乙醇原料液-釜液换热器设计

吉林化工学院
热能利用及系统工程
课程设计
乙醇原料液-釜液换热器设计
Raw material for ethanol - kettle liquid heat exchanger
design
教学院：机电工程学院
系别：能源动力系
学生学号：11460224
学生姓名：陈寿山
专业班级：热动1102
指导教师：甘树坤、吕雪飞
职称：教授
起止日期：2014.10.27～2014.11.8
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology
陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
设计的前半部分是工艺计算部分，主要是根据给定的设计条件估算换热面积，从而进行换热器的选型，校核传热系数，计算出实际的换热面积，最后进行压力降和壁温的计算。

设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件（如接管、折流板、定距管、钩圈、管箱等）的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。

关键词：管壳式换热器；浮头式换热器；管板；浮头盖；浮头法兰
- I -
陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
Abstract
Design is the first half of the process calculation part,Mainly according to t he given design conditions to estimate the heat transfer area,And thus for the he at transfer area selection，Check the heat transfer coefficient,Calculate the actual heat transfer area,Finally carries on the pressure drop and the calculation of wall temperature.After half part is about the structure of the design and strength calc ulation,Mainly according to the internal heat exchanger type has been selected fo r equipment partsdesign(Such as to take over，baffle，Spacer pipe，Hook ring，T ube boxEtc）,including: The choice of materials，determine the specific size，Ide ntify a specific date，the calculation of the thickness of the tube plate，the calcu lation of floating head cover and the thickness of the floating head flange，openi ng reinforcement calculation, etc.
Keywords: Tube and shell heat exchanger; Floating head heat exchanger;Tub e sheet; Floating head cover; Floating head flange
- II -
陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
目录
摘要 (I)
Abstract ...............................................................................................................................................I I 设计任务书.. (1)
第1章前言 (1)
第2章设计方案概述和简介 (3)
2.1 概述 (3)
2.2 方案简介 (3)
2.2.1 列管式换热器的分类 (3)
2.2.2 设计方案选定 (4)
第3章换热器的设计计算 (6)
3.1 物性参数的确定 (6)
3.1.1 定性温度的确定 (6)
3.1.2原料液和釜液在定性温度下的相关物性参数 (6)
3.2 换热器设计计算 (6)
3.2.1 传热量计算 (6)
3.2.2 换热器壳程数及流程 (6)
3.3 估算传热面积 (7)
3.3.1传热温差 (7)
3.3.2 传热面积 (7)
3.4传热管排列和分程方法 (7)
3.5 壳体相关参数 (9)
3.6换热器核算 (11)
第4章辅助设备的计算和选型 (14)
4.1 拉杆规格 (14)
4.2 接管 (14)
第5章设计结果汇总表 (15)
结论 (16)
参考文献 (17)
附录：符号说明 (18)
致谢 (20)
- III -
陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
设计任务书
设计题目：乙醇原料液-釜液换热器设计
- 1 -
陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
第1章前言
机械课程设计是理工科专业学习的一个重要环节，是综合运用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。

通过课程设计使学生掌握机械设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中能够培养学生树立正确的设计思路和实事求是认真负责的工作态度。

机械课程设计是理工科学生学习的一个实践环节，是使学生得到化工设计的初步训练，为毕业设计奠定基础。

围绕以某一典型单元设备（如换热管，折流器等）设计为中心，训练学生非典型设备的设计和定型设备的的选型能力，设计时数为2周，其基本内容为：换热器的工艺计算、换热器的结构与强度设计。

其中，工艺计算主要是确定换热器的换热面积、换热器的选型、压降计算、壁温计算等；而结构与强度设计则主要包括：管板厚度计算、换热管的分布、折流板的选型、浮头盖及浮头法兰的计算、开孔补强计算以及各种零部件的材料选择等。

