化工原理課程設計——列管式換熱器設計

1、<p><b>　　課 程 設 計</b></p><p><b>　　列管式換熱器的設計</b></p><p>　　高分子材料與工程09-1班</p><p>　　2012年6月29日</p><p><b>　　課程設計任務</b></p><

2、;p>　　設計題目：列管式換熱器設計</p><p>　　設計時間：2012.6.18 -2012.6.29</p><p><b>　　指導老師：何兵</b></p><p>　　設計任務：年處理噸40%乙醇水溶液的精餾塔預熱器</p><p>　　設備型式 臥式列管式換熱器。</p><p

3、><b>　　操作條件</b></p><p>　?。?）原料溫度20℃，進料熱狀況參數(shù)q=1.0;</p><p>　?。?）加熱蒸汽采用絕壓0.6MPa的飽和蒸汽;</p><p>　　（3）允許壓強降：不大于Pa;</p><p>　?。?）每年按330天計算，每天24小時連續(xù)運行;</p>&

4、lt;p>　?。?）設備最大承受壓力：P=2.5Mpa;</p><p><b>　　設計報告：</b></p><p><b>　　設計說明書一份</b></p><p>　　主體設備總裝圖（1#圖紙）一張，帶控制點工藝流程圖（3#圖紙）</p><p><b>　　目錄</

5、b></p><p><b>　　1 前言4</b></p><p><b>　　1.1乙醇簡介4</b></p><p>　　1.2換熱器概述4</p><p>　　1.2.1 換熱器的應用4</p><p>　　1.2.2 換熱器的主要分類5</p&

6、gt;<p>　　1.2.3 管殼式換熱器特殊結構8</p><p>　　1.2.4 換熱管簡介9</p><p>　　2.工藝流程設計的基本原則9</p><p>　　3. 設計方案及設計計算10</p><p>　　3.1初選型號10</p><p>　　3.1.1確定流體通入空間10&l

7、t;/p><p>　　3.1.2確定流體的定性溫度，物性數(shù)據(jù)，并選擇列管式換熱器的形式10</p><p>　　3.1.3計算熱負荷13</p><p>　　3.1.4計算平均溫差13</p><p>　　3.1.5初選換熱器規(guī)格14</p><p>　　3.2 核算總傳熱系數(shù)15</p><

8、p>　　3.2.1計算管程對流傳熱系數(shù)15</p><p>　　3.2.2計算殼程對流傳熱系數(shù)16</p><p>　　3.2.3 確定污垢熱阻16</p><p>　　3.3計算壓強降18</p><p>　　4．換熱器的結構設計19</p><p>　　4.1管板材料及結構19</p>

9、<p>　　4.2傳熱管排列和分程方法19</p><p>　　4.3殼體內徑20</p><p>　　4.4折流擋板21</p><p>　　4.5換熱管與管板的連接22</p><p>　　4.6殼體和管箱材料的選擇23</p><p>　　4.7導流筒和防沖板23</p>

10、<p>　　4.8接管最小位置計算23</p><p>　　4.9拉桿與定距管24</p><p>　　4.10 排液口和排氣口25</p><p><b>　　4.11支座25</b></p><p>　　4.12法蘭設計26</p><p>　　4.12.1筒體法蘭26&

11、lt;/p><p>　　4.12.2接管法蘭26</p><p>　　4.13泵的選擇26</p><p><b>　　5 校驗27</b></p><p>　　5.1接管壁厚校驗27</p><p>　　5.2封頭設計及校核29</p><p>　　5.3殼程筒體

12、校核30</p><p>　　5.4管板、管子強度校核：31</p><p>　　5.5溫差應力補償32</p><p>　　5.6拉拖力校驗32</p><p>　　6 換熱器主要結構尺寸和計算結果列表：34</p><p>　　7 課程設計個人心得36</p><p>　　8

13、主要符號說明37</p><p><b>　　附錄一38</b></p><p><b>　　附錄二39</b></p><p><b>　　參考文獻41</b></p><p>　　摘要：換熱器是廣泛應用于化工、石油化工、動力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設

14、備。根據(jù)乙醇預熱工藝要求與物料特性,設計了浮頭式換熱器。設計包括初步選型，經(jīng)濟優(yōu)化，結構強度設計。最后選擇換熱器的規(guī)格為 ：殼徑426mm，公稱面積20.9m，管程數(shù)為2，總管數(shù)120，管長 3，管子排列方法為正三角形，傳熱面積裕度為13.7%。經(jīng)過強度設計確定折流擋板數(shù)14個，折流板間距為200mm。主要尺寸為筒體壁厚6mm，封頭厚6mm。</p><p>　　關鍵詞： 列管式換熱器 ，管板，法蘭</p&

15、gt;<p>　　Abstract：Heat exchanger is widely used for chemical, petrochemical, power, pharmaceutical, metallurgy, refrigeration, light industries as a generic equipment. In accordance with the warming processes of a

16、lcohol and the properties of materials, we choose the fixed tube heat-exchanger. The designing processes include initial choice of models, economic optimization, and structural strength design. The final selection of the

17、 heat exchanger: The diameter of the receiver is426mm, and the area is20.9, </p><p>　　Keywords: the fixed tube heat-exchanger，tube sheet, pipe flange</p><p><b>　　1 前言</b></p>

