化工原理课程设计之管板式换热器的设计

化工原理 化工设备 课

程设计任务书

设计题目： 4.0万吨原油换热器设计 学生姓名： 朱昌迪 专业班级： 资源环境与城乡规划管理 学 号： 100704011 指导教师： 徐慎颖 张燕

宜宾学院 化学与化工学院

2012年 12月 28 日

1. 概述与设计方案简介.................................................................................................... 1

1.1. 换热器的类型 .................................................................................................... 1 1.2. 换热器............................................................................................................... 1

1.2.1. 换热器类型 .............................................................................................. 2 1.2.2. 固定管板式换热器 .................................................................................... 2

1.2.3. U型管换热器 ............................................................................................ 2 1.2.4. 浮头式换热器 ........................................................................................... 2 1.2.5. 填料函式换热器 ....................................................................................... 3 1.3. 换热器类型的选择 ............................................................................................. 3 1.4. 流径的选择........................................................................................................ 3 1.5. 材质的选择........................................................................................................ 4 1.6. 管程结构 ........................................................................................................... 4 2. 换热器选型及工艺计算 ................................................................................................ 5

2.1. 确定基本操作参数 ............................................................................................. 5

2.2. 初算传热面积 .................................................................................................... 5 2.3. 计算换热器概略尺寸.......................................................................................... 7 2.4. 总传热系数核算................................................................................................. 8

2.4.1. 管程传热膜系数 ....................................................................................... 8 2.4.2. 壳程传热膜系数 ....................................................................................... 8

2.4.3. 污垢系数 .................................................................................................. 9 2.4.4. 总传热系数 .............................................................................................10

2.5. 压力损失计算 ...................................................................................................10

2.5.1. 壳程约束阻力： ......................................................................................10 2.5.2. 管程约束阻力 ..........................................................................................10

3. 工艺设计表................................................................................................................. 11 4. 换热器设备的计算 ......................................................................................................12

4.1. 壳体壁厚设计 ...................................................................................................12

4.1.1. 壁厚的计算 .............................................................................................12 4.1.2. 换热器校核水压试验强度 ........................................................................13 4.2. 封头的设计.......................................................................................................14 4.3. 法兰的设计.......................................................................................................14 4.4. 支座的设计.......................................................................................................15

4.4.1. 质量核算 .................................................................................................15 4.4.2. 鞍座选型 .................................................................................................16 4.5. 管板的设计.......................................................................................................17

4.5.1. 管板尺寸确定 ..........................................................................................17

4.5.2. 管板与管子连接 ......................................................................................18 4.5.3. 管板与壳体的连接 ...................................................................................18 4.6. 流体进、出口接管直径的计算...........................................................................19 4.7. 容器开孔补强 ...................................................................................................19 5. 设备设计数据表..........................................................................................................20 设计心得.........................................................................................................................21 参考文献.........................................................................................................................23

1. 概述与设计方案简介

1.1. 换热器的类型

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 1.2. 换热器

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。

间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。

直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。

蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。

工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。

紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。 管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。

使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体

内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。 1.2.1. 换热器类型

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。 1.2.2. 固定管板式换热器

这类换热器如图1-1所示。固定管办事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。

1.2.3. 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。

1.2.4. 浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。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。

1.2.5. 填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。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。

1.3. 换热器类型的选择

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使水走管程。石油由于粘度较大，所以走壳程。

1.4. 流径的选择

在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 参考标准：

(1) 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。 (4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系

不大。 (5) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于

流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 (8) 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较

大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。 综合考虑以上标准，确定煤油应走壳程，水走管程。

1.5. 材质的选择

列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。

1.6. 管程结构

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，如下图所示。

(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。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。

