——大学《化工原理》列管式换热器课程设计说明书学院：班级：学号：姓名：指导教师：时间：年月日目录一、化工原理课程设计任务书............................................................................ . (2)二、确定设计方案............................................................................ (3)1.选择换热器的类型2.管程安排三、确定物性数据............................................................................ (4)四、估算传热面积............................................................................ (5)1.热流量2.平均传热温差3.传热面积4.冷却水用量五、工艺结构尺寸............................................................................ (6)1.管径和管内流速2.管程数和传热管数3.传热温差校平均正及壳程数4.传热管排列和分程方法5.壳体内径 6.折流挡板 (7)7.其他附件8.接管六、换热器核算............................................................................ . (8)1.热流量核算2.壁温计算 (10)3.换热器内流体的流动阻力七、结构设计............................................................................ . (13)1.浮头管板及钩圈法兰结构设计2.管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计3.管箱结构设计4.固定端管板结构设计 5.外头盖法兰、外头盖侧法兰设计 (14)6.外头盖结构设计7.垫片选择8.鞍座选用及安装位置确定9.折流板布置10.说明八、强度设计计算............................................................................ .. (15)1.筒体壁厚计算2.外头盖短节、封头厚度计算3.管箱短节、封头厚度计算 (16)4.管箱短节开孔补强校核 (17)5.壳体接管开孔补强校核 6.固定管板计算 (18)7.浮头管板及钩圈 (19)8.无折边球封头计算9.浮头法兰计算 (20)九、参考文献............................................................................ .. (20)一、化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图3-20所示。

反应器的混合气体经与进料物流换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶性组分。

已知混合气体的流量为231801kg h，压力为6.9MPa，循环冷却水的压力为0.4MPa，循环水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。

已知：混合气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度 3190kg m ρ= 定压比热容1 3.297p c kj kg =g ℃ 热导率10.0279w m λ=g ℃ 粘度51 1.510Pa s μ-=⨯g循环水在34℃下的物性数据： 密度 31994.3kg m ρ= 定压比热容1 4.174p c kj kg =g K 热导率10.624w m λ=g K 粘度310.74210Pa s μ-=⨯g二、确定设计方案1． 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110℃ 出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。

2． 管程安排从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。

但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，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。

三、确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。

故壳程混和气体的定性温度为T=260110+ =85℃ 管程流体的定性温度为t=3422939=+℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。

对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。

若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。

混和气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 31/90m kg =ρ定压比热容 1p c =3.297kj/kg •℃热导率 1λ=0.0279w/m •℃粘度 1μ=1.5×10-5Pa •s循环水在34℃ 下的物性数据：密度 1ρ=994.3㎏/m 3定压比热容 1p c =4.174kj/kg •K热导率1λ=0.624w/m •K粘度 1μ=0.742×10-3Pa •s四、估算传热面积1.热流量Q 1=111t c m p ∆=231801× 3.297×(110-60)=3.82×107kj/h=10614.554kw2.平均传热温差先按照纯逆流计算，得 m t ∆=K3.48296039110ln)2960()39110(=-----3.传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K 值。

假设K=320W/(㎡k)则估算的传热面积为Ap=2176.6863.4832010614554m t K Q m =⨯=∆4.冷却水用量 m =ipi t c Q ∆1=h kg s kg /2.915486/3.2541010174.4106145543==⨯⨯五、工艺结构尺寸1．管径和管内流速 选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u 1=1.3m/s 。

2．管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns=6273.102.0785.0)3.9943600/(2.915486422≈⨯⨯⨯=ud Vi π按单程管计算，所需的传热管长度为 L=m n d A so p14627025.014.376.686≈⨯⨯=π按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=7m ，则该换热器的管程数为 Np=2714==l L 传热管总根数 Nt=627×2=12543.传热温差校平均正及壳程数 平均温差校正系数： R=5293960110t t T -T 1221=--=-P=124.0291102939t T t t 1112=--=--按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图5-19得：96.0=∆t ε平均传热温差46.448.30.96=⨯=∆=∆∆塑m t mt tεK由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

4.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。

见【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-13。

取管心距t=1.25d 0，则 t=1.25×25=31.25≈32㎜隔板中心到离其最.近一排管中心距离： S=t/2+6=32/2+6=22㎜ 各程相邻管的管心距为44㎜。

管数的分程方法，每程各有传热管627根，其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-8选取。

5．壳体内径 采用多管程结构，进行壳体内径估算。

取管板利用率η=0.75 ，则壳体内径 为：D=1.05tmm N T 137457.0/12543205.1/=⨯=η按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm筒体直径校核计算：壳体的内径i D 应等于或大于（在浮头式换热器中）管板的直径，所以管板直径 的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：e 21n t D c i +-=）（ Θ管子按正三角形排列：3912541.1N 1.1n t c =⨯==取e=1.20d =1.2⨯25=30mm∴i D =32 ⨯（39-1）+2 ⨯30 =1276mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：i D =1400mm6．折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×1400=350m ，故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D ，则 B=0.3×1400=420mm ，可取B 为450mm 。

折流板数目1414.5145070001N B ≈=-=-=折流板间距传热管长折流板圆缺面水平装配，见图：【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-9。

7．其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为1400mm ，故其拉杆直径为Ф16拉杆数量8，其中长度5950mm 的六根，5500mm 的两根。

壳程入口处，应设置防冲挡板。

8．接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u 1=10m/s ，则接管内径为302.01014.3)903600/(23180144VD 1=⨯⨯⨯==πμ圆整后可取管内径为300mm 。

管程流体进出口接管：取接管内液体流速u 2=2.5m/s ，则接管内径为361.05.214.3)3.9943600/(2.91548642=⨯⨯⨯=D圆整后去管内径为360mm六、换热器核算1． 热流量核算（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式【化学工业出版社《化工原理》（第三版） 上册】：式（5-72a ）： 14.03155.0010)(Pr Re 36.0wed μμλα= 当量直径，依【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：式（5-73a ）得e d =m d d t oo 02.0]423[422=-ππ 壳程流通截面积：1378.0)32251(1400450)1(S =-⨯=-=t d BD o o 壳程流体流速及其雷诺数分别为s m u o /2.51378.0)903600/(231801=⨯=624000105.1902.502.0u d Re 50e =⨯⨯⨯==-1μρo普朗特数773.10279.0105.110297.3c Pr 53p -⨯⨯⨯==λμ粘度校正1)(14.0≈wμμK m w o ⋅=⨯⨯⨯=23155.0/7.935773.162400002.00279.036.0α（2）管内表面传热系数： 4.08.0Pr Re 023.0iii d λα=管程流体流通截面积：1969.02125402.0785.02=⨯⨯=i S 管程流体流速：s m u i /3.11969.0)3.9943600/(2.915486=⨯=雷诺数： 34841)10742.0/(3.9943.102.0Re 3≈⨯⨯⨯=-普朗特数：96.4624.010742.010174.4Pr 33=⨯⨯⨯=K /585896.43484102.0624.0023.024.08.0⋅=⨯⨯⨯=m w i α（3）污垢热阻和管壁热阻：【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：表5-5取： 管外侧污垢热阻 w k m R o /0004.02⋅= 管内侧污垢热阻w k m R i /0006.02⋅=管壁热阻按【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图5-4查得碳钢在该条 件下的热导率为50w/(m ·K)。