化工原理课程设计(循环水冷却器设计说明书)(共29页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上齐 齐 哈 尔 大 学化工原理课程设计题 目 循环水冷却器的设计 学 院 化学与化学工程学院 专业班级 制药工程 学生姓名 夏天指导教师 吕君成 绩 2016年 07月 01日目 录摘 要 I第1章 绪论 11.1设计题目：循环水冷却器的设计 11.2设计日任务及操作条件 11.3厂址：齐齐哈尔地区 1第2章 主要物性参数表 1第3章 工艺计算 2 3.1确定设计方案 2 3.2核算总传热系数 4 3.3核算压强降 6第4章 设备参数的计算 8 4.1确定换热器的代号 8 4.2计算壳体内径D 9 4.3管根数及排列要求 9 4.4计算换热器壳体的壁厚 9 4.5选择

2、换热器的封头 11 4.6选择容器法兰 11 4.7选择管法兰和接管 13 4.8选择管箱 14 4.9折流挡板的设计 15 4.10支座选用16 4.11拉杆的选用和设置16 4.12垫片的使用18总结评述 20参考文献 21主要符号说明 22附 表1 24附 表2 25致 谢 26专心-专注-专业摘 要在国内外的化工生产工程中，列管式换热器在目前所用的换热器中应用极为广泛由于它具有结构牢固，易于制造，生产成本较低等特点。管壳式换热器作为一种传统的标准换热器，在许多部门中都被大量使用。其结构由许多管子所组成的管束，并把这些管束固定在管板上，热管板和外壳连接在一起。为了增加流体在管外的流速，以

3、改善它的给热情况在筒体内安装了多块挡板。我们的进行作业时列管换热器的设计，根据所给的任务，进行综合考虑。首先确定流体流径。我们选择冷却水通入管内，儿循环水通过入管间。其次，我们确定两流体的定性温度，由于温度引起的热效应不大，可以选择固定管板式换热器。根据初算的总传热系数和热负荷，以及换热器的换热面积，换热器的根数和长度，来确定管程数。并查阅相关资料。初步工作完成之后，对设备的各种参数校核，包括换热器壳体，封头，管箱，管板，法兰的选用等等，接着进行一系列的检查。选择这些附件，不仅要与所选换热很好的匹配，而且要兼顾经济的要求，让换热器既造价低廉又坚固耐用，以达到即经济又实惠的效果。换热器是将热流体

4、的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在热交换器中，至少有两种温度不同的流体，一种是流体温度较高，放出热量，另一种是温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随意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，对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。关键字：换热器；列管

5、式换热器；循环水；冷却器AbstractHeat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, in order to realize the different temperature of heat transfer between fluid, also called heat exchanger. Heat exchanger is to realize the heat exchange and transmission in the process of chemical

6、production indispensable equipment, in the heat exchanger, there are at least two different fluid temperature, fluid temperature is higher, one is gives off heat, the other is a low temperature, absorption of heat.In chemical, petroleum, power, refrigeration, food and other industries widely used in

7、 all kinds of heat exchanger, and they are universal equipment, these industry occupies very important position. Optional constant development of the industry in our country, to the requirement of increasing the energy utilization, development and conservation, the requirement of the heat exchanger

8、is also growing. The design and manufacture of heat exchanger structure improvement and the heat transfer mechanism of research is very active, appeared some new high efficiency heat exchanger. According to different purposes, the heat exchanger can be heat exchanger, heater, cooler, evaporator, con

9、denser, etc. Because of the different conditions of use, heat exchanger can have various forms and structures. In production, heat exchanger is a separate equipment sometimes, sometimes, is a part of the process equipment.Key Words：Heat exchanger；Shell and tube heat exchanger；Floating-head type第1章 绪

10、论1.1 设计题目循环水冷却器的设计1.2 设计任务及操作条件1.2.1 设计任务处理能力：72000kg/h设备型式：列管式换热器1.2.2 操作条件循环水：入口温度55，出口温度40冷却介质水：入口温度25，出口温度35管程和壳程的压强不大于1.0MPa换热器的热损失4%1.3 厂址齐齐哈尔地区第2章 主要物性参数表在定性温度下：t定冷=（25+35）/2=30 t定循=（55+40）/2=47.5表2-1 物性参数表物性密度/m2比热容kJ/（kg粘度Pas导热系数w/m进口温度出口温度 壳程（循环水） 管程（冷却水）符号Cp11T1T2数据988.14.174549.410-6647.

