1、银川能源学院化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书题目： 乙苯冷却列管式换热器的设计 院 系 石油化工学院 专业班级 能化 （本） 1402 学生姓名 史 磊 学 号 1410140046 指导教师 刘 荣 杰 设计时间 2016 年 12 月 5 日成绩银川能源学院化工原理设计- 2 -目录 第一章设计任务书 .- 3 -一、 设计题目 .- 3 -二、 设计原始数据 .- 4 -三、设计内容 .- 4 -四、设计时间 .- 4 -第二章、课程设计概述 .- 5 -一、设计目的 .- 5 -二、换热器设备的在生产中作用及应用 .- 5 -三、工艺流程示意图 .- 5 -四 列管式换热器的
2、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 .- 6 -第三章、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、计算总传热系数 .- 11 -四、工艺结构尺寸 .- 12 -1.选管子规格 .- 12 -2.总管数和管程数 .- 12 -3.传热管排列和分程方法 .- 13 -4.壳体内径 .- 13 -5.折流板 .- 13 -6.接管 .- 13 -五、换热器核算 .- 14 -1.热流量核算 .- 14 -2.换
3、热器内流体的压力降 .- 16 -第五章、主要零部件 .- 18 -1.封头 .- 18 -2.支座 .- 19 -3.垫片 .- 19 -4.管板 .- 19 -第六章、设计评述与体会 .- 19 -第七章、参考文献 .- 20 -致 谢 .- 21 -银川能源学院化工原理设计- 3 -摘要 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。所以，本次课程设计我们设计列管式换热器。设计内容有设计任务书、课程设计概述、换热工艺计算等。设计过程主要通过设计任务书和国标准则，计算两流体的定性温度，查资料确定物性数据，计算总传热系数、工艺结构尺寸和确定主要零部件。设计结果
4、为单壳程和单管程的固定管板式换热器。其优点结构简单、紧凑，制造成本低；管内不易积垢，即使产生污垢也便于清洗。固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力，这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。关键词：换热器；设计计算；固定管板式AbstractHeat exchanger is a chemical, oil, food and many other
5、industrial departments of general equipment, occupies an important position in the production. So, the course design of our design of shell and tube heat exchanger. Design content has the design specification, summary of curriculum design, so the heat exchange process calculation, etc. Mainly throug
6、h the design plan descriptions of the design process and gb standards, calculated two fluid temperature, check information to determine physical properties data, calculating the total heat transfer coefficient, process structure size and determine the main components. Design results for single shell
7、 side and tube side of fixed tube plate heat exchanger. The advantages of simple structure, compact, low manufacturing cost. Tube is not easy to fouling, even cause fouling also facilitate clean.Key words: heat exchanger; Design calculation; Fixed tube-sheet银川能源学院化工原理设计- 4 -第一章设计任务书一、 设计题目：处理量 吨/年乙苯
8、冷却列管式换热器的设计。二、 设计原始数据1.处理能力：1764Kg/h乙苯冷却2. 设备型式: 列管式换热器3.操作条件（1）管程进口温度为136,出口温度为45允许压力降：不大于10 5MPa（2）壳程进口温度为30，出口温度50允许压力降：不大于10 5Pa（3）每年按330天计,每天24小时连续运行三、设计内容：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K 0。2.结构设计：确定管板、壳体、封头的结构和尺寸；确定链接方式、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（A1图纸）及编写课程设计说明书。四、设
9、计时间：2016 年 12 月 5 日-2016 年 12 月 17 日设计学生：史磊 指导教师： 刘荣杰 银川能源学院化工原理设计- 5 -第二章、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、换热器设
10、备的在生产中作用及应用流体，是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约 1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。本此设计正是要利用换热器降低泥浆的温度，从而获取热量用以供热，洗澡等。这样不仅节约了能源，同时也合理利用了资源，带来了额外的经济价值。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面
11、世。三、工艺流程示意图冷却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，乙苯从右侧出口排出。（见图 1）银川能源学院化工原理设计- 6 -图 1四 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
12、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，常见的有形、平板形和 形等几种。由于形膨胀节的挠性与强度都比较好，所
13、以使用得最银川能源学院化工原理设计- 7 -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
14、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。固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于 50时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于 70和壳程流体压强小于 600kpa 的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。（见图 2）图 2 固定管板式换热器银川能源学院化工原理设计- 8 -2.对于换
15、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（Re100）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。（
16、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
17、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液体黏度/MPa.s 1500 1500500 500100 10035 351 1.0 530壳程流速（m/s） 0.51.5 0.21.5 0.5 2154.对于换热管布置和排列间距，常用换热管规格有 192 mm、 252 mm(1Crl8Ni9Ti)、 252.5 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
18、，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
19、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。胀接法一银川能源学院化工原理设计- 10 -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 4MPa，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。第三章、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）冷流体为自来水进口温度 30，出口温度 50。（2）热流体为乙苯，进口温度 136，出口温度 452.管程安排 乙苯走壳程，自来水走管程。
