1、化工原理 化工設備課程設計任務書設計題目： 年處理4.8萬噸煤油固定管板式換熱器設計書 學生姓名： 康 國 梅 專業(yè)班級： 資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理2010級4班 學 號： 指導教師： 徐慎穎 張燕 宜賓學院化學與化工學院2012年 12月 30 日列管式換熱器設計任務書一、設計目的培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關選修課程基礎理論和基本知識去完成換熱單元操作設備設計任務的實踐能力二、設計目標設計的設備必須在技術上是可行的，經濟上是合理的，操作上是安全的，環(huán)境上是友好的三、設計題目列管式換熱器設計 四、設計任務及操作條件 1. 設計任務 設備型式：列管式 處理任務：如下表所示：處理量（萬噸/年）物料

2、2426283032343.6384042444648原油121213煤油14鄒艷平2526#柴油2737#3839# 2. 操作條件（1）熱流體：入口溫度140; 出口溫度40 （2）冷卻介質：岷江水（3）允許壓降：不大于0.1MPa（4）物性數據煤油定性溫度下的物性數據原油定性溫度下的物性數據柴油定性溫度下的物性數據：五、設計內容1. 設計方案的選擇2. 設計計算（1） 計算總傳熱系數（2） 計算傳熱面積3. 主要設備工藝尺寸設計 （1）管徑尺寸和管內流速的確定 （2）傳熱面積、管程數、管數和殼程數的確定 4. 換熱器核算 5. 設計結果匯總 6. 繪制換熱器簡圖 7. 換熱器殼體封頭材料

3、，厚度以及殼體和封頭的連接形式；8換熱列管的設計選型；9管板厚度；10換熱管的排列及管孔尺寸；11換熱管與管板的連接，管板與殼體的連接；12管箱設計；13所有接管設計選型；14折流板的設計；15支座設計選型；16所涉及到的所有法蘭設計選型目 錄第一章 概 述11.1換熱器的簡單介紹2 1.2本設計的目的和意義3第二章 設計計算42.1確定設計方案42.2確定物性數據42.3計算總傳熱系數52.4計算傳熱面積62.5工藝結構尺寸62.6換熱器核算8第三章 工藝設計.113.1殼體與封頭的確定.11 3.1.1 殼體和封頭的材料選擇.11 3.1.2 圓筒殼體的厚度計算.12 3.1.3 封頭厚度

4、計算.12 3.1.4 水壓試驗.13 3.1.5換熱列管的設計選型.133.2 管板設計.133.3 管板與殼體、換熱管的連接形式.133.4 管箱設計.143.5殼體開孔補強.143.6 所有接管的設計選型.14 3.6.1 殼程接管最小位置.15 3.6.2 管箱接管最小位置.15 3.6.3 接管伸出長度.153.7 防沖板.153.8 折流板.15 3.8.1 折流板的型式和尺寸.15 3.8.2 折流板的布置.153.9 支座設計選型.163.10所涉及到的所有法蘭設計選型.17第四章 設計結果匯總.18設計圖紙21心得體會.22參考文獻24評語及成績25第一章 概 述1.1換熱器

5、的簡單介紹換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。 在化工生產中，經常要求在各種不同的條件下進行熱交換，因此對各種換熱器的要求必然是多種多樣的。而每種類型的換熱器都有其優(yōu)缺點，選擇時考慮的因素很多，例如材料、壓強、溫度、溫度差、壓強降、流動狀態(tài)、傳熱效果、結垢腐蝕情況、檢修和操作等。

6、1.1.1 固定管板式換熱器這類換熱器操作簡單、便宜。最大的缺點是管外側清洗困難，因而多用于殼側流體清潔，不易結垢或污垢容易化學處理的場合。當殼壁與殼壁溫度相差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以致管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞整個換熱器，因此，一般管壁與殼壁溫度相差50以上時，換熱器應有溫差補償裝置，圖為具有溫差補償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器。1.1.2 浮頭式換熱器用法蘭把管束一側的管板固定到殼體的一端，另一側的管板不與外殼連接，以便管子受熱或冷卻時可以自由伸縮。這種形式的優(yōu)點是當前兩側傳熱介質溫差較大時，不會因膨脹產生溫差壓力，且管束可以自由拉出，便于清

