乙醇管壳式换热器课程设计.docx

1、 乙醇管壳式换热器课程设计乙醇管壳式换热器课程设计 乙醇管壳式换热器课程设计 课程设计说明书 题目：管壳式换热器设计 课程名称：化工原理课程设计 学 院：化学与环境工程学院 学生姓名：李*学 号：0501*专业班级：化学工程与工艺 12-2 指导教师：张 允 11 月 26 日 摘要：管壳式换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛地应用，管壳式换热器主要有固定管板式换热器，斧头式换热器，U型管式换热器等。一般由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一

2、种在管外流动，称为壳程流体本次设计的换热器为固定管板式换热器，具有结构简单、重量轻、造价低等优点。依据 GB150-1998钢制压力容器和 GB151-1999管壳式换热器等标准对换热器各零件进行选择和计算。固定管板式换热器包括外壳、封头、管板、折流板、法兰、以及支座等。还涉及到了管子与管板之间的连接以及确定壁厚的校验等内容。设计计算结果准确，图纸符合国家机械制图标准要求，传热效果满足要求。关键词：固定管板式换热器，传热系数，管程数与壳程数，传热管排列和分程方法，折流板，接管，换热器的校核，壳体的选择，法兰的选择，折流板的设计，是否使用膨胀节的确定，开孔补强等。设计背景设计背景 1.1 课程背

3、景课程背景 换热器是化工、石油、钢铁、动力、食品、发电等许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。特别是化工生产中，换热器关系到生产的正常运行和操作费用。换热器的种类繁多，但管壳式换热器设备在化工生产中仍占据主要地位，特别在高温或有腐蚀性介质的作业中更能显出优势。管壳式换热器是由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而构成，其结构坚固，适应性强，选材广，易制造，成本低等优点。其中，管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其它新型的换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，因此在各工程中仍得到普遍使用。管壳式换热器的结构设计，是为

4、了保证换热器的质量和运行寿命，必须考虑很多因素，如材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等等来选择某一种合适的结构形式。对同一种形式的换热器，由于各种条件不同，往往采用的结构亦不相同。在工程设计中，除尽量选用定型系列产品外，也常按其特定的条件进行设计，以满足工艺上的需要（得到适合工况下最合理最有效也最经济的便于生产制造的换热器等等）。1.2 设计目的设计目的 经过对乙醇产品冷却的管式换热器设计，了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。并对自己所学课程的应用有一定的了解。

5、2.设计方案设计方案 2.1 设计条件设计条件 设计一管式换热器，处理乙醇，一年按 330 天，每天 24 小时生产，其中高温液体为乙醇，入口温度 75，出口。冷却液体为水，入口温度，出口温度。要求其最大压力降不大于。2.2 设计流程设计流程（1）工艺设计 工艺结构尺寸的确定包括管程数与壳程数，传热管排列和分程发发、壳体内经、折流板数、接管。换热器的核算包括热量核算，换热管内流体的流动阻力等。（2）机械设计 设计过程包括对壳体材料的选择，换热器封头的选择，容器法兰的选择，管子拉脱力的计算，死否需要膨胀节的计算，折流板设计，开孔补强等。方案实施方案实施 3.1 确定设计方案确定设计方案 3.1.

6、1 选择换热器的类型选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体进口温度 75，出口温度 15。冷流体（循环水）进口温度 5，出口温度 15。该换热器冷却热的混合气体，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。3.1.2 流动空间及流速的确定流动空间及流速的确定 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；且两流体温度相差较大，应使 较大的循环水走管内。因此从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。选用 25mm2.5mm 的碳钢管，管内循环水流速取 0.5m/s。壳程乙醇的定性的温度为：密度 0767.35kg/m3 定压比热容 Cp02.63kJ

7、/kg C 热导率 00.164W/m C 粘度 0mPas 管程（水）的定性的温度为：密度 i999.7kg/m3 定压比热容 Cpi4.191kJ/kg C 热导率 i0.5745W/m C 粘度 im Pas 3.1.3 计算总传热系数计算总传热系数 3.3.1.热流量 m0=20 104 103/(330 24)=7.0(kg/s)Q0=m0Coto=7.02.63(75-15)=1104.6(kw)3.3.2.平均传热温差=(t1-t2)/ln(t1/t2)=(75-15)-(15-5)/ln(75-15)/(15-5)=27.9(C)其中 t1=T1-t2，t2=T2-t1。3.3

8、.3.水用量 Wi=Q0/(C iti)=1104.6/4.191(15-5)=26.36kg/s 2.2.4.总传热系数 K 管程传热系数：Re=7644.7 i=0.023 =0.023=2082W/（mC）壳程传热系数：假设壳程的传热系数0=850w/（m2C）污垢热阻 Rsi=0.00017197m2C/W，Rso=0.00017197m2C/W 管壁的导热系数=45 W/（mC）K=449.3W/（mC）3.1.4 计算传热面积计算传热面积 S=88.12m2 考虑 15%的面积裕度，S=1.15 S=1.15 88.12=101.34（m2）3.1.5 工艺结构尺寸的计算工艺结构尺