18、<p><b>　　1.1乙醇簡介</b></p><p>　　乙醇是在常溫、常壓下是一種無色、透明、有香味、易揮發(fā)的液體，熔點， 沸點，凝乙醇簡介固點為．密度,能與水及大多數(shù)有機溶劑以任意比混溶。乙醇易燃,它的爆炸極限為3.5％～18％,閃點11,使用時須注意安全。工業(yè)酒精含乙醇約95％。含乙醇達99.5％以上的酒精稱無水乙醇。含乙醇95.6％,水4.4％的酒精是恒沸混合液,沸

19、點為78.15，其中少量的水無法用蒸餾法除去。</p><p>　　乙醇在工業(yè)、醫(yī)藥、民用等方面，都有很廣泛的應用，是很重要的一種原料。在很多方面，要求乙醇有不同的純度，有時要求純度很高，甚至是無水乙醇，這是很有困難的，因為乙醇極具揮發(fā)性，也極具溶解性，所以，想要得到高純度的乙醇很困難。</p><p>　　乙醇-水體系為高度非理想物系，有最低恒沸點，在恒沸點處，相平衡線與對角線相交。&l

20、t;/p><p><b>　　1.2換熱器概述</b></p><p>　　過程設備在生產(chǎn)技術領域中的應用十分廣泛，是在化工、煉油、輕工、交通、食品、制藥、冶金、紡織、城建、海洋工程等傳統(tǒng)部門所必需的關鍵設備，而換熱設備則是廣泛使用的一種通用的過程設備。在化工廠中，換熱設備的投資約占總投資的10％～20％；在煉油廠，約占總投資的35％～40％。</p>&l

21、t;p>　　1.2.1 換熱器的應用</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是將能量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，是流體溫度達到工藝流程規(guī)定的指標，以滿足工藝流程上的需要。此外，換熱器也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，高爐爐氣（約1500）的余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供汽、供熱等的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。</

22、p><p>　　隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱極力的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼面世。</p><p>　　1.2.2 換熱器的主要分類</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和物料特性的不同，出現(xiàn)了不同形式和結構的換熱器。</p><

23、;p>　　（一） 換熱器的分類及特點</p><p>　　按照傳熱方式的不同，換熱器可分為三類：</p><p>　　1.直接接觸式換熱器</p><p>　　又稱混合式換熱器，它是利用冷、熱流體直接接觸與混合的作用進行熱量的交換。這類換熱器的結構簡單、價格便宜，常做成塔狀，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。</p><p>&l

24、t;b>　　2.蓄熱式換熱器</b></p><p>　　在這類換熱器中，熱量傳遞是通過格子磚或填料等蓄熱體來完成的。首先讓熱流體通過，把熱量積蓄在蓄熱體中，然后再讓冷流體通過，把熱量帶走。由于兩種流體交變轉換輸入，因此不可避免地存在著一小部分流體相互摻和的現(xiàn)象，造成流體的“污染”。</p><p>　　蓄熱式換熱器結構緊湊、價格便宜，單位體積傳熱面比較大，故較適合用于氣

25、--氣熱交換的場合。</p><p><b>　　3.間壁式換熱器</b></p><p>　　這是工業(yè)中最為廣泛使用的一類換熱器。冷、熱流體被一固體壁面隔開，通過壁面進行傳熱。按照傳熱面的形狀與結構特點它又可分為：</p><p>　　管式換熱器：如套管式、螺旋管式、管殼式、熱管式等；</p><p>　　板面式換熱器

26、：如板式、螺旋板式、板殼式等；</p><p>　　擴展表面式換熱器：如板翅式、管翅式、強化的傳熱管等。</p><p>　　（二） 管殼式換熱器的分類及特點</p><p>　　由于設計題目是浮頭式換熱器的設計，而浮頭式又屬于管殼式換熱器，故特此介紹管殼式換熱器的主要類型以及結構特點。</p><p>　　管殼式換熱器是目前用得最為廣泛的一

27、種換熱器，主要是由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成，其具體結構如下圖所示。殼體多為圓筒形，內部放置了由許多管子組成的管束，管子的兩端固定在管板上，管子的軸線與殼體的軸線平行。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。為了增加殼程流體的速度以改善傳熱，在殼體內安裝了折流板。折流板可以提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強流體湍流程度。</p><

28、;p>　　流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次就稱為一個殼程，而圖1-2-1所示為最簡單的單殼程單管程換熱器。為提高管內流體速度，可在兩端管箱內設置隔板，將全部管子均分為若干組。這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程；同樣。為提高管外流速，也可以在殼體內安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可以配合使用。</p><p>　　這種換熱器的結構不算

29、復雜，造價不高，可選用多種結構材料，管內清洗方便，適應性強，處理量較大，高溫高壓條件下也能應用，但傳熱效率、結構的緊湊性、單位傳熱面的金屬消耗量等方面尚有待改善。</p><p>　　由于管內外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩流體溫度相差較大，換熱器內將產(chǎn)生很大的熱應力，導致管子彎曲、斷裂或從管板上拉脫。因此，當管束與殼體溫度差超過50時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。根據(jù)所采

30、用的補償措施，管殼式換熱器可以分為以下幾種主要類型：</p><p>　　固定管板式換熱器：換熱器的管端以焊接或脹接的方法固定在兩塊管板上，而管板則以焊接的方法與殼體相連。與其它型式的管殼式換熱器相比，結構簡單，當殼體直徑相同時，可安排更多的管子，也便于分程，同時制造成本較低。由于不存在彎管部分，管內不易積聚污垢，即使產(chǎn)生污垢也便于清洗。如果管子發(fā)生泄漏或損壞，也便于進行堵管或換管，但無法在管子的外表面進行機械清