7、洗。缺點是結構復雜，造價高。1.1.3 U型管式換熱器 此類換熱器只有一個管板，管程至少為兩程。由于管束可以取出，管外側清洗方便，另外，管子可以自由膨脹。缺點是U型管的更換及管內清洗困難。1.1.4 填料函式換熱器填料函式換熱器的結構如圖1-4所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函乃嚴不高，殼程介質可能通過填料函外樓，對于易燃、易爆、有度和貴重的介質不適用。1

8、.2本設計的目的和意義通過本次課程設計，培養(yǎng)學生多方位、綜合地分析考察工程問題并獨立解決工程實際問題的能力。主要體現在以下幾個方面：（1）資料、文獻、數據的查閱、收集、整理和分析能力。要科學、合理、有創(chuàng)新地完成一項工程設計，往往需要各種數據和相關資料。因此，資料、文獻和數據的查找、收集是工程設計必不可少的基礎工作。（2）工程的設計計算能力和綜合評價的能力。為了使設計合理要進行大量的工藝計算和設備設計計算。本設計包括熱工計算和冷卻器設備的結構計算。（3）工程設計表達能力。工程設計完成后，往往要交付他人實施或與他人交流，因此，在工程設計和完成過程中，都必須將設計理念、理想、設計過程和結果用文字、圖

9、紙和表格的形式表達出來。只有完整、流暢、正確地表達出來的工程設計的內容，才可能被他人理解、接受，順利付諸實施。 通過本設計不僅可以進一步鞏固學生所學的相關啊知識，提高學生學以致用的綜合能力，尤其對傳熱學、流體力學等課程更加熟悉，同時還可以培養(yǎng)學生尊重科學、注重實踐和學習嚴禁、作風踏實的品格。第二章 設計計算2.1確定設計方案2.1.1換熱器類型的選型本設計任務是利用冷流體（岷江水）給煤油降溫。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產需要。用冷水冷卻煤油。煤油作為熱流體，其入口溫度為140C，出口溫度為40C；岷江水作為冷流體，入口溫度為20C,出口溫度為34C。該換熱器采用循環(huán)冷卻水

10、冷卻，因為由于岷江水容易結垢，為便于水垢清洗，定為固定管板式換熱器，它操作簡單、便宜。管內不易積累污垢，也便于清洗。2.1.2 換熱器內冷熱流體通道的選擇由于循環(huán)冷卻水容易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，油品走殼程2.1.3 換熱管的選擇選用252.5的碳鋼管，管內流速取u=0.5m/s2.2確定物性數據殼程油的定性溫度為T=90(C)岷江水的定性溫度為T= =27(C)煤油定性溫度下的物性數據水的定性溫度下的物性數據密度=997kg/m粘度 =90.28510Pas定壓比熱容 c=4.179kJ/(kg)導熱系數 2.3計算總傳熱系數q=5479.51熱流量Q=337.90kW2平均

11、傳熱溫差.3因數R=7.14 P=0.12單殼程 查圖得平均傳熱溫差 4冷卻水用量=20801.825總傳熱系數K 管程傳熱系數 Re= =11556.310000 = = =2542.14殼程傳熱系數 假設殼程傳熱系數為；污垢熱阻 管壁的導熱系數 2.4計算傳熱面積考慮15%的面積裕度，2.5工藝結構尺寸1. 管徑和管內流速選用傳熱管（碳鋼），取管內流速。2. 管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數按單管程計算，所需的傳熱管長度為按單管程設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構?，F去傳熱管長，則該換熱器管程為 傳熱管總根數3. 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

