酒泉职业技术学院毕业设计（论文）2013 级石油化工生产技术专业题目：列管式换热器设计毕业时间： 2015年7月学生姓名：陈泽功刘升衡李侠虎指导教师：王钰班级： 13级石化（3）班2015 年 4月20日酒泉职业技术学院 2013 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表答辩小组评价意见及评分成绩：签字（盖章）年月日教学系毕业实践环节指导小组意见签字（盖章）年月日学院毕业实践环节指导委员会审核意见签字（盖章）年月日一、列管式换热器计任务书某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从102℃冷却至40℃。
已知有机料液的流量为2.23×104 kg/h，循环冷却水入口温度为30℃，出口温度为40℃，并要求管程压降与壳程压降均不大于60kPa，试设计一台列管换热器，完成该生产任务。
已知：有机料液在71℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）密度定压比热容℃热导率℃粘度循环水在35℃下的物性数据：密度定压比热容K热导率K粘度二、确定设计方案（1）选择换热器的类型（2）两流体温的变化情况：热流体进口温度102℃出口温度40℃；冷流体进口温度30℃，出口温度为40℃，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。
（3）管程安排从两物流的操作压力看，应使有机料液走管程，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= =71℃管程流体的定性温度为t=℃根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
对有机料液来说，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。
有机料液在71℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）密度定压比热容℃热导率℃粘度循环水在35℃下的物性数据：密度定压比热容K热导率K粘度四、估算传热面积（一）热流量Q1==22300×4.19×(102-40)=5.79×106kj/h =1609.193kw（二）平均传热温差先按照纯逆流计算，得=（三）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=640W/(㎡k)则估算的传热面积为Ap=（四）冷却水用量m==五、工艺结构尺寸（一）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u1=1.1m/s。
（二）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=按单程管计算，所需的传热管长度为L=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=6m，则该换热器的管程数为Np=传热管总根数 Nt=111×2=222（三）传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数：R=P=按单壳程，双管程结构，平均传热温差K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。
（四）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=1.25d0，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222根，其前后管程中隔板设置和介质的流通顺序按（五）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=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=600mm筒体直径校核计算：壳体的内径应等于或大于（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：（六）管子按正三角形排列：取e=1.2=1.225=30mm=32 （17-1）+2 30 =572mm 按壳体直径标准系列尺寸进行圆整：=600mm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=0.25×600=150m，故可取h=150mm 取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3×600=180mm，可取B为200mm。
折流板数目折流板圆缺面水平装配。
（七）其他附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为600mm，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。
（八）接管壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为30mm。
管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为140mm六、换热器核算（一）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）：当量直径，依式（5-73a）得=壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数粘度校正2.管内表面传热系数：管程流体流通截面积：管程流体流速：雷诺数：普朗特数：3.污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻管内侧污垢热阻4.传热系数有：碳钢在该条件下的热导率为50w/(m·K)。
所以5.传热面积裕度：计算传热面积Ac：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
（二）壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式计算。
由于该换热器用循环水冷却，传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。
但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。
计算中，应该按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。
于是有：式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为0.4×40+0.6×15=34℃(102+40)/2=71℃4946w/㎡·K1076.5w/㎡·K传热管平均壁温℃壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=71℃。
壳体壁温和传热管壁温之差为℃。
该温差较大，故需要设温度补偿装置。
由于换热器壳程压力较大，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。
（三）换热器内流体的流动阻力1.管程流体阻力, ,由Re=28528，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图:【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图1-27得，流速=1.1m/s,, 所以：管程流体阻力在允许范围之内。
2.壳程阻力：按式计算, , .15流体流经管束的阻力F=0.50.5×0.63×16.4×(29+1)×=4400.9Pa流体流过折流板缺口的阻力, B=0.3m , D=0.6mPa总阻力4400.9+2058.8=6460Pa由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。
3.换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率138260 22300进/出口温度/℃30/40 102/40压力/MPa 0.4 6.9定性温度/℃35 71密度/（kg/m3）994 986 定压比热容/[kj/（kg•K）] 4.174 4.19 粘度/（Pa•s）0.728×0.54×热导率（W/m•K）0.626 0.662 普朗特数 4.85 3.416设备结构参数形式固定管板式壳程数 1壳体内径/㎜600 台数 1管径/㎜Φ25×2.5 管心距/㎜32管长/㎜8000 管子排列正三角形排列管数目/根222 折流板数/个29传热面积/㎡88.225 折流板间距/㎜200管程数 2 材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s） 1.1 0.24 表面传热系数/[W/（㎡•K）] 4946 1076.5 污垢热阻/（㎡•K/W） 3.4394× 1.7197阻力/ MPa 0.035 0.0065热流量/KW 1609.193传热温差/K 28.5传热系数/[W/（㎡•K）] 600裕度/% 34%七、结构设计（一）固定管板及钩圈法兰结构设计：由于换热器的内径已确定，采用标准内径决、定固定管板外径及各结构尺寸。
结构尺寸为：固定管板外径：固定管板外径与壳体内径间隙：取（见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：表4-16）；垫片宽度：取固定管板密封面宽度：固定法兰和钩圈的内直径：固定法兰和钩圈的外直径：外头盖内径：螺栓中心圆直径：(二)管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计：依工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径800，按JB4703-92长颈对焊法标准选取。
并确定各结构尺寸，见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-50（a）所示。
（三）管箱结构设计：选用B型封头管箱，因换热器直径较大，且为二管程，其管箱最小长度可不按流道面积计算，只考虑相邻焊缝间距离计算：取管箱长为1300mm，管道分程隔板厚度取14mm，管箱结构如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-50（a）所示。
（四）固定端管板结构设计：依据选定的管箱法兰，管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为：D=1506mm；结构如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-50（b）所示。
（五）外头盖法兰、外头盖侧法兰设计：依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径；按JB4703-93长颈法兰标准选取并确定尺寸。
（六）外头盖结构设计：外头盖结构如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-51所示。
轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰及钩圈强度计算确定厚度后决定，见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-51。
（七）垫片选择：a.管箱垫片：根据管程操作条件选石棉橡胶垫。
结构尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-39（b）所示：b.外头盖垫片：根据壳程操作条件选缠绕式垫片，垫片：（JB4705-92）缠绕式垫片。
c.固定垫片：根据管壳程压差，混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫，以浮动管板结构确定垫片结构尺寸为1390mm；厚度为3mm;JB4706-92金属包垫片。
（八）鞍座选用及安装位置确定：鞍座选用JB/T4712-92鞍座BI1400-F/S；安装尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-44所示其中：取：（九）折流板布置：折流板尺寸：外径：；厚度取8mm前端折流板距管板的距离至少为850mm；结构调整为900mm；见《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）：图4-50（c）后端折流板距固定管板的距离至少为950mm；实际折流板间距B=300mm，计算折流板数为49块。