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。管板与管子的连接可胀接或焊接。

2. 换热器选型及工艺计算

2.1. 确定基本操作参数

（1）热流体：入口温度140℃; 出口温度40℃ （2）冷却介质：岷江水

（3）允许压降：不大于0.1MPa （4）物性数据

（5）每年按360天计算，每天分成3班，每班8小时 （6）确定定性温度下的参数： 原油的定性温度

T(14040)290℃ 冷却水的定性温度 T

(2035)227.5℃

3

原油定性温度下的物性数据

密度o815kg/m

粘度o3.010定压比热容

3

Pas

cpo2.2kJ/kgC



o



导热系数o0.128W/mC



o



循环冷却水在27.5℃下的物理数据

密度粘度定压比热容导热系数污垢热阻

998kgm

3

c1.00510Pascpc4.18kJkg℃）

-3

c0.599W(m℃）0.21m℃kW

2

1

材料：碳钢导热系数 045W(m℃)

2.2. 初算传热面积

qmo

410kg36024h

7

4629.6kg/h

qvo

4629.6kg/h815kg/m

3

5.7m/h

3

传热量：

Qqmocpo(T2T1)4629.6kg/h2.2kJ/(kgC)(14040)1018512kJ/h2.8310w



5

已知岷江水的最高温度t120C且用水作冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度 有：t1

Qqmccpo

40C 又知：Q1018512kJ/h cpc4.18kJ/(kgC)





qmc12183.2kg/h 则取 qmc17000kg/h

t2

Qqmccpc

20C



1018512kJ/h

1.710kg/h4.18kJ/(kgC)

4



34.3C



逆流时的平均传热温差：水 34.3C20C 原油 140C40C tmc

(14034.3)(4020)

ln

4034.34020

51.05C



参数： P

t2t1T1t1



34.32014020

0.12

6.99

R

T2T1t2t1



1404034.320

查《化工工艺设计手》第2-279页 图 15-14（a）得 t0.95 故平均传热温差:



tmttmc0.9551.0548.5C

参照《化工过程设计》第282页 根据生产经验或文献报导，估算出传热系数，则初选K值

200wm

-2

C

-1

S

QKtm



2.8310

5

20048.5

29m

2

参考《化工设备设计手册》第46页 取安全系数为1.04 则S30.2m

2

2.3. 计算换热器概略尺寸

选用换热器管规格252.5mm用6m长的管子。原油的粘度大，所以走壳程，水走管程

S

30.23.140.0256

所需总管数：N

d0L

65(根)

取水的流速为0.96m/s

17000kg/h3

qvh17m/h3

998kg/m

ui

qvh



4



17

3.144n

(0.0250.005)653600uoptui0.960.236544

2

0.23m/s

din

则管程数为：

16(根)

每管程的管子数为：

NB

根据初步计算结果：传热面积30.2m2、总管数65根、4管程、管长6m。 查

JB/T471592

和GB1511999 初选管板式换热器型号为

BEM4001.635.26/254I

2

该管板式壳体直径D400mm、换热面积为 35.2m、公称压力为 1.6MPa、总管数为

76、并且为4管程、每管程的管子数为19根、中心排管数为11根、管程流通面积为0.0060m ①横过管束中心线的管数：nc1.19

N1.196510（根）

2

②参考《化工工艺设计手册》第2-263页 选用圆缺形折流板，圆缺形折流板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度h0.25400100mm

设定折流板的数目：

nB

LB1

6000150

139（根）

③管心距一般取1.5d0 则管心距Pt1.52532mm

④参考《化工工艺设计手册》第2-253页 换热管呈转角三角形排列 那么壳径Di1.05Pt则 Di1.053265⑤接管

壳程流体进出口接管

n

0.60.8

0.6

349.7mm

取接管内油品流速为1m/s 则接管内径为 d

4V



(44629.6)/(3600815)

3.141

0.044m

u

参考《化工设备设计基础》表3-31取标准管径为45mm 管程流体进出口接管

取接管内循环水流速为1.5m/s 则接管内径为 d

4V



(417000)/(3600998)