12、形排列，隔板兩側采用正方形排列。取管心距，則 橫過管束中心線的管數 4. 殼體內徑采用多管程結構，去管板利用率，則殼體內徑為 圓整可取5. 折流板（目的：為了加大殼程流體的湍流速度，使湍流程度加劇。提高殼程流體的對流傳熱系數。）采用弓形折流板，去弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為，故可取取折流板間距，則 ，則B為150mm折流板數 折流板圓缺面上下裝配。6. 接管殼程流體進出口接管：取接管內煤油流速為，則接管內徑為 取標準管徑為50mm。管程流體進出口接管：取接管內河水的流速，則接管內徑為 取標準管徑為80mm。2.6換熱熱量核算2.6.1殼程對流傳熱系數對于圓缺形折流板

13、，可采用克恩公式當量直徑由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流速、雷諾數、普蘭德數及殼程對流傳熱系數分別為2.6.2 管程對流給熱系數管程流通截面積管程流體流速、雷諾數、普蘭德數及管程對流傳熱系數分別為 2.6.4 傳熱面積(一)該換熱器的實際換熱面積面積裕度為換熱面積裕度合適，能夠滿足設計要求。（二）換熱器內流體的流動阻力1.管程流動阻力（Ft結垢校正系數，管程數，Ns殼程數）取換熱管的管壁粗糙度為0.01mm，則，而，查圖得 對的管子有管程阻力在允許的范圍之內。2.殼程流動阻力（Fs為結垢校正系數，對液體Fs=1.15，Ns為殼程數）流體流經管束的阻力F為管子排列方式對壓強降的校正系數，

14、正三角形排列F=0.5，正方形直列，正方形錯列時，。為殼程流體的數，當為橫過管束中心線的管數，。折流板間距，折流板數流體流經折流板缺口的阻力該換熱器的管程與殼程壓降均滿足要求，故所設計的換熱器合適第三章 結構設計3.1 殼的直徑、長度、厚度設計。殼體和封頭材料均選擇Q235-B由上面的計算可得殼體直徑為殼體長度為操作壓力根據以上假設和查表數據可得腐蝕余量，鋼板厚度負偏差設計厚度=+ +=5.53+0.25+=6mm因而可取名義厚度3.1.2封頭尺寸考慮綜合因素，使用標準橢圓封頭，材料使用碳素鋼Q235-B，封頭連接形式為甲型平焊法蘭。焊接接頭形式采用單面焊對接接頭，無損檢測比例100%，故。在

15、。下，厚度假設為時，碳鋼Q235-B的許用應力為按計算。根據以上假設和查表數據可得腐蝕余量，鋼板厚度負偏差設計厚度名義厚度=+ +=5.70+0.25+=6mm，沒有變化，故取名義厚度合適。因為=1由此可得橢圓頭短半徑3.1.3液壓實驗=1.25P =1.25P=1.875t=查表，Q235-B的s=235 0.90.9235=190.35t所有滿足水壓試驗要求查得： 封頭短筒邊高度為，直邊高度h=25mm，封頭內表面積，封頭容積，封頭質量3.14換熱列管的設計選型：252.5的碳鋼管3.2 管板厚度管板工程上常采用材料0Cr18Ni9查得管板尺寸為：厚度，管板質量M=48kg，螺栓材料為Q2

16、35-A，規(guī)格M16，數量為24個。換熱管的排列及管孔尺寸換熱管采用正三角形排列 管間距為32mm 管長為4.5m管孔直徑所以管孔直徑取為25.83.3 換熱管與管板的連接，管板與殼體的連接換熱管與管板連接形式為：采用脹焊結合 管板與殼體連接：采用管板兼做法蘭 使用板式平焊法蘭形式進行連結3.4 管箱設計（由短節(jié)與封頭組成）管箱為橢圓形管箱，因為橢圓形封頭的應力分析比較均勻，而且其深度較半球封頭小得多，易于沖壓成型。因此選用標準鋼制橢圓形封頭，故短節(jié)部分的厚度同封頭厚度一樣為6mm。短節(jié)的長度為25mm。管箱最小長度L3.5 殼體開孔補強根據GB150-1998表8-1，不另行補強的最大接管外