9、寸的计算 (1)管径和管内流速 F25 2.5传热管（碳管），取管内流速 ui=0.5m/s（2）管程速和传热管数 ns=167.9=168（根）按单程计算，所需的传热管长度为 L=7.7（m）按单程设计，传热管过长，宜采用多管结构。现在传热管长=6m，则该换热器管程数为 Np=2(管程)传热管总根数 N=168 2=336（根）（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数：=6 =0.17 按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。但 R=5 的点在图上难以读出，因而相应以 1/R 代替 R，PR 代替 P，查同一图线，可得t=0.85 平均传热温差 tm=ttm=0.8527

10、.9=23.725(C)(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。取管心距 a=1.25d0，则：a=1.25 25=31.25=32（mm）横过管束中心线的管数=1.19=21.8=22 壳体内径 采用多管结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为：D=1.05a=1.05 32=736.1（mm)圆整可取 D=800mm(5)折流板(6)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=0.25 800=200（mm)取折流板间距 B=0.3D，则 B=0.3 800=240mm)，可取 B=0.3 800=

11、240mm 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24（块）(7)接管 壳程流体进、出口接口：取接管内油品流速 u=1.5m/s，则接管内径：取标准管径为 管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u=2.0m/s，则接管内径为：取标准管径为 3.1.6 换热器的核算换热器的核算（1）热量衡算 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：普朗特数：粘度校正：管内表面传热系数：管程流体流通截面积：管程流体流速：普朗特数：传热系数：=399.0 传热面积裕 S：该换热器的实际传热面积为 Sp

12、该换热器的面积裕度为：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（2）换热器内流体的流动阻力 管程流动阻力 Ns=1，Np=4，Ft=1.4，由 Rei=7645.17，传热管相对粗糙度 e/D=0.01/20=0.0005，查图得=0.04 流速 ui=0.4998，i999.7kg/m3，因此：因此 =0.04 6/0.02 999.7 0.49982/2=1498.35(Pa)=3 999.7 0.49982/2=374.59(Pa)pi=(1498.35+374.59)1.42=5244.232Pa 105Pa 管程压降再允许范围之内。流体流经管束的阻力：p1=Ffonc(NB+1)

13、F=0.5 p1=Ffonc(NB+1)=0.5 0.7368 22（24+1）=19435.06 流体流过折流板缺口的阻力：p2=NB(3.5-)p2=NB(3.5-)=24(3.5-)0.52 767.35/2=1381.23(Pa)总阻力：po=(19435.06+1301.23)1.01.0=20816.29Pa 105 Pa 壳程压降也在范围之内。3.2 机械设计机械设计 3.2.1 换热器壳体壁厚计算及校核换热器壳体壁厚计算及校核 材料选用 Q245R 计算壁厚为：,式中:为计算压力，取=Mpa；;=0.85;t=147Mpa（设壳壁温度为 350 C）将数值代入上述厚度计算公式，

14、能够得知：查化工设备机械基础表 4-11取；查化工设备机械基础表 4-9得 查表 4-13 圆整后取 1、液压试验应力校核 查化工设备机械基础附表 9-1，可见故水压试验强度足够。3.2.2 换热器封头的选择及校核换热器封头的选择及校核 上下封头均选用标准椭圆形封头，根据 GB/T25198压力容器封头，封头为DN800 8，查化工设备机械基础表 4-15 得曲面高度，直边高度，材料选用 Q245R 钢 3.2.3 容器法兰的选择容器法兰的选择 材料选用 Q345R 根据 NB/T47021-选用 DN800，PN1.0 Mpa的榫槽密封面平焊焊法兰。查化工设备机械基础附表 14得 法兰尺寸如

15、下表：表 4-1 法兰尺寸 法兰尺寸/mm 螺柱 公称直径DN/mm d 规格 数量 800 930 890 855 845 842 54 23 M20 40 3.2.4 管板结构尺寸管板结构尺寸 固定管板式换热器的管板的主要尺寸：表 5-1 固定管板式换热器的管板的主要尺寸 公称直径 D b c d 螺栓孔数 800 930 890 845 842 54 15 23 40 3.2.5 管子拉脱力的计算管子拉脱力的计算 计算数据按表 6-1 选取 表 6-1 项目 管子 壳体 操作压力/Mpa 0.7 0.6 材质 20钢 Q245R 线膨胀系数 弹性模量 许用应力/Mpa 140 140 尺

16、寸 管子根数 336 管间距/mm 32 管壳壁温差/管子与管板连接方式 开槽胀接 胀接长度/mm 45 许用拉脱力/Mpa 4.0 1、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力 其中 ,mm 2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力 (6-6)由此可知，作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：q=+=0.06+0.9=0.964.0 因此拉脱力在许用范围内。3.2.6 计算是否安装膨胀节计算是否安装膨胀节 管壳壁温差所产生的轴向力为 F：（N）压力作用于壳体上的轴向力：其中 =压力作用于管子上的轴向力为：则 根据 GB管壳式换热器 q4.0，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀节。3.2.7 折流板设计折流板设计 经选择，我们采用弓形折流板，h=,折流板间距取600mm,查化工设备机械基础表 7-7得折流板最小厚度为 4 mm,折流板外径负偏差-1.0 查化工设备机械基础表 7-9折流板外径为 796mm 材料 Q235-A。查化工设备机械基础表 7-10拉杆12，共 8根，材料 20钢。3.2.8 开孔补强开孔补强 1、确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径 接管计算厚度为