31、洗，且難以檢查，不適宜處理臟的或有腐蝕性的介質。更主要的缺點是當殼體與管子的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，在殼體與管中將產(chǎn)生較大的溫差應力，因此為了減少溫差應力，通常需在殼體上設置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大變形的能力來降低管束與殼體中的溫差應力。</p><p>　　浮頭式換熱器：其結構如圖2所示。管子一端固定在一塊固定管板上，管板夾持在殼體法蘭與管箱法蘭之間，用螺栓連接；管子另一端固定在浮頭管板

32、上，浮頭管板夾持在用螺柱連接的浮頭蓋與鉤圈之間，形成可在殼體內自由移動的浮頭，故當管束與殼體受熱伸長時，兩者互不牽制，因而不會產(chǎn)生溫差應力。浮頭部分是由浮頭管板，鉤圈與浮頭端蓋組成的可拆聯(lián)接，因此可以容易抽出管束，故管內管外都能進行清洗，也便于檢修。由上述特點可知，浮頭式換熱器多用于溫度波動和溫差大的場合，盡管與固定管板式換熱器相比其結構更復雜、造價更高。</p><p>　　U型管式換熱器：一束管子被彎制成不同

33、曲率半徑的U型管，其兩端固定在同一塊管板上，組成管束，從而省去了一塊管板與一個管箱。因為管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應力。其結構簡單，造價便宜，管束可以在殼體中抽出，管外清洗方便，但管內清洗困難，故最好讓不易結垢的物料從管內通過。由于彎管的外側管壁較薄以及管束的中央部分存在較大的空隙，故U型管換熱器具有承壓能力差、傳熱能力不佳的缺點。</p><p>　　雙重管式換熱器：將一組管

34、子插入另一組相應的管子中而構成的換熱器。管程流體（B流體）從管箱進口管流入，通過內插管到達外套管的底部，然后返回，通過內插管和外套管之間的環(huán)形空間，最后從管箱出口管流出。其特點是內插管與外套管之間沒有約束，可自由伸縮。因此，它適用于溫差很大的兩流體換熱，但管程流體的阻力較大，設備造價較高。</p><p>　　填料函式換熱器：管束一端與殼體之間用填料密封，管束的另一端管板與浮頭式換熱器同樣夾持在管箱法蘭和殼體法蘭

35、之間，用螺栓連接。拆下管箱、填料壓蓋等有關零件后，可將管束抽出殼體外，便于清洗管間。管束可自由伸縮，具有與浮頭式換熱器相同的優(yōu)點。由于減少了殼體大蓋，它的結構較浮頭式換熱器簡單，造價也較低，但填料處容易泄漏，工作壓力與溫度受一定限制，直徑也不宜過大。</p><p>　　1.2.3 管殼式換熱器特殊結構</p><p>　　包括有雙殼程結構、螺旋折流板、雙管板等特殊結構，這些結構將使換熱器

36、擁有更高的工作效率。</p><p>　　雙殼程結構：在換熱器管束中間設置縱向隔板，隔板與殼體內壁用密封片阻擋物流內漏，形成雙殼程結構。適用場合：①管程流量大殼程流量小時，采用此結構流速可提高一倍，給熱系數(shù)提高1~1.2倍；②冷熱流體溫度交叉時，但殼程換熱器需要兩臺以上才能實現(xiàn)傳熱，用一臺雙殼程換熱器不僅可以實現(xiàn)傳熱，而且可以得到較大的傳熱溫差。</p><p>　　螺旋折流板式換熱器：螺

37、旋折流板可以防止死區(qū)和返混，壓降較小。物流通過這種結構換熱器時存在明顯的徑向變化，故不適用于有高熱效率要求的場合。</p><p>　　雙管板結構：在普通結構的管板處增加一個管板，形成的雙管板結構用于收集泄漏介質，防止兩程介質混合。</p><p>　　1.2.4 換熱管簡介</p><p>　　換熱管是管殼式換熱器的傳熱元件，采用高效傳熱元件是改進換熱器傳熱性能最

38、直接有效的方法。國內已使用的新效的換熱管有以下幾種：</p><p>　　螺紋管：又稱低翅片管，用光管軋制而成，適用于管外熱阻為管內熱阻1.5倍以上的單相流及渣油、蠟油等粘度大、腐蝕易結垢物料的換熱。</p><p>　　T形翅片管：用于管外沸騰時，可有效降低物料泡核點，沸騰給熱系數(shù)提高1.6～3.3倍，是蒸發(fā)器、重沸器的理想用管。</p><p>　　表面多孔管：

39、該管為光管表面形成一層多孔性金屬敷層，該敷層上密布的小孔能形成許多汽化中心，強化沸騰傳熱。</p><p>　　螺旋槽紋管：可強化管內物流間的傳熱，物料在管內靠近管壁部分流體順槽旋流，另一部分流體呈軸向渦流，前一種流動有利于減薄邊界層，后一種流動分離邊界層并增強流體擾動，傳熱系數(shù)提高1.3～1.7倍，但阻力降增加1.7～2.5倍。</p><p>　　波紋管：為擠壓成型的不銹鋼薄壁波紋管，

40、管內、管外都有強化傳熱的作用，但波紋管換熱器承壓能力不高，管心距大而排管少，殼程短而不易控制。</p><p>　　管殼式換熱器的應用已經(jīng)有悠久的歷史，而且管殼式換熱器被當作一中傳統(tǒng)的標準的換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用。尤其在化工、石油、能源設備等部門所使用的換熱設備中，管殼式換熱器仍處于主導地位，因此本次畢業(yè)設計特針對這類換熱器中的浮頭式換熱器的工藝設計以及結構設計進行介紹。</p><