11、810-35540符号Cp12t2t2数据995.74.174800.710-6617.610-32535第3章 工艺计算3.1 确定设计方案3.1.1 选择换热器的类型（1）两种流体的变化情况： 热流体（循环水）进口温度55，出口温度40； 冷流体（冷却水）进口温度25，出口温度35; 冷水定性温度： t定冷=（25+35）/2=30 循环水定性温度：t定循=（55+40）/2=47.5 由于两流体温差小于50，不必考虑热补偿。因此初步确定选择用固定管板式换热器。（2）流程安排： 由于该换热器是具有冷却水冷凝的换热器，应使循环水走壳程，以便于排除冷却水。3.1.2计算热负荷和冷却水流量（1）

12、热负荷的计算 =mhcpht1 (3-1) =(72000/3600) 4174(55-40) =1.252106w 热负荷 =Qh-Q (3-2) =(1-5%)Qh =0.961.252106w =1.202106w（2）冷却水流量的计算 =0.96mhcph(T1-T2) (3-3) =mhcph(t1-t2)所以mc=0.96720004.174（55-40）/36004.174(35-25) =28.8/s3.1.3计算两流体的平均温差，确定管程数（1）平均传热温差tm=t1-t2/ln（t1-t2）（按逆流计算） (3-4)其中：t1=55-35=10；t2=40-25=15 tm

13、=17.38 P=t2-t1/T1-t1=0.33 R=T1-T2/t1-t2=1.5由P、R值查阅化工原理（天津大学出版社）（上册）图4-19，可得：t=0.92，则有tm=0.9217.38=15.99（2）确定管程数由于t=0.920.8，故此换热器应选用单壳程。3.1.4工艺结构尺寸（1）初选换热器的规格 假设K=850 W/(mk) 则估算的传热面积为： A=Q/Ktm=88.44（2）管径和管内流速 选用252.5的碳钢传热器 取管内流速为ui=0.5m/s（3）估算管程数和传热管数V=ns3.14/4di2ui 由4.1.2可知：冷却水用量=28.8kg/s 则 Mc/ c=0.

14、0289m3/s Ns=4V/（3.14(0.02)20.5）=184根 根据列管式换热器传统标准，此数据可选取按单程算，所需的单程热管 长度 L=A/3.14dins=7.65m (3-5) 取传热管长l=8m 则该传热管的管程数为：Np=L/l=1 传热总根数NT=Npns=1184=184根 实际传热面积So=N3.14d（1-0.1）=91.29 则要求过程的总传热系数为 Ko=Q/Sotm=693w/() (3-6) 该换热器的基本结构参数如下：表4-1换热器的基本结构参数公称直径：500m工程压强：1.0MPa总管数：NT=184根管间距：t=32mm管数：184管程数：m=1管长

15、：8.0m工程面积：80管子排列方式：正三角形排列3.2 核算总传热系数3.2.1 管程对流传热系数 普兰特准数：3.2.2壳程传热系数取换热器管心距t=32 mm壳程流通截面积为： (3-7)其中：h-折流板间距。取为300。D-壳体公称直径，取为600d-管子外径，可取25t-中心距，可取32。 壳程流体流速：当量直径按三角形排列有：当量直径普兰特准数：用壳方流体的对流传热系数的关联式计算带入数据得：3.2.3 计算总传热系数 (3-9)其中：壳程管程对流传热系统w/换热管外径内径和内外径的平均值mm管内侧外侧污垢热阻/wb换热器壁厚，取 0.0025m碳钢的导热系数，取45 w/管壁热阻

