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:**学号：0501****成绩专业班级：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。

目录1. 设计背景 71.1课程背景 71.2设计目的 82. 设计方案 82.1设计条件 82.2设计流程 83. 方案实施 103.1确定设计方案 103.1.1选择换热器的类型 103.1.2流动空间及流速的确定 103.1.3计算总传热系数 113.1.4计算传热面积 123.1.5工艺结构尺寸的计算 123.1.6换热器的核算 143.2机械设计 183.2.1换热器壳体壁厚计算及校核 183.2.2换热器封头的选择及校核 193.2.3容器法兰的选择 193.2.4管板结构尺寸 203.2.5管子拉脱力的计算 203.2.6计算是否安装膨胀节 223.2.7折流板设计 233.2.8开孔补强 233.2.9 支座 244. 结果与结论 254.1工艺设计结果汇总表 255. 收获： 286. 谢辞 29设计背景1・1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2.设计方案2.1设计条件设计一管式换热器，处理乙醇20 104t年，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750C，出口 150C。

冷却液体为水，入口温度50C，出口温度150C要求其最 大压力降不大于105p2.2设计流程（1）工艺设计①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②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3.1确定设计方案3.1.1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 °C,出口温度 15°C冷流体（循环水）进口温度5C,出口温度15C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 气体走壳程选用中25mmX 2.5mm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：T = 75±^ = 452密度 P° = 767.35kg/m3定压比热容 Cp0 = 2.63kJ/kg ° C热 导 率 入 c = 0.164W/m ° C粘度u0= 7.5X10-4mPa - s管程（水）的定性的温度为：t =空="C2密度 P . = 999.7kg/m3定压比热容 Cpi = 4.191kJ/kg ° C热导率 入.=0.5745W/ m ° C粘度 u j= 130.77x10一5 m Pa - s3.1.3^算总传热系数3.3.1. 热流量mo=20 X 104 X 103/(330 X 24)=7.0(kg/s)Q0= m0Co A to=7.0 X 2.63 X (75-15) =1104.6(kw)3.3.2. 平均传热温差At' =( A t- A t )/ ln( A t / A t ) =[(75-15 ) -(15-5 )]/ ln[(75-15 )/ (15-5 )]=27.9(° C)其中小 t =T -t , A t =T-t。

1 1 2 2 2 13.3.3. 水用量W. =Q0/(C . A tj)=1104.&[4.191 X (15-5)]=26.36kg/s2.2.4. 总传热系数K管程传热系数：Re= d"i = 0.02X匹X999/7 =7644.7四. 0.0013077l人 d u p c ua .=0.023 — ( I Fl )0-8^^- )0.4l l=0.023X 0・5745 x 7644708（4.」9言1.3°77）04 = 20 82[W/ （m・° C）] 0.020 0.5745壳程传热系数：假设壳程的传热系数a 0=850w/ （m2・C）污垢热阻 Rsi=0.00017197m2・C/W, Rso=0.00017197m2・C/W管壁的导热系数人=45 W/ （m・C）K= 1 so鲤+ r匕+约+ R +上 a d si d Xd so a—0025— + 0.00017197 x 0025 + 00025 x 0025 + 0.00017197 + -12082 x 0.02 0.02 45 x 0.0225 850=449.3[W/ (m・C)]3.1.4计算传热面积S’ =£ =1104.6 x 1000 =88.12m2KAt m 449.3 x 27§考虑 15%的面积裕度，S=1.15XS’ =1.15X88.12=101.34 (m2)3.1.5工艺结构尺寸的计算⑴管径和管内流速F25X2.5传热管（碳管），取管内流速ui=0.5m/s（2）管程速和传热管数n= V = 26伽/999.7 =167.9=168 （根） s n 0.785 x 0.022 x 0.5—d2u4 i按单程计算，所需的传热管长度为 L二 三=―些—=7.7nd0 n 3.14 x 0.025 x 168(m)按单程设计，传热管过长，宜采用多管结构。