41、p>　　2.工藝流程設計的基本原則</p><p>　　工程設計本身存在一個多目標優(yōu)化問題，同時又是一個政策性很強的工作，設計人員必須有優(yōu)化意識。嚴格的遵守國家的有關政策，法律規(guī)定及行業(yè)規(guī)范，特別是國家的經(jīng)濟法規(guī)，環(huán)保法規(guī)等等，一般來說，設計者應遵守以下基本原則。</p><p>　?。ㄒ唬杭夹g的先進性和可靠性</p><p>　　盡量采用當前的先進技術，實

42、現(xiàn)生產(chǎn)裝置的優(yōu)化集成，使其具有較強的市場競爭能力，同時，對于所采用的新技術要進行充分的論證，以保證設計的科學性和安全性。</p><p>　?。ǘ?裝置系統(tǒng)的經(jīng)濟性</p><p>　　在各種可采用方案的分析比較中，技術經(jīng)濟評價指標往往是關鍵的要素之一以求得最小的投資獲得最大的經(jīng)濟效益。</p><p>　?。ㄈ嚎沙掷m(xù)發(fā)展及清潔生產(chǎn)</p>&l

43、t;p>　　樹立可持續(xù)發(fā)展及清潔生產(chǎn)意識，在所選的方案中，應盡可能利用裝置系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物，減少廢棄物的排放。</p><p>　　（四）：過程的安全性</p><p>　　在設計的過程中要充分考慮到各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的危險事故，采取有效地安全措施，確保裝置系統(tǒng)的可靠運行，人員健康和人身安全。</p><p>　?。ㄎ澹哼^程操作的可操作性及可控制性<

44、;/p><p>　　裝置系統(tǒng)應便于穩(wěn)定可靠操作。當生產(chǎn)負荷或一些參數(shù)在一定范圍內波動時，應能快速的進行調節(jié)控制。</p><p><b>　?。盒袠I(yè)性法規(guī)</b></p><p>　　3. 設計方案及設計計算</p><p><b>　　3.1初選型號</b></p><p&g

45、t;　　3.1.1確定流體通入空間</p><p>　　因為加熱介質是飽和蒸汽，宜于通入殼程。乙醇水溶液則通入管內，因為飽和蒸汽對流速和清理無特別要求，并易于排除冷凝液，所以宜通入管間。</p><p>　　3.1.2確定流體的定性溫度，物性數(shù)據(jù)，并選擇列管式換熱器的形式</p><p>　　飽和蒸汽壓強為絕壓，查《化工原理》附錄4<3>得溫度，因是恒溫

46、，飽和蒸汽的定性溫度 </p><p><b>　　換算成摩爾分數(shù)</b></p><p>　　依據(jù)乙醇-水溶液（常壓）氣液平衡數(shù)據(jù)作乙醇-水的溫度-組成圖</p><p><b>　　交點為最低恒沸點</b></p><p><b>　　純水沸點</b></p>

47、<p><b>　　純乙醇沸點</b></p><p>　　由上圖讀得泡點，露點</p><p><b>　　繪制溫度-焓圖：</b></p><p><b>　　讀得：</b></p><p>　　由溫度-焓圖讀得： 時對應飽和溫

48、度，即原料液出口溫度。</p><p>　　對于一般的低粘度溶液，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值，則原料液定性溫度</p><p><b>　　兩流體的溫度差</b></p><p>　　由于兩流體溫度差大于，故選用浮頭式列管換熱器。</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。對混合液

49、體來說，最可靠的物性數(shù)據(jù)是實測值，且不具備此條件，故分別查取混合液體各組分的有關物性數(shù)據(jù)，然后按相應的加和求出混合液體的物性數(shù)據(jù)。</p><p>　　兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)：</p><p>　　注：乙醇溶液數(shù)據(jù)=0.4×飽和乙醇數(shù)據(jù)+0.6×飽和水數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.1.3計算熱負荷 </p><p&g

50、t;　　按接管內乙醇溶液計算，即</p><p>　　預計年處理50萬噸40%乙醇溶液</p><p>　　若忽略換熱器的熱損失，冷凝水又在飽和溫度下排出，蒸汽的流量可由熱量衡算求得，</p><p><b>　　即</b></p><p>　　3.1.4計算平均溫差 </p><p>　　一般

51、先按逆流計算再校核：</p><p>　　實際換熱器中，兩種流體的流動并不僅僅是簡單的并流和逆流，往往還伴有更復雜的情況，即錯流和漏流。</p><p>　　此時，先按逆流過程求算平均溫度差，然后根據(jù)流動形式加以修正，即</p><p>　　查圖：《化工課設》書P23（a）單殼程，溫差修正系數(shù)</p><p>　　3.1.5初選換熱器規(guī)格&l

52、t;/p><p>　　由（1）知，管程走乙醇水溶液，殼程走飽和蒸氣，根據(jù)《化工原理課程設計》P22表2-5，殼程為水蒸氣冷凝來加熱管內水溶液（近似看作）（μ<2.0×Pa?s）,總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值的范圍為1160~4070μ／（m2?℃），初選=2000W／（m?℃）</p><p><b>　　∴</b></p><p>　　我國列