在设计过程中，我尽量采用较新的国家标准，做到既满足设计要求，又使结构优化，降低成本，以提高经济效益为主，力争使产品符合生产实际需要，适合市场激烈的竞争。

同时为了使本次设计能够进行顺利，我在设计前参阅了许多有关书籍和英文文献，并做了一定的摘要。

因为换热器设计是属于压力容器设计范畴，与我所学的课程有紧密的联系。

所以这次设计对我的设计能力有了很大的提高。

它不仅使我贯通几年里所学习的专业基础知识和专业理论知识，还培养和提高我们群体合作、相互配合的工作能力。

换热器在设计过程中为技术分析与产品开发可以为设计者提供一个广阔的思维想象空间，还能激发设计者的创新意识。

在设计过程中，我们可以很好地将所学的知识加以应用，在自己的脑海中巩固。

这是我选择这个课题的初衷，而事实上我也达到了预期的目的。

由于水平有限，在设计过程中一定存在许多疏漏和不够合理之处。

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陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
第2章设计方案概述和简介
2.1 概述
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。

化工生产中换热器的使用十分普遍，由于无理的性质、歘热要求各不相同，换热器的种类很多。

了解各种换热器的特点，根据工艺要求正确选用适当类型的换热器是非常重要的。

按照热量交换的方法不同，分为间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器三种。

化工生产中绝大多数情况下不允许冷、热两流体在传热过程中发生混合，所以，间壁式换热器的应用最广泛。

在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体温度较低，吸收热量。

换热器在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中都有广泛应用，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。

2.2 方案简介
根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。

以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。

2.2.1 列管式换热器的分类
1 固定管板式换热器
固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。

当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

2 U型管换热器
U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。

管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由
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陈寿山：乙醇原料液-釜液换热器设计
温差时，不会产生温差应力。

U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。

其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。

此外，其造价比管定管板式高10%左右。

3 浮头式换热器
其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。

浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。

其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

4 填料函式换热器
其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。

管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

2.2.2 设计方案选定
1 换热器类型的选择
按照设计任务书的要求，热流体釜液入口温度135℃，出口温度113℃，冷流体是原料液，入口温度90℃，出口128℃，操作压力不大于0.9MPa，甲苯温度变化为45℃比较大。

基于这些要求，应选择浮头式换热器，是由于它具有管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力、制造方便和易于清洗的特点。

2 列管式换热器设计的主要内容
列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流体设计、结构设计、以及强度设计。

其中以热力设计最为重要。

不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设
- 4 -
计，而且对于已生产出来的，甚至已投入使用的换热器在检验它是否满足使用时，均需要进行这方面的工作。

热力设计是指根据使用单位提出的基本要求，合理的选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

第3章 换热器的设计计算
3.1 物性参数的确定
3.1.1 定性温度的确定
定性温度，取流体进口温度的平均值 壳程流体釜液的定性温度：1242113
135t 1m =+=℃ 管程原料液的定性温度：1092
12890t 2
m =+=℃
3.1.2原料液在定性温度下的相关物性参数
表3-1物料参数表
釜液在定性温度下的相关物性参数
3.2 换热器设计计算3.2.1 计算传热量
Q=W
h ⨯C
p
(T
1
-T
2
)×0.98
=100000×4.067×38×0.98
=h
j/
k
10
51
.17
⨯
=4194.4kw
3.2.2换热器壳程数及流程
a. 换热器的课程数
对于无相变的多管程的换热器壳程数的确定，是由工艺条件，即冷、热物流进出口温度，按逆流流动给出传热温差分布图如图4-71所示，采用图解方法确定壳程数。

