浮头式换热器的设计-加热器

化工原理课程设计
浮头式换热器的设计
课程名称：化工原理
设计子题目：辛烷加热器的设计
学院专业：轻工化工学院制药工程
年级班别：2011级（2）班
学号：3111001733
姓名：梁志杰
任课教师：王国庆老师
2014年6月8日
一、设计目的
培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基础理论和基本知识去完成某项单元操作设备设计任务的实践能力。

二、设计目标
设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。

三、设计条件
管程和壳程的压力均不大于1.0或1.6MPa，管程和壳程的压力降均为6~30kPa。

加热器的设计：
物料：辛烷（Wh=1750t/d）
四、设计步骤
1．方案设计
2．工艺设计
3．结构设计
4．编制设计说明书
5．绘制设备装配图
五、方案设计
1、物料的选用：辛烷（沸点：125.67 ℃）
2、加热剂的选择：联苯混合物
3、换热器型式的选择：浮头式；
4、流体管壳程的选择：辛烷走管程，联苯混合物走壳程；
5、流体流动方向的选择：四管程+单壳程；
六、工艺设计
1、查出辛烷的正常沸点：1T ＝125.67℃
2、选定物料的进出口温度：t 1=30℃，2t ＝125℃
3、选定加热剂的进出口温度：1T ＝155℃，T 2＝135℃
4、计算逆流传热平均温度差：
868.59125
15530135ln )
125155()30135(ln 2121=-----=∆∆∆-∆=
∆t t t t t m 逆 ℃ 5、校正传热平均温度差：
211.0301251351551221=--=--=
t t T T R 76.030
15530
1251112=--=--=
t T t t P 根据查表可得，()f R P ϕ=⋅ =0.895 ; 89.0=图ϕ
582.53868.59895.0=⨯=∆⋅=∆逆折m m t t ϕ℃ 6、计算出定性温度T m 、m t 和管壁定性温度sm t
C
t T t C T T T C t t t m m sm m m ︒=+=+=︒=+=+=︒=+=+=
25.111)1455.77(2
1
)(21145)135155(21
)(215.77)12530(21
)(212121
7、 查出物料和加热剂的物性参数：
密度
3/kg m
比热容
()/J kg K ⋅ 粘度系数
s Pa ⋅
热导率
()K m W ⋅/
物料 660 2386 4103-⨯ 0.113 加热剂
957
2093
4103.6-⨯
0.12
管壁的导热系数选为378.355()K m W ⋅/ 8、计算热负荷：
W t t WcC Q pc 61210591.4)30125(26383600
241000
1750)(⨯=-⨯⨯⨯⨯=
-=
9、根据总传热系数K 的大致范围116～4652()W m K ⋅，初选总传热系数定 o K ＝4002()W m K ⋅ 10、初算传热面积：
26
o 204.214582.5340010591.4m t K Q S m o =⨯⨯=∆⋅=折
11、根据工艺条件，选定公称压力 1.0PN MPa =。