53、管式換熱器系列標準中，傳熱管有φ19mm×2mm，φ25mm×2mm，φ25mm×2.5mm。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結構緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。據(jù)計算將同直徑換熱器的換熱管由φ25mm改為φ19mm，其傳熱面積可增加40％左右，節(jié)約金屬20％以上，但小管徑阻力大，不便清潔，易結垢堵塞，一般大管徑管子用于粘度大或污濁的流體，小管徑管子用于較清潔的流體。</p><

54、;p>　　故本課題所涉及流體均較清潔可選用19mm×2mm，</p><p>　　根據(jù)傳熱管內徑和流速確定單管程傳熱管數(shù)：</p><p>　　換熱管常用管長﹑﹑﹑﹑﹑﹑</p><p>　　換熱器的實際換熱面積</p><p>　　3.2 核算總傳熱系數(shù)</p><p>　　3.2.1計算管程對流傳熱

55、系數(shù)</p><p>　　3.2.2計算殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　因為是臥式換熱器，殼程為蒸汽在水平管束外的冷凝傳熱。假設冷凝液膜為滯流選用下式計算</p><p>　　定性溫度：蒸汽冷凝熱取其飽和溫度下的值，其余物性取液膜平均溫度下的值。</p><p>　　設管外壁溫度tw=112℃，則冷凝液膜的平均溫度為</p>

56、<p><b>　　℃</b></p><p>　　查出膜溫下水的物性常數(shù)為：</p><p>　　對于正三角形排列，橫過管束中心線的管數(shù)：</p><p>　　3.2.3 確定污垢熱阻 </p><p>　　據(jù)《化工原理課程設計》，查得：</p><p>　　3.2.4核算總傳

57、熱系數(shù)K估</p><p>　　管材為碳鋼，導熱系數(shù)</p><p>　　選用該換熱器時要求過程的實際傳熱面積，在傳熱任務所規(guī)定條件下，計算出，故所選擇的換熱器的安全裕量為13.7 %（在10%~25%之間），則該換熱器傳熱面積的裕量符合要求。</p><p>　　3.2.5 核算壁溫及冷凝液流型</p><p>　　核算壁溫時，一般忽略管壁

58、熱阻，根據(jù)下列近似關系核算tw值</p><p><b>　　3.3計算壓強降</b></p><p>　　因殼程為小蒸汽在等溫等壓下的冷凝傳熱，壓強降可忽略，故下面僅計算管程的壓強降。</p><p><b>　　取碳鋼管壁粗糙度則</b></p><p><b>　　由摩擦因數(shù)圖查得&

59、lt;/b></p><p>　　回彎管的壓強降用經(jīng)驗公式估算</p><p><b>　　對于的管子且</b></p><p>　　從上面計算可知，該換熱器壓強降符合題設要求，故所選換熱器合適。</p><p>　　4．換熱器的結構設計</p><p>　　4.1管板材料及結構</p

60、><p>　　在選擇管板材料時，除力學性能外，還應考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當流體無腐蝕性或有輕微腐蝕性時，管板一般采用用碳鋼制造的壓力容器。</p><p>　　且在滿足強度的前提下，應盡量減小管板厚度，薄管板使用與溫差不大的場合，一般厚度為10~15um，其突出優(yōu)點是節(jié)約管板材料。一般可節(jié)約70%~80%，壓力較高時可節(jié)約90%。最常用的是平面型

61、薄管板。</p><p>　　4.2傳熱管排列和分程方法</p><p>　　管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形錯列，正方形直列和正方形錯列。 </p><p>　　.正三角形錯列 .正方形直列 .正方形錯列</p><p>　　正三角形排

62、列比較緊湊，在一定的殼徑內可排列較多的管子，且傳熱效果好，但管外清洗較為困難。而正方形排列，管外清洗方便，適用于殼程中的流體易結垢的情況，其傳熱效果較正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形錯列，用于殼側流體清潔，不易結垢，后者殼側污垢可以用化學處理掉的場合。本設計中采用正三角形錯列的排列方式，而在隔板兩側采用正方形直列。</p><p>　　采用組合排列法，即每程內均按照正確的排列（三角形排列有利于流體達

63、到湍流且排列管也多）隔板兩側采用正方形排列（正方形排列有助于殼程的清流）取管心距或查《化工設備機械基礎》表15-4得t=25mm。</p><p>　　橫過管束中心線的管板根（因為管子按正三角形排列時）。</p><p><b>　　4.3殼體內徑 </b></p><p>　　采用單管程結構，對浮頭式換熱器而言，換熱器殼體的內徑應等于或大于管

64、板的直徑：</p><p>　　其中D-----殼體內徑，m,</p><p>　　t-----管中心距，m, 脹管法取 為傳熱管外徑。</p><p><b>　　4.4折流擋板</b></p><p>　　采用弓形折流板，一般切缺率（切掉圓弧的高度與殼內徑之比）通常為20%~45%，取弓形折流板圓缺高度為殼體內流的2

65、5%，則切去的圓缺高度</p><p>　?。ㄗ畛Ｓ玫恼哿靼彘g距為100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、800mm、1000mm）</p><p>　　折流板間標準管徑為50mm距在允許的壓力損失范圍內希望盡可能小，一般推薦折流板間距為殼內徑的。</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配，一般應使管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進、出

66、口管，其余折流板在管子有效長度上按等距布置。</p><p>　　靠近管板的折流板與管板間的距離l應按下式計算：</p><p><b>　??；</b></p><p>　　其中：——殼程接管位置的最小尺寸，mm； </p><p>　　——管板的名義厚度，mm；</p><p>　　——為防沖板

