化工原理列管式换热器课程设计.docx

化工原理课程设计设计说明书设计题目换热器学院机电工程学院专业过程装备与限制工程姓名赵博学号140331214指导老师孟宪宇日期2017/6书目一、化工原理课程设计任务书1.通样倏热器的类型2.管程支配四、估算传热面枳.1.BiKft2平均传热温整3.代热面积4.冷却水川做五、工艺结种尺寸.I.钟粒和管内流速2首科攻相传热管政3 .传热源整校平均正及先程效4 .怙热管排列和分程方法5 .克体内存6 .折法岩板Ii7 .其他附件8.fiEW六、换焦铁算1.热流量核算2，温计算3.秧热器内流体的流淌阻力10七、结构设计IXaawaawa13I.泞头管板及钩圈法兰结构i5ii1.26薪法”：.和管箱网亮体法兰设计3.管箱结构设计4固定竭管板结构设计5.外头盖法兰、外头热«!法竺设计146 .外头i»ffi构ISH7 .柴片送齐8 .座选川及安萦位胃确定9 .折淹板布置10 .说明八、三设it#算1 .筒体墩厚计算2 .外头盖短节、封头厚度计算3 .管箱短节、封头庠度计算164 .管箱短节开孔补强校核175 .光体接管开孔补演校核6,固定管板计算187 .浮头管板及的圈198 .无折边球封头计算9 .浮头法兰计算20九、*文120一、化工原理课程设计任务书某生产过程的潦程如图3-20所示“反应器的混合气体经与进料物流换热后,用循环冷却水聘其从IIoC进一步冷却至60'C之后，进入汲取塔汲取其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为221801梗/3压力为6.9M4,循环冷却水的压力为0.4A/P”,循环水的入口温度为29C,出口的温度为39C,试设计一列管式换热器，完成生产任务。已知：混合气体在85C下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值)密度8=90版/加定压比热容cf1=3.297切依C热导率4=0.0279w.,C粘度"=1.5()s循环水在34C下的物性数据：密度p=994.3依/病定压比热容.=4.174耳/依1(热导率4=0.624wnK粘度M=O.742x1.('%s二、确定设计方案1 .选和换热器的类型两流体器的改变状况：热流体进U沿度HOC出口逊度60C：冷流体进U温度29P,出口温度为39匕，该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁湿度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器.2 .管程支配从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走光程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，粕会加快污垢增长速度，使换热器的热流取下降，所以从总体考.虑，应使循环水走管程，混和气体走光程.三、确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体.其定性温度可取流体进出“湘度的平均值.故壳程温和气体的定性温度为T=四史=85C2管程流体的定性温度为39+29t=342依据定性温度，分别杳取光程和管程流体的有关物性数据，对混合气体来说，最牢靠的无形数据是实测值.若不具备此条件则应分别查取混合无卑组分的有关物性数据，然后依据相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在85C下的有关物性数据如下（来自生产中的实泅值）：密度px=90kgm'定压比热容Cm=3.297kjkgC热导率i=0.0279wmC粘度必=1.5x1.O'Pas循环水在34C下的物性数据：密度P1=994.3kgm3定压比热容CW=4.174kjkgK热导率4=0.624wmK粘度M=O.742X10-3Pas四、估算传焦面积1.热流麻Q=w1.,1.z1.=221801×3.297×(110-60)=3.66×107kjh=10166.667kw2.平均传热温差先依据纯逆流计算,得a,(110-39)-(60-29),110-39In60-29=48.3K3.传热面枳由于亮程气体的压力较高，故可选取较大的Kt假设K=320W(m'k)则彷匏的传热面积为4=Ie=断78疝KM111320×48.34.冷却水用量10166667m=叼=:二二二4.I74×1O'×1O=243.6kgis=876856.8五、工艺结构尺寸I.