1、成績化工原理課程設計設計說明書設計題 目： 管殼式換熱器的設計化工原理課程設計任務書一、設計任務及操作條件某生產過程中，需用循環冷卻水將有機料液從 102C冷卻至40C。已知 有機料液的流量為(2.5- 0.01 x 18)X1O4 =23200kg/h，循環冷卻水入口溫度 為30C，出口溫度為40C，并要求管程壓降與殼程壓降均不大于 60kPa,試 設計一臺列管換熱器，完成該生產任務。已知:定性溫度下流體物性數據、物性密度粘度比熱容Cp導熱系數流體kg/m3Pa skJ/( kg C)W/ / m C)有機化合液9860.54*10-34.190.662水9940.728*10-34.174

2、0.626注：若采用錯流或折流流程，其平均傳熱溫度差校正系數應大于0.8、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 102C，出口溫度40C ;冷流體進口 溫度30E，出口溫40C，管程壓降與殼程壓降均不大于 60kPa,殼程壓降不高, 因此初步確定選用固定板式換熱器。2管程安排由于循環冷卻水較易結垢，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，應使循環水走管程，有機化合液走殼程。三、確定物性數據定性溫度：對于一般氣體和水等低粘度立體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程的有機化合液的定性溫度為102 40271C管程流體的定性溫

3、度為t=40 30235 C根據定性溫度分別查取殼程流體和管程流體的有關物性數據有機化合液的有關物性數據如下：密度986kg/m3粘度0.54*10-3 Pa - s比熱容Cp1=4.19 kJ/ /kg -C)導熱系數H0.662 W/ ( m C)循環水的有關物性數據如下:密度994 kg/m3粘度0.728*10-3 Pa - s比熱容Cp2=4.174 kJ/ (kg -C)導熱系數H0.626 W/ ( m -C)四、估算傳熱面積1、熱流量QlfCp!匕=23200X 4.19X （102-40）=6.03 X 106kj/h =1675.00kw2、平均傳熱溫差先按照純逆流計算，得

4、丄（102 40）（ 40 30）tm28.5 CIn（102 40）（ 40 30）3、傳熱面積由于有機化合液的粘度為0.54*10-3Pas,假定總傳熱系數2K=300W/ （ mC）,則傳熱面積為A=Q1K tm1675000300 28.52195.91m4、冷卻水用水量m=Q1Cpi ti=1675000= 4.174 103 1040.13kg/s 144468kg/h五、工藝結構尺寸1、 管徑和管流速 選用25 X 2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管流速u1=1.5m/s2、 管程數和傳熱管數可依靠傳熱管徑和流速確定單程傳熱管數V 144468/(3600 994.3)90.2

5、0.785 0.022 1.5di u4按單程管計算，所需的傳熱管長度為A Ld°ns195.913.14 0.025 90=28m按單程管設計，宜采用多管程結構。現取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數為NpL 28T 7傳熱管總根數Nt=3463、傳熱溫差校平均正及殼程數平均溫差校正系數：T1-T2t2 - t1102-4040-30p t2 -t1T1 -1140-30102-300.139按單殼程，雙殼程結構，查得溫差修正系數得t 0.93平均傳熱溫差tm t tm 0.93 28.5 26.5由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4、傳熱

6、管排列和分程方法采用組合排列法，即每程均按正三角形排列，隔板兩側采用正方形排列取管心距 t=1.25 do，則 t=1.25*25=31.35=32mm隔板中心到離其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相鄰管的管心距為44mm。管數的分程方法，每程各有傳熱管90根。5、殼體徑采用多管程結構，進行殼體徑估算。取管板利用率=0.75,則殼體徑為：D= 1.05t. NT/1.05 32 340/0.75715mm按卷制殼體的進級檔，可取 D=800mm筒體直徑校核計算：殼體的徑Di應等于或大于管板的直徑，所以管板直徑的計算可以決定殼體的徑，其表達式為：Di =t（ ne-

