浮头式换热器的设计

课程设计

课程名称：化工原理

设计题目：浮头式换热器的设计 学院专业：环境学院环境XX 年级班别：08环境XXX班 学 号：3108XXXXXX 学生姓名：XXX

联系方式：hdpzdn@sina.com 任课教师：XXX

2011年月日

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一、前言

本次课程设计的题目是浮头式换热器的设计。目的是培养我们综合运用本门课程及有关先修课程的基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力。目标为：设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。设计条件如下：管程和壳程的压力均不大于1.0MPa，管程和壳程的压力降均不大于30kPa。物料为庚烷，Wh =1750t/d。

这次设计中的主要内容为换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。 二、方案设计

1、冷却剂的选用：冷水，t1＝30℃； 2、换热器型式的选择：浮头式；

3、流体管壳程的选择：冷水走管程，庚烷走壳程； 4、流体流动方向的选择：二管程+单壳程； 三、工艺设计

1、查出物料的正常沸点：T1＝98.4℃ 2、选定物料的出口温度：T2＝46℃

3、选定加热剂的进出口温度：t1＝30℃，t2＝43℃ 4、计算逆流传热平均温度差：

tm逆t1t2(98.443)(4630)31.7C t1(98.443)lnln(4630)t25、校正传热平均温度差：

T1T298.4464t2t14330

t2t14330P0.19T1t198.430R根据查表可得，f(RP) =0.87

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tm折.tm逆0.8731.727.6C

6、计算出定性温度Tm、tm和管壁定性温度tsm

11T1T2(98.446)72.2C（庚烷） 2211tm(t1t2)(4330)36.5C（冷水）

2211tsm(Tmtm)(72.236.5)54.4C（管壁）

227、 查出物料和加热剂的物性参数： Tm 庚烷 冷水 ρ(kg*m-3) 638 993.4 cp(J*kg-1*K-1) 2369.7 4174 μ(Pa*s) 2.5X10-4 7.1X10-4 λ(w*m-1*K-1) 0.107 0.629 管壁（铜）的导热系数选为381.3w/mk 8、计算热负荷：

QWhcph(T2T1)175010002369.7(98.446)2.515106W

2436009、根据总传热系数K的大致范围，初选总传热系数定K0＝500W/(m2.K) 10、初算传热面积：

Q2.515106S0182.39m2

K0tm折50027.611、根据工艺条件，选定公称压力PN1.0MPa 12、根据流体物性，选定换热管材为铜

13、由初算传热面积s0和选定的公称压力PN，初定换热器的工艺尺寸： 实际换热面213.5m2 管子的排列正方形转 公称直径管长L 管径×壁厚 19X2 800mm 6000m厚Φ管心距t 管程壳程数 25mm 2 1 总管数n 中心排管管程流通面610 19 0.0539m2 折流扳间折流板型式 150mm 25%圆缺形 14、计算物料的流量Wc和加热剂的流量Wh：

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Q2.515106Wc46.35kg/s

cpct2t14174(4330)15、计算管程流速ui：

uiViW46.35i0.87m/s AiAi993.40.0539因为ui在0.5-3m/s,所以满足要求 16、计算管程对流传热系数i：

管程中的冷水n=0.4

duCui0.023iiiipidiii0.80.4

0.80.441747.11040.6290.0150.87993.40.0230.0157.11040.6294594.27wm2k

17、计算壳程当量直径de和流速u0

4t2d0240.02520.0192440.0229m ded00.019Aoh(Dncdo)0.15(0.8190.019)0.066m2 VoWo1750000uo0.48m/sAoAo2436006380.066uo0.2~1.5m/s,满足要求 18、计算壳程对流传热系数0：

液体被冷却w0.140.95

0.55deu0000.360de0Cp000130w0.550.140.1070.02290.486380.360.02292.5104792.3wm2k

2369.72.510430.950.10714

19、根据冷热流体的性质及温度，选定污垢热阻：

RSi17.6105m2C/w和RS017.6105m2Cw

20、计算总传热系数K'：

dmdodi0.0190.0150.01692m d00.019lnln0.015di＝381.3w/mk

d0bd011d01RRSiS0K'idididm010.0190.0190.0020.019117.610517.6105 4594.270.0150.015381.30.01693792.3得K=514.77wm2k 21、计算传热面积S'：

