——大學
《化工原理》
列管式換熱器
課程設計說明書
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目錄
一、化工原理課程設計任務書.2
二、確定設計方案.3
1.選擇換熱器的類型
2.管程安排
三、確定物性數據.4
四、估算傳熱面積.5
1.熱流量
2.平均傳熱溫差
3.傳熱面積
4.冷卻水用量
五、工藝結構尺寸.6
1.管徑和管內流速
2.管程數和傳熱管數
3.傳熱溫差校平均正及殼程數
4.傳熱管排列和分程方法
5.殼體內徑
6.折流擋板.7
7.其他附件
8.接管
六、換熱器核算.8
1.熱流量核算
2.壁溫計算.10
3.換熱器內流體的流動阻力
七、結構設計.13
1.浮頭管板及鉤圈法蘭結構設計
2.管箱法蘭和管箱側殼體法蘭設計
3.管箱結構設計
4.固定端管板結構設計
5.外頭蓋法蘭、外頭蓋側法蘭設計.14
6.外頭蓋結構設計
7.墊片選擇
8.鞍座選用及安裝位置確定
9.折流板布置
10.說明
八、強度設計計算.15
1.筒體壁厚計算
2.外頭蓋短節、封頭厚度計算
3.管箱短節、封頭厚度計算.16
4.管箱短節開孔補強校核.17
5.殼體接管開孔補強校核
6.固定管板計算.18
7.浮頭管板及鉤圈.19
8.無折邊球封頭計算
9.浮頭法蘭計算.20
九、參考文獻.20
一、化工原理課程設計任務書
某生產過程的流程如圖3-20所示。反應器的混合氣體經與進料物流換熱后，用循環冷卻水將其從110℃進一步冷卻至60℃之后，進入吸收塔吸收其中的可溶性組分。已知混合氣體的流量為，壓力為6.9，循環冷卻水的壓力為0.4，循環水的入口溫度為29℃，出口的溫度為39℃，試設計一列管式換熱器，完成生產任務。
已知：
混合氣體在85℃下的有關物性數據如下（來自生產中的實測值）
密度
定壓比熱容℃
熱導率℃
粘度
循環水在34℃下的物性數據：
密度
定壓比熱容K
熱導率K
粘度
二、確定設計方案
1． 選擇換熱器的類型
兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度110℃ 出口溫度60℃；冷流體進口溫度29℃，出口溫度為39℃，該換熱器用循環冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。
2． 管程安排
從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環冷卻水走殼程。但由于循環冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總體考慮，應使循環水走管程，混和氣體走殼程。
三、確定物性數據
定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為
T= =85℃
管程流體的定性溫度為
t=℃
根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。對混合氣體來說，*可靠的無形數據是實測值。若不具備此條件，則應分別查取混合無辜組分的有關物性數據，然后按照相應的加和方法求出混和氣體的物性數據。
混和氣體在85℃下的有關物性數據如下（來自生產中的實測值）：
密度
定壓比熱容 =3.297kj/kg?℃
熱導率 =0.0279w/m?℃
粘度 =1.5×10-5Pa?s
循環水在34℃ 下的物性數據：
密度 =994.3㎏/m3
定壓比熱容 =4.174kj/kg?K
熱導率 =0.624w/m?K
粘度 =0.742×10-3Pa?s
四、估算傳熱面積
1.熱流量
Q1=
=×3.297×(110-60)=3.82×107kj/h =.554kw
2.平均傳熱溫差
先按照純逆流計算，得
=
3.傳熱面積
由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=320W/(㎡k)則估算的傳熱面積為
Ap=
4.冷卻水用量 m==
五、工藝結構尺寸
1．管徑和管內流速 選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=1.3m/s。
2．管程數和傳熱管數 可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數
Ns=
按單程管計算，所需的傳熱管長度為
L=
按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據本設計實際情況，采用非標設計，現取傳熱管長l=7m，則該換熱器的管程數為
Np=
傳熱管總根數 Nt=627×2=1254
3.傳熱溫差校平均正及殼程數
平均溫差校正系數：
R=