12、根据流体物性，选定换热管材为铜。

13、由初算传热面积o S 和选定的公称压力PN ，初定换热器的工艺尺寸： 从行标中直接查取实际换热面积S 29.253m S =
公称称直径DN mm DN 1000=
管长L
L=4500mm 管径×壁厚bmm d ⨯o φ
mm 219⨯φ
总管数n n = 980
中心排管数c n c n ＝23
管程流通面积i A 20433.0m A i =
管子的排列形式 正方形旋转45︒
管心距t mm 25t =
管程数
p
N
p N ＝4
壳程数s N 1
=s N
折流扳间距h h= 300mm 折流板型式
25%圆缺形
14、计算加热剂的流量h W ：
s kg T T C Q W ph h /68.109)
135155(209310591.4)(6
21=-⨯⨯=-=
s kg d t W i /255.203600
24101750/17503
=⨯⨯==
15、计算管程流速i u ： s m A W A V u i i i i i /7088.00433
.0660255.20=⨯===
ρ 因为i u 在s m /35.0-,所以满足要求 16、计算管程对流传热系数i α：
0.8
0.023n
i i P u i d u C N d ρμλμλ⎛⎫⎛⎫
= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭Q
又Q 管程中的辛烷被加热 ∴n=0.4
4
.08.0)()(023.0i
i p i i i i i i i C u d d λμμρλα=
4
.048.04)113
.01032093()1036607088.0015.0(015.0113.0023.0--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
)/(778.10632K m W ⋅=
17、计算壳程当量直径e d 和流速o u
m d d t d e 0229.0019
.0019.04025.0444220202=⨯⎪
⎭⎫ ⎝⎛⨯-⨯=⎪⎭⎫ ⎝
⎛-=ππππ 20169.0)019.0231(3.0)(m d n D h A o c o =⨯-⨯=-=
s m A W A V u o o o o o /678.0169
.066068.109=⨯===
ρ 因为o u =s m /5.1~2.0，所以满足要求。

18、计算壳程对流传热系数o α：
0.14
1
0.553
0.36u e r w N R P μμ⎛⎫= ⎪
⎝⎭
Q
又Q 液体被冷却 95.014
.0=⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛w o μμ 14
.03
1o 55
.036.0⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=w o o o p o o o e e o o C u d d μμλμμρλα
95.012.010
3.62093103.6957678.00229.00229.012.036.03
14
55
.04⨯⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛⨯⨯⨯⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯
=-- )/(44.16622K m W ⋅=
19、根据冷热流体的性质及温度，选定污垢热阻： ⋅⨯=-25106.17m R si ℃W /和⋅⨯=-25106.17m R so ℃W / 20、计算总传热系数'K ：
m In d d In
d d d i
o i o m 0169.0015.0019
.0015
.0019.0=-=-=
8487.377=λ()K m W ⋅/
0000'0
111
Si S i i i m d d d b R R K d d d αλα=⋅+⋅+⋅++
44
.16621
106.170169.0019.0355.377002.0015.0019.0106.17015.0019.005.1135155+
⨯+⨯+⨯⨯+⨯=
-- =2.682310-⨯
∴K '=470.95()K m W ⋅/
21、计算传热面积'S ：
26
''
93.181582
.5395.49010591.4m t K Q S m =⨯⨯=∆=折
22、核算实际面积： 25.117.1934
.181204
.21415.1'＜S S ＜
== 符合要求
23、核算压力降： ⑴ 管程压力降： 湍流）(10339.210
36607088.0015.0Re 4
4
⨯=⨯⨯⨯=
=
-i
i
i i i u d μρ 对于铜,05.0~01.0=ε，取ε＝0.03mm ，002.0015
.000003
.0==
i
d ε
，查表得0256.0=λ
1=S N 4=p N
kPa u d l P i i c e i 522.127088.06605.1015.05.40256.02
221=⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=∆ρξξλ kPa u P i i 4974.027088.06603232
22=⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=∆ρ ()1
2
i
t
p
s P P P F N N
=∆+∆∑
()kPa kPa Pa 3012.124.12116415.14975.0522.1π==⨯⨯⨯+=
⑵壳程压力降： F ＝0.4 23=c n
湍流）(103585.210
3.6957
678.00229.0Re 44
⨯=⨯⨯⨯=
=
-o
o
o e o u d μρ
()21156.1413
.01
.05.411.05035.0235850.5Re 0.52'
1228.0228.0o o B c o B B o u N n Ff P N h L N f ρ+=∆=∴=--=--=
=⨯=⨯=-- ()kPa
Pa 302.16163022
678.0957115235035.04.02
==⨯⨯+⨯⨯⨯= 225.32
'
2o o B u D h N P ρ⎪⎭⎫ ⎝
⎛
-=∆
kPa
Pa 568.995682678.095713.025.3152
==⨯⨯
⎪⎭
⎫ ⎝⎛
⨯-⨯= ()
()1
15.1568.9302.16'
2'1
⨯⨯+=∆+∆=∆∑s s o
N F P P
P
KPa KPa Pa 30751.295.29750＜==
管程压力降和壳程压力降都在6~30kPa 的范围内，所以参数满足设计要求。

