固定管板式列管换热器课程设计

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1、成绩银川能源学院化工原理课程设计说明书题目：26136 吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计院 系石油化工学院专业班级 过控（本）1301学生姓名 徐仁元学 号 1310140144指导教师 刘荣杰设计时间 2015年6月10日化学工程教研室制目录第一章设计任务书 -3-一、设计题目 -3-二、设计原始数据 -3-三、设计内容 -4-四、设计时间 -4-第二章、课程设计概述 -5 -一、 设计目的 -5 -二、换热器设备的在生产中作用及应用 -5 -三、 工艺流程示意图 -5 -四列管式换热器的特点 -6 -1应用特点 -6 -2、设备的结构特点 -6 -五、 设计方案的确定 -6 -第三章、换热

2、过程工艺计算 -10 -一、 工艺计算及主要设备设计 -10-1. 选择换热器的类型 -10 -2. 管程安排 -10 -二、确定物性数据 -10 -三、 计算总传热系数 -11 -四、工艺结构尺寸 -12 -1. 选管子规格 -12 -2. 总管数和管程数 -12 -3传热管排列和分程方法 -13 -4. 壳体内径 -13 -5. 折流板 -13 -6. 接管 -14 -五、 换热器核算 -14 -1. 热流量核算 -14 -2. 换热器内流体的压力降 -16 -第五章、主要零部件 -18 -1. 封头 -18-2. 支座 -19-3. 垫片 -19-4. 管板 -19-第六章、设计评述与体

3、会 -20 -第七章、参考文献 -21 -致谢 -21 -摘要换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有 重要的地位。所以，本次课程设计我们设计列管式换热器。设计内容有设计任务书、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 两流体的定性温度，查资料确定物性数据，计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定 主要零部件。设计结果为单壳程和单管程的固定管板式换热器。其优点结构简单、 紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生污垢也便于清洗。关键词：换热器；设计计算；固定管板式AbstractHeat excha nger is a chemical, oi

4、l, food and many other in dustrial departme nts of gen eral equipme nt, occupies an importa nt positi on in the product ion. So, the course desig n of our desig n of shell and tube heat exchanger. Design content has the design specification, summary of curriculum design, so the heat exchange process

5、 calculation, etc. Mainly through the design plan descriptions of the desig n process and gb sta ndards, calculated two fluid temperature, check in formati on to determ ine physical properties data, calculating the total heat transfer coefficient, process structure size and determine the main compon

6、ents. Design results for single shell side and tube side of fixed tube plate heat excha nger. The adva ntages of simple structure, compact, low manu facturi ng cost. Tube is not easy to fouli ng, even cause fouli ng also facilitate clea n.Key words: heat excha nger; Desig n calculati on; Fixed tube-

7、sheet第一章设计任务书、 设计题目：处理量26136吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计。设计原始数据1. 处理能力：3300Kg/h乙苯冷却银川能源学院化工原理设计2.设备型式：列管式换热器3. 操作条件(1) 管程进口温度为136C,出口温度为60C允许压力降：不大于O.IMPa(2) 壳程进口温度为30E，出口温度50C允许压力降：不大于O.IMPa(3) 每年按330天计,每天24小时连续运行三、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K0o2. 结构设计：确定管板、壳体、封头的结构和尺寸；确定链接方式、管板的 列管的排列方式、管法

8、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(A1图纸)及编写课程设计说明书。四、设计时间：2015年06月08日2015 年06月18日设计学生：徐仁元指导教师： 刘荣杰第二章、课程设计概述、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复杂性的初次尝试。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知识，进行融会贯通的独立思考， 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，进而提高我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还 可以培养我们树立正确的设计思想，培

9、养实事求是，严肃认真，高度负责的工 作作风。、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35%-40%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，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十 分重要的作用。三、工艺流程示意图冷却水从换热器壳程下方进入，从换热器上方排出，乙苯从换热器左侧的入口 进入，乙苯从右侧出口排出。（见图1）四列管式换热器的特点1、应用特点列管换热器的特点是壳体和管板直接焊接， 结构简单、紧凑。在同样的

10、壳 体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热 表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、 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互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用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，结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生 了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处 理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子

11、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一一膨胀 节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，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，所以使用得 最为普遍。当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温 差大于60C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。五、设计方案的确定1.对于列管式换热器，首

