化工原理课程设计(循环水冷却器设计说明书)汇总_化工原理课程设计记录

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齐齐哈尔大学化工原理课程设计

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

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

摘要 ……………………………………………………………………………错误！未定义书签。

Abstract………………………………………………………………………………错误！未定义书签。

第1章绪论 ………………………………………………………………………1 1.1设计题目：循环水冷却器的设计 …………………………………………1 1.2设计日任务及操作条件 ……………………………………………………1 1.3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DⅠ ……………………………………………………………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

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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；列管式换热器；循环水；冷却器

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Abstract Heat 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 transmiion in the proce of chemical 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 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 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, condenser, 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 proce equipment.Key Words：Heat exchanger；Shell and tube heat exchanger；Floating-head type

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第1章

绪论

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

①处理能力：72000kg/h ②设备型式：列管式换热器

1.2.2 操作条件

①循环水：入口温度55℃，出口温度40℃ ②冷却介质水：入口温度25℃，出口温度35℃ ③管程和壳程的压强不大于1.0MPa ④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℃

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由4.1.2可知：冷却水用量=28.8kg/s

则

Mc/ ρc=0.0289m3/s

Ns=4V/（3.14(0.02)2×0.5）=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=1×184=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/So△tm=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 总管数：NT=184根

管数：184 管长：8.0m

工程压强：1.0MPa 管间距：t=32mm 管程数：m=1 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

Ai4di2n3.141840.0220.05778mNp41uiVs/As0.0289/0.057780.5002m/s

Reidicuiccphc0.020.5002995.712435.37

0.00008007普兰特准数：

Pric4.1741030.000080075.42

0.617

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0.80.43i0.23dReiPr0.0230.6170.02(12435.4)0.8(5.42)0.i

2631.5W/(m2 K)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：

AhD(1d0/t)

其中：h-折流板间距。取为300㎜。D-壳体公称直径，取为600㎜ d-管子外径，可取25㎜ t-中心距，可取32㎜。

壳程流体流速：

u0Vc/A072000/(3600988.10.039)0.5125m/s 当量直径按三角形排列有：当量直径

d2e4(0.866t2d0/4)/(d0)0.0202m

Redecu00.02020.5125988.10c0.000549418709.87

普兰特准数：

Prcpcc4.1741030.549410300.64783.54

c用壳方流体的对流传热系数的关联式计算

1.360.6478000.020244810.90.553.5430.953738.8W/(m2 ℃)

带入数据得：

0.647800.360.02021.5240.953738.8w/m2·℃

3.2.3 计算总传热系数

(3-7)

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K01

(3-9)

d0Rsid0bd01(Rso)idididmo其中：0,1——壳程管程对流传热系统w/㎡·℃

d0,di,dm——换热管外径内径和内外径的平均值mm ℃/w Rsi,Rs0——管内侧外侧污垢热阻㎡·b——换热器壁厚，取 0.0025m ℃ λ——碳钢的导热系数，取45 w/㎡·管壁热阻碳钢在该条件下λ=45 w/㎡·℃ 0.0025Rw0.06103m2·℃/W

450.0250.000090.02510.060.0250.00009)

0.022631.50.023738.80.021000980.87w/m2℃(计算安全系数K01k计k选980.87850100%15.40% k选850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

Pi(P1P2)NpFt

(3-10)

Lui2 Np2,pi

(3-11)

di2（1）对于ΔP1的计算：管程流通截 n1843.14Aidi2··0.0220.0578m2

4NP14由此可知uiVi0.02890.5m/s

Ai0.0578

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Rui.70.020.5eidi99580.0710-512435.37 设管壁粗糙度0.1mm,1d0.i200.00

5λ=0.037代入P1计算式 ΔP1=0.037×P6995.7（0.51210.0370.02）2958.23Pa（2）对于P2的计算

P3u2995.7(0.5)22232373.38Pa

（3）对于Pi的计算

则：P(P''i1P2)FtNp(958.23373.38)1.423728.53Pa 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

P(P'P'[12]012)NsFs

2其中： P'1Ffu00nc(NB1)2

P'N.52hu20

2B(3D)2Fs是壳程压强降届后校正因数，液体取1.15 Ns是壳程数，为1（1）对于P' 1 的计算

由于换热器列管呈三角形排列F=0.5

Nc1.1n1.118414.9

取折流板间距为300mm；

N8b0.3112块

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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：Di(nc1)2b