管径和管内流速选用25×2.5较高级冷拔传热管（破例）,取管内流速Ui=UnVsO2 .管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数、，V876856.8/（3600x994.3）“八Ns=；600勺,O.785×O.O2-×1.3按单程管计算.所3的传热管长度为1.=-皿凡657,783.14×0.025×6001411技单程管设计,传热管过长.宜采纳多管程结构.依据本设计实际状况采纳非标设计,现取传热管,则该换热器的管程数为Np=7=7=2传热管总根数Nt=60()×2=1.2()03 .传热温电校平均正及光程数平均温差校正系数；RKFj1.O-%I1-I139-29-=0.124PJ-I39-29T1.-t,-110-29按单壳程，双管程结构，杳【化学工业出版社化工眼理（第三版上册】：图5/9得：Q=0.96平均传热讯差Zu1.=£*5=096X48.3=46.4K由于平均传热温差校正系数大于0.8,同时光程：，T较大，故取电无程介适.4 .传热管排列和分程方法采纳组合排列法,即每程内均按正三角形排列.隔板两恻采纳正方形排列（.见【化学工业出版社化工原理（第三版上册】：图643取管心距1.=1.25d,则«=125X25=31.25s321111隔板中心到离其母,近一插管中心距离；S=t2+6=322+6=2211n各程相邻管的管心距为44m.管数的分程方法，每程各有传热管600根，其前后管程中隔板改设和介质的流通依次按【化学工业出版社4化工原理3(第三版)上册】：图68选取,5 .壳体内径枭纳多方程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率n=0.75,则壳体内径为：D=1.05yN=1.05×321200/0.75=134w?按卷制壳体的进级档，可取D=UOOmm简体宜径校核计算：壳体的内径D,应等于或大于(在浮头式换热器中)管板的直径，所以管板直径的计蚌可以礴定壳体的内径，其表达式为：Di=I(nc-1.)+2e管子按正三角形排列：n«=I.H瓦=1.1×T2=381.Re=1.2do=1.,2×25=3Omm.D1=32X(38-1)+2×3O=1244mm按光体直径标准系列尺寸进行圆形：D1=I-WKhnm6 .折流挡板采纳圆块形折流挡板，去折流板回玦高度为壳体内径的25%,则切去的圆玦高度为h=O.25×1.400=350n.故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D.则BM).3×1.400=420mm,可取B为450mm,折流板数目NB=传热管长折流板间距TOoO45014.514折流板即缺面水平装配，见图：【化学工业出版社d化工原理(第三版)上册】：图6%7 .其他冏件拉杆数宜件选取.本换排戏充体内行为U(Xhnm.故其拉用径为16拉杆I18.其中匕度595Omm的六根.55(X)mm的两极.光程入口处，应设置防冲挡板，8 .接管光程流体进出U接管：取接管内气体流速为U1.=Iom-则接管内径为n4V4×22I8OI(36×9O)D=,=J=0.295%V3.14x10回整后可取管内径为3(X)mm.管程流体进出口接管：取接管内液体流速U2=2.5m,则接笆内径为r、4×876856.«/(36(X)×W4.3)Q,=.:=0.353-V3.14x2.5回整后去管内径为35Omm六、换热器核算1 .热流段核算<I)光程衣面传热系数用克恩法计算，见式【化学工业出版社4化工原理：，(第三版>上册】：式<5-72a):=0.363Re(IPr%(*产4当一直径，依【化学工业出版社化工原理(第三版)上册】：式(5-73a)得42-<2-4-=0.0<光程流通极面积：S1,=ZX1.-)=450×140(X1.-)=0.1378光程流体流速及其出诺数分别为221801/(3600x90)0.1378=5.0msRet=*潸普朗特数=1.773CCp3.2<Z7×IO,×1.5×1.(),Pr=-E-=0.0279枯度校正%=0.3600279X6(XXy,'51.773×=915.7hzK().02<2>管内表面传热系数:,=0.023&R”Prg&管程流体流通截面枳：Iz>0f)S1=0.7850.022=0.1884，2管程流体流速:8768568/(3600x994.3)“3仙0.1884雷诺斯Re=0.02X1.3X994.3/(0.742×IO3)34841普朗特兹:.4.174×K)0.742×105,一0.624It=4.96a,=O.O23×X3484P1.iX4.96,u=5858vK0.02（3）污垢热阻和管岷热阻：【化学工业出版社化工原理（笫三版）上册】:表55取；管外侧污垢热阻Rt,=O.