67、長度，若無防沖板時，應為接管的內徑，mm；</p><p>　　該臺換熱器折流板排列示意圖如下所示：</p><p>　　殼程流體進出口接管：取關內蒸汽流速（《化工原理》表1-3飽和蒸氣在下流速在20~40且按選?。?lt;/p><p><b>　　則接管內徑為</b></p><p>　　管板與換熱管采用焊接連接的復合管板

68、，其復層的最小厚度一般不小于3mm.</p><p>　　4.5換熱管與管板的連接</p><p>　　因為設計壓力不大于4.0MPa，且設計溫度不大于，操作中無劇烈振動、無過大溫度波動及無明顯的應力腐蝕，所以選擇部分脹接；</p><p>　　除了有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，強度焊接只要材料可焊性好，它可用于其它任何場合,所以殼體與管板的連接采用焊接形式；<

69、;/p><p>　　脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需采用復合管板等的場合。</p><p>　　脹焊并用的方法不僅能改善連接處的抗疲勞性能，而且還可消除應力腐蝕和縫隙腐蝕，提高使用壽命。</p><p>　　故采用脹焊接接合的接法。</p><p>　　4.6殼體和管箱材料的選擇</p><

70、p>　　由于所設計的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇為殼體與管箱的材料。</p><p>　　是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學性能和制造工藝性能，其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。</p><p>　　4.7導流筒和防沖板</p&

71、gt;<p>　　當管程采用軸向入口接管或換熱管內流體流速超過 時，以及有腐蝕的氣體、蒸汽和氣液混合物時，為減少流體的不均勻分布和流體對換熱管的直接沖蝕，應在殼程進口管處設置防沖管。防沖管外表面到圓筒內壁的距離應不小于接管外徑的；防沖管直徑或邊長應比接管外徑多出50mm，防沖管的最小厚度：碳鋼為4.5mm。</p><p>　　由于殼程流體的，管程換熱管流體的流速大于，因此在本臺換熱器的殼程

72、與管程都需要設置防沖板。</p><p>　　進、出口接管受法蘭和開孔補強等尺寸的限制，不能靠近管板，因為易造成死區(qū)。設置導流筒不僅可以防止進口處高速流體對管束的直接沖擊，而且可以使得殼程流體達到較均勻分布。</p><p>　　4.8接管最小位置計算</p><p>　　在換熱器的設計中，為了方便傳熱面積得以充分利用，殼程流體進出口接管應盡量靠近兩端管板，而管箱進

73、、出口接管應盡量靠近管箱法蘭，可縮短管箱殼體長度，減輕設備重量。然而，為了保證設備的制造、安裝，管口距管板或以管板密封面為基準。</p><p>　　殼程接管位置最小尺寸：</p><p>　　管箱接管位置最小尺寸：</p><p>　　其中,S為殼體厚度；</p><p><b>　　4.9拉桿與定距管</b><

74、/p><p>　　一般碳鋼采用拉桿和定距管形式，定距管直徑可與換熱管相同。</p><p>　　1.拉桿的結構和尺寸</p><p><b>　　a．拉桿的結構形式</b></p><p>　　換熱管外徑的管束，且，選拉桿定距結構</p><p><b>　　b．拉桿尺寸</b>

75、</p><p>　　拉桿長度L按實際需要確定</p><p>　　拉桿連接尺寸可參考《換熱器設計手冊》表1-6-36</p><p>　　c．拉桿的直徑與位置 表1-6-37與1-6-38</p><p>　　換熱管外徑 d0 </p><p>　　拉桿直徑 </p><p&

76、gt;　　公稱直徑 DN </p><p>　　接管 4</p><p><b>　　d．拉桿的位置</b></p><p>　　拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣</p><p><b>　　e．定距管尺寸</b></p><p>　　定距管的尺寸，對

77、管程是不銹鋼，管程是碳鋼的換熱器，可選用與不銹鋼換熱器管外徑相同的碳鋼管作定距管，定距管的長度按實際需要確定。</p><p>　　4.10 排液口和排氣口</p><p>　　臥式換熱器的排氣口，排液口分別開在殼體和封頭的頂部和底部</p><p><b>　　4.11支座</b></p><p>　　臥式換熱器采用鞍

78、式支座，支座中至少有一端可在基礎上自由滑動，以補償殼體伸縮。</p><p>　　由《化工設備機械基礎》附表12-2，BI型鞍座標準系列（DN159-426）</p><p><b>　　4.12法蘭設計</b></p><p>　　法蘭連接從結構功能和一般原則出發(fā)，應滿足下列基本要求：工作條件下，法蘭泄漏量被控制在工藝允許的范圍內，在各種情況

79、下能經(jīng)受一定的外載和內力，具有足夠的強度，便于多次拆裝而不致影響其密封性能；結構簡單，成本低廉， 大批生產(chǎn)，對于管法蘭，由于連接對象是標準件，因此還應特別突出互換性的要求。</p><p>　　4.12.1筒體法蘭</p><p>　　適用乙型平焊法蘭（JB4702-2000）查《化工機械設備基礎》附表10-2 P450得</p><p>　　螺柱M20 16個&

80、lt;/p><p>　　4.12.2接管法蘭 （P461 《化工設備機械基礎》 附表11-13）</p><p><b>　　4.13泵的選擇</b></p><p>　　由流量 ，揚程 11.8m ,</p><p>　　選擇IS 80-50-200，轉數(shù) 1450 ，</p><p