7、1） +2e因為管子安正三角形排列：n e = 1.1 NT 1.1 340 20取 e=1.2*20=24mm所以Di =32*（20-1）+2*34=676mm 按殼體直徑標準系列尺寸進行圓整：Di =800mm&折流擋板采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25*800=200取折流板間距 B=0.3D，貝U B=0.3*800=240mm，可取 B 為 240mm。折流板數目”=傳熱管長/折流板間距-1=7000/240-1=277、其他附件拉桿數量與直徑選取，本換熱器殼體徑為800mm，故其拉桿直徑為12mm最少拉桿數6。8、接管4

8、23200/(3600 986)3.14 0.2殼程流體進出口接管：取接管液體流速為u=0.2m/s，則接管徑為0.203圓整后可取管徑為210mm管程流體進出口接管：取接管液體流體u=1 m/s,則接管徑為D24 144468/(3600 994)3.14 10.226圓整后可取管徑為220mm六、換熱器核算1、熱流量核算（1）殼程表面傳熱系數用克恩法計算0.140 0.36 R°55R0.33 dew當量直徑44 今 °.°322 7 °.°252ded00.0250.02m殼程流通截面積:d25Sc BD 10240 800 10.042

9、0m2t32殼程立體流速及其雷諾數分別為Re023200/(3600986)0.03220.20m/ sde%0.02 0.2 9860.54 1073037普朗特數PrCp334.19 100.54 100.6623.42粘度校正(_)0.141wo 0.360.6620.0211320.70'55 3.42133046.3w/m2 K(2)管表面傳熱系數:管程流體流通截面積:0.3930.022340 °.0267管程流體流速:雷諾數:UiRe144468/(36000.0267到 1.5m/s0.02 1.5 994 /(0.72810 3)40961普朗特數:Pr3-

10、34.174 100.728 100.6264.850.023409610'80.020424.85 .6629w/m K(3)污垢熱阻和管壁熱阻:2管外側污垢熱阻Ro °.0004m k/w2管側污垢熱阻R 0.0006m管壁熱按查得碳鋼在該條(5)件下的熱導率為50w/(m K)(4)Rd。 di6629 20400w/ m2 K傳熱面積裕度：所以RwRwdo咤 0.00005m2 k/w50沁卻皿蓉5 0.0004丄0462022.5計算傳熱面積Ac:QiKe tm1675.00 103400 28.5145.5m2該換熱器的實際傳熱面積為:Apd°INT 3

11、.14 0.025 7 340該換熱器的面積裕度為18683m2Ap A 186.83 145.5A145.528%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務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tw由于該式中液體的平均溫度J和氣體的平均溫度分別計算為tm 0.4X 40+0.6X 30=34°CTm (102+40)/2=71 Cc i 6629w/mK3046w/mK傳熱管平均壁溫tw 46 C殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=71 C殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為t 71 46 25 C因此，需選用固定板式換熱器較為適宜3 換熱器流體的流動阻力(1)

12、管程流體阻力Pt( PipJNsNpFsNs 1l u2,Np 4 , Pii di2由 Re=40691,傳熱管對粗糙度0.01,查圖得i0.04，流速=1.5m/s,3994 kg/m,所以：71.52 994pi 0.0415655.5Pa0.02 22 u2994 1.5Pr3 -3354.75Pa22p1(15655.53354.75)2 1.557030.75Pa管程流體阻力在允許圍之。(2)殼程阻力：按式計算Ps ( Po Pi)FsNs Ns 1 Fs 1流體流經管束的阻力PoFJNtc(Nb1)2Uo2F=0.5fo 5 588000 0.2280.24190.50 5Ntc

13、 1.1Nt 1.1 340 .20N B 29 U00.31m/sPo0.5X 0.2419X 39X (29+1)X986 0.3122=6188.7Pa流體流過折流板缺口的阻力PiNb(3.52B)2Uo,B=0.21m , D=0.7mPi29 (3.52 0.21)986 0.3120.73984.4pa總阻力Ps 6188.7+3984.4=10173.1Pa所以殼程流體的阻力適宜。3)換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表:參數管程殼程流率1675.0023200進/出口溫度廠C40/30102/40壓力/kPa<60<60物 性定性溫度/C3571密度/ (kg/m3)