图解壳程数Ns
如图可见，所用水平线数为2，故选取该换热器的壳程为2。

其处理办法，或在一壳体内加隔板或选用两个单壳程的换热器，显然后者比较方便。

故选用两台相同的换热器。

3.3估算传热面积A
3.3.1传热温差
前面已提供了釜液及原料液进出口温度，于是可得：
]1
221l n [)]
12()21[(t 't T t T t T t T m -----=
∆
]90
113128135ln[)]
90113()128135[(-----=
＝13.45℃
则流动方式选用逆流
在列管式换热器中由于加折流板或多管程，冷、热两流体并非纯逆流，以上应加以
校正，其校正系数
按以下步骤求得：
578.090128113
1351221=--=--=
t t T T R
844.090
135901281112t =--=--=t T t P
由R 、P 及壳程数 查图得知使用单壳程无法满足换热需求 查双壳程曲线：93.0=∆t ξ，于是得传热温差校正值为： 50.1245.1393.0t '=⨯=∆⨯∆=∆tm t m ξ℃
3.3.2传热面积A
根据冷、热流体在换热器中有无相变化及其物性等，选取传热系数℃，于
是可求所需传热面积A 为：
23
7m 41950
.123600*********.1t =⨯⨯⨯⨯=∆=
m K Q A 3.3.3换热器选型
根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求等条件选择适宜的换热器，为保证传热时流体适宜流动状态，还需估算管程数。

管程热流体（釜液）体积流量：
s m k mk V /0347.0908
3600110000
i 3=⨯==
ρ 选用规格钢管，设管内的流速
，则：
单管程所需管子根数n ：
vi di n
V 24
i π
=
vi di vi 2
/4n π=
)5.002.0/(0347.042⨯⨯⨯=π 9.220=根取222根 设单台换热器的传热面积为，则单台传热面积为：
m 01.12)025.02222/(419L =⨯⨯⨯=π 选取管束长l ＝6m ，则管程数为
26
01.12L N ===l 故应选取管程数
为2。

则换热器管子总根数为2x222x2=888根。

根据以上条件以及考
虑到操作压力较大应选用浮头式换热器。

3.4传热管排列和分程方法
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。

取管心距t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32㎜
隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22㎜ 各程相邻管的管心距为44㎜。

3.4.1壳体相关参数
采用多管程，取管板利用率为η＝0.75
则壳体直径为105375.0/8882525.198.0/98.0D =⨯⨯==ηn Pt mm
按卷制壳体的进级档壳体直径应取D=1200mm 。

3.5折流板{ TC "折流板" \f C \l "2" |}
采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：
h=0.25×1200=300mm ，故可取h=300mm
取折流板间距B=0.3D ，则 B=0.3×1200=360mm ，可取B 为360mm 。

折流板数目N B =
块折流板间距传热管长166.151360
6000
1≈=-=-
换热器为卧式，且过程中流体没有相变，所以选用水平装配弓形折流板(横向)，且不必另设支撑板。

3.6换热器核算
3.6.1壳程表面传热系数{ TC "（1）壳程表面传热系数" \f C \l "3" |} 用克恩法计算得：
14
.03
155
.00
1
0)(Pr Re 36
.0w
e
d μμλα=
管子按正三角形排列传热当量直径为：
e d =02.0]423[
40
202=-d d t ππ米 壳程流通截面积：
200094.0)32
251(2.136.0d 1S m t BD =-⨯⨯=-
=）（2m 壳程流体流速及其雷诺数分别为：
s m /34.0094
.0)
9.8793600/(1000000=⨯=
μ
2283710262.09
.87934.002.0Re 3
0=⨯⨯⨯==-ui i diui ρ 普朗特数：
98.1539
.010067.410262.0Pr 3
3=⨯⨯⨯=
- 粘度校正：
1)(
14
.0≈w
μμ k m ./w 304098.12283702
.0539.036.0231
55
.00=⨯⨯⨯
=α 3.6.2管内表面传热系数{ TC "（2）管内表面传热系数" \f C \l "3" |}：
0.80.30.023Re Pr i
i i
d λα=
管程流体流通截面积：
2
042n Si d ⨯⨯=
π =22m 069.002.04
14
.34888=⨯⨯ 管程流体流速：
s m i /487.0069
.0)
9083600/(110000=⨯=
μ
3948110224.0908487.002.0Re 3
=⨯⨯⨯=-
普朗特数：
608.1578
.010224.010135.4Pr 3
3=⨯⨯⨯=-
k m ./w 3.3644608.13948102
.0578
.0023.0i 23.08.0=⨯⨯⨯
=α
3.6.3污垢热阻和管壁热阻{ TC "（3）污垢热阻和管壁热阻" \f C \l "3" |}
管外侧污垢热阻 20.000172/o R m k w =⋅ 管内侧污垢热阻 20.000172/i R m k w =⋅
管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为48.8w/(m ·K)。