P=
按單殼程，雙管程結構，查【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：圖5-19得：
平均傳熱溫差 K
由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。
4.傳熱管排列和分程方法
采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：圖6-13。
取管心距t=1.25d0，則 t=1.25×25=31.25≈32㎜
隔板中心到離其*.近一排管中心距離：
S=t/2+6=32/2+6=22㎜
各程相鄰管的管心距為44㎜。
管數的分程方法，每程各有傳熱管627根，其前后管程中隔板設置和介質的流通順序按【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：圖6-8選取。
5．殼體內徑 采用多管程結構，進行殼體內徑估算。取管板利用率η=0.75 ，則殼體內徑
為：
D=1.05t
按卷制殼體的進級檔，可取D=1400mm
筒體直徑校核計算：
殼體的內徑應等于或大于（在浮頭式換熱器中）管板的直徑，所以管板直徑 的計算可以決定殼體的內徑，其表達式為：
管子按正三角形排列：
取e=1.2=1.225=30mm
=32 （39-1）+2 30 =1276mm 按殼體直徑標準系列尺寸進行圓整：
=1400mm
6．折流擋板 采用圓缺形折流擋板，去折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為
h=0.25×1400=350m，故可取h=350mm
取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×1400=420mm，可取B為450mm。
折流板數目
折流板圓缺面水平裝配，見圖：【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：圖6-9。
7．其他附件
拉桿數量與直徑選取，本換熱器殼體內徑為1400mm，故其拉桿直徑為Ф16拉桿數量8，其中長度5950mm的六根，5500mm的兩根。
殼程入口處，應設置防沖擋板。
8．接管
殼程流體進出口接管：取接管內氣體流速為u1=10m/s，則接管內徑為
圓整后可取管內徑為300mm。
管程流體進出口接管：取接管內液體流速u2=2.5m/s，則接管內徑為
圓整后去管內徑為360mm
六、換熱器核算
1． 熱流量核算
（1）殼程表面傳熱系數 用克恩法計算，見式【化學工業出版社《化工原理》（第三版） 上冊】：式（5-72a）：
當量直徑，依【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：式（5-73a）得
=
殼程流通截面積：
殼程流體流速及其雷諾數分別為
普朗特數
粘度校正
（2）管內表面傳熱系數：
管程流體流通截面積：
管程流體流速：
雷諾數：
普朗特數：
（3）污垢熱阻和管壁熱阻：
【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：表5-5取：
管外側污垢熱阻
管內側污垢熱阻
管壁熱阻按【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：圖5-4查得碳鋼在該條
件下的熱導率為50w/(m·K)。所以
（4） 傳熱系數有：
（5）傳熱面積裕度：
計算傳熱面積Ac：
該換熱器的實際傳熱面積為：
該換熱器的面積裕度為
傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。
2.壁溫計算
因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式計算。由于該換熱器用循環水冷卻，冬季操作時，循環水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循環冷卻水進口溫度為15℃，出口溫度為39℃計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應該按*不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是有：
式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為
0.4×39+0.6×15=24.6℃
(110+60)/2=85℃
5858w/㎡·K
935.7w/㎡·K
傳熱管平均壁溫
℃
殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=85℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 ℃。
該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選用浮頭式換熱器較為適宜。
3．換熱器內流體的流動阻力
（1）管程流體阻力
, ,
由Re=，傳熱管對粗糙度0.01，查莫狄圖:【化學工業出版社《化工原理》（第三版）上冊】：圖1-27得，流速=1.3m/s,
, 所以：
管程流體阻力在允許范圍之內。
（2）殼程阻力：
按式計算
, ,
流體流經管束的阻力
F=0.5
0.5×0.2419×39×(14+1)×=.6Pa
流體流過折流板缺口的阻力
, B=0.45m , D=1.4m
Pa
總阻力
.6+=1.35×Pa
由于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。
（3）換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表：
七、結構設計
1、浮頭管板及鉤圈法蘭結構設計：
由于換熱器的內徑已確定，采用標準內徑決、定浮頭管板外徑及各結構尺寸（參照《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：第四章**節及GB151）。結構尺寸為：
浮頭管板外徑：
浮頭管板外徑與殼體內徑間隙：取（見《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：表4-16）；
墊片寬度：按《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）:表4-16：
取
浮頭管板密封面寬度：
浮頭法蘭和鉤圈的內直徑：
浮頭法蘭和鉤圈的外直徑：
外頭蓋內徑：
螺栓中心圓直徑：
其余尺寸見《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-50。
2、管箱法蘭和管箱側殼體法蘭設計：
依工藝條件：管側壓力和殼側壓力中的高值，以及設計溫度和公稱直徑1400，按JB4703-92長頸對焊法標準選取。并確定各結構尺寸，見《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-50（a）所示。
3、管箱結構設計：
選用B型封頭管箱，因換熱器直徑較大，且為二管程，其管箱*小長度可不按流道面積計算，只考慮相鄰焊縫間距離計算：
取管箱長為1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱結構如《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-50（a）所示。
4、固定端管板結構設計：
依據選定的管箱法蘭，管箱側法蘭的結構尺寸，確定固定端管板*大外徑為：D=1506mm；結構如《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-50（b）所示。
5、外頭蓋法蘭、外頭蓋側法蘭設計：
依工藝條件，殼側壓力、溫度及公稱直徑；按JB4703-93長頸法蘭
標準選取并確定尺寸。
6、外頭蓋結構設計：
外頭蓋結構如《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-51所示。軸向尺寸由浮動管板、鉤圈法蘭及鉤圈強度計算確定厚度后決定，見《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-51。
7、墊片選擇：
a.管箱墊片：
根據管程操作條件（循環水壓力，溫度34）選石棉橡膠墊。結構尺寸如《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-39（b）所示：
b.外頭蓋墊片：
根據殼程操作條件（混合氣體，壓力，溫度85），選纏繞式墊片，
墊片：（JB4705-92） 纏繞式墊片。
c.浮頭墊片：
根據管殼程壓差，混合氣體溫度確定墊片為金屬包石棉墊，以浮動管
板結構確定墊片結構尺寸為1390mm；厚度為3mm;JB4706-92金屬
包墊片。
8、鞍座選用及安裝位置確定：
鞍座選用JB/T4712-92鞍座BI1400-F/S；
安裝尺寸如《化工單元過程及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-44所示
其中：
取：
9、折流板布置：
折流板尺寸：
外徑：；厚度取8mm
前端折流板距管板的距離至少為850mm；結構調整為900mm；見《化工單元過程