12、先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构 材料，然后再根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器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、处理能力大、换热表面 情况较方便、可供选用的结构材料广阔、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势。固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，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

13、的管板最薄，造价最低且易清洗。 缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50 C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， 使用范围仅限于管、壳壁的温差不大 于70C和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去 温差补偿作用。(见图2)图2固定管板式换热器2. 对于换热器内流体通入空间的选择：在列管式换热器中，哪一种流体走管程, 哪一种走壳程，一般可从下列几个方面考虑。(1) 不洁净或易结垢的流体走易于清洗的一侧；对于固定管板式换热器，一 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动时

14、 在较低的雷诺数(Re15001500500500100100353511.0530壳程流速（m/s）0.51.50.21.50.52154. 对于换热管布置和排列间距，常用换热管规格有巾19X 2 mm巾25X 2mm（1Crl8Ni9Ti）、巾25X 2.5 mm（碳钢10）。小直径的管子可以承受更大的压力,而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热 面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、 正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。（见图3）(D)图3换热管在管板上的排列方式（A）正方形直列 （B）正方形错列（C）三角

15、形直列（D）三角形错列 （E）同心圆排列正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换 热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正 三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。5. 对于管板，管板的作用是将受热管束连接在一起， 并将管程和壳程的流体分 隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产 生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa设计温度不超过350C的场合。6. 对于封头和管箱，封头和管箱位于壳体两端

16、，其作用是控制及分配管程流体。（1）封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接， 封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。（2）管箱 换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多采用 管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。（3）分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换 热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致 相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达 16程，常用的有2、4、6 管程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置， 以增强传热，同时应严 防分

17、程隔板的泄漏，以防止流体的短路。第三章、换热过程工艺计算一、工艺计算及主要设备设计1. 选择换热器的类型两流体温度变化情况：(1) 冷流体为自来水进口温度 30C，出口温度50C。(2) 热流体为乙苯，进口温度136C，出口温度60C2. 管程安排乙苯走管程，自来水走壳程。二、确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。在平均温度下物性数据。(见表3)表3物料物性数据表P (kg /m3 )Cp kJ/(kg k)卩(Pa s)入(W/m k)乙苯797.82.000643.1 x 10-0.11148水992.214.17465.3 X10-563.4 X 10-2管程乙苯的定性温度为：

18、壳程自来水的定性温度为：Ts=40C根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据乙苯在98C下的有关物性数据如下：密度3p i =797.8 kg/m定压比热容Cpi=2.0006kJ/(kgC )热导率入 i =0.11148 W/(m C)粘度卩 i =0.00031Pa s自来水在40 C下的物性数据:密度3p 0=992.21 kg/m定压比热容 c po=4.174 kJ/(kg C)热导率入 0=0.634 W/(m C )粘度卩 0=0.000653 Pa s三、计算总传热系数乙苯流量q n=3300kg/h1. 热流量QT=qmCpi(t 2-t i)=3300 X 2.

19、0006 X (136-60) =139881.952kJ/s=139.88kW2. 冷却水用量qm2= Qt / c p0(t2-t1) =139.88 宁(4.174 X 20)=1.677kg/s1.677 X 3600=6037.2Kg/htm(13650)(630)53.17Ct113650In 1In -1 26030暂按单壳程、偶数管程来考虑，则R= (T1-T2) /(t 2-t 1)=(136-60)/(50-30)=3.8P=(t 2-t 1)/( T 1- t 1)=(50-30)/(136-30)=0.189由R和P查图得，温差校正系数Ft=0.960,故可行 则 tm

20、=0.96 tm=0.96X 53.17=51 T4. 初算传热面积K值大致范围为280 800 (W/rn K)假设K=300W/m K,则估算的传热面积为29. 14m2.Qp139881.952K tm 30051换热管实际面积按1.15A估，则A实=1.15 X 9.14=10.5 m四、工艺结构尺寸1. 选管子规格选用巾25X 2.5mm无缝钢管，管长取L=2m2. 总管数和管程数A实10. 5n66. 8根dol3. 14 0. 025 2按单程管计算，所需的传热管长 A10.05L2md0n3.14 0. 02566.8I则该换热器的管程数为Np1管程PL2总管数：1X 66.8

