列管式换热器课程设计报告书.docx

《列管式换热器课程设计报告书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《列管式换热器课程设计报告书.docx（25页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、大学化工原理列管式换热器课程设计说明书学院：班级：学号：姓名： 指导教师：时间：年 月 日目录一、化工原理课程设计任务书2二、确定设计方案31. 选择换热器的类型2.管程安排三、 确定物性数据4四、估算传热面积51. 热流量3.传热面积2. 平均传热温差4.冷却水用量五、工艺结构尺寸61. 管径和管内流速6.折流挡2. 管程数和传热管数板73. 传热温差校平均正及壳程数7.其他附件4. 传热管排列和分程方法8.接管5. 壳体内径六、换热器核算81. 热流量核算102. 壁温计3.换热器内流体的流动阻力算七、结构设计131. 浮头管板及钩圈法兰结构设计2. 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计3. 管箱

2、结构设计4. 固定端管板结构设计5. 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计146. 外头盖结构设计7. 垫片选择8. 鞍座选用及安装位置确定9. 折流板布置10.说明八、强度设计计算151. 筒体壁厚计算2. 外头盖短节、封头厚度计算3. 管箱短节、封头厚度计算164. 管箱短节开孔补强校175. 壳体接管开孔补强校核6. 固 定 管 板 计算187. 浮头管板及钩圈198. 无折边球封头计算9. 浮 头 法 兰 计算20九、参考文献20一、化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图3-20所示。反应器的混合气体经与进料物流换热后， 用循环冷却水将其从1101进一步冷却至60C之后，进入吸收塔吸收其中

3、的可溶 性组分。已知混合气体的流量为231801 kg：h，压力为6.9MPa，循环冷却水的 压力为0.4MPa，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p广90kg j m3定压比热容c广3.297kj/kgC热导率= 0.0279 Wm C粘度目=1.5X10-5Pas1循环水在34C下的物性数据：密度P1 = 994.3kg/m3定压比热容c 1 = 4.174 kj/kgK热导率人=0.624 Wm K粘度气=0.742X10-3 Pas二、确定设计方案1. 选择换热器的类型两

4、流体温的变化情况：热流体进口温度110C出口温度60C ;冷流体进口温度 29C，出口温度为39C，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温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. 管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循 环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下 降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。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口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为110 + 60=8

5、5CT=2管程流体的定性温度为39 + 29 睥t= 34 C2根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说， 最可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辜组分的有关 物性数据，然后按照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（来自生产中的实测值）：密度p = 90kg /m3定压比热容c =3.297kj/kg C热导率 1 =0.0279w/m* C粘度R1 =1.5X10-5Pa S循环水在34C下的物性数据：密度P =994.3 kg/m3定压比热容c 二4.174kj/kg K热导率人=0.624w/m K粘度

6、七二0.742X10-3Pa s四、估算传热面积1. 热流量Q = A ,% m c At= 231801 X 3.297 X (110-60)=3.82 X 107kj/h=10614.554kw2. 平均传热温差先按照纯逆流计算，得At =(1 1 0 - 39) - (60 - 29)I 110 - 39ln60 - 29=48.3K3. 传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/（m，k）则估算的传热面 积为Ap二乂KAt10614554=686.76m 2320 x 48.34.冷却水用量m= Qi - 10614554 = 254.3kg/ s = 91

7、54862kg/ h c At4.174x103 x10五、工艺结构尺寸1 .管径和管内流速 选用25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速 u1=1.3m/s。2. 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_ V _ 915486.2/(3600x994.3)627Ns=兀八0.785 x 0.022 x 1.3d 2按单程管计算，所需的传热管长度为L _灿76. 14m兀d n3.14x 0.025 x 627按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现 取传热管长l=7m，则该换热器的管程数为Np=L _ 旦 _ 2 l 7传热管总