3.141.5

0.063m

u

则去标准管径为65mm 2.4. 总传热系数核算

2.4.1. 管程传热膜系数

冷却水量：W



4

Nn

Qcpi(t2t1)

2



10185124.18(34.320)

654

5.110

23

2

17039kg/h

A

di



3.144

(0.02)m

2

GiuiPriRei

WAGi



170395.110928.1998

3

3340980kg/(hm)928.1kg/(sm)

i

0.93m/s4.181.00510

0.599

3

3

cpii

idiGiui



7.01

0.02928.11.00510

18469.7

参考《化工装置实用工艺设计》原著第三版 图10-46查得JH54 JH

idiw

JH()0.14

cpii

1

i

)3(

w

)0.14

1

1

假定(

J540.59923

1，则iHPri）(7.01)33095.3w/(mC)

di0.02

2.4.2. 壳程传热膜系数

热交换器中心线或距中心线最近的管排上错流流动的最大通道面积S

A0BD(1

d0pt

)0.150.4(1

0.0250.032

)0.013125m

2

热交换器中心线或距中心线最近的管排上错流流动的最小质量流速Ge

Geu0Re

qmoA0Ge



4629.60.013125

352731.4kg/(hm)98.0kg/(sm)

2

2

0





98.0815

0.1202m/s

816.7

3

d0Ge

0.02598.03.010

3

00

Pr0

cpo0

2.23.010

0.128

51.6

正三角形排列时管群的当量直径：

4(0.43PTDe

2

0.5d0

2

)

8(0.430.032

2



0.53.140.025

2

)

0.020m

d02

3.140.025

带入克恩公式 假设(

w

)

0.14

0.95

0

0De

0.36Re

0.550

1

Pr03(

w

)

0.14



0.1280.020

1

0.36816.7

0.55

51.630.95323.1w/(mC)

2

2.4.3. 污垢系数

管内侧ri2.110管外侧r02.010管金属的导热系数：

4

mC/wmC/w

2

2

4



45w/(mC)

2.4.4. 总传热系数

1k



1

0

r0

b



d0di



d0dm

ri

d0di



1

i

其中dm

d0diln

25-20ln2520

-4

22.4

那么

1K



1323.1

2.010C

1

5



0.00250.025450.224

2.110

-4



0.0250.02



13095.3



0.0250.02

5.0510

3

K198.2wmS

QKtm



2

2.8310

198.248.5

29.4m。还有（

2

与前面初选值基本相符

35.229.4

-1）20%的富裕量

2.5. 压力损失计算

2.5.1. 壳程约束阻力

D(NB1)u0

P1s

De2

阻力系数：



2

s

1.72Re

0.190



1.72816.7

0.19

0.48

2

0.4（161）8150.1202

则P10.48

0.022

960.9Pa

折流板缺口阻力：

P2



2Bu0

NB(3.5)

D2



2

16(3.5

20.150.4

)

8150.1202

2

2

251.8Pa

那么 总阻力PP1P2960.9251.81212.7Pa0.1MPa

2.5.2. 管程约束阻力

P（P1P2）FtNsNpFt1.5 Ns1 Np4

P1i

ldi



iui2

2

0.0120

由Rei18469.7 传热管相对粗糙度

60.02

9980.23

2

2

2

0.005，查莫狄图 0.038w/(mC)



