1、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能源化工（本）1402学生姓名王辉学号 1410140041指导教师刘荣杰设计时间 2016.12.5-2016.12.16化学工程教研室制成绩银川能源学院 化工原理课程设计目录第一章设计任务书- 1 -一、设计题目- 1 -二、设计原始数据- 1 -三、设计内容- 2 -四、设计时间- 2 -第二章、课程设计概述- 2 -一、设计目的- 2 -二、换热器设备的在生产中作用及应用- 2 -三、工艺流程示意图- 2 -四列管式换热器的特点- 3 -1、应用特点- 3 -
2、2、设备的结构特点- 3 -五、设计方案的确定- 4 -第三章、换热过程工艺计算- 7 -一、工艺计算及主要设备设计- 7 -1.选择换热器的类型- 7 -2.管程安排- 7 -二、确定物性数据- 7 -三、计算总传热系数- 8 -四、工艺结构尺寸- 9 -1.选管子规格- 9 -2.总管数和管程数- 9 -3.传热管排列和分程方法- 9 -4.壳体内径- 10 -5.折流板- 10 -6.接管- 10 -五、换热器核算- 10 -1.热流量核算- 10 -2.换热器内流体的压力降- 13 -第五章、主要零部件- 15 -1.封头- 15 -2.支座- 15 -3.垫片- 15 -4.管板-
3、15 -第六章、设计评述与体会- 16 -致谢- 16 -参考文献- 17 - 1 -摘要换动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。它具有结构简单、坚固耐用、造价低廉、用材广泛、清洗方便、适应性强等优点,列管式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。结构坚固，而且可以选用的结构材料范围广，故适应性强、操热器是化工、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作弹性较
4、大。关键词：换热器；固定管板式AbstractHeat exchanger is widely used in chemical industry, oil refining industrytypical process equipment.In the chemical plant, the cost of the heat exchanger accounted for about 10% 20% of the total cost, accounts for about 35% 40% of the total cost in the refinery.Heat exchanger i
5、n other departments, such as power, nuclear power, metallurgy, food, transportation, environmental protection, household appliances, etc. Also has a wide application.Design to choose the type of shell and tube heatexchanger for the fixed tube plate.It has simple structure, strong and durable, low co
6、st convenient material widely, cleaning, and the advantages of strong adaptability, shell and tube heat exchanger is mainly composed of shell and tube bundle, baffle, tube sheet and seal the top parts.Its main advantage is that have large heat transfer area per unit volume, compact structure, good e
7、ffect of heat transfer.Solid structure, and can choose thestructure of the material is wide, strong adaptability and large elasticity of operation.Keywords: heat exchanger; Fixed tube-sheet第一章设计任务书一、设计题目：处理量 26136吨/ 年乙苯冷却列管式换热器的设计二、设计原始数据1.处理能力：3300Kg/h乙苯冷却2. 设备型式: 列管式换热器银川能源学院 化工原理课程设计- 2 -3.操作条件（1
8、）乙苯：进口温度为136,出口温度为60（2）冷却介质：循环水，进口温度为30，出口温度50（3）允许压强降：不大于 Pa510（4）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K 0。2.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及编写课程设计说明书。四、设计时间：2016年12月05日-2016年12月16日设计学生：王辉指导教师：刘荣杰第二章、课程设计概述一、设计目的课程设计是化工原理课程教学中综合
9、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，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。二、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
10、、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。银川能源学院 化工原理课程设计- 3 -三、工艺流程示意图乙苯从换热器壳程下方进入，从换热器上方排出；冷却水从换热器左侧的入口进入，从右侧出口排出。（见图1）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
11、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 50时，应在壳体上设置温差补偿膨胀节，依靠膨胀节的弹性
12、变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有形、平板形和 形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用银川能源学院 化工原理课程设计- 4 -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 60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
13、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 70和壳程流体压强小于 600kpa 的场合，否则因膨胀节过厚