（KX）kfw管内制污垢热B1.R1=0.0006m2kIw管壁热阳按【化学工业出版社化工原理3（第三版）上册】：图S3杳得碳钢在该条件卜的热导率为SOMmK1.所以拉="丝=0.000（）5卜w50（4）传热系数K,有：二f25O.OOO6×250.00005×25nrun1.(5858x202022.5935.7；402hm:-K（5）传热面积裕度:计算传热面积Ac：10166.667x10',=523.6"402×48.3该换热器的实际传热而枳为AjAp=z,Wz=3.14×0.025×7×12=659.4J该换热器的面枳裕度为“=X=6594-523.6=26%523.6传热面枳裕度合适.该换热器能彰完成生产任务,2.壁温计匏因为管壁很薄，而且壁热阻很小,故管壁制度可按式Iu/J%计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低，为确保军库，取循环冷却水进I温度为159,出口温度为39C计算传热管壁海。另外,由于传热管内恻污垢热阻较大，会使传热管壁温上升，降低了壳体和传热管室温之差.但在操作初期，污垢热阻较小，克体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应当按最不利的操作条件考虑，因此,取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温，于是有：,一%J%二S式中液体的平均泡度t和气体的平均温度分别计算为Iaa=0.4×39-H).6×15=24.6X7Tn=U1.o+60y2=85C.=a1.=5858wm'Ka1.1.-tf,=935.7w11fK传热管平均第温c=32.3C光体壁温,可近似取为光程流体的平均温度,即T=85C.光体壁温柔传热管壁温之差为/=85-32.3=5271C,该温差较大，故须要设温度补偿装置，由于换热器光程压力较大，因此，衢选用浮头式换热器较为相宜.3.换热器内流体的流淌阻力<1）管程流体阻力邱,=（Ap,+pr）MNj:M=I,即=2,N；=A=Rd.2由Re=34841.传热管对If1.桎度0.01,由太狄图：【化学工业出版社化工Ig理（第三版）课程设计(化学工业出版社出版)：图4-50（八）所示.4、固定端管板结构设计：依据选定的管箱法兰，管箱恻法兰的站构尺寸，确定固定端管板最大外径为：D=1506mm；结构如化工单元过程及设得课程设计(化学工业出版社出版)：图4-50(b)所示。5、外头盗法兰、外头装例法兰设计：依工艺条件.无侧压力、温度及公称直径Dn=500mm：按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸6、外头盅结构设计：外头靛结构如“匕工单元过程及设法课程设计化学工业出版社出版)：图451所示。轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰及钩圈强度计算确定厚度后确定，%£化工单元过程及设备课程设计(化学工业出版社出版)：图4-51.7,垫片选择：a.管箱垫片：依据管程操作条件(砧环水压力().4MP(I,温度34C)选石棉橡胶垫,结构尺、如化工单元过程及设得课程设计(化学工业出版社出版:图439(b)所示:D=1508mm：d=14(X)nn.b.外头Sfc垫片:依据光程愫作条件(混合气体，压力69Mp湿位85C),选级段式桀片，垫片：I609mn500mm(JB4705-92)缠绕式垫片.c.浮头垫片：依据管壳程压差，混合气体温度确定签片为金属包石棉犁，以浮动管板结构确定垫片结构尺寸为中139OmmX1.358mm：厚度为3mmJB4706-92金蟠包垫片.8、嵌座选用及安装位苴确定：嵌座选用JB,T471292阳座BII400-F/S：安装尺寸如化工单元过程及设需课程设计化学工业出版社出版)：图444所示其中：1.=6700,1.b=0.61.=0.6670()=4020nn取：1.b=400tm,IJCN1.C=135Omm9、折流板布置：折流板尺寸：外径：D=DZ-8=1400-8=1392mm：厚度取8mm前端折流板距管板的即离至少为850mm：结构调整为900mm：见化工单元过程及设卷课程设计(化学工业出版社出版):图4-50(C)后端折流板距浮动管板的距离至少为950mm；实际折流板间距B=4S0mm,计算折流板数为12块，10.说明：在设计中由于给定压力箱数及公称直径超出JB4730-92.