所以：
20.0025
0.000051/48.8
w R m k w =
=⋅ 3.6.4总传热系数{ TC "（4） 传热系数" \f C \l "3" |}e K
）（0
0001011
αα++++=R d R di d R idi d K m
）
（3
.36441
000172.00225.045025.00025.002.0025.0000172.002.03040025.01
++⨯⨯++⨯=
000274
.0000172.01017.6000215.000041.01
5++⨯++=
-
k m ./w 6.8282=
3.6.5传热系数校核
0224.002
.0ln 02
.0025.0ln 0d =-=-=
di di d m 3.6.6传热面积裕度{ TC "（5）传热面积裕度" \f C \l "3" |}
传热面积Ac 为：
273.37645
.136.8286.3/1051.11c m tm ke Q A =⨯⨯=∆=
该换热器的实际传热面积为Ap
20m 24.4188886025.014.3/p =⨯⨯⨯==T N l d A π
该换热器的面积裕度为：
%14.113
.3763
.37624.418p =-=-=
Ac Ac A H 传热面积裕度合适
第4章 辅助设备的计算和选型
4.1 拉杆规格
拉杆选取外径16mm 的拉杆，共4根，均匀布置在管束外边缘。

4.2 接管
1 管程进出口接管
取标准管径为50 mm 。

管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u ＝0.5 m/s ，则接管内径为
m
0706.05
.014.395
.14=⨯⨯=
d 取标准管径为50 mm 。

2 壳程流体进出口接管
壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为 u ＝0.7 m/s ，则接管内径为
u v d π4=
239.09.87936007.0/1000004=⨯⨯⨯⨯=π取标准管径为50 mm 。

第5章设计结果汇总表
表5-1设计汇总表
结论
这次课程设计让我受益匪浅，在设计即将结束之际，我对这次毕业设计进行了总结。

根据甲苯—水浮头式换热器的设计标准，在给定的参数下（处理能力：33000kg/h，加热介质：水入口温度16，出口温度37；甲苯入口温度：105，出口温度：60；循环水0.4MPA,甲苯0.6Mpa)，计算出定性温度，工艺结构尺寸（每程管束n=36根，管程数N=4，管数b=14，内径D=500mm，挡板数N
=14）。

