化工原理课程设计换热器.docx

成果银川能源学院化工原理课程设计说明书题目，42134吨/年乙莘冷却列管式换热器的设计学生姓名李凯学号1410140038.指导老师刘荣杰院系石油化工学院专业班级能源化学工程（本）1402班设计时间2015年6月10日化学工程教研室制书目摘要1abstract11设计任务书21.1.设计题目21.2 工艺原始数据及操作条件21.3 设计内容21.4 设过时间22课程设计概述32.1 设计目的32.2 2换热器设备的在生产中作用及应用32.3 工艺流程32.4 .列管式换热器的特点31.4 .1应用特点31.5 .2设备的结构特点42. 5设计方案的确定41. 5.1换热器类型的选择42. 5.2换热器内流体通入空间的选择43. 5.3潦速的选择53换热过程工艺计算54. 1基本物性参数53. 2计算总传热系数61. 2.1计算热负荷和冷却水流量63. 2.2计算两流体的平均传热温差63. 2.3初算传热面枳73. 3工艺结构尺寸的计算81. 3.1管径和管内流速83. 3.2管程数和传热管数84. 3.3传热管的排列833.4克体内径95. 3.5折流板96. 3.6接管104换热器主要传热参数的校核107. 1热流量核算1041.1.管程流体流速104. 1.2课程流速流体104. 2换热器内流体的流淌阻力124.1 1管程流淌网力125课程设计说明及汇总136主要零部件1461封头146.2法兰156.3管板156.4垫片156. 5管子在管板上的固定151. 5.1胀接法156. 5.2焊接法157课程设计心得体会158致谢16参考文献16换热器是化工、石油以及其它很多工业部门的通用设备,在生产制造中占有及其重要的地位。所以，在本次课程设计中我们设计列管式换热器。设计内容包括设计任务45、课程设计概述、换热工艺计算等。设计过程主要通过设计任务书和国标准则，计算两流体的定性湿度，查找资料确定物性参数，计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定主要的零部件。设计结果为单壳程和四管程的固定管板式换热器。优点结构简洁、紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生污垢也便于清洗。关催词：换热器：设计计算：固定管板式换热器abstractHeatexchangerischemica1.,oi1.andmanyoherindusiria1.sectorsofgenera1.equipment,anditsimportantpositionintheproductionandmanufacturing.So.inthiscoursewedesigninthedesignofshe1.1.andtubeheatexchanger.Designcontentinc1.udesthedesignp1.andescriptionsoftheoverview,curricu1.umdesign,sotheheatexchangep11cssca1.cu1.ation,etc.Main1.ythroughthedesignp1.andescriptionsofthedesignprocessandgbstandards,ca1.cu1.atedtwof1.uidtemperature,andtofindthedatatodeterminephysica1.parameters,ca1.cu1.atethetota1.heattransfercoefficient,processstructuresizeand1.oJetenninethemainconponen1.s.Theshe1.1.sideof(hedesignresu1.tsforsing1.efixedtubep1.ateheatexchangerandfoursides.Theadvantagesofsimp1.estructure,compact,1.owmanufacturingcost;Tubeisnoteasytofou1.ing,evencausefou1.inga1.sofaci1.itatec1.ean.Keywords:heatexchangerDesignca1.cu1.ation;Pixedtube-shee1.1设计任务书1.1设计题目处理实力为5320Kgh的乙笨冷却：1.2工艺原始数据及操作条件(1)管程进口温度为136C,出口温度为60C；允许压力降：不大FK)下a：(2)壳程进口温度为30C,出口温度50C：允许压力降：不大于105MPu：<3)每年按330天计,每天24小时连续运行。1.3 设计内容(1)工艺设计：确定设备的主要工艺尺寸，如：管径、管长、管子数目、管程数目等，计算K0.(2)结构设计：确定管板、亮体、封头的结构和尺寸；确定连接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。