17、徑為89mm，因此不需要考慮補強。按HG20592-20639-2009 鋼制管法蘭，緊固件，墊片可選接管的規(guī)格為50mm和80mm 3.6 所有接管設計選型采用帶勁平焊法蘭，接管材料選用Q235-B3.6.1 殼程接管位置接管不帶補強圈殼程接管位置最小尺寸mm一般C3倍殼體壁厚且不小于50100mm b：管板厚度 ：接管外徑，mmC：接管外邊緣至殼體連接焊縫之間的距離mm3.6.2 管箱接管位置，不帶補強圈最小尺寸 ：法蘭高度3.6.3 接管伸出長度 靠殼程：L=150mm 靠管箱：L=150mm3.7 防沖板材料選用Q235-B由于殼程流體的p=8251=825kg/（m.）740 kg/

18、（m.）因此，在該固定管板換熱器需要設置防沖板防沖板與殼體內壁的厚度H=()接管外徑，取H=13mm 最小厚度為4.5mm，防沖板的直徑或邊長W、L應大于接管外徑的50mm取W=L=100mm3.8折流板的設計 3.8.1 折流板的型式與尺寸 此時兩端采用環(huán)形折流板，中間選用單弓形折流板，上下方向排列。折流板的材料為Q235-B，由前可知，弓形制缺口高度為125mm，折流板間距為150mm，據GB151-1999-管殼式換熱器表34可知折流板懂得最小厚度為12mm3.8.2 折流板的布置 一般應使管束兩端的折流板盡可能的靠近殼程進出口管，其余折流板按照等距離布置，靠近管板的折流板的折流板與管板

19、間的距離應按下面計算 L=：為防沖擋板長度mm：殼程接管位置的最小尺寸mmb：管板的厚度mm因為應使折流板盡可能的靠近殼程進出口管，所以L=196.5 mm3.9 支座設計選型：殼體質量m1：m1= DL7.85=3.140.504.567.85=332.76kgD: 中徑，單位m L: 筒體長度，單位m :壁厚(單位mm封頭的質量m2的標準橢圓形封頭，其質量m=15.1Kg，所以m2=15.12=30.2Kg水的質量，式中裝填系數儲罐體積則 附件質量管子質量 單重 7.82Kg有：m5=法蘭質量 DN=500mm；法蘭質量70Kg。則 設備總質量：m=m1+m2+m3+m4+m5+m法=33

20、2.76+30.2+911.5+300+1157.36+280=3011.82Kg所以選重型B1型，120度包角，焊制，雙筋，帶墊片的鞍座。鞍式支座(JB T4712 - 92)材料用Q235-A臥式容器的支座常用鞍式支座, 簡稱鞍座。它是由底板、腹板、筋板和墊板四種板組焊而成的焊制鞍座; 或其中腹板與底板由同一塊鋼板彎制的彎制鞍座.這次設計采用重型彎制鞍座。公稱直徑mm允許載荷Qkg鞍座高度mm底板腹板筋板墊板螺栓間距L質量帶墊板kgL500159200460150108120833025 3.10 所涉及到的所有法蘭設計選型:所用數據由下表查得：接管公稱直徑分別為50、80，查表可得法蘭型

21、號，筒體公稱直徑為500。3.10.1根據HB20592-20639-2009鋼制管法蘭，緊固件，墊片得 接管法蘭尺寸公稱直徑D鋼管外徑連接尺寸法蘭厚度C法蘭內徑B法蘭高度H法蘭勁大端N法蘭外徑螺栓孔中心圓直徑 螺栓規(guī)格 螺栓孔數量n5057165125M164205934848089200160M1682491401183.10.2 殼體法蘭，管箱法蘭選用甲型平焊法蘭。凹凸面，材料為Q235-B,查JB/T 4701-2000得公稱直徑mmDd螺栓質量厚度規(guī)格數量5006305905555455424423M202836.848第四章 設計結果匯總換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表。參數管