然后根据换热器校核，计算结
b
果显示该设计合理实用。

在设计计算过程中需要对一些参数进行选定如：初选传热系数k=450 W/㎡•℃，计算传热系数k=516.3W/㎡•℃，传热系数差值为14.7%，符合要求。

管程压力降为13KPa和壳程压力降为7KPa，均小于50KPa，管程壳程流动阻力适宜。

在设计前，进行相关的技术学习，学习熟练使用Word的各项功能，还有系统地对Auto CAD进行学习。

不懂的地方多学对多问，学会了良好的沟通能力。

在设计过程中，首先要使计算公式必须符合规范，要保证计算结果的准确，要认真的对计算书进行校正。

其次，要保证画图的准确，图框要按照标准纸画，标注必须充分并且剖面的位置要正确。

要尽量避免错误。

通过这次设计，使我各方面的能力都得到了提高，计算机能力得到锻炼，还增强了我独立思考和创新的能力。

由于水平有限，在设计中会存在一些不合理和疏漏之处，恳请各位老师批评指正。

参考文献
[1] 贾绍义柴诚敬主编《化工原理课程设计》，天津大学出版社，第1版，2002年8月，35页至59页
[2] 陈南英刘玉兰主编《常用化工单元设备的设计》，华东理工大学出版社，第1版，2005年4月，41~42页：2.3.4折流板和支撑板
[3] 蒋维钧余立新主编《化工原理—流体流动与传热》，北京，清华大学出版社，第1版，2005年10月
[4] 钱颂文主编《换热器设计手册》，化学工业出版社，第1版，2002年8月，34页
[5] 史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].北京：东南大学出版社，1996
[6] 庄俊，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器[M].上海：上海交通大学出版社，1987
附录：符号说明
英文字母
A ：传热面积，㎡
A ’：计算所需传热面积，㎡
a : 管心距，mm
B ：折流板间距，mm
b ：管壁厚度，m
Cp : 比热容，J/kg ℃
D :换热器壳内径，mm
e d :壳程当量直径，m
o d :导热管外径，mm
i d :导热管内径，mm
F ：管子排列方法对压力降的修正字数，0.5 Fs ：壳程压力降的结垢修正系数，1.15
t F ：结构校正因素（对φ25 ⨯2.5mm 的管
子，1.4）
fo ：壳程流体摩擦因数，fo = 228
.0Re 0.5-⨯
h ：折流板圆缺高度，mm
K ：总传热系数，W/㎡*℃
l :管子长度，m
N B ：折流板数
P N ：管程数
S N :串联的壳程数 n ：总管数
n c ：管束中心线上的管数
P ，R ：校正系数φΔt 的辅助量
Pr ：普朗特常量
o p ∆ : 壳程压力降，Pa
'
1p ∆: 流体横过管束的压力降，Pa
'
2p ∆:流体通过折流板缺口的压力降，Pa
i p ∆ ：管程压力降，Pa
1p ∆: 流体流过直管由摩擦引起的压力Pa n p ∆：流体流经管箱进出口的压力降，Pa
r p ∆：流体经回弯管由摩擦引起的压降，Pa
Q ：热负荷，J
q m : 质量流量，kg/h q v ：体积流量，m ³/s
Re :雷诺数
Rs ：污垢热阻，㎡⨯℃/ W
T ：热流体温度，℃
W T : 壳程温度，℃
t ：冷流体温度，℃
t w ：换热管壁温，℃
m t ∆:传热平均温度差，℃
'
m t ∆:校正平均温度差，℃
u ：流体的流速，m/s
u o ：按壳程流通截面积Ao 计算的流速，m/s
希腊字母
αo ：管外传热膜系数，W/㎡⨯℃
i α：管内传热膜系数，W/㎡⨯℃
φΔt :校正系数
η：管板利用率
λ: 导热率，W/m ℃ i λ：摩擦因数，i λ=64/Re μ：流体粘度，s Pa ⋅ ρ：密度，m ³/kg
(注：在计算过程中，下标为1的均为果汁的相关数据，下标为2的均为水的相关数据。

而Δp1’、
Δ
p2’是例外。

i
是管内的，o
是管外的)
致谢
本设计是在甘树坤老师和吕雪飞老师的帮助和指导下完成的,在设计的选题以及设计的方法上.两位给了我们莫大的帮助与关怀。

两位老师在课程设计期间，对我们严格要求，要求我们能够独立完成设计图纸的任务，培养我们独立解决问题的能力，还从自己的宝贵时间中抽时间为我们审阅图，并提出修改意见和建议。

两位老师渊博的理论知识、丰富的实践经验、严谨的治学作风、乐观的生活态度及热情待人的品格都深深地影响和教育了我们。

我们从他们身上学到了很多做人的道理。

同时在生活上也很关心我们，经常问我们的设计情况，鼓励我们学习。

在这里，谨向两位老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意，在此还要感谢我的其他老师。

在过去的大学几年里，老师循循善诱的教导我们。

为我们的付出了无数的汗水，还要感谢热动专业的各位老师几年来对我们的辛勤培育与教导。

还要感谢我的同学们，在这两周里我们在一起设计，互相讨论，互相请教问题，大家共享资料。

在我碰到困难的时候，他们帮我渡过了难关。

这般友谊，弥足珍贵，我不会忘记。

谢谢你们。