现在传热管长i =6m，则该换热器管程数为Np= L =关=2(管程)传热管总根数N=168X2 =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：R ===巴=612 - ti 15 - 5P = * 广匕=15一 5 =0.17T -七 75 -15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，可得中At=0.85平均传热温差△ tm=p AtA’ tm=0.85X27.9=23.725(°C)⑷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=1.25X25=31.25=32 (mm)横过管束中心线的管数七=\.\9抓=1.19X p戛=21.8=22壳体内径采用多管结构，取管板利用率门=0.7，则壳体内径为：D=1.05a,,N? =1.05X32X336/0.7 =736.1 (mm)圆整可取D=800mm⑸折流板⑹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=0.25X800=200 （mm）取折流板间距 B=0.3D，贝| B=0.3X800=240mm），可取 B=0.3X800=240mm折流板数Nb=传热管长/折流板间距-1=6000/240-1=24 （块） ⑺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：_ 0.088md _ 河 _ ['4x 7Q767.35一 \斯 3.14x 1.5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：_ 0.1296m,-4V 4x26.36 999.7d _ ,——_ ' 、兀 u Y 3.14 x 2.0取标准管径为3.1.6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:a = 0.36 孔 Re 0.55 Pr 13 (上)0.140 d 0 旦当量直径，由正三角形排列得:4[2i!12--d 2] 4[技x0.0322-lx0.0252]d= —— = 4 = 0.02me id 兀 x 0.0250壳程流通截面积:s = BD(1 - d) = 0.24 x 0.8 x (1 - 21225) = 0.042mo t 0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为:7.0/767.35u = = 0.217m / so 0.042「 0.02 x 0.217 x 767.35Re = = 4440.40.00075普朗特数:n 2.62 x103 x 715 x10-4Pr = 0.164=12.03粘度校正:(辿)0.14 机 1PWa = 0.36x°1^ x 4404.40.55 x 12.0313 = 685.9w/m2 - K o 0.02②管内表面传热系数：a = 0.023 7 Re0.8Pr0.4i管程流体流通截面积:S = 0.785 x 0.022 x 竺=0.052752m2i 2管程流体流速:26.36 / 999.7 =0.4998m / s 0.052752Re = 0.02 x 0.4998 x 999.7 /(130.77 x 10-5) = 7645.17普朗特数:n 4.191x103 x 130.77 x 10-5Pr = = 9.540.5745a = 0.023 x 0.5745 x 7645.170.8 x9.570.4 = 2084.79w/m2.k， 0.02③传热系数Ke1K =—: , -e d d bd 1ad+七了+苛+Rso +ai i i m 0so0.025 + 0.00017197 x 四癸 + 0.0025 x 崩25 + 0.00017197 + —0.02 45 x 0.0225 685.92084.79 x 0.02=399.0 w/m2.k④传热面积裕S：o 乂 1104.6 x103~ K kt - 399.0 x 23.715 — . 血该换热器的实际传热面积为Sp该换热器的面积裕度为：H =、〃 — S「x 100% = 146.4 -116.74 x 100% = 25.4%S 116.74c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①管程流动阻力z Ap = (Ap1 +Ap2)FN NNs=1, Np=4，Ft=1.4l PU2 人 k PU2Ap1 =X —^2-，询2 =^~2~由Re. = 7645.17，传热管相对粗糙度e/D=0.01/20=0.0005，查图得入=0.04流速 u.=0.4998，p . = 999.7kg/m3，因此：因此 Ap =X L些 =0.04X6/).02X999.7X0.49982/2=1498.35(Pa) i id 2Ap =匚些=3 X 999.7 X 0.49982 /2=374.59(Pa)22、△ p. = (1498.35+374.59) X 1.4 X 2 = 5244.232Pa < 105Pa管程压降再允许范围之内②流体流经管束的阻力：PU2"1 = Ffonc(NB+1^^F=0.5 f0 = 5.0 x R -0.228 =5.0 x 4440.4-0.228 = 0.7368n = 22 nB = 24 u0 = 0.5PU2△P‘ 1 = Ff°nc(NB+1)5 = 0.5X0.7368X22X(24+1)X767.35x o.52 =19435.06 P流体流过折流板缺口的阻力：△ p’ 2 = NB(3.5-等)亨B = 0.24 D = 0.8p〃2Ap’ = N(3.5-竺)V =24 X (3.5- 2 x 0.24 ) X 0.52 X 767.3乾2 B D=1381.23(Pa)总阻力：、A po = ( 19435.06+1301.23) X 1.0 X 1.0 = 20816.29Pa < 105 Pa 壳程压降也在范围之内。