(3)绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明拈.1.4 设计时间2016年12月5日2016年12月16日设计学生：李凯指导老师：刘荣杰2课程设计概述2.1设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题困难性的初次尝试。通过课程设计使我们能综合运用本课程和前修课程的基本学问，进行融会贯穿的独立思索，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，进而提裔我们分析和解决工程实际问题的实力。同时，通过课程设计，还可以培育我们树立正确的设计思想，培育实事求是，雨穆细致，高度负贵的工作作风。2.2换热器设备的在生产中作用及应用换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备，在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%20在炼油厂约占总费用35¾40%,换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到运用、高效的换热器对降低设备的造价和操作贽用具有非常重耍的作用。2. 3工艺流程冷却水从换热器左侧封头的下方进入，从换热器右侧封头的上方排出，乙苯从换热器左侧上方的入门进入，经过6个管程再从左例下方排出。2.4. 列管式换热器的特点2.5. 1应用特点列管换热涔的特点是壳体和管板干脆焊接，结构简洁、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理实力达、换热表面清洗比较便利、可供选用的结构材料广袤、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相4持撵，管板得到加强，故在各种列管换热涔中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。2.6. 2设备的结构特点列管式换热器的结构特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简洁，制造成本较低。管内不易枳累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表而进行检查和机械清洗，因而不相宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器。当管子和壳体的壁温差大于50C时，应在壳体上设置温差补偿膨胀节,依靠膨胀节的如性变形可以削减温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有U形、平板形和Q形等几种。由于U形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以运用得最为普遍。当要求较大的补偿址时，宜采纳多波形膨胀节.当管子和壳体的壁温差大F60C和壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2.5设计方案的确定2.5.1换热器类型的选择对于列管式换热器，首先依据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料,然后再依据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。设计所选用的列管换热罂的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理实力大、换热表面状况较便利、可供选用的结构材料广袤、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优外固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板干脆饵接，结构简洁紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价显低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50C时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，运用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70C和壳程流体压强小于60Okpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。2.5.2换热器内流体通入空间的选择在列管式换热器中，哪种流体走管程，哪一种走亮程，一般可从下列几个方面考虑。(1)不干净或易结垢的流体走易于清洗的侧：对于固定管板式换热罂，-般走管程：U形管换热器，一般走壳程.