过控课程设计--乙苯冷却列管式换热器的设计

化工原理课程设计说明书

题目： 13970.880吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计

目录

摘要.............................................................................................................................................. - 4 - 第一节设计任务书.............................................................................................................. - 4 -

一、设计题目 (4)

二、设计原始数据 (4)

（1）管程.................................................. - 4 - （2）壳程.................................................. - 5 -

三、设计要求 (5)

（1）工艺设计.............................................. - 5 - （2）结构设计.............................................. - 5 - （3）绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书.......... - 5 -

四、设计时间 (5)

第二节课程设计概述 ......................................................................................................... - 5 -

一、设计目的 (5)

二、该设备的作用及在生产中的应用 (6)

三、工艺流程示意图 (6)

四、列管式换热器的特点 (6)

1、应用特点................................................ - 6 -

2、设备的结构特点.......................................... - 6 -

五、设计方案的确定 (7)

第三节换热过程工艺计算 ...............................................................................................- 10 -

一、工艺计算及主要设备设计 (10)

1.选择换热器的类型........................................ - 10 -

2.管程安排................................................ - 10 -

二、确定物性数据 (10)

三、传热面积的初定 (11)

1、传热系数的计算......................................... - 11 -

2、平均温度的计算......................................... - 11 -

3、总传热系数的初选....................................... - 11 -

四、换热器主要尺寸的确定 (12)

1、换热管的类型、尺寸及材料的确定......................... - 12 -

2、管心距的确定........................................... - 12 -

3、管子在管板上按三角形的排列管数......................... - 12 -

4、管根数和流速的确定..................................... - 13 -

5、壳体的内径............................................. - 13 -

6、折流板数的确定......................................... - 13 -

7、校核传热系数........................................... - 14 -

8、换热器内压降的校核..................................... - 16 - 第四节换热设备的结构设计...........................................................................................- 17 -

一、壳体 (17)

二、管板的材质及管板的结构 (17)

三、管子在管板上的固定： (17)

1、胀接法................................................. - 17 -

2、焊接法................................................. - 18 -

四、封头 (18)

五、封头或管箱的法兰与垫片 (19)

六、接管计算 (19)

第五节课程设计技术说明及汇总....................................................................................- 20 - 第六节设计过程的评价和有关问题的讨论..................................................................- 21 - 参考文献....................................................................................................................................- 21 - 致谢.............................................................................................................................................- 22 -

摘要

本次课程设计以换热器为主，让我们了解了换热器的结构，分类，作用以及如何正确的选择合适的换热器。换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。根据所给的设计任务书，本次设计选的是固定管板式换热器。固定管板式换热器具有节约资源，设计简单，应用广泛等特点。在选择合适的换热器进行工艺、结构等的设计之后，我们还进行了图纸说明，将我们所设计的固定管板式换热器进一步具体的展示。

关键词：换热器；列管式换热设备；固定管板式换热器

The curriculum design is given priority to with heat exchanger, let us understand the structure of the heat exchanger, classification, function and how to correctly select the appropriate heat exchanger. Heat exchanger, it is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, also called heat exchanger. Heat exchanger is chemical, oil, power, food and other general equipment, many industrial department occupies an important position in the production. Heat exchanger in chemical industry production can be used as a heater, cooler, condenser, evaporator and reboiler, application more widely. According to the design specification, given the design is optional fixed tube plate heat exchanger. Fixed tube plate heat exchanger with saving resource, simple design, wide application, etc. In the process, select the appropriate heat exchanger structure design, we also has carried on the drawings, which we should further concrete display design of fixed tube plate heat exchanger.