8、根数Nt=627 X 2=12543. 传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数：T-T _ 110-60 _5R= tt： 39 - 29 P=二=39 29 =0.124110 - 29按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社化工原理第三版）上册】：图5-19得：8 a = 0.96平均传热温差At =w JA 塑=0.96 x 48.3 = 46.4 k由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4. 传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。见【化学工业出 版社化工原理（第三版）上册】：图6-13。取管心距 t

9、=1.25d0，则 t=1.25X25=31.2532mm隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22mm各程相邻管的管心距为44 mm。管数的分程方法，每程各有传热管627根，其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按【化 学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图6-8选取。5. 壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率7=0.75，则壳体内径 为：D=1.05t h + 2C + d + h + h = 320 + 2 x100 + 377 + 350 + 50 = 1297mmgmin fg 12取管箱长为1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱

10、结构如化工单元过程及设备课 程设计（化学工业出版社出版）：图4-50（a）所示。4、固定端管板结构设计：依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，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备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-50（b） 所示。5、外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径Dn = 1500mm ；按JB4703-93长颈法兰 标准选取并确定尺寸。6、外头盖结构设计：外头盖结构如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 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决定，见化工单元过程 及设备课

11、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：根据管程操作条件（循环水压力0.4Mpa，温度34oC）选石棉橡胶垫。结构尺寸 如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-39（b）所示：D = 1508mm; d = 1400mm.b. 外头盖垫片：根据壳程操作条件（混合气体，压力6.9Mp a，温度85 oC ），选缠绕式垫片， 垫片：1609mmx 1500mm（JB4705-92）缠绕式垫片。c. 浮头垫片：根据管壳程压差，混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫，以浮动管板结构确定垫片结构尺寸为1390mm x1358mm ；厚度为3mm;JB4706

12、-92金属 包垫片。8、鞍座选用及安装位置确定：鞍座选用 JB/T4712-92 鞍座 BI1400-F/S；安装尺寸如化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）：图4-44所示其中：L = 6700, LB = 0.6L = 0.6x6700 = 4020mm取：L = 4000mm, L牝 L = 1350mm9、折流板布置：折流板尺寸：外径：D = Dn - 8 = 1400 - 8 = 1392mm ；厚度取 8mm前端折流板距管板的距离至少为850mm；结构调整为900mm；见化工单元过程及设备课程设计（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95

13、0mm；实际折流板间距B=450mm，计算折流板数为12块。10、说明：在设计中由于给定压力等数及公称直径超出JB4730-92，长颈对焊法兰标准范围， 对壳体及外头盖法兰无法直接选取标准值，只能进行非标设计强度计算。八、强度设计计算1、筒体壁厚计算：由工艺设计给定设计温度85oC，设计压力等于工作压力为6.9Mpa， 选低合金结构钢板16MnR卷制，查得材料85oC时许用应力t】=163Mp ；过程设备设 计（第二版）化学工业出版社。取焊缝系数4 =0.85，腐蚀裕度C2=1mm；对16MnR钢板的负偏差% =0根据过程设备设计（第二版）化学工业出版社：公式（4-13）内压圆筒计算厚度公 式

14、：从而：计算厚度：8=6.9X1400，35.75mm2 x 163 x 0.85 - 6.9设计厚度：8d=8 + C2 = 35.75 +1 = 36.75 mm名义厚度:5 =8 + C = 36.75mm 圆整取 5 = 38mm有效厚度:8 =5 -C1 -C2 = 37mm水压试验压力：P = 1.25P g = 1.25x6.9x1 = 8.625Mp所选材料的屈服应力。s=325Mpa水式实验应力校核：。tPtW +5? = 8.625x(1400 + 37)gMp252 x 37ae2 x 37167.5Mp A = 705.6nm 2该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。