长颈时煌法兰标准就出,对壳体及外头族法兰无法干脆选取标准值，只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算1、简体壁厚计能：出工艺设计给定设计温度85C,设计压力等于工作压力为69Mp选低合金结构钠板16MnR卷制,点得材料85C时许用应力6=1.63Mp0：M过程设备设计（其次版）化学工业出版社。取焊摄系数¢=（）.85,腐蚀裕度C?=Imm:对16MnR纲板的负偏差C1.=O依据过程设备设计（其次版）化学工业出版社:公式4-1.3）内压阅筒计算厚度公式：从而:计算厚度：=-,"MOO_M35.75mm2×163x0.85-6.9设计用度；¾=<y+C2=35.75+1=36.75mm名义庠度：bn=d+G=36.75nmIH整取*=38mm有效原度：Z>,=(y.-C1-Cj=3711nn水压试5金代力：Pr=1.25R具=1.25x6.9x1=8.625Mp1所选材料的屈服应力/=325Mpj水式试验应力校核：G=P"D,+<y8.625x(140()+37)2×37=167SMpi4167.5Mpj<0.9=0.9X0.85×325=248.625Mpj水压强我满意气密试蕤压力：Pr=6.9Mpa2、外头靛短节、时头厚慢计算：外头前内径=IWOmm,其余参数同简体:短节计算壁厚：s=_Z_=_69x5a383mm2J-P.2×1.63×0.85-6.9短节设计壁厚:Sd=S+C,=38.3+1=39.3mm短节名义印度：Sn=Sd+C1=39.3Im圆整取S.=40mm有效厚度：se=s.-c-c2=39,三压力试验应力校核:=17O.2Mp,P(D,+g)8.625x(150()+39)2c=2x39压力试验满意试验要求.外头芾射头选用标准椭圆时头:封头计算壁厚：，37.822mmS=PD,6.9x15002,-O,5P-2×I63×O.85-O.5×6.9Sn=S+C,+C,=37.822+1=38.822nn取名义厚度与短节等原：Sn=40Tn3、管箱短节、封头厚度计算：曲工艺设计结构设计参数为：设计谓度为34C,设计压力为0.4Mp,选用16MnR剂板.材料许用应力口=170Mp,屈服强度a.=345Mp“，取焊缝系数¢=0.85,腐曲裕JftC2=2nm计算厚度:S-PM2-P.0.4x14002x170x0.85-0.41.94min设计厚度:Sd=S+C,=1.94+2=3.94m名义厚度:Sn=S1.1.+C=3.94Inm结合考虑开孔补强及结构须要取Sn=Snm有效厚度:St=S,-C1-C,=8-2=6r11m压力试验强度在这种状况下泞定前就。管箱封头取用厚度与短节相同，取SfI=8mm4、管箱短节开孔补覆校核开孔补强果纳等面积补强法，接管尺寸为中377x9.考虑实际状况选20号热轧碳素钢管b=1.30Mp_,3779,Ci=Imm接管计算壁原；S1.=0.68ininPtD,0.4×3772bb+R_2x130x0.85+0.4接管有效墩厚:Se1.=S111-C1-C2=9-1-9x0.15=6.65nin开孔直径：d=d,+2C=377-2x9+2x2.35=363.7rnn接管有效补强高度：B=2d=2×363.7=727.4mm接管外IW有效补强腐度:h1.='363.79=57.2mm需补强面枳：A=d-S=363.7x1.94=705.6mm2可以作为补强的面积:A1=(B-d)(Se-S)=(727.4-363.7)×(6-1.94)=1476.6mm2A,=2h1.(S,-St)fr=2X57.2X(6.65-0.68)x130/170=522.311n2A1.+Aj=1476.6+522.3=1998.9>A=705.6n«n2该接管补强的强度足筋，不需另设补强结构，5,壳体接管开孔补强校核：开孔校核采纲等面枳补强法.选取20号热轧族素钠管32512剂管许用应力：=137MPjC2=Imm接管计算地即：CP1D16.9x325S1=rJ-!=7.98n2,<+I2x137x1+6.9接管有效壁耳:.=Sm-c-Cj=12-1-12x0.15=9.2nn开孔ri径:d=<1.,+2C=325-2×12+2<1.+12×0.15)=306,611>n接管有效补强厚度：B=2d=2X306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：h1='dSn1.=306.61.?=60.7mm须要补强面积：A=d6=306.6X35.75=10960.95m11r可以作为补强的面积为：AI=(B-d)(C-R=3.2-306.6)x(37-35.75)=383.2511n2A,=2h1.