及設備課程設計》（化學工業出版社出版）：圖4-50（c）
后端折流板距浮動管板的距離至少為950mm；
實際折流板間距B=450mm，計算折流板數為12塊。
10、說明:
在設計中由于給定壓力等數及公稱直徑超出JB4730-92，長頸對焊法蘭標準范圍，對殼體及外頭蓋法蘭無法直接選取標準值，只能進行非標設計強度計算。
八、強度設計計算
1、筒體壁厚計算：由工藝設計給定設計溫度85，設計壓力等于工作壓力為6.9M，選低合金結構鋼板16卷制，查得材料85時許用應力；《過程設備設計》（第二版）化學工業出版社。
取焊縫系數=0.85，腐蝕裕度=1mm；對16鋼板的負偏差=0
根據《過程設備設計》（第二版）化學工業出版社：公式（4-13）內壓圓筒計算厚度公式：
= 從而：
計算厚度：=mm
設計厚度：mm
名義厚度： 圓整取
有效厚度：
水壓試驗壓力：
所選材料的屈服應力
水式實驗應力校核：
水壓強度滿足
氣密試驗壓力：
2、外頭蓋短節、封頭厚度計算：
外頭蓋內徑=1500mm，其余參數同筒體：
短節計算壁厚：
S==
短節設計壁厚：
短節名義厚度：
圓整取=40mm
有效厚度：
壓力試驗應力校核：
壓力試驗滿足試驗要求。
外頭蓋封頭選用標準橢圓封頭：
封頭計算壁厚：
S==
封頭名義厚度：
取名義厚度與短節等厚：
3、管箱短節、封頭厚度計算：
由工藝設計結構設計參數為：設計溫度為34，設計壓力為0.4M，選用16MnR鋼板，材料許用應力，屈服強度，取焊縫系數=0.85，腐蝕裕度=2mm
計算厚度：
S==
設計厚度：
名義厚度：
結合考慮開孔補強及結構需要取
有效厚度：
壓力試驗強度在這種情況下一定滿足。
管箱封頭取用厚度與短節相同，取
4、 管箱短節開孔補強校核
開孔補強采用等面積補強法，接管尺寸為，考慮實際情況選20號熱軋碳素鋼管，=1mm
接管計算壁厚：
mm
接管有效壁厚：
開孔直徑：
接管有效補強高度：
B=2d=2363.7=727.4mm
接管外側有效補強高度：
需補強面積：A=dS=363.71.94=705.6
可以作為補強的面積：
該接管補強的強度足夠，不需另設補強結構。
5、殼體接管開孔補強校核：
開孔校核采用等面積補強法。選取20號熱軋碳素鋼管
鋼管許用應力：， =1mm
接管計算壁厚：
接管有效壁厚：
開孔直徑：
接管有效補強厚度：
B=2d=2306.6=613.2mm
接管外側有效補強高度：
需要補強面積：
A=d=306.635.75=.95
可以作為補強的面積為：
尚需另加補強的面積為：
補強圈厚度：
實際補強圈與筒體等厚： ； 則另行補強面積：
同時計算焊縫面積后，該開孔補強的強度的足夠。
6、固定管板計算：
固定管板厚度設計采用BS法。假設管板厚度b=100mm。
總換熱管數量 n=1254； 一根管壁金屬橫截面積為：
開孔溫度削弱系數（雙程）：
兩管板間換熱管有效長度(除掉兩管板厚)L取6850mm
計算系數K：
K=3.855
接管板筒支考慮，依K值查《化工單元過程及設備課程設計》化學工業出版社：圖4-45，
圖4-46，圖4-47得：
管板*大應力:
或
筒體內徑截面積：
管板上管孔所占的總截面積：
系數
系數
殼程壓力：
管程壓力:
當量壓差：
管板采用16Mn鍛：
換熱管采用10號碳系鋼：
管板管子程度校核：
管板計算厚度滿足強度要求。考慮管板雙面腐蝕取，隔板槽深取4mm，實際
管板厚為108mm。
7、浮頭管板及鉤圈：
浮頭式換熱器浮頭管板的厚度不是由強度決定的，按結構取80mm； 鉤圈采用B型。
材料與浮頭管板相同，設計厚度按浮頭管板厚加16mm，定為96mm。
8、無折邊球封頭計算：
封頭上面無折邊球形封頭的計算接外壓球殼計算，依照GB151-89方法計算。選用 16MnR析，封頭封頭外側 85 氣體，內側為 34 循環水，取壁溫45。假設名義厚度；雙面腐蝕取mm，鋼板主偏差 ；
當量厚度 :
，
封頭外半徑: ，
計算系數:
依據所選16MnR材料，溫度，A系數查外壓圓筒，球殼厚度計算得：B=176
計算許用外壓力
9、浮頭法蘭計算：
按GB151-89相關規定。因此法蘭出于受壓狀態。計算過程取法蘭厚度150mm。結構見《化工單元過程及設備課程設計》化學工業出版社：圖4-52（C）
下表為設計匯總：
九、參考文獻：
1． 《化工原理》（第三版）化學工業出版社出版
2． GB4557.1——84機械制圖圖紙幅面及格式
3． GB150——98鋼制壓力容器
4． 化工部六院編，化工設備技術圖樣要求，化學工業設備設計中心站，1991年。
5． 《過程設備設計》（第二版）化學工業出版社
6． 《化工單元過程及設備課程設計》化學工業出版社
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