(2)粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流淌时，在较低的雷诺数(ReV1.oo)下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。(3)有腐蚀性流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱须要运用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以运用比较便宜的(4)压力高的流体走管程,因为管子直径小，承受压力的实力好，还避开了采纳高压壳体和高压密封。(5)有毒的流体走管程，削减泄漏的机会。(6)饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出，而且蒸汽较清洁，无清洗要求。(7)被冷却的流体走壳程，便丁收热.(8)对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程，这样可以降低管壁与壳壁的温差。削减热应力。以上原则，在实际中不行能同时兼顾，对详细状况细致分析，抓住主要方面。例如首先从潦体的压力、腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当的选择。2. 5.3流速的选择换热罂内流体的流速大小,应有经济衡算来确定.增大器内流体的流速,可增加对流传热，削减污垢在换热管表面上沉积的可能性，即降低/污垢的热阻,使总传热系数增大,从而削减换热器的传热面枳和设备的投资经费，但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多，从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生振动，影响寿命，因此选取合适的流速是非常重要的。3换热过程工艺计算3.1基本物性参数(1)定性温度：可取流体进口温度的平均值。(2)壳程流体井水的定性温度为t=(136-60)2=98C(3)管程流体残油的定性温度为t=(30+501/2=4OC(4)依据定性温度，分别杳取壳程和管程流体的有关物性数据。表1基础物数据流体物性Pkgra'pasCpkj(kgk)w/(mc)乙苯797.80.000312.00060.1148水992.20.00065324.1740.634表2常用流通黏度(Pas)>1500>1500、500>500'100>100'35>35'1<1最大流速m/s0.60.751.11.51.82.4表3不同介质在管程(XS)的流速流速益渝循环水一般液体切结垢液体气体管程1.0-2.00.5-3>1,0530光程0.5-1.50.21.5>0.52153. 2计算总传热系数3. 2.1计算热负荷和冷却水流量热负荷：Q1=q.i×C1,i×1.1=5320×2.0006X(136-60)×10,3600=224690W冷却水流量：W.QCj×tj=224690/4.174×10s×(50-30)=9689.5kg/h3. 2.2计算两流体的平均传热温差按单壳程多管程进行计算.对逆流传热温度差进行校正得逆流传热温差为:Ate=M-At?=唐二理=53.17。C11.1.86InIn一t1.3050-30138-30理二竺=3.850-30=0.189由P和R查图一可得温度校正系数QV=O914i三温!，一fN-N一a呵.I卷用修正系数B-a)0.8,故可行.所以修正后的传热温度差为：Atn=(Pztt=0.91×53.17=48.4"C3. 2.3初算传热面积K值大致范图为200-800W/(m2K)假设K=300W/(m2K),则估算的传热面枳为QT224690_2Ati.=-"-"=13.u11J1 西tm300×4&4换热管实际面积按1.IOA估，则A实=1.1.OX15.5=17m23. 3工艺结构尺寸的计算3. 3.1管径和管内流速选用25X2.5的传热管（碳钢钢管）,管内径di=O.025-0.0025X2=0.02m,取管内流速ui=0.8611s;3. 3.2管程数和传热管数依据传热内径和流速确定单程传热管数di=0.02mdo=0.025mV9689.5/（3600992.2）,141n=；=；W10根0.785-d,*-u10,785×0.02×0.86按单管程计算，所需的传热管长度为1 _A_17_7m-dnn,-3.14×0.025×10按单管程设计，传热管过长，故采纳多管程，取传热管长1.