八、结构设计
1、根据GB151-99P21表8，选定圆筒厚度为12mm
2、椭圆形封头（JB/T4737-95）：碳素钢
公称直径DN/mm
曲面高度h 1/mm
直边高度h 2/mm 厚度δ/mm
固定式（左） 1000 250
40
12 浮动式（右）
1100 275
40
12
3、管箱短节厚度（GB151-99P20）：12mm
4、压力容器法兰：（JB4701-92（2个甲型凹型），JB4703-92（长颈凹型））
甲型平焊法兰（凹面密封面）：
DN/D/m D1/m D2/m D3/m D4/mδd/m螺柱规格螺柱数量
1000 1131090 1055 1045 1042 66 23 M20 56 长颈凹型：(mm)
DN D D1D2D3D4δH h 1100 1260 1215 1176 1156 1153 56 120 35
a a1δ1δ2R d 螺柱规格螺柱数量δ0
21 18 16 26 12 27 M24 32 12 5、外头盖侧法兰（JB4721-92（凸型）(mm)
DN D D1D2D3D4δH h
1000 1260 1215 1176 1156 1153 60 130 48
a1δ1δ2R d 螺柱规格螺柱数量δ0
18 14 30 12 27 M24 32 12
6、管板（《化工过程及设备设计》P28~36）：
固定式板式:
浮动式管板式:
已知：Φ= 19，D = 1000，PN = 1.0MPa，
p
N= 4，查得
公称压力Kg/cm2A
mm
B
mm
C
mm
b
mm MX×L 管孔数净重
（kgf）
固定式 1.0 1042 996 996 40 M30×37 1036 179 浮动式 1.0 990 962 962 40 M30×37 1036 147
7.钩圈式浮头（GB151-99P82图50）B型
a=2mm
b=5mm b1=5mm b2=14.5mm b n=13mm
D L=951mm D i=1000mm d=19mm
C=60mm D fi=964mm D fo=1080mm
D o=990mm
8、分程隔板（GB151-99P20表6和图9）
分层隔板的最小厚度为：10mm
δ=
9、分程隔板槽两侧相邻管中心距（GB151-99P24表12和图12）
10、布管限定圆（GB151-99P25表13和图13）
由D=1000mm，查得b＞4，取
b=4mm
b1=5mm
b n=13mm
b2=14.5mm
D L=D i-2(b1+b2+b)=951mm
11、拉杆的直径、数量和尺寸（GB151-99P77~78表43、表44、表45和图42）
拉杆直径拉杆数量n 拉杆螺纹公称直径dn/mm a L/m b L/m b/m
12 10 12 15
50
2.0 12、拉杆孔（GB151-99P27公式(16)、P28图16(b)）
换热管外径d 换热管中心距S
隔板槽两侧相邻
管中心距Sn
19mm 25mm 38mm
螺孔深度：mm d l n 18125.15.12=⨯==
13、换热管与管板的连接（强度焊）（GB151-99P71表33和图34(a)）
14、折流板的厚度和外径（GB151-99P74表34、P75表41） 换热管无支撑跨距 l=h=300mm 所以折流板或者支 持板最小厚度：mm m 6=δ
15、接管（《化工单元设备设计》P33和《化工原理》P350热轧无缝纲管） a ．管程中物料辛烷适宜流速s m u /0.3~5.1= 物料初选u=2.0m/s
mm u W u V d c s
i 78.1390
.2660255
.20444=⨯⨯⨯===
πρππ 选择所以选取管的规格为mm 0.4133⨯φ 核算, s m u W d V u c i
s /50.2)2004.0133.0(660255.204442
2=⨯-⨯⨯⨯===
πρππ 符合1.5m/s<u<3 m/s,故可选管的规格为mm 0.4133⨯φ b ．壳程中联苯混合物适宜流速s m u s m /3/5.1<< 初选0u ＝2.0m/s
换热管最小伸出长度l 1/mm
最小坡口深度l 3/mm
1.5
2
折流板名义外直径: DN-6=1000-6=994mm 折流板直径允许偏差: 0-0.8
mm u W u V d h
s
i 11.2700
.295768
.10944400=⨯⨯⨯===
πρππ 选择所以选取管的规格为mm 7273⨯φ 核算, s m u W d V u h i
s /18.2)2007.0273.0(95768.1094442
02=⨯-⨯⨯⨯===
πρππ 符合s m u s m /3/5.1<<,故可选管的规格为mm 7273⨯φ
16、管法兰（《化工单元设备设计》P256~258，HG20593-97）：
DN/m m
管子直径A i /mm
法兰
外径
D/mm
螺栓孔
中心圆直径
mm K /
螺栓孔直径
mm L / 螺栓孔数
量
n
螺纹
mm
Th /
法兰厚度
mm C /
法兰内径
mm
B /1
坡口宽度
mm b /
法兰质量
kg
m /
辛烷（管） 125 133 250 210 18 8 M16 22 135 18 5.65 联苯混合物（壳）
250
273
395
350
22
12
M20
26
276
22
11.9
17、防冲板或导流筒（GB151-99P78~79）
由于管程不采用轴向入口且3/i u m s <，所以不用设置防冲板
壳程)/(2230)/(05.454818.29572222s m kg s m kg u ⋅>⋅=⨯=ρ，故需设导流筒。