3.2机械设计3.2.1换热器壳体壁厚计算及校核材料选用Q245R计算壁厚为：5 = pcDt ,2[一 pc式中:p 为计算压力，取p = 1.1xpw = 1.1x0.6 = 0.66Mpa；D. = 800mm;^ =0.85;[a ]t=147Mpa （设壳壁温度为 350° C）将数值代入上述厚度计算公式，能够得知：5 = °.66 X 800 = 2.1mm2 x 147 x 0.85-0.66查《化工设备机械基础》表4-11取C2 = 1.0 mm ；查《化工设备机械基础》表4-9得c1 = 0.3 mm5=5 +C1+C2 + 圆整值=2.1 + 0.3 +1.0 = 3.4 + 圆整值查表4-13圆整后取5广6.0 mm1、液压试验应力校核b = Pp （D +8 V 0.咖t 28 se…A………P= 1.15 P 声=1.15 x 0.66 = 0.759Mpa8 =8 -C = 6-1.3 = 4.7 mm查《化工设备机械基础》附表9-1 R 广 245Mpa…0.759 x （800 + 新）=64.98Mpa，T 2 x 4.70.94 R = 0.9 x 0.85 x 245 = 187.425Mpael可见 v 故水压试验强度足够。

T — . el3.2.2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DN800X8，查《化工设备机械基础》表4-15得 曲面高度y 200 mm，直边高度h2 = 40 mm，材料选用Q245R钢3.2.3容器法兰的选择材料选用 Q345R 根据 NB/T47021- 选用 DN800，PN1.0Mpa的榫槽密封面平焊焊法兰查《化工设备机械基础》附表14得法兰尺寸如下表：表4-1法兰尺寸公称直径法兰尺寸/mm螺柱DN/mmDD1D2D3D45d规格数量8009308908558458425423M20403.2.4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DD1D3D4bcd螺栓孔数800930890845842541523403.2.5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/Mpa0.70.6材质20钢Q245R线膨胀系数11.8 X10 -611.8 X10 -6弹性模量0.194 x 1060.194 x 106许用应力/Mpa140140尺寸4 25 x 2.5 x 60004 800 x 7管子根数336管间距/mm32管壳壁温差/°C 肉=30管子与管板连接方式 开槽胀接胀接长度/mm l = 45许用拉脱力/Mpa 4.01、在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力gppf兀d l其中 f = 0.866t2 -— d2= 396mm2 (mm)4 0p = 0.6Mpa / l = 50 mm0.6 x 3963.14 x 25 x 50=0.06 Mpa2、温差应力引起的每平方米胀接周边所产生的拉脱力qt_。

d 2 — d 2) =t 40d l 1=rD中8 = 3.14 x 806 x 6 = 15185 .04mm2 (mm)A =¥(d 2 — d2)n = 44509.5mm2 (6-6)b t = 20.5Mpa20.5 x(252 — 202)q = = 0.9MPt 4 x 25 x 50 aqt作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：q= q + q =0.06+0.9=0.96Mpa < 4.0Mpa因此拉脱力在许用范围内3.2.6计算是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力为F：F =以 E ")AA1 A + A st11.8 X10-6 X198 X103 X 35 x 15185.04 x 44509.5 = 0.9 x 103 15185.04 + 44509.5(N)压力作用于壳体上的轴向力:其中 Q -— [(D2 一nd2)p + n(d 一 28 )2p ]4 i 0 s 0一兀一一[(8002 - 252 X 252)X 0.6 + 252 x (25 - 2x 2.5)2 x 0.7]4=0.28 X106N「 0.28 x 106 x 15185.04F = 2 15185.04 + 44509.5=0.072 x 106 N压力作用于管子上的轴向力为:QA f—A, + A0.28 x 106 x 44509.515185.04 + 44509.5=0.21 x 106 NF + F—1 2As0.9 x 106 + 0.072 x 10615185.04=64.01"-F + F _ - 0.9x 106 + 0.21 x 106 _ _15 5MA44509.5 一 . Pat根据GB15 1——1 9 9 9《管壳式换热器》b = 64.01Mpa < 28[b]t = 2 x 0.85 x 140 = 238Mpab =-15.5Mpa < 2Q[b]t = 2x 140 = 280Mpa t sq <[q]=4.0岫.，条件成立，故本换热器不必要设置膨胀 节。