(4-1)其中：t——管中心距，m对252.5

nc——横过管束中心线的管线，用nc1.1n计算

b'——管束中心线上2管的中心到壳体内辟的距离，取b'1.5d0 计算：

Di0.032(14.921)21.50.00250.452m500mm

4.3 管根数及排列要求

（1）换热器采用252.5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t1.25

d032mm

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(YB53669)，换热器公称压强为1.6MPa选用A3F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20~475℃，可以作中低压设备，所以简体材质选用A3F钢板，钢板标准GB3274。

4.4.3壁厚的计算

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将有关数据代入原式可得

2.0(5005.4)T110.11MPa

25.40.85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A3F钢制容器在常温水压试验时s235MPa

从而，有[T]0.9s0.9235211.5MPa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：

dpDDiC1C2

(4-5)t2[]0.5pt其中：由于Di5001200mm，用整块钢板冲压成型，此时

1,Pc1.0MPa,C10.6mm,C22.0mm

1.65000.62.05.62mm

2131.8910.51.6（3）选择适宜厚度，并确定封头型式规格（2）计算：d根据《化工设备手册材料与零部件》第327页椭圆封头JB115473应选封头mm，且根据其选用一椭圆封头尺寸如下：

型式椭圆形

公称直径 500mm

曲面高度 125mm

直边高度 0.309m2

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PN1.0MPa，公称直径500mm。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1.05MPa，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。

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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：

法兰质量（kg）衬环质量（kg）

平面 36.81 1.7

凸面 38.43 3.7

凹面 37.21 2.5

公称直径DN 500

D 630

法兰 D3

螺栓规格数量 20

590 555 545 542 44 23

4.6.3 选用法兰并确定标记

选用甲型平焊容器（凹凸密封面）为宜标记为：法兰AT5001.6 JB/T47012000 结构如图

MFM

图4-3法兰

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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

11D1[4V/(u.1)][40.0289/3.141.7]2 125mm2可取接管:1334mm,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 D2[4V/(u2)][428.8/995.7/(3.141.65)]

156mm11 可取接管：Φ159×4.5，长150 mm两

表4—3钢制管法兰（HGJ45-91）

公称直径DN 管子外径 A

连接尺寸

法兰外螺栓孔螺栓孔径D

中心圆直径L 直径K

螺栓孔数 n

螺栓长度

螺栓柱螺柱长度

法兰厚度 C

法兰内径 B

156 125 159 133 220 250

180 210186

9020

135

4.7.3选择法兰

根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

16Mn 4.8 选择管箱

查阅《化工设备标准图册》，选择封头管箱，材料为

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4.10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

Dg500AJB1167-73.尺寸如下表

表5-4鞍式支座DG500AJB1167-73

公称直径

500 每个支座允许负荷

23.0

160 460 120 330 90 200 b

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：

516

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4.12.2管法兰用垫片

材料：耐油橡胶石棉板 S20——0056——3.厚度3mm.垫片：1.MFM

150——2.5

2.MFM

200----2.5

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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。

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参考文献

[1]天津大学，化工原理，天津，天津科学技术出版社，1999.7 [2]郑晓梅，魏崇关，化工工程制图，北京，化学工业出版社，2005.8 [3]化工设备结构图册；编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版2003.7 [4]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2006.10 [7]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2008.12 [8]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；1994.1 [10]化工设备设计手册材料与零部件，上海人民出版社2005.3 [11]姚玉英主编化工原理（上）天津大学出版社2012.1 [12]大连理工大学教研室编，化工原理课程设计大连理工大学出版社，1994.6 [13]夏清主编化工原理（上）天津大学出版社2005.1 [14]齐齐哈尔大学化工原理教研室主编，化工原理课程设计2003.7 [15]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2011.6 [16]Tian-Guang HVDC transmiion project: Converter Transformer Maintenance Manual[Z].Germany: Siemens, 2001.8

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重要符号说明

Q ——热负荷

KJ/h mi——热流体质量流速

KJ/h Cph——热流体比热容 KJ/(kg℃)Cpc——冷流体比热容 KJ/(kg℃)

di ——传热管的内径 m do ——传热管的外径 m de——当量直径 m D ——公称直径m K ——选取的传热系数 kw/m2.c t1——冷流体进口温度 c t2——冷流体出口温度 c T1——热流体进口温度 c T2——热流体出口温度 c R——平均温差校正系数的参数 Ft——温度校正系数

P——公称压力 Mpa ai——管程传热膜系数 uo——壳程速度 m/s De——当量直径 m Reo——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，wdm——平均管径 m

m2.c

2Rsi——管程的污垢热阻 m.c

w2Rso——壳程的污垢热阻 m.c

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b——壁厚 m △p——管程压力降 Pa

——相对粗糙度 mm i

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附表2

列管式换热器的常用流量

·公称直径mm 1.5 12 400 10 10--500------600------800------