81、>　　軸功率1.44Kw ,</p><p><b>　　電機功率2.2Kw</b></p><p>　　效率67%的離心泵滿足要求。</p><p><b>　　5 校驗</b></p><p><b>　　5.1接管壁厚校驗</b></p><

82、p>　　課題選擇，即Q235-A，采用雙層焊及局部無損探任（），則壁厚用以下公式計算 ：</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　取，φ為局部無損檢測，雙向焊縫系數(shù)取 </p><p><b>　　不考慮修正系數(shù)時：</b></p><p>　　mm

83、<6m符合要求。</p><p>　　考慮到設備加工及磨損取C=1.8mm，則，取整 ，時，管子伸出管板高度h可取0.5~1mm（P342《化工設備機械基礎》）由P173表1-6-27換熱管最小伸出長度 。</p><p>　　任務要求是預熱40%乙醇-水溶液，且使其定管程，須使用保溫層。</p><p>　　根據(jù)設計溫度選保溫層材料為脲甲醛泡沫塑料，其物性參

84、數(shù)如下：</p><p>　　表3-4 保溫層物性參數(shù)</p><p>　　由于容器開孔以后，不僅消弱了容器的整體強度，而且還因開孔引起的應力集中以及接管和容器壁的連接造成開孔邊緣的局部的高應力，因此開孔附近就成為壓力容器的破壞源——主要是疲勞破壞和脆性裂口。因此，壓力容器設計中必須充分考慮開孔的補強問題。補強圈與筒體采用搭焊的接法.</p><p>　　參考《化工

85、設備機械基礎》可知，開孔最大直徑，可選用補強圈補強的結構形式，并且補強圈材料與器壁材料相同。</p><p>　　對于內壓容器的圓筒：</p><p><b>　　強度削弱系數(shù)</b></p><p>　　對于所選接管A=120×6=720mm，取補強圈內徑D=295mm，外徑D=465mm， 且補強圈厚度（等面積補強）圓整為

86、5mm</p><p><b>　　殼程流體接管</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　　最小伸出長度l=200mm</p><p>　　補強圈厚度A=120×6=72

87、0mm</p><p>　　取補強圈內徑，外徑，則厚度為：,圓整為5mm。</p><p>　　管板與管箱的連接：采用法蘭連接（浮頭式常采用管板可拆式連接）</p><p>　　5.2封頭設計及校核</p><p>　　由于橢圓封頭制作方便，用材少且滿足要求，故選用標準橢圓封頭</p><p><b>　　管

88、箱長</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　由于焊點與開孔點的距離應大于200mm，取管箱長度400mm，為方便焊接配套取厚度為6mm的Q235-A鋼，無接管處管等長取150mm</p><p>　　鋼板厚度負偏差，為局部無損檢測，雙面焊縫系數(shù)取</p><p>　　根據(jù)工藝要

89、求，腐蝕裕量</p><p><b>　　筒體名義厚度</b></p><p><b>　　取</b></p><p><b>　　有效厚度</b></p><p><b>　　故水壓實驗合格。</b></p><p><b&

90、gt;　　5.3殼程筒體校核</b></p><p><b>　　殼體名義厚度</b></p><p><b>　　有效厚度</b></p><p><b>　　故水壓試驗合格。</b></p><p>　　圓筒殼最大許用壓力：</p><p&g

91、t;<b>　　符合要求。</b></p><p>　　5.4管板、管子強度校核：</p><p><b>　　假設管板厚度：</b></p><p>　　一根管管壁金屬的橫截面積：</p><p>　　開孔強度削弱系數(shù)（雙程），則</p><p>　　按管板簡支考慮，依k值

92、查“《化工設備設計》圖1-61，1-62，1-51”</p><p><b>　　得</b></p><p><b>　　管板最大應力:</b></p><p><b>　　筒體內徑截面積</b></p><p>　　管板上管孔所占的總截面積:</p><p

93、><b>　　系數(shù)</b></p><p><b>　　系數(shù)</b></p><p><b>　　當量壓差</b></p><p><b>　　管子最大應力</b></p><p><b>　　或</b></p>

94、<p>　　管板、管子強度校核：</p><p><b>　　5.5溫差應力補償</b></p><p>　　因選用的是浮頭式換熱器 ，其兩端管板之一不與殼體固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，浮頭由浮頭管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內抽出。當換熱器與殼體有溫差存在，殼體或換熱管膨脹時互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力，且浮頭式適用的溫差范圍較大

95、，故不選用膨脹節(jié)。</p><p><b>　　5.6拉拖力校驗</b></p><p>　　換熱管的拉脫力必須小于許用拉脫力[q] 查表15-13《化工設備機械基礎》</p><p>　　焊接鋼管許用拉脫力為</p><p>　　6 換熱器主要結構尺寸和計算結果列表：</p><p>　　7

96、課程設計個人心得</p><p>　　為期兩周的化工原理課程設計轉眼之間就要結束了，在這個過程中，有辛苦，也有收獲，有付出，更有汗水。通過兩周以來的合作，我也從這次的學習工作中收獲了許多。</p><p>　　剛開始時，我們都不知道要做什么，因為從來沒有自己根據(jù)一個課題去設計方案，這還不是主要的，主要的是對于用計算機繪圖我們可謂是一竅不通，一切還得從頭學起。好在我們是一個團隊，經(jīng)過了簡單分