Key words: heat exchanger; Shell and tube type heat transfer equipment; Fixed tube plate heat exchanger

第一节设计任务书

一、设计题目：13970.880吨/年乙苯冷却列管式换热器的设计。

二、设计原始数据

（1）管程

乙苯流量1764kg/h 进口温度136℃出口温度45℃

（2）壳程

水流量1540.95kg/h 进口温度为30℃，出口温度为50℃

压力为0.5Mpa

三、设计要求：

（1）工艺设计：

确定设备的主要工艺尺寸，如：管径、管长、管子数目、管程数目等，计算K0。

（2）结构设计：

确定管板、壳体、封头的结构和尺寸；确定连接方式、管板的列管的排列方式、管法兰、接管法兰、接管等组件的结构。

（3）绘制列管式换热器的装配图及编写课程设计说明书。

四、设计时间：

2015年6月8日------2015年6月19日

设计学生：赵刚指导教师：刘荣杰

第二节课程设计概述

一、设计目的

课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过课程设计使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时

间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的主要程序和方法，进而提高我们分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以培养我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。

二、该设备的作用及在生产中的应用

换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%～20%，在炼油厂约占总费用35%～40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。

三、工艺流程示意图

换热水从换热器壳程下方进入，从换热器上方排出，乙苯从换热器左侧的入口进入，从右侧出口排出。

四、列管式换热器的特点

1、应用特点

列管换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。

2、设备的结构特点

列管式换热器的结构特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在

外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。与其他形式的换热器相比，结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗，但无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与壳体的连接都是刚性的，当管子和壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以至管子扭弯或从管板上松脱，甚至损坏整个换热器。

当管子和壳体的壁温差大于50℃时，应在壳体上设置温差补偿——膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，膨胀节的形式较多，常见的有Ｕ形、平板形和Ω形等几种。由于Ｕ形膨胀节的挠性与强度都比较好，所以使用得最为普遍。当要求较大的补偿量时，宜采用多波形膨胀节。当管子和壳体的壁温差大于60℃和壳程压强超过0.6MPa时，由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

五、设计方案的确定

1.对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。

设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。 2.对于换热器内流体通入空间的选择：在列管式换热器中，哪一种流体走管程，哪一种走壳程，一般可从下列几个方面考虑。

（1）不洁净或易结垢的流体走易于清洗的一侧；对于固定管板式换热器，一般走管程；U形管换热器，一般走壳程。

（2）粘性大的或流量小的流体，宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时在较低的雷诺数（Re＜100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数。

（3）有腐蚀性流体应走管程，这样，只有管子、管板和管箱需要使用耐腐蚀的材料，而壳体及管外空间的其他零件都可以使用比较便宜的

（4）压力高的流体走管程，因为管子直径小，承受压力的能力好，还避免了

采用高压壳体和高压密封。

（5）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会。

（6）饱和蒸汽一般走壳程，便于冷凝液的排出，而且蒸汽较清洁，无清洗要

求。被冷却的流体走壳程，便于散热。

对于固定管板式换热器，若两流体的温差较大，对流传热系数较大者宜走管程，这样可以降低管壁与壳壁的温差。减少热应力。

以上原则，在实际中不可能同时兼顾，对具体情况仔细分析，抓住主要方面。例如首先从流体的压力、腐蚀性以及清洗等方面考虑，然后再对压力降和传热系数等方面要求进行校核，以便作出较恰当的选择。

3.对于流速的选择:换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢

的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流

速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的。（见表1，表

2）

表1管壳式换热器中不同黏度液体的常用流速

表2管壳式换热器中常用的流速范围

4.对于换热管布置和排列间距，常用换热管规格有ф19×2 mm 、ф25×2 mm(1Crl8Ni9Ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。（见图3）

（A ） （B ）（C ）

（D ） （E ）

图 3 换热管在管板上的排列方式

(A) 正方形直列 （B ）正方形错列 (C) 三角形直列 （D ）三角形错列 （E ）同心圆排列

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

5.对于管板，管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。 管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa ，设计温度不

超过350℃的场合。

6.对于封头和管箱，封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

（1）封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

（2）管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

（3）分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。管程多者可达16程，常用的有2、4、6管程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。

