列管式换热器课程设计.docx

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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5.壳体内径2 .管程数和传热管数6.折流挡板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.接管六、换热器核算81热流量核算3.换热器内流体的流动阻力5 .壁温计算10七、结构设计131 .浮头管板及钩圈法兰结构设计6.外头盖结构设计2 .管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计7.垫片

2、选择3 .管箱结构设计8.鞍座选用及安装位置确定4 .固定端管板结构设计9.折流板布置5 .外头盖法兰、外头盖侧法兰设计“1410.说明八、强度设计计算151 .筒体壁厚计算6.固定管板计算182 .外头盖短节、封头厚度计算7.浮头管板及钩圈193 .管箱短节、封头厚度计算168.无折边球封头计算4 .管箱短节开孔补强校核179.浮头法兰计算205 .壳体接管开孔补强校核九、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II（TC进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。已知混合气体的流量为231801

3、依，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29,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85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）密度q=90Zg/加定压比热容J=3.297夕/依热导率为=0.0279vmC粘度/=1.5Xnr，Pgy循环水在34下的物性数据：密度P=994.3kgni,定压比热容J=4.174何/依K热导率4=0.624v%K粘度从=0.7421035二、确定设计方案1 .选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度U(TC出口温度60C；冷流体进口温度29,出口温度为39C,该换热器用循环冷却水冷却

4、，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=85110+60T=2管程流体的定性温度为39+292=34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

5、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85下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度Pi=90kgm3定压比热容cp1=3.297kjkg0C热导率4=0.0279wm粘度M=I.5x1Pas循环水在34下的物性数据：密度Pi=994.3kgm3定压比热容cp1=4.174kjkgK热导率A1=0.624wmK粘度a-0.742103Pas四、估算传热面积1 .热流量Q=w,cp1r1=2318013.297(110-60)=3.82107kjh=10614.554kw2 .平均传热温差先按照纯逆流计算，得At

6、m(110-39)-(60-29)1H2Z3960-29=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(mik)则估算的传热面积为0=10614554=686,疝KZm320x48.34.冷却水用量m=6蜉4=254.3奴/s=915486.2奴/?Cati4.17410310五、工艺结构尺寸1 .管径和管内流速选用中25X2.5较高级冷拔传热管（碳钢）,取管内流速U1=I.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V915486.2/（3600x994.3）小Ns=r627工H0.785x0.022X1.34,按单程管计算，

7、所需的传热管长度为1&686.76141=-1=14mdPs3.140.025627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=7m,则该换热器的管程数为114c传热管总根数Np=y=2Nt=6272=12543 .传热温差校平均正及光程数平均温差校正系数：T1-T2110-60Ut2-t139-293929110-29R=-i-Z=5=0.124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：*=0.96平均传热温差*=磔=0.9648.3=46.4K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

8、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=125dO,则t=1.25X25=31.2532mm隔板中心到离其最.近一排管中心距离：S=t2+6=322+6=22mm各程相邻管的管心距为440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n=0.75,则壳体内径为：D=1.05tyN=1.05321254/0.75=137

9、4加按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm筒体直径校核计算：壳体的内径Di应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：Di=t（nc-1）+2e.管子按正三角形排列：nc=1.1F=1.11254=39e=1.2do=1.225=3OmmDi=32X（39-1）+230=1276mm按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：Di=1400mm6 .折流挡板采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h=0.251400=350m,故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D,贝IJB=0.31400=420mm,可取B为4

10、50mm。if-,r+c-JWT传热日170001C1折流板数目Nb=1=14.514b折流板间距450折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社化工原理（第三版）上册工图6-9。7 .其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为1400mm,故其拉杆直径为16拉杆数量8,其中长度595Omm的六根，550Omm的两根。壳程入口处，应设置防冲挡板。8 .接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为U1=IOms,则接管内径为D1=0.30214V_/4x231801/(3600x90)V3.1410圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速U2=2.5ms,则接管内径

11、为=0.361915486.2/(3600994.3)圆整后去管内径为360mm六、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，见式【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：式（5-72a）:a0=O.361Rco055Pr%（*严4de4当量直径，依【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：式（5-73a）得de=2=0.02根叽壳程流通截面积：1O0S“=BD(I-知=4501400(1-)=0.1378壳程流体流速及其雷诺数分别为231801(360090)0.1378=5.2ms普朗特数r%=典=Ai0.025,2901.5105=624(WPrCp/3.297x1(

12、)3-5xK50.02791.773粘度校正(上_严4X1A-=0.36xZ262400(y,551.773=935.7vvJC0.02(2)管内表面传热系数：%=0.0234Re8Pr44管程流体流通截面积:Si=0.785X0.022=0.1969管程流体流速:=i.3n/s915486.2/(3600x994.3)0.1969雷诺数：Re=0.021.3994.3/(0.742103)34841普朗特数:=4.174X1O-0.742X1O-0.624=4.96af.=O.O2334841o84.964=5858ww2K0.02（3）污垢热阻和管壁热阻：【化学工业出版社化工原理（第三版）

13、上册】：表5-5取：管外侧污垢热阻Ro=0.0004w2kw管内侧污垢热阻Rj=O.0006/M/w管壁热阻按【化学工业出版社化工原理（第三版）上册】：图5-4查得碳钢在该条件下的热导率为50w（mK）o所以Rw=号音=O.OOOO5/?2kw（4）传热系数（有：1250.0006250.0000525aa,1+0.0004+402ww2K（5）传热面积裕度：计算传热面积Ac：=546.7/Q.10614.554103-KAttn40248.3该换热器的实际传热面积为P：Ap=dJN=3.140.02571254=689.Iw2该换热器的面积裕度为=26%4一4689.1-546.7/4-546.7传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2 .壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式几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。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15C,出口温度为39计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该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：式中液体的平均温度与和气体的平均温度分别计算为tm=0.439+0.615=24.6oCTm=(110+60)/2=85CtCai