则P10.038P2

piui2

300.9Pa

79.2Pa

3

9980.23

2

则P(300.979.3)1.5142280.6Pa0.1MPa

管程我壳程流体阻力均为超过0.1MPa 选用管板式换热器

BEM4001.635.26/354I满足工艺要求

3. 工艺设计表

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。

4. 换热器设备的计算

4.1. 壳体壁厚设计

4.1.1. 壁厚的计算

根据工艺设计，选用错误！未找到引用源。的碳素钢管，其钢号为20R，钢板标准为GB6654。

由于换热器为内压容器，故可采用内压容器的设计方法来确定其壁厚，壳壁计算壁厚计算公式为：

错误！未找到引用源。 

pcDi2pc

t

式中，错误！未找到引用源。——计算压力，取pc1.6MPa

错误！未找到引用源。——壳体内径，错误！未找到引用源。Di400mm 错误！未找到引用源。——焊接接头系数，错误！未找到引用源。 t——壳程温度，设

错误！未找到引用源。——壳程温度为错误！未找到引用源。时的的许用应力，取错误！未找到引用源。（查《化工设备设计基础》附表一得） 则壳体计算壁厚为：



pcDc2pc

t



1.640021320.851.6

2.9mm

考虑到钢板厚度不均匀介质对筒壁的腐蚀作用，在确定筒体所需厚度时，还应在计算厚度错误！未找到引用源。的基础上，增加壁厚附加量C。壁厚附加量C是指在满足强度要求而计算出的壁厚之外，考虑其他因素而额外增加的壁厚量，包括钢板负偏差（或钢板负偏差）错误！未找到引用源。、腐蚀裕量错误！未找到引用源。，即错误！未找到引用源。。

取错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，故

dC1C22.90.614.5mm

圆整后，取名义厚度为错误！未找到引用源。 4.1.2. 换热器校核水压试验强度

按强度、刚度计算确定的容器壁厚，由于材质、钢板弯曲、焊接及安装等造成加工过程不完善，有可能导致容器不安全，会在规定的工作压力下发生过大变形或焊缝有渗漏现象等，故必须进行压力试验予以校核。

最常用的压力试验方法是液压试验。本设计采用水压试验方法。

液压试验时要求满足的强度条件是：

错误！未找到引用源。 T

pTDie2e

0.9s

查《化工设备设计基础》附表一可知，对于20R刚在壁厚为6mm时，其屈服极限错误！未找到引用源。，则有

pT1.25p1.251.62MPa

enC60.614.4mm

代入得：



T

pTDie2e



24004.424.4

91.9MPa

水压试验时满足强度要求。 4.2. 封头的设计

左右封头均采用标准椭圆形封头，根据JB/T 4337-95标准，封头为错误！未找到引用源。DN4006mm，曲面高度为错误！未找到引用源。，直边高度错误！未找到引用源。，材料选用20R钢。

4.3. 法兰的设计

壳体与封头采用法兰连接，材料选用20R碳素钢，本设计的压力和壳体内径都较小，根据JB/T4701―2000选用DN400,1.6MPa的甲型平焊法兰。

4.4. 支座的设计

4.4.1. 质量核算 ①壳体质量m1： 由上计算知：

DN400mm ，错误！未找到引用源。

查《化工设备设计基础》附表4得：单位长度的筒体质量为错误！未找到引用源。q165kg 则

m1q1L656390kg

②封头的质量错误！未找到引用源。： DN=400mm，错误！未找到引用源。，直边高度错误！未找到引用源。的标准椭圆形封头，其质量错误！未找到引用源。=9.9kg。

所以 错误！未找到引用源。m29.9219.8kg ③水的质量错误！未找到引用源。：

m3

(7.4.1)

式中，错误！未找到引用源。——装填系数，1.0 储罐体积：

VV封V管20.01150.17661.0791.1m

3

则

m31.01.19981097.8kg

④附件质量错误！未找到引用源。：

m4300Kg

⑤管子质量错误！未找到引用源。：

1

错误！未找到引用源。m576m765.21395.96kg

式中

错误！未找到引用源。——错误！未找到引用源。的管子单重，错误！未找到引用源。 ⑥法兰质量错误！未找到引用源。：PN=1.6MPa； DN=400mm；法兰质量27Kg。 则

