浮頭式列管式換熱器課程設(shè)計(jì)說明書

1、化工原理課程設(shè)計(jì)說明書列管式換熱器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：李向陽專 業(yè)：過程裝備與控制工程學(xué)號(hào)：100331218指導(dǎo)教師：孟憲宇學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院二一三年六月化工原理課程設(shè)計(jì)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(jìn)料物流換熱后，用循環(huán)冷卻水將其從110進(jìn)一步冷卻至60之后，進(jìn)入吸收塔吸收其中的可溶性組分。已知混合氣體的流量為220301，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(shè)計(jì)一列管式換熱器，完成生產(chǎn)任務(wù)。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(shí)測(cè)值）密度 定壓比熱容熱導(dǎo)率粘度循環(huán)水在34下的物性數(shù)據(jù)：密度 定壓比熱

2、容K熱導(dǎo)率K粘度目錄1、確定設(shè)計(jì)方案- 5 -1.1選擇換熱器的類型- 5 -1.2流程安排- 5 -2、確定物性數(shù)據(jù)- 5 -3、估算傳熱面積- 6 -3.1熱流量- 6 -3.2平均傳熱溫差- 6 -3.3傳熱面積- 6 -3.4 冷卻水用量- 6 -4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸- 6 -4.1管徑和管內(nèi)流速- 6 -4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)- 6 -4.3傳熱溫差校平均正及殼程數(shù)- 7 -4.4傳熱管排列和分程方法- 7 -4.5殼體內(nèi)徑- 7 -4.6折流擋板- 8 -4.7其他附件- 8 -4.8接管- 8 -5、換熱器核算- 9 -5.1熱流量核算- 9 -殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)- 9 -管內(nèi)表面?zhèn)鳠?/p>

3、系數(shù)- 9 -污垢熱阻和管壁熱阻- 10 -傳熱系數(shù)- 10 -傳熱面積裕度- 10 -5.2壁溫計(jì)算- 10 -5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力- 11 -管程流體阻力- 11 -殼程阻力- 12 -換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果- 12 -6、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 13 -6.1浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 13 -6.2管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì)- 14 -6.3管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 14 -6.4固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 15 -6.5外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設(shè)計(jì)- 15 -6.6外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 15 -6.7墊片選擇- 15 -6.8鞍座選用及安裝位置確定- 15 -6.9折流板布置- 16 -6.10說

4、明- 16 -7、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算- 16 -7.1筒體壁厚計(jì)算- 16 -7.2外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計(jì)算- 17 -7.3管箱短節(jié)、封頭厚度計(jì)算- 17 -7.4管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)校核- 18 -7.5殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核- 19 -7.6固定管板計(jì)算- 20 -7.7浮頭管板及鉤圈- 21 -7.8無折邊球封頭計(jì)算- 21 -7.9浮頭法蘭計(jì)算- 22 -參考文獻(xiàn)- 23 -1、確定設(shè)計(jì)方案1.1選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度110 出口溫度60；冷流體進(jìn)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(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

5、和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。1.2流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(huì)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。2、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= =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(duì)混合氣體來說，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

6、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(shí)測(cè)值）：密度定壓比熱容熱導(dǎo)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(dǎo)率k粘度3、估算傳熱面積3.1熱流量Q1=220301×3.297×(110-60)=3.64×107kj/h =10098kw3.2平均傳熱溫差先按照純逆流計(jì)算，得=3.3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(shè)K=313W/(m2·k)則估算的傳熱面積為Ap=3.4 冷卻水用量m=4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.1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=1.3m/s。

7、4.2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(jì)算，所需的傳熱管長度為 L=按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，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l=7m，則該換熱器的管程數(shù)為 Np=（管程）傳熱管總根數(shù) NT=596×2=1192（根）4.3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(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊(cè)】：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(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.4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

8、正方形排列。見【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊(cè)】：圖6-13。取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.2532（mm）隔板中心到離其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22（mm）各程相鄰管的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管596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)出版社化工原理（第三版）上冊(cè)】：圖6-8選取。4.5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=0.7 ，則殼體內(nèi)徑為： D=1.05t按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=1400mm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

9、徑，所以管板直徑的計(jì)算可以決定殼體的內(nèi)徑，其表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)系列尺寸進(jìn)行圓整：=1400mm4.6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=0.25×1400=350m，故可取h=350mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×1400=420mm，可取B為450mm。折流板數(shù)目（塊）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(cè)】：圖6-9。4.7其他附件拉桿數(shù)量與直徑選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為14