=6m,则该换热器管程数为：Np=¾24（管程）1 6热管总根数Nr=N1.XN,4X10=40（根）3.3.3传热管的排列表4正三角形排列时的曾效六角形的层数对角线上的管数不计弓形部分时管子的根数弓形部分管数换热器内总管数在弓形的第一排在弓形的其次排在弓形的第三排在弓形的总管数13772519193737371961615119191613127127六角形的层数对角线上的管数不计弓形部分时管子的根数弓形部分管数换热器内总管数在弓形的第一排在弓形的其次排在弓形的第三排在弓形的总管数7151693181878172174242419192715303011021331636367II2339774243912254698485171327547926661311296311059072115317211161028231633817127Ib1.913图二采纳组合排列法，即每程内均按正三角形排列0如右图二所示：管心管t=1.25do,则t=1.25×0.025=0.032m.3.3.4壳体内径采纳多管程结构，取管板利用率=0.8,壳体内径为=237三D=1.051.F=1.05×32×壳程直径可选取的直径有15927340050()60080()mm故圆整可取D=273e,3. 3.5折流板采纳弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:h=0.25×273=68.25mm,故可取h=6811m,B的范困在(0.2D'D),取0.6D：取折潦板间距B=163.8e,固定管板换热潺B有(150300600)mm,取值为30Omm.折流板数NB=V三-=翳T=19块3.3.6接管由表三知：管程流体进出口接管：取接管内水流速为u,=1.5ms,则接管内径为MX9689.5/(3600X992.5O=V3.14X1.5=0.05而圆整后可取管内径为50M：壳程流体进出口接管：取接管内乙茶潦速u;=1.0m/s,则接管内径为di=4X5320/(3600×797.8)C<0.048m3.14×1.O圆整后可取壳内径为48mu4换热器主要传热参数的校核4.1热流量核算4.1.1管程流体流速A1=0.785zx-.=0.785x0.02:x=3.Hx10,''19689.53fi1.I13600×992.2x(3.14×IO-3)雷话数R.="=9922iiw=21.26«,0.0005632<pi"j_t,174xIO3xO.(XI0632.=0,631i=4.3a=O.()23X幺XRe°'Pr*'=385<U(j-C)(f,4.1.2课程流速流体当量直径:O.0322-0.785X0.025,11d,3.14×0.025=0.02JWnc=1.19N=1.19×407.5%=-/=。.。7"S3600PA3600X797.8×0.0264=(-nc×<)X=(0.273-7.5×0.025)×0.3=0.026#雷诺数R%=AMA=007x002=3603.0.00031普朗特数Pr=SiA1.=2.0006x103X0.00Q31=5°o0,1148=0.36×-×RePzrn×1.05=338叭-C)d。传热工的核算：徐=(勺+心?+1.+-)'*,d,d1an其中月”=1.72X10“方©/叫心。=1.72×101(?2*C)W°=t0.025+(72×IQ'*)X(1.)+-1.+(1.7210i),3859X0.020.02338K=272F/U-C)带入数据得出K.=272W('-C)a传热而积：=17z2Q224690Kor272X48.4mA'''=11d1.N=3.14×0.025×6×40=18.8屋0188-17XIO核兑结果表明，换热器的面积裕度为10.6%,所以，符合要求。4. 2换热器内流体的流淌阻力5. 2.1管程流淌阻力p,=(p1+p2)F,N,N,.其中：Np=4Ns=IFt=1.4P1=0.038××992"”腑=4182pa0.022AnQ992.2×0.8621nnnr2=3X=11OOra总压强降：P,=(4182+1100)×1.4×1X4=29572.2Pa<IO5Pa6. 2.2克程流淌阻力p,.=(p1.+p)FtNs其中：F1.=1.15NS=I潦体流过管束的阻力/XnU2An=Fnf(N1.t+1.)i-fo一一壳程流体的摩擦系数，当Re。>500时，f=5.0Re=5.0×3603-022h=0.77潦体通过折流板缺口的压力降=N(3.5制喈P；=0,50.77×7,5×(19+1)×方：""-=112.97h2蜴'=i935-2J978x2*123.9pa2I0.273J2总压强降：ZM=(112.9+123.9)×1.15×1=273.3<oTa符合设计要求。5课程设计说明及汇总传热星，kw换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：换热器型式：固定管板式换热器面积(Itf)：18.8工艺参数名称管程克程物料名称水乙苯操作温度，c30/50136/60流量,kg/h9689.55320流体密度，kgm'992.2797.8流速，m/s0.860.07表5换热I1.