(Sc1.-St)fr=2×60,7×(9.2-7.98)×137/170=119.4mm2尚需另加补强的面积为；A4>-,-A,=1()960.95-3X3.25-119.4=1.(M58.3nn2补强网厚度:Sh=B-d0613.2-325班”=363m实际补强圈与筒体等厚：Sk=38nn：则另行补强面积:A4=S(B-d0)=38×(613.2-325)=10951,6<11n2A1+A,+A4=383.25+119.4+10951.6=11454.2511n2>A=10960.95mm同时计算焊缝而枳Aj后,该开孔补强的强度的足幡.6、6定管板计算:固定管板厚度设计采纳BS法，假设管板厚度b=1.(Xhnn总换热管故城n=1254,一根管壁金属横豉面枳为：a=(d-d11)=-x<25?-2O3)=176.6mm244开心湿度履弱系数(双程)：/=0.5两管板间换热管疗效长度(除掉两管板厚)1.取6S5()mm计卸系数K：KF322、叵“小幽XJ1.2尹X皿6=485bV/1.b1000.568501.(X)K=3.855接管板筒支考虑，依K值查化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图4-45.图446.图4-47得：G1=2.9,G,=-0.65.G3=2.8管板最大应力:=j6.41-0.233(6.9-0.4)×(-0.65)0.607=57.4MPI1.或P,(PT)GJI-0.233X6.41-<69-o4)×280.607=-101.2Mpa筒体内径截面枳：A=D?=×14(X)2=153860()mn管板上管孔所占的总截面枳：C”n1254/r-x4-.-rtC=d=×25*=615555.8m44系数%=153860035555.8=0,61538600系数na也7”一.24-C15386(X)-615555.8壳程压力:管程压力:R=0.4Mpj当fit压势:P=PIP(1.+Z?)=6.9-0.4×(1.+0.24)=6.404Mpj管板采纳16Mn锻：r=1.50Mp“换热管采纳10号碳系蝌：H=I12Mpj管板管子程度校核:nn4,=219.6Mpj<1.5=1.5×150=225Mp,<7tt,4=-101.2Mpu<1=1.1.2Mp4管板计算厚度满意强度要求，考虑管板双面腐蚀取C=4mm,隅板槽深取4mm实际管板用为K)Smm,7、浮头管板及钩圈：浮头式换热器浮头管板的原僮不是由强度确定的，按结构取80mm：陶曲采纳B型.材料与浮头管板和I可，设计厚度按浮头管板原加I6mn,定为96mm,8、无折边球抖头计算：封头上谕无折边球形封头的计算按外质球无计算,依照GB151-89方法计算,选用16MnR折,封头R,=I100mm,封头外侧85C气体，内侧为34C砧环水,取壁温45C,假设名义原度Sn=50mm：双面腐蚀取Ca=3mm,刷板主儡差G=I2nm；当fit厚度：Sc=Sn-C=5O-3-1.2=45.8三.封头外半径：RO=R1.+S1,=1100+50=1150mm.R1.1.Sc=25.145.8（）1250125计律系数:A=0.005R0Sc25.1依据所选16MnR材料，温度，A系数查外压掰筒，球克密度计究得：B=176计究许用外压力P）=黑70IMpp>P.=6.9Mp,计算值可用9.浮头法兰计算：按GB15189相关规定，因此法兰出于受压状态，计算过程取法兰厚度150mm,站构见£化工单元过程及设符课程设计%化学工业出版社：图452（C）下表为设计汇总：名称尺寸7mm材料名称尺寸，nun材料简体星期38I6M11R管程接管77nn×9tn»20简体补强圈原38I6M11R光程接管325mm×1.2nm20外头我短节呼4016M11R固定管板耳IOS16Mn损外炙蕾用头理40I6MR浮头管板原801.6Mn俄首俯妞节以8I6MRmwt9616Mn锻管泊时头厚8I6M11R无折边球封头5016MnR徵篇分程隔板PX1416MnR浮头法兰用15016MnMx九、参考文献:化工原理（第三版）化学工业出版社出版2. GB4557.184机械制图图纸幅面及格式3. GB150一一98钢制压力容器4. 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设得设计中心站，1991年。5. E过程设备设计（其次版化学J1.业出版社6. £化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社