10、00mm，故其拉桿直徑為12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。4.8接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為u1=10m/s，則接管內(nèi)徑為（m）圓整后可取管內(nèi)徑為300mm。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（m）圓整后去管內(nèi)徑為360mm5、換熱器核算5.1熱流量核算殼程表面?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【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊(cè)】：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 管內(nèi)表面

11、傳熱系數(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)：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(cè)】：表5-5?。汗芡鈧?cè)污垢熱阻管內(nèi)側(cè)污垢熱阻管壁熱阻按【化學(xué)工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊(cè)】：圖5-4查得碳鋼在該件下的熱導(dǎo)率為50w/(m·K)。所以傳熱系數(shù)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Ap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)。5.2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，冬季操作時(shí)，循環(huán)水的進(jìn)口溫度將會(huì)降低。為確?？煽?，取循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為15，出口溫度為39計(jì)算

12、傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內(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0.4×39+0.6×15=24.6(110+60)/2=855858w/m2·K891.3w/m2·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(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

13、器較為適宜。5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力管程流體阻力 , , 由Re=34841，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ui=1.3m/s，, 所以管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。殼程阻力按式計(jì)算 , , 流體流經(jīng)管束的阻力F=0.50.5×0.2435×38×(14+1)×=70757Pa流體流過折流板缺口的阻力 , B=0.45m , D=1.4mPa總阻力70757+41100=1.12×Pa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。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參

14、數(shù)管程殼程流率870855220301進(jìn)/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）0.742×1.5×熱導(dǎo)率（W/mK）0.6240.0279普朗特?cái)?shù)4.961.773設(shè)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(tái)數(shù)1管徑/25×2.5管心距/32管長/7000管子排列正三角形排列管數(shù)目/根1192折流板數(shù)/個(gè)14傳熱面積/655折流板間距/450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）1.34.76表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/

15、W/（K）5858891.3污垢熱阻/（K/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.0430.112熱流量/KW10098傳熱溫差/K46.4傳熱系數(shù)/W/（K）394裕度/%17.76、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)（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：浮頭管板外徑與殼體內(nèi)徑間隙：取（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）：表4-16）；墊片寬度：按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）:表4-16：取 浮頭管板密封面

16、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：其余尺寸見圖6-1。圖6-16.2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1400，按JB4703-92長頸對(duì)焊法標(biāo)準(zhǔn)選取。并確定各結(jié)構(gòu)尺寸，圖6-1（a）所示。6.3管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算，只考慮相鄰焊縫間距離計(jì)算：取管箱長為1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱結(jié)構(gòu)如圖6-1（a）所示。6.4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=1

17、506mm；結(jié)構(gòu)如圖6-1（b）所示。6.5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長頸法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取并確定尺寸。6.6外頭蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外頭蓋結(jié)構(gòu)圖6-2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。圖6-2圖6-36.7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)尺寸圖6-3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(dòng)管板結(jié)構(gòu)確定墊片結(jié)構(gòu)尺寸為139

18、0mm；厚度為3mm;JB4706-92金屬包墊片。6.8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(jì)（化學(xué)工業(yè)出版社出版）：圖4-44所示 其中：?。?.9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；圖6-1（c）后端折流板距浮動(dòng)管板的距離至少為950mm；實(shí)際折流板間距B=450mm，計(jì)算折流板數(shù)為14塊。6.10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。7

19、、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算7.1筒體壁厚計(jì)算由工藝設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)溫度85，設(shè)計(jì)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(shí)許用應(yīng)力；過程設(shè)備設(shè)計(jì)（第三版）化學(xué)工業(yè)出版社。取焊縫系數(shù)=1，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)（第三版）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：7.2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=36mm有

20、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：7.3管箱短節(jié)、封頭厚度計(jì)算s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34，設(shè)計(jì)壓力為0.4M，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7.4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：mm接管有效壁厚：開孔直徑：接管有

21、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=363.71.94=705.6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)。7.5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)妓劁摴茕摴茉S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=306.635.75=10960.95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)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

22、足夠。7.6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?？倱Q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(jì)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(shè)備課程設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社：圖4-45， 圖4-46，圖4-47得：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。7.7浮頭管板及鉤圈浮頭式換熱器浮頭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。材料與浮頭管板相同，設(shè)計(jì)厚度按浮頭管板厚加16mm，定為96mm。如圖7-1（a）、（b）圖7-17.