換熱管采用10號(hào)碳系鋼： 管板管子程度校核： 管板計(jì)算厚度滿足強(qiáng)度要求?？紤]管板雙面腐蝕取，隔板槽深取4mm，實(shí)際 管板厚為108mm。（七）固定管板及鉤圈：固定式換熱器固定管板的厚度不是由強(qiáng)度決定的，按結(jié)構(gòu)取80mm； 鉤圈采用B型。材料與固定管板相同，設(shè)計(jì)厚度按固定管板厚加16mm，定為96mm。（八）無折邊球封頭計(jì)算：封頭上面無折邊球形封頭的計(jì)算接外壓球殼計(jì)算，依照GB151-89方法計(jì)算。選用 16MnR析，封頭封頭外側(cè) 71 氣體，內(nèi)側(cè)為 35 循環(huán)水，取壁溫45。假設(shè)名義厚度；雙面腐蝕取mm，鋼板主偏差 ； 當(dāng)量厚度 : ，封頭外半徑: ，計(jì)算系數(shù):依據(jù)所選16M