Q2.515106S`177.16m2

K`tm折514.7727.622、核算实际面积:

1.15S213.51.2051.25，符合要求 'S177.1623、核算压力降： ⑴ 管程压力降：

Reidiuiii0.0150.8218812.54 2.10851044.7510对于铜,取＝0.015，

di＝0.15＝0.001查表得＝0.027 15Ft1.5，NS1，Np2

2liui26993.40.87Pec0.0271.54578.04Pa 1d20.0152iiui2993.40.872P231116.6Pa 3225

PPPFNsN4578.041116.61.51217.08KPa30KPa

i12tp⑵壳程压力降： F＝0.4nc＝19

Re0deu0000.02290.486384 2.8151042.510f05.0Re0.2285.0(2.815104)0.2280.4836L0.160.11139h0.1520u0'P1Ff0ncNB126380.48210900.2Pa 0.40.4836193912NB22h0u021506380.4829036.5Pa P2NB3.5393.5D28002'PPPFN10900.29036.51.15122.93KPa30KPa

0'1'2ss满足设计要求 四、结构设计

1、根据GB151-99P21表8，选定圆筒厚度为12mm 2、椭圆形封头（JB/T4737-95）：

固定浮动 公称直径800mm 900mm 曲面高度200mm 225mm 直边高度40mm 40mm 厚度内表面积12mm 0.7943m2 12mm 0.9911m2 容积 0.0871m30.102m3 质量 75.1kg 93.39kg 6

3、管箱短节厚度（GB151-99P20）：12mm

4、压力容器法兰：（JB4701-92（2个甲型凹型），JB4703-92（长颈凹型）） 甲型平焊法兰（凹面密封面）：

DN/mm D/mm D1/mm D2/mm D3/mm δ/mm d/mm 800 长颈凹型：(mm)

930 0 855 845 54 23 螺柱规格 螺柱数量 法兰质量 Kg M20 40 70.17

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DN 900 a 17 D 1040 a1 14 D1 1000 δ1 12 D2 965 δ2 22 D3 955 R 12 D4 952 d 23 δ 52 螺柱规格 M20 H 105 螺柱数量 36 h 25 δ0 10 5、外头盖侧法兰（JB4721-92（凸型）(mm)

DN 800 a1 14 D 1040 δ1 12 D1 1000 δ2 26 D2 965 R 12 D3 955 d 23 D4 952 δ 46 H 110 δ0 10 h 42 螺柱规格 螺柱数量 M20 36 6、管板（《化工过程及设备设计》P28~36）： 固定式板式

浮动式管板式

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已知：Φ = 19， D = 800， PN = 1.0MPa，Np = 2，查得

公称压力 AKg/cm2 固定式 1.0 浮动式 1.0 mm Bmm Cmm bmm MX×L 管孔数 净重（kgf） 842 790 796 762 796 762 48 48 M24×30 M24×30 2 2 136.2 113 7.钩圈式浮头（GB151-99P82图50） B型

b=4mm b1=5mm bn =15mmb2=bn +1.5 =15 +1.5=16.5mmc=65mmDi=800mmDf0 =Di +80=800 +80 =880

Dfi =Di-2(b1+ bn)=800-2(5+15)=760mmDL=Di -2(b1+ b2 +b)= 800 -2(5+16.5 +4)=749 mmD = Di +100= 800+100=900mmD0=Di -2b1=800-25=790mm 8、分程隔板（GB151-99P20表6和图9） 分层隔板的最小厚度为：10mm

9、分程隔板槽两侧相邻管中心距（GB151-99P24表12和图12） 隔板槽两侧相邻换热管外径d 换热管中心距S 管中心距Sn 19mm 25mm 38mm

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10、布管限定圆（GB151-99P25表13和图13）

由D=800, 查得 b>3,取b=4mm b1=5mmbn =15mmb2=bn +1.5 =15+1.5=16.5mmDL= Di -2 (b1+b2 +b ) = 800-2(5+16.5+4) = 749mm

11、拉杆的直径、数量和尺寸（GB151-99P77~78表43、表44、表45和图42） 拉杆直径dn/mm 拉杆数量n 拉杆螺纹公称直径dn/mm La/mm 12 8 12 15 Lb/mm 50b/mm 2.0