第三节换热过程工艺计算

一、工艺计算及主要设备设计

1.选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

（1）乙苯的进口温度136℃出口温度45℃

（2）水的进口温度30℃出口温度50℃

该换热器采用自来水来加热，管壁与壳壁温差较大，流体压强不高，初步确定选用固定管板式换热器。

2.管程安排

从流体流经管程或壳程的选择标准来看，乙苯宜走管程；自来水较洁净，不会污染壳程，所以自来水宜走壳程，以便及时排除冷凝液。综上所述，乙苯走管程，自来水走壳程。

二、确定物性数据

管程乙苯的定性温度为：

壳程自来水的定性温度为：

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。见表3

表3 物性数据表

三、传热面积的初定 1、传热系数的计算 乙苯质量流量 热流量

Q T =q m1c p1(t 2-t 1)=0.49×1972.85×90.5=87969.38J/s

冷却水用量

2、平均温度的计算

℃65.408615

ln 86

15ln

't 2

121=-=???-?=

?t t t t m

3、总传热系数的初选

K 值大致范围为280（W/m 2 . K ）

假设K=300W/m 2 . K ，则估算的传热面积为

.2123.765.4030038

.87969t 2m 估m K Q A T =?=?=

四、换热器主要尺寸的确定

1、换热管的类型、尺寸及材料的确定

（1）管子的直径

选用ф25×2.5mm无缝钢管(碳钢)

（2）管子的长度

管长取L=2m

（3）管子的材料

碳钢

2、管心距的确定：

取管心距P t=1.25 d0 =1.25×25=31.25 mm ≈32mm 3、管子在管板上按三角形的排列管数见表4

表4 正三角形排列时的管数

4、管根数和流速的确定 总管数和管程数 取l=2.0m 总管数为

根

46025.014.322123

.7d A n o =??==l π

按单程算，流体流速为

单程流速较低，可选多管程流速 所以多管程数为

则该换热器的管程数为4 5、壳体的内径D

采用多管程结构，取管板利用率η=0.8，壳体内径为

壳程直径可选取的直径有（159 273 400 500 600 700 800 ）mm 故圆整可取D ＝400mm 6、折流板数的确定

折流板高度 h=0.2

L-换热管管长,m （对于固定管板式换热器折流板间距有150mm 300mm 600mm 取150mm ） 7、校核传热系数K

（1）管内对流传热系数的计算 管程传热膜系数

n

P R r e d 023

.08.0i

i

i λα=

4284100034.0867

084.002.0ud Re 雷诺数i =÷??==

μρi

普朗特数

℃）/(206.21488.5428402.0114

.0023.088

.5114.01000

34.085.1972r 24.08.0i ?=???

==÷?==m W u c P p αλ

（2）壳程对流传热系数的计算

壳程表面传热系数

14

.0w

3155

.01

o 36

.0???

? ??=μμλαr e

e

P R d

当量直径

m

d d t

e 02.0025

.014.3025.0785.0032.02344234d 2

20

202=???

?

??????-??=???

??????-?=ππ

壳程流通截面积

2

00131.0d 1A m t hD =???? ??-=

壳程流体流速及其雷诺数分别为

69.118710007208.022

.99204314.002.00e0=÷??==μρu d R e

普朗特数

λ

μ

p c =

Pr = 流动方向的校正系数 （=1.05 粘度校正

()[]

C

W ??=????=231

55.0o m /98105.17946.49.1187602

.06275

.036.0α

污垢热阻和管壁热阻，查附录得：

管外侧污垢热阻

W C R /m 1072.10

240??=?- 管内侧污垢热阻

W C R /m 1072.1024i ??=?- 管壁厚度b=0.0025 m

碳钢热导率为λ=45 W/(m ·℃) 传热系数K

℃）

m （/337981

1

＋

1072.10225.045025.00025.0＋1072.1＋02.0206.214025.011

＋＋d bd ＋＋d d 1

244o

so m o i i i o ?=?+????=

=

--W R R K αλα 计算所需传热面积

2

m 42.665.4033738.87969t m K Q A T =?=?=

该换热器的实际传热面积

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。

8、换热器内压降的校核 管程流动阻力 ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp

Ns=1, Np=4, 管子为ф25×2.5mm ,查表得无缝钢管绝对粗糙度=0.052

2u ，2u d l 2

22i 1?=??=?ρλ

ρλP P

a

P P P P 176.92084.086732u 9056.152084.086702.020522.02u d l 2

22a

2

2i 1=??=?=?=???=?=?ρλρλ

ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp=(15.9056+9.176)×1.4×1＝140.45Pa ＜ 管程压降在允许范围之内。 壳程阻力

