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1、成绩 化工原理课程设计设计说明书设计题目： 列式换热器设计 姓 名 班 级 学 号 完成日期 指导教师 目录一、化工原理课程设计任务书.2二、确定设计方案.2231.选择换热器的类型2.管程安排三、 确定物性数据.3四、 估算传热面积.3 1.热流量 2.平均传热温差 3.传热面积.4.冷却水用五、 工艺结构尺寸.5 1.管径和管内流速 2.管程数和传热管数 3.传热温差校平均正及壳程数 4.传热管排列和分程方法 5.壳体内径 6.折流挡板 7.其他附件 8.接管 六、 换热器核算.7 1.热流量核算 2.壁温计算 3.换热器内流体的流动阻力七、 结构设计.141. 固定管板结构设计 2. 管
2、箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 3. .管箱结构设计 4. 固定端管板结构设计 5. 外头盖法兰、外头盖侧法兰设计 6. 外头盖结构设计 7. 垫片选择 8. 折流板布置 9. 说明八、 强度计算. .161.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 4. 管箱短节开孔补强校核.5. 壳体接管开孔补强校核九、 参考文献. .22十、 课程设计心得.23一、化工原理课程设计任务书某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102冷却至40。已知有机料液的流量为（2.50.0119）104 =2.31104 kg/h，循环冷却水入口温度为30，出口温度为40，并要求管程压降与
3、壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。已知：定性温度下流体物性数据物性流体 密度 kg/m3 粘度Pas 比热容CPkJ/（kg） 导热系数W/（m）有机化合液 986 0.54*10-34.190.662水 9940.728*10-34.1740.626注：若采用错流或折流流程，其平均传热温度差校正系数应大于0.8 。二、确定设计方案1.选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度102，出口温度40；冷流体进口温度30，出口温度40，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，故而初步
4、确定选用带有膨胀节的管板式换热器。2.管程安排已知两流体允许压强降不大于60kPa；两流体分别为有机料液和冷却水。与有机料液相比，水的对流传热系数一般较大。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，考虑到散热降温方面的因素，应使循环冷却水走管程，而使有机料液走壳程。三、确定物性数据 定型温度：对于一般低粘度和水等粘度低流体，其定性温度可取流体进出口的平均值。故壳程有机料液的定性温度为管程流体的定性温度为根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。有机料液在71下的有关物性数据如下：密度 定压比热容 热导率 粘度 循环水在35下的物性数据：密度 定
5、压比热容 热导率 粘度 四、估算传热面积1.热流量 =2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 3.传热面积 假设，则估算的传热面积为： 4.冷却水的用量 五、工艺结构尺寸1.管径和管内流速 选用=25*2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速。 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 按照单程管设计，所需的传热管长度为 取L=12m，按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计的实际情况，才用非标设计，现取传热管长则该换热器的管程数为 传热管总根数为 3.传热平均温差校正与壳程数 平均温差校正系数：按单壳程，双壳程结构，查化工原理图5-19可得：平均传热温差
6、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，故壳程合适。4.传热管排列和分程方法 换热管标准排列形式有以下几种：本设计中采用正三角形排列.在上述几种排列中，a、d排列更为合理，因为在相同折流板间距条件下，其流通截面比其他两种要大，有利于提高流速。故本换热器采用混合排列，即在隔板附近采用正方形排列，在其他部分采用正三角形排列。隔板中心到离其最近一排管中心距各程相邻管的管心距为44mm。5.壳体内径采用多管程结构，进行壳体内径计算。取管板的利用率，则壳体内径为： 按照卷制壳体的进级档，可取D=700mm。筒体的直径校核计算：壳体的内径应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管
7、板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为： ， 因为，管子按正三角形排列：取 按照壳体直径标准系列尺寸进行圆整可得：6.折流挡板采用圆缺形折流挡板，去折流挡板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为故，可圆整取取折流板的间距。折流板数7.其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为700mm，故其拉杆直径为12拉杆，数量为8， 8.接管壳程流体进出口接管：取接管内流体流速为，则接管内径为：m圆整后得到管内径为：管程流体进出口接管：取接管内液体流速，则接管内径为：圆整后得到管内径为：六、换热器核算 1.热流量核算（1）壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角