14、994986定壓比熱容/kj/ (kg?K)4.1744.19粘度/ (Pa?s)0.728X 10 30.54X 10 3熱導率(W/m ?K)0.6240.662普朗特數4.853.42設備結構參數形式固定板式殼程數1殼體徑/mm800臺數1管徑/ m 25X 2.5管心距/ m32管長/ m7000管子排列正三角形排列管數目/根340折流板數/個27傳熱面積/.91折流板間距/m240管程數4材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/ (m/s)1.50.2表面傳熱系數/W/ (tf?K)66293046.3污垢熱阻/ (tf?K/W )0.00060.0004阻力/ Pa57030.75101

15、73.1熱流量/KW1675.00傳熱溫差/c25傳熱系數/W/ (tf? K)400裕度/%28%七、結構設計1、固定管板及法蘭結構設計：由于換熱器的徑已確定，采用標準徑、固定定管板外徑及各結構尺寸，結構尺寸為：公稱直徑DD1D3D4bcd螺栓孔數800930890798843401023362、管板與殼體的連接在固定管板式換熱器中，管板與殼體的連接均采用焊接的方法。由于管板兼作法蘭與不兼作法蘭的區別因而結構各異，前者的結構是在管板上開槽，殼體嵌入后進行焊接，殼體對中容易，施焊方便，適合于壓力不高、物料危害性不高的 場合。3、管子與管板的連接管子與管板的連接是管殼式換熱器制造中最主要的問題。

16、對于固定管板 換熱器，除要求連接處保證良好的密封性外，還要求接合處能承受一定的軸向力， 避免管子從管板中拉脫。管子與管板的連接方法主要是脹接和焊接。脹接是靠管子的變形來達到密封 和壓緊的一種機械連接方法，如圖1-13所示。當溫度升高時，材料的剛性下降， 熱膨脹應力增大，可能引起接頭的脫落或松動，發生泄露。一般認為焊接比脹接更能保證嚴密性。對于碳鋼或低合金鋼，溫度在300 r以上，蠕變會造成脹接殘余應力減小，一般采用焊接。焊接接口的形式見圖1-14。圖1-14 (a)的結構是常用的一種；為了減少管 口處的流體阻力或避免立式換熱器在管板上方滯留的液體，可采用圖1-14 ( b)的結構；為了不使小直

17、徑管子被熔融的金屬堵住管口，則可改成圖1-14 (c)的結構；圖1-14( d)的形式適用于易產生熱裂紋的材料，但加工量大。脹接和焊接方法各有優缺點，在有些情況下，如對高溫高壓換熱器，管子與管板 的連接處，在操作時受到反復熱變形、熱沖擊、腐蝕與流體壓力的作用，很容易 遭到破壞，僅單獨采用脹接或焊接都難以解決問題，如果采用脹焊結合的方法， 不僅能提高連接處的抗疲勞性能，還可消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。 目前脹焊結合的方法已得到比較廣泛的。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71 C，設計壓力等于工作壓力為6.9M Pa，選低合金結構鋼板16MnR卷制，查得材料 85

18、 C時許用應力163Mpa計算厚度:6.9 14002 163 0.85 6.935.75mm設計厚度:C235.75 136.75 mm名義厚度:d C136.75mm圓整取 n 38mmn C1 C237 mm水壓試驗壓力：FT 1.25Fc 1.25 6.9 18.625Mpa有效厚度:e所選材料的屈服應力s 325Mp a水式實驗應力校核:P（D）逅5（140° 37）167.5Mpa2 e2 37167.5Mpa0.9 s0.9 0.85 325248.625Mpa水壓強度滿足氣密試驗壓力：FT Pc 6.9Mp a2、外頭蓋短節、封頭厚度計算：外頭蓋徑=1500mm，其余

19、參數同筒體：短節計算壁厚：FCDi6.9 1500S= 7 -=38.3mm2FC 2 163 0.85 6.9短節設計壁厚：Sd S C238.3 139.3mm短節名義厚度：Sn Sd C1 39.3mm圓整取 Sn =40mm有效厚度：Se Sn C1 C2 39mm壓力試驗應力校核：PT（Die） 8.625 （1500 39）T -_e170.2Mpa2 e2 39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=嚴=60037.822mm2 七0.5Pc 2 163 0.85 0.5 6.9封頭名義厚度：Sn S G C237.822138.822mm取名義厚度與