15

.1,1）（'2'1o

==?+?=?∑Fs Ns FsNs

P P P

Pa

P n f F u N n Ff P c o o B c o 57.5201526

.022.992)112(46.79952.05.046

.7＝461.19952.069.11870.55

.02

)

1(2

'15.0.288.02

'

1

≈??+???=??==?==?+=?-ρ

流体流过折流板缺口的阻力

Pa P P P u D N P o B 5

o

2'

22

'2

10＜Pa 58.10115.1)63.357.5(总压力降

a

63.32

01526.022.992)4.015.025.3(12

2)B 25.3(=??+=?=???-?=??-=?∑ρ

壳程压力降也比较适宜。

第四节 换热设备的结构设计

一、壳体

采用多管程结构，取管板利用率η=0.8，壳体内径为

壳程直径可选取的直径有（159 273 400 500 600 700 800 ）mm 故圆整可取D ＝400mm 二、管板的材质及管板的结构

1、在选用管板的材料时，当换热介质无腐蚀有轻微腐蚀时，可按规定采用低碳钢或普通低合金，处理腐蚀性介质时，应采用优质的耐腐蚀材料。本设计可选材料：碳素钢。

2.管板与壳体的连接 三、管子在管板上的固定：

管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种。其原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄露。 1、胀接法

此法是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部使管端发生塑性变形，管板同时也产生弹性性形变，当取去胀管器后由于管板孔的弹性收缩，使管板与管子间同

时产生一定的挤紧力而紧密地贴在一起，从而达到密封固紧连接的目的。采用胀接时，管板的硬度应比管端硬度高，以保证胀接质量，这样可免除因管板孔塑性变形，而影响胀接紧密性。

2、焊接法

由于此法具有高温高压下仍能保持连接的紧密性，对管板孔的加工精度要求低，加工工艺较简单，当压强不太高时，可用较薄管板等优点，因此焊接法的应用较广泛。但焊接法工艺要求管子与管孔之间应留有一定的间隙。

由于本设计要求在常温常压下工作，可采用胀接法。

四、封头

封头又称端盖（或顶盖），按其形状可分为凸形封头、锥形封头和平板封头三类。其中凸形封头按结构形状又可分为球形、椭圆形、蝶形和无折边球形的四种封头。

对于列管式换热器一般取用椭圆形封头为多。椭圆形封头是由半椭球和具有一定高度的短圆筒两部分所组成。直边的作用是避免壳体与封头间环向焊缝的边缘应力，由于椭球封头各点曲率的变化是连续的，当其承受内压时封头内的应力分布不会发生突变，所以其承受能力较大。椭圆形封头的壁厚与其长短轴的比值有关。标准椭圆封头长短轴之长,即长轴D,短轴1/2D,D/2h=2。大多数椭圆封头的壁厚是与筒体厚度相等或比筒稍厚。

椭圆封头直边的内径与壳体内径相同。

上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4737-2002标准，封头为：

DN100

mm

h

。

400

,

曲面高度

1

五、封头或管箱的法兰与垫片

法兰是压力容器用的法兰。压力容器法兰分为平焊法兰和对称法兰两类，平焊法兰又分为甲型和乙型两种。甲型平焊法兰适用于公称压强（MPa ）Pg0.25、0.6、1.0、1.6四个压强等级的较小范围。乙型平焊法兰适用公称压强Pg2.5～4.0两个压强等级的较小范围，其最高工作温度为350 。

本设计选用甲型平焊法兰 六、接管计算

管程流体进出口接管：取接管内乙苯流速为 u 1＝1.8m/s ，则接管内径为

m

V

019.08.114.3867

/49.04u

4d 1≈??=

?=

π

圆整后可取管内径为20mm

壳程流体进出口接管：取接管内水的流速 u 2＝1.8m/s ，则接管内径为

m

029.08.114.3001215

.04d 2≈??=

圆整后可取管内径为30mm

第五节课程设计技术说明及汇总，见表5

表5设计技术说明及汇总