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26136吨_年乙苯冷却列管式换热器的设计-能源化工课程设计

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

银川能源学院化工原理课程设计

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、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 (15)

第六章、设计评述与体会......................................... - 16 -致谢........................................................... - 16 - 参考文献....................................................... - 16 -

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大。

关键词：换热器；固定管板式

Abstract

Heat exchanger is widely used in chemical industry, oil refining industry typical 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 in 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 cost 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 effect 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

3.操作条件

（1）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℃

10Pa

（3）允许压强降：不大于5

（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

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、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。

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，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有Ｕ形、平板形和Ω形等几种。由于Ｕ形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。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，难以伸缩而失去温差补偿作用。（见图2）

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（Re＜100）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

4.对于换热管布置和排列间距，常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2

mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 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136℃，出口温度60℃

2.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）

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 ρ0=997.8 kg/m 3

定压比热容 c p0=2.0006kJ/(kg ·℃) 热导率 λ0=0.11148 W/(m ·℃) 粘度 μ0=0.00031Pa ·s 自来水在40℃下的物性数据：密度 ρi =992.21 kg/m 3

定压比热容 c pi =4.174 kJ/(kg ·℃) 热导率 λi =0.634 W/(m ·℃) 粘度μi =0.000653 Pa ·s

三、计算总传热系数

乙苯流量q m =3300kg/h 1.热流量

Q T =q m1c p0(t 2-t 1)=3300×2.0006×(136-60)kJ/h=501750.48kJ/h=139375.13W 2.冷却水用量

q m2= Q T / c pi(t2-t1)=501750.48÷(4.174×20)kg/h=6010.43kg/h 3.平均传热温差

℃17.53306050

136ln )

3060()50136(2

1ln

21't =-----=???-?=?t t t t m 4.初算传热面积

K 值大致范围为280—800（W/m 2 . K ）假设K=320W/m 2 . K ，则估算的传热面积为

19.817.5332013.139375m t 估m K T Q A =??=

考虑15%的面积裕度：则A 实=1.15×8.19=9.4m 2

四、工艺结构尺寸

1.选管子规格

选用ф25×2.5mm 无缝钢管，取管内流速为：u=0.5m/s

2.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

n s=V/(0.785d

2u=1. 68×10-3÷(0.785×0.022×0.5)=10.7≈11根

按单换热器计算，所得管子长度：

m 89.1011

025

.014.34

.90A

'L =??=

d π

选取传热管长度L ’=6m ，求得管程数

管程2'

p N 6

.10L

L 总管数：Nt=Np ×n s =2×11=22根温差校正系数

R=（T 1-T 2）/(t 2-t 1)=(136-60)/(50-30)=3.8 P=(t 2-t 1)/( T 1- t 1)=(50-30)/(136-30)=0.188

由R 和P 查图得，温差校正系数Ft=0.95>0.8,故可行。则m t ?=0.95m 't ?=0.95×53.17=50.521℃

3.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 =1.25×25=31.25 mm ≈32mm

横过管束中心线的管数：Nc=1.19N =1.11922=5.58≈6根

4.壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，壳体内径为

mm N 16.1887

.03205.1t

05.1D 22

?==η

壳程直径可选取的直径有（219 273 400 500 600 800 ）mm ，故圆整可取D ＝219mm

5.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：h ＝0.25×219＝54.75mm ，故可取h ＝55 mm 。

取折流板间距B ＝150mm(0.2D

6.接管

壳程流体进出口接管：取接管内乙苯流速为 u 1＝1.0m/s ，则接管内径为

d 1=

m 3-1017.10

.114.3）

8.9973600（/33004?=???

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 2＝1.2m/s ，则接管内径为

m 3

-1079.1）

21.9923600（/2

.114.343.601042d ??=??=

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

.0w 31

55.01o 36.0???

? ??=μμλαr e e P R d

当量直径：由正三角形排列得：

m d d t e 02.0025

.014.3025.0785.0032.02344234d 220202=??????????-??=

?????????-?=ππ

壳程流通截面积

2007227.0032.0025.01219.015.00d 10S m t BD =???? ??-?=???? ??-=

壳程流体流速及其雷诺数分别为

m u /127.0007227.0）

8.9973600（/33000=?=

.817500031

.08

.997127.002.00e0=??=

ρu e d R

普朗特数

.511148.000031

.03100006.2Pr =??==λμp c

粘度校正14

.0w ???

? ??μ

04.501156.55.817536.03

55.0o 02

.011148.0=????

=α℃）/(2?m W

（2）管程对流传热系数

4.0r 8.0e i d i 023.0i P R λ

α=

管程流通截面积

m 00345.02

2202.0785.0=?

?=S

管程流体流速

97.14829000653.002

.0488.021.992ud Re 雷诺数s

/m 488.000345

.0）

21.9923600（/43.6010u i i =??==

=?=μρi

普朗特数

℃）

/(04.28353.497.1482902

.0634

.0023.03

.4634

.0000653.010174.4r 24.08.0i 3?=???==??==m W u c P p αλ

（3）污垢热阻和管壁热阻，查附录得：

污垢热阻乙苯（外）W C R /m 000176.0020?=? 污垢热阻水（内）W C R /m 00021.002i ?=? 管壁厚度b=0.0025 m

碳钢热导率为λ=50 W/(m ·℃) 管壁热阻为()

K W R ?==

00005.00025

.0b

（4）传热系数K

℃）

m （/3.3411

＋

000176.00225

.050025.00025.0＋02

.0025.000021.0＋02

.004.2835025.01

＋

so ＋d o

bd ＋

d o d si

＋i

d i o

d 1

.501i

?=+???

W R R K αλα

（5）传热面积裕度Ac

208.8521

.503.413m t c 13.139375m K T Q A =?=?=

该换热器的实际传热面积S

m 36.10226025.014.3L o d =???==n P A π

该换热器的面积裕度为

2.82%1008.08-10.3608

.8=?=-=c A C A p A H 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.换热器内流体的压力降

（1）管程流动阻力

ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp

Ns=1, Np=2,Ft=1.4,u=0.488m/s,管子为ф25×2.5mm ,Re=14829.97查表得摩擦系数λi 取0.0473

2，2

u d

1L ?=??=?ρρλP P

a P P P P 43.3542

488.021.99232u 341.16762488.021.99202.060473.02u d L 2

22a

2i 1=??=?=?=???=?=?ρρλ

ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp=(1676.41+354.43)×1.4×2＝5686.35Pa<105Pa 管程压降在允许范围之内。

（2）壳程阻力

.1,1）（'

2'1o ==?+?=?∑Ft Ns FtNs

P P P

P n f F u N n Ff P c o o B

c o 21.6192

127.08.997)139(6641.05.06

641.05.81750.55

.02

)

1(2

228.02

'1=??+???=?==?==?+=?-ρ

10Pa 80.1480115.1)44.66821.619(总压力降a

44.6682

127.08.997)219.015.025.3(39219.0,15.0B ,93Nb 2)B 25.3(5o 2'

<=??+=?=???-?=?===?-=?∑P P P m

D m u D N P o B ρ壳程压力降也比较适宜。