16、碳钢在该条件下=45 w/计算安全系数核算表明该换热器可以完成任务。3.3 核算压强降3.3.1 管程流体阻力 (3-10) (3-11) （1）对于P1的计算：管程流通截 由此可知 设管壁粗糙度=0.037代入计算式P1=0.037（2） 对于的计算（3） 对于的计算则：由此可知，管程流通阻力在允许范围之内。3.3.2 壳程压强降校核 (3-12)其中： (3-13) Fs是壳程压强降届后校正因数，液体取1.15Ns是壳程数，为1（1）对于 的计算由于换热器列管呈三角形排列F=0.5取折流板间距为300mm；块壳程的流通面积可见500故可应用下式计算 (2)对于 的计算 (3)对于 的计算计

17、算表明： 管程压强降为2467.55，小于压强1.0壳程压强降为1333.94，亦小于设计压1.0综上可知，管程和壳程压强降均能满足题设要求第4章 设备参数的计算4.1 确定换热器的代号4.1.1 换热器的代号所选换热器的代号为 4.1.2 确定方法此代号根据工艺计算反列管式固定管板式换热器系列标准对G系列列管式固定管板换热器的规定。查化学化工出版杜化工工艺设计手册（上）第120页表3-10列管式固定管板换热器标准图号和设备型号得到壳体内径Di，公称压强，管根数及排列要求而确定。4.2 计算壳体内径Di 公式： (4-1)其中：管中心距， m对 横过管束中心线的管线，用计算 管束中心线上2管的

18、中心到壳体内辟的距离，取计算： 4.3 管根数及排列要求（1）换热器采用的无缝钢管，材质选用可焊接性好的10号钢，管长8m ，共184根管。（2）排列方式及管中心距的确定 1）可该换热器列管采用三角排列 2）管子与管板采用焊接，故可取 4.4 计算换热器壳的壁厚4.4.1选适宜的壳体材料根据化工设备手册-材料与部件（上海）第102页压力容器用碳素碳及普通低合金厚板钢，换热器公称压强为选用钢板。4.4.2该钢板的主要工艺参数性能加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度，可以作中低压设备，所以简体材质选用钢板，钢板标准。4.4.3壁厚的计算（1）

19、公式： (4-2) 其中：钢板在不考虑加工裕量时的厚度，mm计算厚度，mm 钢板负偏差，mm 腐蚀裕量，mm 圆整值 式中为设计厚度，可用下式计算： (4-3)其中：Pc设计压力，取 Di壳体内径，mm 设计温度下材料的许用应力， 焊缝系数（2）查算：依据化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-3，钢制压力容器中使用的钢板许用应力可得=113,依表14-4焊缝系数可得=0.85，依表14-6腐蚀裕量可得=2mm。依化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-5，钢板厚度常用规格及其负偏差得=0.6mm，=1.2mm。故可根据 选用厚度为8mm的钢板材质（3）水压实验强度校核水压试验应力

20、为 (4-4)式中：将有关数据代入原式可得查阅化工设备机械基础（华东理工大学出版社）表14-3，钢制压力容器中使用的钢许用应力可得到钢制容器在常温水压试验时从而，有所以壳体壁厚满足水压试验的强度要求。4.5 选择换热器的封头（1）公式： (4-5)其中：由于，用整块钢板冲压成型，此时 （2）计算：（3）选择适宜厚度，并确定封头型式规格根据化工设备手册材料与零部件第327页椭圆封头应选封头mm，且根据其选用一椭圆封头尺寸如下： 型式公称直径曲面高度直边高度椭圆形500mm125mm0.309m2 4.6 选择容器法兰4.6.1选择法兰的型式选用甲型平焊容器法兰。已知换热器的公称压力为，公称直径5