21、=66.8673. 传热管排列和分程方法采用正三角形排列取管心距 R=1.25do =1.25 X 25=31.25 mm 32mm隔板两侧相邻管心距Nc=44mm4. 壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n =0.6，壳体内径为D 1.05tJ 1.0532 J355 mmV 0. 6壳程直径可选取的直径有(159 273 400 500 600 800) mm故圆整可取D= 400mm5. 折流板采用弓形折流板，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 X 400= 100mm 故可取 h= 100 mm取折流板间距B= 150mm(0.2DBD)固定管

22、板换热器B有(150 300 600 ) mm折流板数“尸传热管长/折流板间距-1=2000/150-1=12(块)。6. 接管管程流体进出口接管：取接管内乙苯流速为u 1.8m/s，则接管内径为/43300 /(3600 797. 8)M d 仁. 0. 029mV3.141.8圆整后可取管内径为32mm壳程流体进出口接管：取接管内自来水流速U2= 1.8m/s，则接管内径为d240. 001693. 141 . 80. 035 m圆整后可取壳内径为38mm五、换热器核算1.热流量核算(1)壳程表面传热系数用克恩法计算110.55_0. 36 1 RePr3de0.14当量直径det2 0.

23、03 0.785 0.022do3. 140. 0250. 04m壳程流通截面积S0BD1 巴 0.150t0.4 1 型0. 03220. 0131m2壳程流体流速及其雷诺数分别为U0qV 1.677/ 992.210.129m/ss0.013Rdeu0Re00.040. 129992.21一 78400. 000653普朗特数4.2994 1741030.0006530. 6340. 14=1.05壳程中水被加热，故取w10. 6340 5532701 w/( m2 C)0. 3678404. 29931. 050. 02(2) 管程传热膜系数0. 023 _L Re0. 8pr0.3 d

24、.i管程流通截面积2 2Si0. 785 0. 02670. 02m管程流体流速3300/(360。797 8)0.126 m/s58/ 20.785 0. 02?雷诺数Reud797 80.126 0.020.000316485普朗特数FtCpU2.0006 1CF 0.000310.111485. 560. 023 0. 11148 648畀 5.564240W/( m2 C)0.02 -(3) 污垢热阻和管壁热阻，查附录得：管外侧污垢热阻 &1. 7210 4卅0C / W管内侧污垢热阻 R 1. 72 10 4nf0C/W管壁厚度b=.25 m碳钢热导率为入=45.4 W/(m C )

25、管壁热阻为FW -0.00250. 00005556 m2 ? KW45(4) 传热系数Kdobd o1严十 Ri + + Rso + i didmo0. 025+ 1 . 722400. 02100. 00250.0251. 72450. 022510 4 + 27012327 W / ( m2C)(5) 传热面积裕度AcAc殳Ktm139881.952327518.4n?该换热器的实际传热面积dol n3. 140. 0252 6710. 519m2该换热器的面积裕度为Ap Ac 10.519 - 8.4 H0.25Ac8. 4传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2.换热器内流体的

26、压力降(1)管程流动阻力 Pi=( P1+A P2)FtNsNpNs=1, Np=2,Ft=1.4,u=0.126m/s,无缝钢管绝对粗糙度E取0.042管子为巾25 x 2.5mm ,Re=6485查表得P2P11_dPP22 2I u c2797 80. 1260.046 -d 20.02229Fa工3 7978 0.曲2 219Fa Pi=( Pi+A P2)FtNsNp=(29+19) x 1.4 x 2= 134.4Pa0.1MPa管程压降在允许范围之内。（2）壳程阻力PO （ PP2）FtNs总压力降Ns 1, Ft 1. 15PFfn(NB1) o2F0. 5fo5.078400

27、.2880.3779nc1.1.679P0.50.3779 9 (121)992212流体流经管束的阻力174Pa1KI / Q C2B)2UoMhA 9口n A Rm DP2Nb( 3. 5D)2Nb12, BU. 15m DP220. 15)992. 210. 126212(3. 5259. 9Pa0. 42流体流过折流板缺口的阻力0. 4m巳 (仃4259.9)1. 151498 Pa 0.1MPa壳程压力降也比较适宜。表4、设计结果一览表参数管程（乙苯）壳程（冷却水）流量 /( kg/h)33006037.2进/出温度/ r136/6030/50允许压力降/MPa0.1 3000mrf