14、，难以伸缩而失去温差补偿作用。 （见图 2）银川能源学院 化工原理课程设计- 5 -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在较低的雷诺数（Re100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。（3）有腐蚀性流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的（4）压力高的流体
15、走管程，因为管子直径小，承受压力的能力好，还避免了采用高压壳体和高压密封。（5）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。（6）饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出，而且蒸汽较清洁，无清洗要求。被冷却的流体走壳程，便于散热。对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程，这样可以降低管壁与壳壁的温差。减少热应力。以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当选择。3.对于流速的选择:换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对
16、流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的。（见表 1，表 2）表 1 管壳式换热器中不同黏度液体的常用流速液体黏度/MPa.s 1500 1500500 500100 10035 351 1.0 530壳程流速（m/s） 0.51.5 0.21.5 0.5 2154.对于换热管布置和排列间距，常用换热管规格有 192 mm、 252 mm(1Crl8Ni9Ti)、 2
17、52.5 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）（A） （B） （C）（D） （E）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
18、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，设计温银川能源学院 化工原理课程设计- 7 -度不超过 350的场合。6.对于封头和管箱，封头和管箱位于壳体两端，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
19、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）冷流体为循环水进口温度 30，出口温度 50。（2）热流体为乙苯进口温度
20、 136，出口温度 602.管程安排乙苯走壳程，自来水走管程。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 (kg /m3 )Cp kJ/(kgk) (Pas) (W/mk)乙苯 997.8 2.0006 3.110-4 0.11148水 992.21 4.174 6.53 10-4 63.410-2银川能源学院 化工原理课程设计- 8 -乙苯的定性温度为：T s=98自来水的定性温度为：t s=40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 98下的有关物性数据如下：密度 0=997.8 kg/m3定压比热容
21、c p0=2.0006kJ/(kg)热导率 0=0.11148 W/(m)粘度 0=0.00031Pas自来水在 40下的物性数据：密度 i=992.21 kg/m3定压比热容 c pi=4.174 kJ/(kg)热导率 i=0.634 W/(m)粘度 i=0.000653 Pas三、计算总传热系数乙苯流量 qm=3300kg/h1.热流量QT=qm1cp0(t2-t1)=33002.0006(136-60)kJ/h=501750.48kJ/h=139375.13W2.冷却水用量qm2= QT / cpi(t2-t1)=501750.48(4.17420)kg/h=6010.43kg/h3.平
22、均传热温差 17.5330651ln)()3(21lnt tm4.初算传热面积K 值大致范围为 280800（W/m 2 . K）银川能源学院 化工原理课程设计- 9 -假设 K=320W/m2 . K，则估算的传热面积为 .21987.53019mt估 mTQA考虑 15%的面积裕度：则 A 实=1.158.19=9.4m 2四、工艺结构尺寸1.选管子规格选用 252.5mm 无缝钢管，取管内流速为：u=0.5m/s2.管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=V/(0.785di2u=1. 6810-3(0.7850.0220.5)=10.711 根按单换热器计算，所得管子
23、长度： m89.10025.14390AL nsd选取传热管长度 L=6m，求得管程数 管 程2pN689L总管数：Nt=Npns=211=22 根温差校正系数R=（T 1-T2）/(t 2-t1)=(136-60)/(50-30)=3.8P=(t2-t1)/( T1- t1)=(50-30)/(136-30)=0.188由 R 和 P 查图得，温差校正系数 Ft=0.950.8,故可行。则 =0.95 =0.9553.17=50.521mtm3.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:t=1.5d 0则：t=1.25d 0 =1.252
24、5=31.25 mm 32mm横过管束中心线的管数：Nc=1.19 =1.119 =5.586 根N2银川能源学院 化工原理课程设计- 10 -4.壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 =0.7，壳体内径为 mN 16.8703205.1t05.1D 壳程直径可选取的直径有（219 273 400 500 600 800 ）mm，故圆整可取D219mm5.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：h0.2521954.75mm，故可取 h55 mm。取折流板间距 B150mm(0.2DBD)，固定管板换热器 B 有（150 300 600）mm折流板数
25、N B=传热管长/折流板间距-1=6000/150-1=39(块)。6.接管壳程流体进出口接管：取接管内乙苯流速为 u 11.0m/s，则接管内径为d1= m3-07.0.143）896（/圆整后可取管内径为 32mm管程流体进出口接管：取接管内自来水流速 u 21.2m/s，则接管内径为m3-1079.）2360（/.142d 圆整后可取壳内径为 38mm五、换热器核算1.热流量核算（1）壳程对流传热系数，对圆缺形折流板可采用克恩法计算 14.0w35.01o36rePRd当量直径：由正三角形排列得：银川能源学院 化工原理课程设计- 11 -mdte 02.025.1437824234d 2
26、02 壳程流通截面积 7032.915.10S mtBD壳程流体流速及其雷诺数分别为 smu /17072.）836（/0 5.81703192e0 uedR普朗特数 56148.0362Prpc粘度校正 =114.0w 04.5156.817536.0 31.0o02.14 ）/(2mW（2）管程对流传热系数 4reid3PR管程流通截面积 22i m0345.0.7850S管程流体流速 97.14820653.0.48219udRe雷 诺 数 s/m30）96（/461ii i银川能源学院 化工原理课程设计- 12 -普朗特数 ）/(04.2835497.14820632.06537r 2