12、拉杆孔（GB151-99P27公式(16)、P28图16(b)）

螺孔深度：l21.5dn1.51218mm

13、换热管与管板的连接（强度焊）（GB151-99P71表33和图34(a)）

换热管最小伸出长度l1/mm 最小坡口深度l2/mm 2

1.5 14、折流板的厚度和外径（GB151-99P74表34、P75表41）

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折流板名义外直径:

DN4.58004.5795.5mm

折流板直径允许偏差: 0-0.8

折流板的最小厚度为：min6mm

15、接管（《化工单元设备设计》P33和《化工原理》P350热轧无缝纲管） a．壳程中物料庚烷适宜流速u1.5~3.0m/s 物料初选u=1.8m/s

di4V417500000.149m u1.8638243600选择所以选取管的规格为1594.5mm 核算,u4V417500001.79m/s 22di(0.1590.009)638符合1.5m/sd04V446.350.206m u1.4993.4选择所以选取管的规格为2196mm 核算,u4V446.351.38m/s d2i(0.2190.012)2993.4 符合 1.0m/s16、管法兰（《化工单元设备设计》P256~258，HG20593-97）： 冷水 庚烷 DN/mm A1/mm D/mm K/mm L/mm n Th/mm C/mm B1/mm m/kg 200 150 219 159 340 295 285 240 22 12 M20 22 8 M20 20 24 222 9.24 161 7.61 11

17、防冲板或导流筒（GB151-99P78~79）

由于管程不采用轴向入口且ui3m/s，所以不用设置防冲板

壳程26381.792044.2kg/(m.s2)2230kg/(m.s2)，故不需设防冲板 18、鞍式支座（《化工单元设备设计》P263~267，JB/T4712-92），建议选BI型

DN Q h 底板 腹板 筋板 l3 b3 δ3 400 120 10 弧长 940 垫板 b4 δ4 e l2 2l1 b1 δ1 δ2 10 800 220 200 720 150 10 200 6 36 530

19、组装尺寸（JB/T4714-92P13~15）

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L/mm 6000 B/mm 370 DN/mm 800 D/mm 800 F/mm 4000 H/mm 200 G/mm 4920 dn/mm 200 E/mm 400 C/mm 200

五、设计体会

时间如流水，转眼之间我们的课程设计即将结束。本次设计是大学以来的第一次课程设计，极为重要，同时这次课程设计让我受益匪浅。

首先，这次课程设计对培养我的实际工程能力具有重要意义。通过课程设计，我把先修课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合地加以动用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产实践密切地结合起来。这次设计，初步培养了我对压力容器设计的工作能力；树立正确的设计的思想；掌握一些容器设计有基本方法和步骤，为以后进行设计工作打下了良好的基础。另外还使我能训练地应用有关参考资料、计算图表、手册；熟悉有关的国家标准，为成为一个工程技术人员在培养基本技能。

其次，我从这次设计中得到了以下经验： 1、设计前应做好计划 1). 学习计划

在设计前进行相关知识的系统学习，包括过程设备的结构特点以及autoCAD软件的熟悉；设计时对此设计内容进行学习。 2). 布图计划

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①设置图层（便于整体修改）；②颜色不宜多；③细节使用应注意。 2、设计中应做到以下几点： 1).学习相关基础知识。

2).借鉴以前的实例，对别人的设计多问几个为什么。 3).向指导老师以及工厂的工程师咨询，与同学讨论。 3、关于计算

首先，计算公式必须符合规范的要求，在多种公式中选择更安全、更合理的公式；其次，计算的步骤可以参照以往的计算书或者其它资料，计算的每一步结果都要确保正确；最后，要认真地对计算书进行检查校正。

4、关于制图

首先，图框应按标准纸张画；其次，标注必须充分并且剖面的位置要正确。总之，要尽量避免错误。

最后，我想说：通过这次设计，使我的各方面的能力得到提高和增强，不仅在画图和计算机能力得到提高，还有增强了我的思考和创新能力。但是由于水平的有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处，恳请各位老师和同学批评指正。 六、参考资料

1、《常用化工单元设备设计》 李功样 陈兰英 崔英德 编 华南理工大学出版社 2、《化工原理》王志魁 刘丽英 刘伟编 化学工业出版社 3、《化工过程及设备设计》 4、GB151－99 5、JB/T4737-95 6、JB/T4701-92 7、HG20593-97 8、JB/T4712-92 9、JB/T4714-92