22、程殼 程流率/（kg/h）20801.825479.5物料名稱 岷江水煤油進/出溫度/20/34140/40物性定性溫度/2790密度/（kg/m3）996.5825定壓比熱容/（kJ/（kgC)）4.1772.22粘度/（Pa.s）0.0.熱導率/w/（mC)0.6120.140普朗特數5.8911.34設備結構參數形式固定管板式臺數1殼體內徑/mm500殼程數1管徑/mm252.5管心距/mm32管長/mm 4500管子排列正三角形管數目/根148折流板數/個29傳熱面積/m2464折流板間距/mm150管程數4材質Q235-B主要計算結果管程殼程流速/（m/s）0.50.125表面?zhèn)鳠嵯?/p>

23、數/w/（m2C)）3414453污垢阻力/（w/m2K）0.0.阻力/86322197915總熱流量/kW33790傳熱溫差/47.88傳熱系數/w/（m2K）45裕度/%60折流板形式上下中心管束，根15切口高度25 筒體厚度/ 6 封頭厚度/ 6 管板厚度/44 折流板厚度/12 分層隔板厚度/8 殼體長度/4500設計圖紙 心得體會 一周多的課程設計結束了，這是我有生以來第一次做這種工業(yè)化的設計，通過這次課程設計，我更加深入的了解了固定管板式換熱器的構造，等各方面的知識。雖然在設計的過程當中我們遇到了不少的問題，甚至有幾次我還把一些數據算錯了，與國標不符，但是在我們一遍一遍的思考和討論

24、中，我們最后還是把這些問題都解決了，讓我知道了團結的力量是多么的大。以前總是有什么問題就問老師，但是這一次是經過我們大家一起討論并查閱各種書籍，還有在網上查的資料國標，從多方面達到我們想要的答案。古人有云：“過而能改，善莫大焉”。說的就是錯誤并不可怕，人類能不斷的進化發(fā)展，靠的便是一個個錯誤，在錯誤面前不驕不躁，不斷思考，不斷改正，才能不斷的獲取新的知識。雖然改正錯誤的過程是冗長而艱辛的，但是在改正錯誤的過程中我也發(fā)現了成功的真諦，用汗水澆灌收獲的果實才是最令人感覺幸福而滿足的。遇到困難也需迎難而上，披荊斬棘，詩云：“不經一番寒徹骨，那得梅花撲鼻香?！比绻型净膹U，那樣便永遠不可能成功，以后步

25、入社會仍然適用。在這次課程設計中，使我們初步掌握化工設計的基礎知識、設計原則與方法、學會各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查找方法和技巧、掌握各種結果的校核、能畫出設計圖紙，差不多是把課程設計的流程銘記于心了。剛開始我設管程流速時設得過大，管徑也取大了，造成我后面算出的管長太短，后來我又改了兩三次，最后終于確定了一個值，合適之后才又往后面算了。到后面我們又在那些法蘭啊什么的尺寸上面卡住了，不知道在哪里查，有的在手冊上可以查到，而有的我們卻要到網上去查，去找國家標準，真的是太艱難了。每天早上起床就打開電腦，然后把所有的手冊都打開，而且還是那么大一本的，把計算器和筆擺好，我們就開始了一天的工作，就不停的算啊，查啊，寫啊，總之沒有停，要忙到晚上才可以停，中途我們也會有小小的休息，來調節(jié)一下我們緊張的神經，到了晚上睡覺時大家都會覺得很累，一會兒就睡著了。當我們完成了設計說明書后，我們都好高興啊，以為最難的過去了，因為我們以前也曾經有畫過一次這樣的設備圖，但是當我們真正去畫的時候，我們就都郁悶了，以前是照著別人畫好了的畫啊，而這次我們還要設計一下版面，還有比例啊，尺寸啊，表格啊，還有一些是我們在做說明書時沒有做到的東西都要補上去，這就是我們大家都很痛苦的啊。不過最后經過我們兩天的努力，還是