8、形排列得 壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数粘度校正 （2）管程对流传热系数 管程流通截面积: 管程流体流速 : 普兰特准数:（3）污垢热阻和管壁热阻： 取壳程污垢热阻: 取管程污垢热阻: 该件下的热导率为45w/(mK)。所以（4）传热系数有：因为，介于1.12至1.5之间符合要求。（5） 传热面积裕度： 计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为:综上所述，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。为确保可靠，取循环冷
9、却水进口温度为15，出口温度为40计算传热管壁温。另外，由于传热管外侧污垢热阻较大，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： 式中循环水的平均温度和有机料液的平均温度分别计算为 0.440+0.615=25=298 K (102+40)/2=71 =344 K 4793w/K 1337w/K传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=344K。壳体壁温和传热管壁温之差为 。该温差较小，故不需设温度补偿装置。 3换热器内流体的流动
10、阻力（1）管程流体阻力 , , , 传热管对粗糙度 查莫狄图得，流速=1m/s, 所以： 所以，管程流体阻力在允许范围之内。（2） 壳程阻力： ： 则：由此可知本换热器符合要求。注： 折流板数目；B折流板间距, m；Di 壳体内径, m；F管子排列方式对压力降的校正因数, 对于正三角形排列, f0壳程流体的摩擦系数。nc横过管束中心线的管数,管子按正三角形排列: nc = 1 . 1 N ；管子按正方形排列: nc = 1 . 19 ；u0 壳程流体横过管束的最小流速, m /s , 设计结果参数管程（循环水）壳程（有机料液）流量（kg/h）14400023100进/出口温度/30/40102
11、/40压降/kPa6060物性定性温度/3571密度/（kg/m3）994986定压比热容/kJ/（kg）4.1744.19粘度/（Pas）0.7280.54热导率（W/m） 0.6260.662普朗特数4.853.4设备结构参数形式固定管板式管程数2壳体内径/700壳程数1管径/252.5管心距/32管长/6000管子排列混合管数目/根256折流板数/个10传热面积/112折流板间距/550管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）10.069表面传热系数/W/（k）47932336污垢热阻/（k/W）0.00040.0002阻力/ Pa18786.65471热流量/kW1666.
12、922传热温差/K36传热系数/W/（K）685裕度/%31.1%七、结构设计 1、固定管板结构设计： 由于换热器的内径已确定，采用标准内径决定固定管板外径及各结构尺寸结构尺寸为： 固定管板外径： 固定管板外径与壳体内径间隙：取 垫片宽度：按化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）:表4-16： 取 固定管板密封面宽度： 外头盖内径： 2、管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计： 依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径700，按JB4703-92长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸，见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版）。3、管箱结构设计： 选用B型封头管箱，
13、因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算： 取管箱长为800mm，管道分程隔板厚度取7mm。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=806mm。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；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。6、 外头盖结构设计： 外头盖轴向尺寸由固定管板、法兰及强度计算确定厚度后决定。7、垫片选择： a.管箱垫片： 根据管程操作条件（循环水压力，温度35）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
14、4-39（b）所示： b.外头盖垫片： 根据壳程操作条件（有机料液，压力，温度71），选缠绕式垫片，垫片：（JB4705-92） 缠绕式垫片。8、折流板布置： 折流板尺寸： 外径：；厚度取3mm 前端折流板距管板的距离至少为450mm；结构调整为550mm；见化工单元过程及设备课程设计（化学工业出版社出版） 实际折流板间距B=550mm，计算折流板数为10块。9、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71，设计压力等于工作压