97、工就各自開始了我們的設計之路。</p><p>　　計算過程很復雜，面對各種數(shù)據(jù)，經(jīng)常算得頭都大了，密密麻麻的寫了好多頁，然后就開始自己往電腦里輸入，編輯也不是一個簡單的過程，費了很久才終于輸完，還有CAD制圖，從頭開始并不是一件簡單的事，從一個點到一條線再到一整套圖形，我們都作出了大量的努力。我負責的主要是Word文檔的編輯，相對簡單，但工作的繁雜和工作量的沉重讓我經(jīng)常感覺手有些抽筋。自己對于很多編輯工作的了解

98、并不是特別深入，期間遇到的各種各樣的問題深刻的暴露了自己學習過程中，對于很多細節(jié)性知識的盲點。通過請教老師和同學，奮戰(zhàn)兩星期后，終于完成了那么浩大的工程。編輯結束后，看著四十多頁的文檔，心里的自豪感油然而生。當然，部分細節(jié)如字母、數(shù)字和公式的編輯還是需要進一步的完善。經(jīng)過老師指點后，我又對這個文檔通篇修改了一遍。</p><p>　　從這次的設計中，我感受到了團隊合作的重要性，以及在工作和學習過程中一絲不茍的精神

99、與探索精神的重要意義。在這個過程中，每一步都需要我們付出努力。都需要我們認真的對待。每一環(huán)都是緊密聯(lián)系在一起的。不懂的東西除了需要自己的鉆研以外，尋找資料和請教老師都是非常好的方式。</p><p>　　在此課程設計即將結束的時刻，我感謝我們組員的通力合作，感謝老師和同學們給予的無私幫助。在以后的日子里，我們還需要進一步的發(fā)揚合作精神，努力奮斗。如果還有不夠完美的地方，希望得到老師的進一步指正和教育。我們肯定會在

100、第一時間進行修改。</p><p><b>　　8 主要符號說明</b></p><p>　　P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W；</p><p>　　R——熱阻，㎡·K/W； Re——雷諾準數(shù)；</p><p>　　S——傳熱面積，㎡；

101、 t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s;</p><p>　　——質量流速，㎏/h; KC——傳熱系數(shù)，W/(m·K)</p><p>　　——有限差值； ——導熱系數(shù)，W/(m·K);</p><

102、;p>　　——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3;</p><p>　　——校正系數(shù) ； r——轉速，n/(r/min)；</p><p>　　H——揚程，m ； ——必須汽蝕余量，m；</p><p>　　A——實際傳熱面積，； Pr——普

103、郎特系數(shù)；</p><p>　　△tm——平均傳熱溫差，℃ ； K——總傳熱系數(shù)W/(㎡·K) ；</p><p>　　——體積流量 ； N——管數(shù)，根；</p><p>　　Np——管程數(shù) ； l——管長，m。</p><p><b>　　附錄

104、一</b></p><p><b>　　1相關符號說明</b></p><p><b>　　希臘字母:</b></p><p>　　2常見設備的分類代號</p><p><b>　　3儀表功能代號</b></p><p><b>　

105、　附錄二</b></p><p>　?。?）乙醇和水的物理性質</p><p>　　（2）乙醇水的t-x(y)數(shù)據(jù)</p><p>　　(3)乙醇-水的相平衡數(shù)據(jù)</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　國家標準與行業(yè)標準：</p><p&

106、gt;　?、?GB150-1999鋼制壓力容器；</p><p>　?、?GB151-1999管殼式換熱器；</p><p>　?、?壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程，1999年；</p><p>　?、?JB／T4700～4707-2000，壓力容器法蘭；</p><p>　　⑸.JB／T4714－92，浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)；<

107、/p><p>　?、?JB／T4718－92，管殼式換熱器用金屬包墊片；</p><p>　?、?JB／T4721－92，外頭蓋側法蘭；</p><p>　?、?JB／T4712－92，鞍式支座；</p><p>　?、?HG20592～20635－97，鋼制管法蘭、墊片、緊固件；</p><p>　?、?JB／T4736

108、－2002，補強圈；</p><p>　?、?JB／T4746－2002，鋼制壓力容器用封頭；</p><p>　　⑿.HG20580－～HG20581-1998，鋼制化工容器設計基礎規(guī)定等；</p><p>　?、?CD130A20－86，化工設備設計文件編制規(guī)定；</p><p>　　⒁.TCED41002－2000，化工設備圖樣技術要求

109、；</p><p>　　⒂.JB4726－94，壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件。</p><p><b>　　其它參考書：</b></p><p>　　[1]《化工設備設計》王學生，惠虎主編；華東理工大學出版社，2011</p><p>　　[2]《化工原理課程設計》天津大學化工學院 柴誠敬，王軍，張纓編；天津科學技術

110、出版社，2009</p><p>　　[3]《化工原理（第二版）》崔鵬，魏鳳玉主編 ；合肥工業(yè)大學出版社，2003.7</p><p>　　[4]《化工設備機械基礎》喻健良主編；大連理工大學出版社，2009</p><p>　　[5]《換熱器設計手冊》錢頌文主編；化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[6]《化工設備機械基礎課程設計指

111、導書》（第二版）蔡紅寧，張莉彥主編；化學工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[7]《化工設備識圖與制圖》陸怡主編；中國石化出版社，2011</p><p>　　[8]《化工設備機械基礎學習指導》喻健良主編；大連理工大學出版社，2009</p><p>　　[9]《AutoCAD標準培訓教程2008中文版》程光遠編著，電子工業(yè)出版社，2009</p>