3.2.7折流板设计经选择，我们米用弓形折流板，h= 1D = 2X800 = 600mm,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 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5 = P?t 2［］te+pc其中D0 =89 mm 选用20钢查附表9得g ］t = 147Mpa5 = 066X89 = 0.23mmt 2x 147 x 0.66 +1.0 x 0.855 n = 0.2 + 0.3 +1.0 + 圆整值= 1.5 + 圆整值=4.6开孔直径为：d = d . + 2C = 80 + 2x 4.6mm = 93.6mm2、确定壳体和接管实际厚度，开孔有效补强面积及外侧有效补强高度h已知壳体名义厚度5 =6 mm， 补强部分厚度为5 , =6 mm接管有效补强宽度为B=2d=2 X 93.6.6 = 187.2mm接管外侧有效补强高度h=、^r=Ex 6 = 23.7mm ' nt3、 计算需要补强的金属面积和能够作为补强的金属面积需要补强的金属面积为：A = d5 = 93.6 x 2.1 = 196.56 (mm \能够作为补强的金属面积为：A1 = (B - d )(5 —5) = (196.56 - 93.6)(6 -1.3 - 2) = 196.56(mm IA2 = 2h1 (5e -5 )f = 2x22x(3.1 -0.2)x 1.0 = 142.56(mm*4、 A = q + A2 = 214.76 + 198mm2 = 412.76(mm )2 (5、 比较 A 与A，A (305.36mm2) > A(196.56mm2)同时，计算接管与壳体焊缝面积As之后，该开孔接管补强的强度 足够。

3.2.9支 座根据附表10-4 BI型鞍座标准系列(DN500-900)公称直径允许载荷鞍座高度底板腹板筋板垫板螺 栓 间距鞍座质量增加 100m m高 度增 加的 质量l1bi5i52l3b353弧长b454e带垫板不带垫板800220200720150101040012010940260665530382774. 结果与结论4.1工艺设计结果汇总表换热器形式固定管板式换热器理论换热面积，m288.12实际换热面积，m2101.34传热速率，kW1104.6总传热系数，W/(m2.K)449.3名称壳程管程物料名称乙醇水入口温度，C755出口温度，C1515流量，kg/h2520094896流体密度，kg/m3767.35999.7流速，m/s0.2170.4998对流传热系数，W/ (m2. K)8502082污垢热阻，m2.K/W0.000171970.000197阻力降,MPa0.0194350.001381程数2单推荐使用材料Q245R20钢管子规格① 25 X 2.5mm换热管排列方 式正三角形管心距32mm管数336管长6000mm折流板数24间距240mm切口高度折流板形式上下横过管束中心线的管数壳体内径800mm希腊字母:B 折流板间距，m；4.么符号说明a对流传热系数，W/(m2・K——-总传热系数，W/(m2°C）；•°C）；△—一有限差值；L-管长，m；入一一导热系数，W/(m2・°m—程数；C）；n-指数、管数、程数；口黏度，Pa・s；P密度，kg/m3；W一校正系数。

下标•c-冷流体；h——-热流体；i——-管内；m一平均；o-管外；s-污垢N管数、程数；C——-系数，无量纲；N折流板数；d管径，m；BNu一努塞尔特准数；D换热器外壳内径，m；P-压力，Pa；f——-摩擦系数；因数；F——系数；DirPr曰二特准数；h——圆缺高度，m；q-热通量，W/m2；Q传热速率，W；r 半径，m； V 体积流量，m3/汽化潜热，kJ/kg；R——热阻，m2・°C/W；因数；Re——雷诺准数；S （或A）——传热面积，m2；t——冷流体温度，°C；a（或 t） 管心距，m；T——热流体温度，°C；u 流速，m/s；W 质量流量，kg/s；收获：经过这次课程设计，让我对《化工设备机械基础》这门课 有了进一步的认识这次课程设计设是对这门课程的一个总结， 对化工机械知识的应用设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条 件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对换热器的材料和结 构确定之后还要进行一系列校核计算，包括管子直径、壳体厚 度，管板选择等校核合格之后才能确定所选设备型符合要求经过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高在 整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用 到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准能够直接选取，这 样设计出来的设备更加符合要求。

在设计的最后附管试换热器的 图，在绘图的整个过程中，我对化工制图更加熟悉谢辞本次设计的顺利完成非常感谢老师的帮助，可是因为所学 知识有限，本次做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批 评和指正最后感谢老师对这次课设的评阅参考文献［1］ 秦叔经、叶文邦等：《换热器》［M］，化学工业出版社,；［2］ 《化工过程及设备设计》［M］华南工学院化工原理教研室,1987；［3］ 贾绍义等：《化工原理课程设计》［M］，天津大学出版 社,;［4］ 刁玉玮、王立业、喻健良等：《化工设备机械基础》［M］，大理理工大学出版社,;［5］ GB151-1999《管壳式换热器》1999年；［6］ 马江权，冷一欣等，化工原理课程设计（第二版），中国石 化出版社，[7]《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室(1987)。