主要结构尺寸224.69续表5总传热系数，wm,-C272对流传热系数，*m,-C21972146污垢系数，in*k/w1.72×10,1.72×104阻力降，Pa29572.2273.3程数41运用材料碳钢碳钢管子规格25×2.5管数4管长mmI6000管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm300切口高度68mm壳体内径，mm273保温层厚变，nun8传热面积18.8m-面积富仃度10.5%6主要零部件6.1封头封头乂称端盖（或顶盖），按其形态可分为凸形封头、惟形封头和平板封头三类。其中凸形封头按结构形态又可分为球形、椭圆形、蝶形和无折边球形的四种封头。对于列管式换热器一般取用椭网形封头为多。椭圆形封头是由半椭球和具有肯定高度的短曲筒两部分所组成。直边的作用是避开壳体与封头间环向焊缝的边缘应力，由于椭球封头各点曲率的改变是连续的，当其承受内位时封头内的应力分布不会发生突变，所以其承受实力较大。椭圆形封头的壁厚与其长短轴的比值有关。标准椭制封头长短轴之长,即长轴D,短轴i2D,D2h=2,大多数椭圆封头的壁厚是与筒体厚度相等或比筒稍厚。椭例封头直边的内径与壳体内径相同。依据本试脸可选：椭圆形封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，依据JB/T4737-2002标准，封头为：DY=273mn,曲面高度E-1.OOmm1.如图四所示）6.2法兰法兰是压力容器用的法兰。压力容器法兰分为平焊法兰和对称法兰两类，平焊法兰又分为甲型和乙型两种.甲型平焊法兰适用于公称压强(MPa)PgO.25、0.6、1.0、1.6四个压强等级的较小范围。乙型平焊法兰适用公称压强Pg254.0两个压强等级的较小范围，其母将工作温度为350-C。本设计选用甲型平焊法兰。6.3管板管板，就是在钢板上钻出和管子外径一样的孔，将管子穿入焊住固定，起这样作用的一种配件。在固定式管板强度校核计算中，当管板厚度踊定之后，不设膨胀节时，有时管板强度不够，设膨胀节后，管板厚度可能就满意要求。此时，也可设置膨胀节以减薄管板，但要从材料消耗、制造难易、平安及经济效果等综合评估而定。固定管板换热器中常用的是U型膨胀节，它具有结构紧凑简洁，补偿性好，价格便宜等优点。6.4垫片换热器垫片通过以上设计，依据GB/T539,选定耐油石棉橡胶板作为垫片。6.5管子在管板上的固定管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。其原则是必需保证管了与管板连接坚固，连接处不会产生泄露.6.5.1胀接法此法是利用胀管潜挤压伸入管板孔中的管子端部使管端发生鳖性变形，管板同时也产生弹性性形变，当取去胀管器后由丁管板孔的弹性收缩，使管板与管子间同时产生肯定的挤紧力而紧密地贴在一起，从而达到密封固紧连接的目的。采纳胀接时，管板的硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量，这样可免除因管板孔塑性变形，而影响胀接紧密性。6.5.2焊接法由于此法具有高温高乐下仍能保持连接的紧密性，对管板孔的加工精度要求低,加工工艺较简洁，当压强不太高时，可用较薄管板等优点，因此焊接法的应用较广泛。但焊接法工艺要求管子与管孔之间应留有肯定的间隙。由于本设计要求在常温常压下工作，可采纳胀接法。7课程设计心得体会正所谓“只要功夫深，铁杵磨成针”。在为期两周的课程设计中，从小组探讨到得出结果，尽管是以个人为堆位完成各自的计算，但是仍I口能感觉到团队力气的强大。遇到困难大家起探讨，避开了后面的同学因再次进入误区而停滞/前进的步伐。不得不说过程是艰辛的.但是，当计算结果出来的时候,整个心情都安逸了，感觉完成了一个宏大任务，更能发觉自己能做到一些看似不能完成的事情。耐性、细心一一本次课程设计最大的心得.个人认为，本次的课程设计为我们的毕业设计奠定了基础，会使得我们的毕业设计做的比现在更完备.更符合要求。8致谢首先，感谢老师给我这个熬炼自己的机会。在本次的课程设计中老师蜴予我耐性的指导，遇到个公式不理解，老师特殊耐性的讲解：从未发觉出老师的厌倦.并且还熬炼了我的意志。让我大大增加了自己的计克实力，使得我在计算过程中更加具有耐性以及细致。为我在的今后学习道路上有了更好的基础。因为每个人的实力都有限，所以我更耍感谢我们小组中的各个成员，有的查找资料共享给大家，有的在我反豆计算出问题时帮助计算加以修正。在他们的帮助之下，我更加快速的完成此次的课程设计。最终再次感谢我的老师以及我敬爱的同学们，感谢你们！参考文献1化学工程手册编辑委员会.化学工程手册第十三篇气液传质设备.化学工业出版社，19822马晓迅.化工原理.化学工业出版社，20103付家新,王为国.<化工原理课程设计.化学工业出版社，20124陈英南.夕常用化工单元设备的设计.上海：华东理工高校出版社，19965王卫东,庄志军.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，2015.86陈敏恒.化工原理.北京：化学工业出版社7娄爱娟，吴志泉,吴叙美.华东理工高校出版社，2002.3化工原理课程设计评价表指导老师评语:指导老师（签名）：总分成果等级