20、短節等厚：Sn 40mm3、管箱短節、封頭厚度計算：由工藝設計結構設計參數為：設計溫度為34 °C，設計壓力為0.4M pa，選用16MnR鋼板，材料許用應力170Mpa，屈服強度s 345Mp a，取焊縫系數=0.85，腐蝕裕度 C2 =2mm計算厚度:1.94mmS=D=°4 14002 七 巳 2 170 0.85 0.4設計厚度:Sd S C21.94 23.94mmSn Sd C13.94mm結合考慮開孔補強及結構需要取 Sn 8mm有效厚度：Se Sn G C28- 2 6mm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相同，取 Sn 8mm4、管箱

21、短節開孔補強校核開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸為377 9，考慮實際情況選 20號熱軋碳素鋼管 t 130Mpa，377 9，C2=1mm接管計算壁厚:2 tPc0.4 3772 130 0.85 0.40.68 mm接管有效壁厚:Snt C1 C29-1-9 0.156.65mm開孔直徑:di 2C 3772 9 2 2.35363.7mm接管有效補強高度：B=2d=2363.7=727.4mm接管外側有效補強高度：h1d&t.363.7 9 57.2mm2需補強面積：A=d S=363.71.94=705.6 mm可以作為補強的面積:2A1( B-d)(Se-S)(727.4

22、363.7)(6 1.94)1476.6mm2h(Set -St)fr2 57.2 (6.65 0.68) 130/170522.3mm2705.6mmA1 A21476.6 522.31998.9 A該接管補強的強度足夠，不需另設補強結構。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號熱軋碳素鋼管325 12鋼管許用應力:137Mpa， C2 =1mm接管計算壁厚:PcDi6.9 325Stt7.98mm2Pc2 137 16.9接管有效壁厚：SetSntC1C212-1-120.159.2mm開孔直徑：ddi 2C3252 12 2(1 12 0.15)306.6mm接管有

23、效補強厚度：B=2d=2306.6=613.2mm接管外側有效補強高度：h1dSnt.306.6 12 60.7mm需要補強面積：2A=d =306.6 35.75=10960.95 mm可以作為補強的面積為:Al ( B-d)( e)(613.2 306.6)(37 35.75)383.25mmA22hi(S*St) fr2 60.7 (9.2 7.98)137/170119.4mm2尚需另加補強的面積為:10960.95-383.25-119.410458.3nm補強圈厚度:SkA4B d。10458.3613.2 32536.3mm實際補強圈與筒體等厚：Sk 38mm則另行補強面積:A4

24、 SK(B-d0)38(613.2 325)10951.6mm210960.95mn2A1 A2 A4383.25 119.4 10951.611454.25mm A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：固定管板厚度設計采用 BS法。假設管板厚度 b=100mm。 總換熱管數量n=1254 ；一根管壁金屬橫截面積為：a -（ d0 d2） （252 202）1766mm244兩管板間換熱管有效長度（除掉兩管板厚 兒取6850mm 計算系數K :K21.32 D?1 32 14001254 176.6100. 0.5 6850 10014.85K=3.855接管板筒支

25、考慮，依K值查化工單元過程及設備課程設計化學工業：圖4-45,圖 4-46，圖 4-47 得：G2.9, G 2 -065, G3 2.8t - Fa（FsFt）G210.233卡1c（PsFt）G31或tFa0.233筒體徑截面積：A-d2 1400244管板上管孔所占的總截面積：?n1254Cd。4 04管板最大應力21538600mm2 2252615555.8mm2（6.9 0.4）（0.65）6.410.60757.4Mpa6.41（6.9 0.4） 2.8101.2Mpa0.607系數A-CA1538600 615555.815386000.6系數n ?a1254176.6cc.U.24A-C1538600615555.8殼程壓力:Ps 6.9Mp a管程壓力：P 0.4Mp a當量壓差：Fa PS - P（1） 6.9 0.4 （1 0.24） 6.404Mp a管板采用16Mn鍛： r 150Mpa換熱管采用10號碳系鋼：t 112Mpa管板管子程度校核:rmax219.6Mpa 1.51.5 150225Mp a管板計算厚度滿足強度要求。考慮管板雙面腐蝕取 C2 4mm ,隔板槽深取4mm,實際管板厚為108mm。16MnR 析，封頭Ri1100mm，封頭外側85 °C氣體，側為34°