28、l寸，取 Lb =(0.5-0.7)Lc尽量使Lc和Lc，相近3. 垫片换热器垫片通过以上设计，按照 GB/T539,选定耐油石棉橡胶板作为垫片。4. 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，当管板厚度确定之后，不设膨 胀节时，有时管板强度不够，设膨胀节后，管板厚度可能就满足要求。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、安全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，它具有结构紧凑简单，补偿性好， 价格便宜等优点。第六章、设计评述与体会这次为期两个星期的课程设计终于结束，这次

29、的任务是设计一个列管式换热 器。虽然设计和学习的时间不长，却收获颇多，受益匪浅。首先，这是我们第一次接触课程设计， 让我认识到：课堂上理论知识掌握的 再好，没有落实到实处，是远远不够的。换热器的设计，从课本上简单的理论计算， 到根据需求满足一定条件的切实地进行设计， 不再仅仅包括呆板单调的计算，还要 根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节， 我觉得这是最大的 一个挑战。其次，这次课程设计还考验了我们的团队合作精神，以及严谨的工作态度、平和的心态。这次设计工作量大，用到的知识多，而且我们又是第一次设计， 所以单独靠自己是不能完满的完成本次课程设计。我经常与同组同学一起讨论，甚至争

30、论，这样，我们就能发现问题，并能因此产生比较合理的方法和结果。大家都 明白了，那其他的都不是问题。同时争论让我更加清楚地了解自己， 让我明白我要 更加耐心的表达我的想法，把问题解析清楚，也要耐心的听其他同学的意见。 在同 组同学无法通过讨论得出正确结果的时候，我们通过请教其他组同学或者与其讨论 得到新的想法和正确的结论。最后要提到的就是绘图了。由于工程制图是大一学习的，现在我们将近两年时间没有接触了， 差不多都将其内容忘光了。于是乎我们 只能捧着厚厚的课本将其仔细的复习一遍， 然后再进行正式的绘图工作。绘图过程 中遇到了不少的麻烦，简直让人头疼。刚开始整体的布局规划就很麻烦， 要布局得 当才能

31、使图既能够画完，又表现得十分清晰。而且因为换热器中有很多的零部件， 它们的尺寸或者厚度很小，画的时候很难准确地按照比例将其绘画出来。 虽然在这 次的换热器设计中遇到了很多的麻烦，但最终通过自己的努力、同学们的帮助，还 是顺利的完成了任务。通过这次的设计任务，我巩固了以前所学习的知识，并让我 对化工知识有了更深的认识和理解，还增强了我的查阅能力以及动手能力。总之， 收获还是蛮多的。不但把之前学过的内容复习一遍， 加深对该课程的印象。还通过 与同学一起讨论，使我体会到团队精神的重要性，对于即将立足于社会的我们也有 非常大的意义。感觉做完之后非常累，但是也感觉这段时间过得非常充实。第七章、参考文献1

32、中国石化集团上海工程有限公司化工工艺设计手册，北京，化学工业出版 社，（2003）.2化工单元过程及设备课程设计 匡国柱，史启才编，化学工业出版社（2002）3化工原理课程设计王卫东编 ，化学工业出版社，（2013）.4化工原理课程设计贾绍义，柴诚敬等编，天津大学出版社.（2002）5化工原理马晓迅 夏素兰 曾庆荣主编 化学工业出版社.（2012）6化工单元过程课程设计王明辉编化学工业出版社（2008）7化工制图 赵惠清，蔡纪宁编化学工业出版社（2013）致谢这次课程设计换热器是在教授和老师指导以及同组成员的帮助下完成的。在课设期间，老师们对我们严格要求，让我们独立完成，独立思考，培养我们设计能 力，思考能力。很感谢教授，在百忙之中抽出时间给我指导和纠正错误。使我们成 长了不少，也把本学期学习的知识以及以前的知识又梳理了一遍。同时，从教授和老师身上我们也看到了老师的敬业精神， 严谨的学习态度，做人的道理；和团队学 习的重要性。这是我们第一次做课程设计，难免有一些错误，老师们会耐心的教导 我们，还不时的鼓励我们，让我们有做下去的信心。为此我们真的很感动，我们作 为学生也真心祝愿老师们工作顺利，身体健康。我们也会好好学习来报答老师们的 辛勤培养，早日成才！也很感谢学校图书馆给我们提供课设所需的资料和场地。