21、00mm。查阅压力容器与化工设备使用手册中3-1-1，压力容器法兰分类，宜采用甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材Q235-B，工作温度-20摄氏度的最大工作压力为，小于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足要求。4.6.2 确定法兰相关尺寸查阅压力容器与化工设备使用手册第467页。表3-1-2（A）甲型平焊法兰尺寸和表3-1-2（B）甲型平焊法兰质量可得法兰相关尺寸如下表：平面凸面凹面法兰质量（kg）36.8138.4337.21衬环质量（kg）1.73.72.5公称直径DN法兰螺栓DD1D2D3D4d规格数量500630590555545542442320284.6.3 选用法兰并确

22、定标记选用甲型平焊容器（凹凸密封面）为宜标记为：法兰 结构如图图4-3法兰4.7选择管法兰和接管4.7.1热流体进出口接管取接管热流体流速为u=1.7/ m s，则接管内径为可取接管:mm,长150mm两个4.7.2冷流体进出口接管取接管内流体流速u2=1.5m/s,则接管内径为 可取接管：1594.5，长150 mm两 表43钢制管法兰（HGJ45-91）公称直径DN管子外径A连接尺寸螺栓柱法兰内径B法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数n螺栓长度螺柱长度法兰厚度C156159220180186658518110125133250210186709020135 4.7.3选择法兰根

23、据公式直径与公称压力选用板式干旱钢制管法兰。HG20593-97 SO150-2.5RF 16Mn4.8 选择管箱查阅化工设备标准图册，选择封头管箱，材料为A3F钢，其简图如下所示： 图4-4封头管箱4.9 折流挡板的设计查阅换热器原理及计算根据换热器的要求，选择厚度为5mm的圆缺形挡板。其参数如下： 两板间距离： h=D(0.2-1)=300mm 折流板高度： H=500(1-25%)=375mm 折流挡板个数： N=L/h -1=8/0.3 -1=12块 折流挡板厚度： =5mm4.10支座选用查阅化工设备设计手册材料与零部件第625页, 选用A3F材料，采用鞍式支座 Dg500AJB11

24、67-73. 尺寸如下表表5-4鞍式支座DG500AJB1167-73公称直径 DN每个支座允许负荷 tbLBK1bm 500 23.016046012033090200 图4-6鞍式支座 4.11 拉杆的选用和设置4.11.1拉杆的选用查阅化工过程和设备设计 第15页表可知： 表4-5 拉杆拉杆直径数量拉杆螺纹公称直径laLbb1241620=602.04.11.2拉杆的设置拉杆与折流板和挡板的连接形式如下图所示： 图4-7拉杆4.11.3确定管板尺寸由化工设备机械基础查得，管板选用的材料为16Mn,管板厚度为20mm,质量是59.6Kg. 图4-8整体管板4.12 垫片的使用4.12.1设

25、备法兰用垫片 根据压力容器与化工设备实用手册第491页，密封垫片选用非金属软垫片，JB4704-92。厚度30mm, 该垫片为法兰用垫片，其尺寸：外径：D2=545mm 内径：D1=500mm PN=1.6Mpa DN=500mm图5-9设备法兰所用垫片4.12.2管法兰用垫片材料：耐油橡胶石棉板 S2000563. 厚度3mm.垫片：1.MFM 1502.5 2.MFM 200-2.5总结评述在教师的悉心指导下，在团队中每个人的积极努力下，在这历时两个星期的课程设计中我们解决了很多难题。然而，在这次课程设计中，大家更多的发现了自己的不足，以及对实践经验的缺乏，在诸多方面还需提高。在学习中大家

26、分工明确，在每个环节中都能出色的完成。我组主要进行了以下环节：一数据计算在设计刚开始时，大家积极查询相关资料，翻阅了图书馆里的很多相关书籍。在大家不断查找资料、不断的理解公式原理不断进行可行性分析的前提下,很多问题都得到了解决，在很多难点上都有了很大的突破。经过了几天的团结协作完成了计算部分。二设计说明书在这个环节中，大家认真的将每一个公式字句输入文档中，输完之后又进行了多次检查，多次审核，终于经过了几天的精诚合作，完成了文档的输入工作。说明书的设计，从封皮到公式到逐字逐句都显得十分谨慎。三画图对于每一个环节，都需要每个成员在该环节上有所突破。在这个环节中，在组长的领导下，大家默契配合，充分体