15、5、壳体接管开孔补强校核：开孔校核采用等面积补强法。选取20号热轧碳素钢管中325x12钢管许用应力：Z】=137Mp， C2=1mm接管计算壁厚:皆=&9 x325= 7.98mm2卜环 + P 2 x 137 x1 + 6.9接管有效壁厚:Set=S -C1 -C2 = 12-1-12x0.15 = 9.2mn开孔直径:d = d. + 2C = 325 - 2 x 12 + 2 x(1 +12 x 0.15) = 306.6mn接管有效补强厚度：B=2d=2x 306.6=613.2mm接管外侧有效补强高度：h1 =气/dS- =、306.6 x12 = 60.7mm需要补强面积：A=d

16、- 5 =306.6x 35.75=10960.95 mm2可以作为补强的面积为：A1 = (B -d)(5 -5) = (613.2 -306.6)x(37 -35.75) = 383.25mm2A2 = 2h(SSt) f = 2x60.7x(9.2-7.98)x 137/170 = 119.4mm2 尚需另加补强的面积为：A4 A-A1-A2 = 10960.95 -383.25-119.4 = 10458.3nn 2补强圈厚度:S =、= 104583 36.3mm k B - d0613.2 - 325实际补强圈与筒体等厚：Sk = 38mm ；则另行补强面积:A4 = SK(B-d

17、0) = 38 x (613.2 - 325) = 10951.6mm2A1 + A2 + A4 = 383.25 +119.4 +10951.6 = 11454.25mm2 A = 10960.95m 2同时计算焊缝面积A 3后，该开孔补强的强度的足够。6、固定管板计算：固定管板厚度设计采用BS法。假设管板厚度b=100mm。总换热管数量n=1254；根管壁金属横截面积为：兀/、兀/、a =彳（d2 -d2）= x（252 - 202）= 176.6mm2开孔温度削弱系数（双程）：H= 0.5两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚）L取6850mm 计算系数K:：1254 x176.6 = 1

18、485 100 V 0.5 x 6850 x100*D . na1400K2 = 1.32= 1.32 x xb r LbK=3.855=-0.65,G3 = 2.8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 4一46,图 4-47 得：G1= 2.9，G2管板最大应力:(P -P) GX 2(P -P) G10.23310.2331 (6.9 - 0.4) x( - 0.65)x 6.41 0.607 (6.9 - 0.4) x 2.8x 6.41 0.607=57.4Mpa= -101.2Mpa筒体内径截面积：A = -D2 =1x 14002 = 1

19、538600mm24 i 4管板上管孔所占的总截面积：八 K n1254兀,C =d2 =x 252 = 615555.8mm2404X=隽=1538600 - 615555.8 机 0.6A 1538600总 0.24n a _1254 x 176.6A-C 1538600 - 615555.8壳程压力:P = 6.9Mp管程压力：匕=0.4Mp当量压差：P = P -P(1 + p ) = 6.9-0.4x(1 + 0.24) = 6.404Mpa s la管板采用16Mn锻：&r=150Mpa换热管采用10号碳系钢：lnt=112Mpa管板管子程度校核：b = 219.6Mp 1.5卜=

20、1.5x 150 = 225Mpb =-101.2Mp P = 6.9Mp计算值可用9、浮头法兰计算：按GB151-89相关规定。因此法兰出于受压状态。计算过程取法兰厚度150mm。结构见化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社：图4-52（C）下表为设计汇总：名称尺寸/mm材料名称尺寸/mm材料筒体壁厚3816MnR管程接管中377mm x 9mn120筒体补强圈厚3816MnR壳程接管中325mm x12mn20外头盖短节厚4016MnR固定管板厚10816Mn 锻外头盖封头厚4016MnR浮头管板厚8016Mn 锻管箱短节厚816MnR钩圈厚9616Mn 锻管箱封头厚816MnR无折边球封头5016MnR管箱分程隔板厚1416MnR浮头法兰厚15016Mn 锻九、参考文献：1. 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. GB15098钢制压力容器4. 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年。5. 过程设备设计（第二版）化学工业出版社6. 化工单元过程及设备课程设计化学工业出版社