浮頭式列管式換熱器課程設計說明書

1、化工原理課程設計說明書列管式換熱器設計學生姓名：李向陽專 業(yè)：過程裝備與控制工程學號：100331218指導教師：孟憲宇學院：機電工程學院二一三年六月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

2、容K熱導率K粘度目錄1、確定設計方案- 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壁溫計算- 10 -5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力- 11 -管程流體阻力- 11 -殼程阻力- 12 -換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果- 12 -6、結(jié)構(gòu)設計- 13 -6.1浮頭管板及鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)設計- 13 -6.2管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設計- 14 -6.3管箱結(jié)構(gòu)設計- 14 -6.4固定端管板結(jié)構(gòu)設計- 15 -6.5外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭設計- 15 -6.6外頭蓋結(jié)構(gòu)設計- 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、強度設計計算- 16 -7.1筒體壁厚計算- 16 -7.2外頭蓋短節(jié)、封頭厚度計算- 17 -7.3管箱短節(jié)、封頭厚度計算- 17 -7.4管箱短節(jié)開孔補強校核- 18 -7.5殼體接管開孔補強校核- 19 -7.6固定管板計算- 20 -7.7浮頭管板及鉤圈- 21 -7.8無折邊球封頭計算- 21 -7.9浮頭法蘭計算- 22 -參考文獻- 23 -1、確定設計方案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

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。2、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物性數(shù)據(jù)，然后按照相應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=（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。4.4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=1.25×25=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。4.5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=0.7 ，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

9、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：=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：【化學工業(yè)出版社化工原理（第三版）上冊】：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，應設置防沖擋板。4.8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（m）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（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 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)： 普朗特數(shù)：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查得碳鋼在該件下的熱導率為50w/(m·K)。所以傳熱系數(shù)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。5.2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。為確保可靠，取循環(huán)冷卻水進口溫度為15，出口溫度為39計算

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0.4×39+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

13、器較為適宜。5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力管程流體阻力 , , 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)尺寸和計算結(jié)果參

14、數(shù)管程殼程流率870855220301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）0.742×1.5×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/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)設計6.1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

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，圖6-1（a）所示。6.3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)如圖6-1（a）所示。6.4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=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。6.6外頭蓋結(jié)構(gòu)設計外頭蓋結(jié)構(gòu)圖6-2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。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備課程設計（化學工業(yè)出版社出版）：圖4-44所示 其中：取：6.9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14塊。6.10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。7

19、、強度設計計算7.1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（第三版）化學工業(yè)出版社。取焊縫系數(shù)=1，腐蝕裕度=1mm；對16鋼板的負偏差=0根據(jù)過程設備設計（第三版）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：7.2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=36mm有

20、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：7.3管箱短節(jié)、封頭厚度計算s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7.4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

21、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)。7.5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)妓劁摴茕摴茉S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

22、足夠。7.6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?？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：管板管子程度校核：管板計算厚度滿足強度要求?？紤]管板雙面腐蝕取，隔板槽深取4mm，實際管板厚為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，設計厚度按浮頭管板厚加16mm，定為96mm。如圖7-1（a）、（b）圖7-17.