18、鞍式支座（《化工单元设备设计》P263~267，JB/T4712-92），建议选BI 型
公称直
径
允许载
荷
鞍座高
度
底板腹板筋板
DN Q h l1 b1δ1δ2l3b2b3δ3 1000 307 200 760 170 12 8 170 140 180 8
19、组装尺寸（JB/T4714-92P13~15）
L/mm DN/mm F/mm G/mm E/mm
4500 1000 2500 3420 300
B/mm D/mm H/mm dn/mm C/mm
410 880 200 250 200
九、设计体会
时间过得飞快，两周的化工原理课程设计就要结束了，在这次的设计中，我学到了很多：1、这次的课程设计开了课程设计的头，让我们熟悉了课程设计的流程，以便我们更加能适
应以后的课程设计，同时这个课程设计能让我们熟练掌握word和CAD的操作，为下面的学习打下了坚实的基础。

2、这次的课程设计能够让我们更好地知道理论和实际的结合，虽然没有真正做出一件实
物，但是这个完全是根据实际来做的，让我们很好地学习到关于这方面地知识，很好地掌握并运用它。

3、这次的课程设计能够让我发现自己的不足，例如：不够细心，基础知识不够扎实等等。

让我能够更好地改正。

4、这次的课程设计我学到了：首先，按照老师的步骤耐心地做下去，不急不躁，然后必须
独立思考，认真核对计算结果和计算公式等，保证不出错误，最后，学会同学之间相互讨论，相互帮助，力求把课程设计做得更好。

5、通过这次的课程设计让我获益匪浅，对我以后的工作生活都有一定的好处，如果有不正
确的地方，恳请老师和同学指出，从而让我更进一步。

十、参考资料
1、《常用化工单元设备设计》李功样陈兰英崔英德编华南理工大学出版社
2、《化工原理》上册修订版天津大学化工原理教研室编天津科学技术出版社
3、《化工单元操作过程及设备》上册李功样陈兰英余林编著华南理工大学出版社
4、GB151－99
5、JB/T4737-95
6、JB/T4701-92
7、HG20593-97
8、JB/T4712-92
9、JB/T4714-92。