15、力为5471，选低合金结构钢板16卷制，查得材料71时许用应力。取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm；对16钢板的负偏差=0内压圆筒计算厚度公式： = 从而：计算厚度：=mm设计厚度：mm名义厚度： 圆整取有效厚度：水压试验压力：所选材料的屈服应力水式实验应力校核：水压强度满足试验压力： 2、外头盖短节、封头厚度计算： 外头盖内径=800mm，其余参数同筒体： 短节计算壁厚： S= 短节设计壁厚： 短节名义厚度： 圆整取=22mm 有效厚度： 压力试验应力校核： 压力试验满足试验要求。 外头盖封头选用标准椭圆封头： 封头计算壁厚： S= 封头名义厚度： 取名义厚度与短节等厚： 3、管箱短节、
16、封头厚度计算：由工艺设计结构设计参数为：设计温度为35，设计压力为18.786M，选用16MnR钢板，材料许用应力，屈服强度，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=1mm 计算厚度： S= 设计厚度： 名义厚度： 结合考虑开孔补强及结构需要取 有效厚度： 压力试验强度在这种情况下一定满足。管箱封头取用厚度与短节相同，取4、 管箱短节开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强法，接管尺寸为，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管，=1mm 接管计算壁厚： mm 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强高度： B=2d=2363.7=727.4mm 接管外侧有效补强高度： 需补强面积：A=dS=363.71.94=
17、705.6 可以作为补强的面积： 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。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 钢管许用应力：， =1mm 接管计算壁厚： 接管有效壁厚： 开孔直径： 接管有效补强厚度： B=2d=2306.6=613.2mm 接管外侧有效补强高度： 需要补强面积： A=d=306.635.75=10960.95 可以作为补强的面积为： 尚需另加补强的面积为： 补强圈厚度： 实际补强圈与筒体等厚： ； 则另行补强面积： 同时计算焊缝面积后，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。
18、 总换热管数量 n=256； 一根管壁金属横截面积为： 开孔温度削弱系数（双程）： 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： K=3.256 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4-46，图4-47得： 管板最大应力: 或 筒体内径截面积： 管板上管孔所占的总截面积： 系数 系数 壳程压力： 管程压力: 当量压差： 管板采用16Mn锻： 换热管采用10号碳系钢： 管板管子程度校核： 管板计算厚度满足强度要求。参考文献 1夏清,陈常贵主编. 化工原理（上册）M. 天津：天津大学出版社. 2005 2 GB4557.184机
19、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7 化工原理（第三版）化学工业出版社出版8 王国胜主编， 化工原理设计第二版. 大连理工大学出版社. 2006课程设计心得 为期一个星期的课程设计即将结束了，根据老师的要求，我们要设计列管式换热器。在短短的一周里，大家都忙着找资料、讨论，努力将自己的设计做得最好。时间虽短，却受益匪浅。首先，这次虽然是一周时间段的课程设计，但所用到的知识很多，包括化工原理、工程热力学、工程流体力学、机械
20、设计和机械制图等方面的知识。并且，这些知识都不是机械相加的，而是需要很全面的考虑和布局，仅仅是一次的考虑不周就要重新来过。例如，传热系数的计算，因为要与在设计开始时估计的值匹配，而我刚开始的时候选的是300，一直算到最后才发现结果错误。之后我将K值定为500，后来结果还是错误的。我请教别的同学，又很仔细分析了影响K值的因素才知道，估计的速度太大了。在我将假设速度由1.3m/s改为1m/s之后，一切就迎刃而解了。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。这次课程设计的工作量大，而且用到的知识也很多。虽然这是单独完成的设计，但我们要借阅资料，好要讨论，这样才能够发现自己的不
21、足，改正错误，得出较合理的方案。接着就是画图了，根据自己所找的资料和老师给的图，每个人都要画一张CAD图纸。虽然之前有学过CAD制图，但是我们只是懂得画一些简单的图纸而已，加上已经很久没用过CAD了，所以开始的时候进度很慢。在制图过程中遇到的问题是最大的，有时候不知如何下手，但是又不甘草草了事，所以在很多方面都尽量做到最好。通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解，但由于本课程设计时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。这次可生设计让我们把所学的知识得以运用，让我明白什么是严谨的科学态度。