27、.080i3 mWucPp（3）污垢热阻和管壁热阻，查附录得：污垢热阻乙苯（外） CRm016020污垢热阻水（内） W/.i管壁厚度 b=0.0025 m碳钢热导率为 =50 W/(m)管壁热阻为 WKWR 2m05.025.b（4）传热系数 K ）2m（/3.41 1076.025.502.01.0285. 1osdobisdio1 04.5i WRRK （5）传热面积裕度 Ac 208.513.4mtc97mKTQA该换热器的实际传热面积 S 2m36.1026025.143Lod nPA该换热器的面积裕度为 %2.8108.-1036cACpH传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务
28、。银川能源学院 化工原理课程设计- 13 -2.换热器内流体的压力降（1）管程流动阻力Pi=(P 1+P 2)FtNsNpNs=1, Np=2,Ft=1.4,u=0.488m/s,管子为 252.5mm ,Re=14829.97 查表得摩擦系数 i取 0.0473 2u32，2ud1LPP aPP P43.52801.932u 41.67801964722 a2i1 Pi=(P 1+P 2)FtNsNp=(1676.41+354.43)1.425686.35Pa10 5Pa管程压降在允许范围之内。（2）壳程阻力 15.,）（ 2oFtNsFtNsPP PaPnfFunco oBco 21.69
29、217.089)13(641.0564.0875.02)( 218.01 Pa108.1405.1)46821.9(总 压 力 降 a62709705539 219.0,50B ,3Nb B2(5o 22 22 P PP mDmuDNoB壳程压力降也比较适宜。银川能源学院 化工原理课程设计- 14 -表 4、设计结果一览表参数 壳程(乙苯) 管程（冷却水）流量/（kg/h） 3300 6010.43进/出温度/ 136/60 30/50允许压力降/Pa 105 105定性温度/ 98 40密度 /（kg/m 3） 997.8 992.21定压比热容/（kJ/(kg )）2.0006 4.174
30、粘度/（paS） 0.00031 0.000653热导率/w/(mk) 0.11148 0.634物性普朗特数 5.56 4.3形式 固定管板式 台数 1壳体内径 /mm 219 壳程数 1管径 /mm 252.5 管心距/mm 32管长 /mm 6000 管子排列 管数目/根 22 折流板数 39 个传热面积/m 2 9.4 折流板间距 150mm设备结构参数管程数 2 材质 碳钢主要计算结果 壳程 管程流速/（m/s） 0.127 0.488表面传热系数 501.04W/( m2341.3) 2835.04W/( m2341.3)热垢热阻 /( m2/w) 0.000176 0.00021
31、阻力/（pa ） 1480.80 5686.35热流量/kw 139.38传热温差/ 50.52传热系数/W/( m 2) 327裕度/ 28.2银川能源学院 化工原理课程设计- 15 -第五章、主要零部件1.封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据 JB/T4737-2002 标准，封头为：。 （见图 4）,10曲 面 高 度,219mhmDN图 42.支座本换热器为卧式内压容器，应该选用鞍式支座，依照 JB/T4712-92 双鞍式支座为准，选用 DN=219mm 型鞍式支座。鞍式支座在换热器上的布置应该按照下列原则确定：a 当 L3000mm 时，取 LB =(0.4-0.6)Lb 当
32、L3000mm 时，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银川能源学院 化工原理课程设计- 16 -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
33、述与体会首先，本次课程设计培养了我的实际工程运算能力。通过这次课程设计，我把以前课本里所获得的理论知识运用到实际的设计工作中，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切结合起来。本次设计，初步培养了我对压力容器理性认识；树立了正确的设计理念；掌握一些容器设计的基本方法，为以后进行设计工作打下了坚实的基础。另外我掌握了相关参考资料、计算图表、手册；熟悉了有关的国家标准，为成为一个工程技术人员奠定了深厚的基础。 其次，我从这次设计中得到了以下经验：1.设计前应做好计划。在设计前进行相关知识的系统学习，包括过程设备的结构特点以及 AUTOCAD 软件的应用。 2.设计中应做到以下几点：（1
34、）学习相关基础知识。 （2）借鉴参考书上的实例，多和同学老师讨论。 （3）具备严谨的设计态度。3.关于计算 首先，计算公式必须符合规范的要求，在多种公式中选择更安全、更合理的公式；其次，计算的步骤可以参照以往的计算书或者其它资料，计算的每一步结果都要确保正确；最后，要认真地对计算书进行检查校正。 我从这次课程设计中得到了以下收获：熟悉各个常用标准，国家标准是我们设计的依据，必须熟练掌握其中内容，才能保证设计的可靠；计算严谨，在多种公式中选择更安全、更合理的公式。 最后，我想说：通过课程设计，使我的能力得到提高，增强了我的独立思考和创新能力。但是由于水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不合
35、理之处，恳请老师批评指正。致谢这次课程设计换热器是在刘教授指导以及同学的帮助下完成的。从刘教授身上我也学习到了很多的知识，刘教授在百忙之中依然能抽出时间为我们解答困惑。在课程设计期间，刘教授对我们严格要求，培养我们的独立思考能力，设计能力。使我收获颇丰，也把本学期课本里的知识梳理了一遍。同时，从刘教授身上我们银川能源学院 化工原理课程设计- 17 -也看到了老师的敬业精神，严谨的教学态度，做人的道理。这是我们第一次做课程设计，难免有一些错误，刘教授耐心的教导我们，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
36、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程设计所需的资料和场地。参考文献1化工设备的选择与工艺设计，刘道德等，湖南：中南工业大学出版社，1992 2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）.3 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）4 化工原理课程设计王卫东编，化学工业出版社， （2013）.5 化工原理课程设计贾绍义，柴诚敬等编，天津大学出版社.（2002）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）8 化工原理马晓迅夏素兰曾庆荣主编化学工业出版社. （2012）银川能源学院 化工原理课程设计- 18 -指导教师评语：指导教师（签名）：总分 成绩等级