27、现了团队精神，通过对数据的深刻理解，认认真真的完成了制图的工作，终于完成了该设计的最后环节。 通过这次设计我们看到了团队的力量，个人离不开团队，团队需要每一个人的精诚合作，才能发挥团结协作的精神。通过老师的耐心的讲解和帮助，我们把公式及其应用范围都巩固了一遍。经过这次课程设计，我们充分的理解了课程设计的真正含义。本次设计给了我知识和技能的同时，也给予我很多经验和教训。在今后的学习和工作中，我将不断努力学习科学文化知识，不断完善自己，不断的挖掘自己的潜力。 参考文献1天津大学，化工原理，天津，天津科学技术出版社，1999.72郑晓梅，魏崇关，化工工程制图，北京，化学工业出版社，2005.83化工

28、设备结构图册；编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版2003.74柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计，天津，天津科学技术出版社， （2006.2）5化学工程手册（1999-2005）6华南理工大学，化工工程及设备设计，广州，华南理工大学出版社2006.107刁玉伟，王立业编，化工设备机械基础，大连，大连理工大学出版社2008.128中华人民共和国化学工业部工程建设标准，钢制管法兰，垫片化学工业出版社9钢制列管式固定板式换热器结构手；1994.110化工设备设计手册材料与零部件，上海人民出版社2005.311姚玉英主编化工原理（上）天津大学出版社2012.112大连理工大学教研室

29、编，化工原理课程设计大连理工大学出版社，1994.613夏清主编化工原理（上）天津大学出版社2005.114齐齐哈尔大学化工原理教研室主编，化工原理课程设计2003.715谭天恩，麦本熙，丁慧华：化工原理-第二版，北京，化学工业出版社2011.616Tian-GuangHVDCtransmissionproject:ConverterTransformerMaintenanceManualZ.Germany:Siemens,2001.8重要符号说明Q 热负荷 KJ/hmi热流体质量流速 KJ/hCph热流体比热容 KJ/(kg)Cpc冷流体比热容 KJ/(kg)di 传热管的内径 mdo 传热

30、管的外径 mde当量直径 mD 公称直径mK 选取的传热系数 t1冷流体进口温度 t2冷流体出口温度 T1热流体进口温度 T2热流体出口温度 R平均温差校正系数的参数Ft温度校正系数P公称压力 Mpaai管程传热膜系数uo壳程速度 m/sDe当量直径 mReo壳程雷诺准数Pro课程普兰特数流体在定性温度的黏度，Pa.s导热系数，dm平均管径 mRsi管程的污垢热阻 Rso壳程的污垢热阻 b壁厚 m管程压力降 Pa 相对粗糙度 mm 附表1管式换热器中K值的经验数据管程壳程传热系数K值W/水有机溶剂气体水溶液（2.0）水水有机溶剂水蒸气冷凝水蒸气冷凝轻有机物蒸汽冷凝850-1700115-340

31、30-300580-2910580-1160换热器壳颈的标准尺寸公称直径mm325400,500，600,700800,900,100011001200最小壁厚mm8101212固定管板式（代号G）流体类型管内（m/s）管间（m/s）一般流体0.530.21.5海水，河水，易结垢的液体10.5 附表2列管式换热器的常用流量公称直径mm 公称面积管程数管数公称压强管长m1.52.03.06.011340012101016151426242052484212411310290500-404035808070124177172152600-605555125120110124269258242800-1101101001002302202102001244501488456444 致 谢通过这次设计我们看到了团队的力量，个人离不开团队，团队需要每一个人的精诚合作，才能发挥团结协作的精神。通过老师的耐心的讲解和帮助，我们把公式及其应用范围都巩固了一遍。经过这次课程设计，我们充分的理解了课程设计的真正含义。本次设计给了我知识和技能的同时，也给予我很多经验和教训。在今后的学习和工作中，我将不断努力学习科学文化知识，不断完善自己，不断的挖掘自己的潜力。