m6274108kg

所以，设备总质量：

mm1m2m3m4m5m639019.81097.8300395.961082311.56kg

支座计算：

F

mg2

2311.569.8

2

11326.64411.33KN

4.4.2. 鞍座选型

每个支座承受11.33KN，选用重型B1型，120度包角，焊制，双筋，带垫片的鞍座。

鞍座标准

鞍座结构尺寸

4.5. 管板的设计

管板用来固定换热管并骑着分隔管程、壳程的作用。 4.5.1. 管板尺寸确定

由于固定管板式换热器计算十分复杂，需要综合考虑多种因素，可采用下表选取：

①材质：在选用管板时的材料时，当换热介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，可按规定采用低碳钢或普通低合金；处理腐蚀性介质时，应采用优质的耐腐蚀材料，本设计采用与壳体相同的低碳钢Q235-AF。

②管板尺寸：根据《化工设备设计基础》公称压力pc=1.6MPa，及公称直径DN=400mm，

4.5.2. 管板与管子连接

在管壳式换热器设计中，管子与管板的连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄漏，冷热流体相互混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更加严重。

管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种，其原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄露。

第一，胀接法。此法是利用胀接管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使端部发生塑性变形，管板同时也产生弹性形变，当取去胀管器后由于管板孔的弹性收缩，使管子与管板间同时产生一定挤紧力而紧密的贴在一起，从而达到密封紧固连接的目的。采用胀接时，管板的硬度应比管端高，以保证胀接质量，这样可以免除应管板孔塑性变形，而影响胀接紧密性。

第二，焊接法。由于此法具有高温高压下仍能保持连接的紧密性，对管板孔的加工精度

要求低，加工工艺较简单，当压强不太高使，可用较薄管板等优点，因此焊接法应用较广泛；但焊接法工艺要求管子与管孔之间应留有一定间隙。

根据本设计的操作物质为有原油且操作压力与温度均不太高，因此选用密封性能较好的胀接法。

4.5.3. 管板与壳体的连接

考虑到换热器的结构特点，管板与壳体的连接结构可以分成可拆式和不可拆式两大类型。固定管板式换热器的管板与壳体间常采用不可拆连接，可采用焊接的方式。即选用其中的（e）型

4.6. 流体进、出口接管直径的计算

1.壳程流体进出口接管

取接管内油品流速为1m/s 则接管内径为

d

4V



(44398.2)/(3600815)

3.141

0.044m

u

参考《化工设备设计基础》表3-31取标准管径为57mm6mm 2.管程流体进出口接管

取接管内循环水流速为1.5m/s 则接管内径为

d

4V



(417000)/(3600998)

3.141.5

0.063m

u

则取标准管径为76mm8mm

4.7. 容器开孔补强

开孔补强设计是在开孔附近区域增加补强金属，使之达到提高器壁强度、满足强度设计要求的目的。开孔补强的形式分为整体补强和局部补强。

按照GB150-1998钢制压力容器第8章中开孔和开孔补强的有关规定： 圆筒

1.Di1500mm时，开孔最大直径

当圆筒的内径

2.Di1500mm时，开孔最大直径

d

1213

Di，且d520mm；

d

Di，且d1000mm;

不另行补强的最大开孔直径，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

① 设计压力小于或等于2.5MPa;

② 两相邻的开孔中心间距应不小于直径之和的两倍； ③ 接管公称外径小于或等于89mm；

④ 接管壁厚不小于5mm（公称外径为57mm）；

本设计的固定管板式换热器筒体为碳钢，壁厚为6mm，管程设计压力为1。6MPa，壳程设计压力为1.6MPa，根据计算结果知，接管壁厚均大于5mm。因此开孔不必补强。

5. 设备设计数据表

设计心得

本次化工原理课程设计历时两周，是学习环境工程原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。

在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。

我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。

在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。

通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使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，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。正是在这次疼苦并快乐的课程设计中，我找到了运用知识和更有效率的学习知识的方法，在运用和学习的同时也加深了我对相关的专业知识的理解、提升了我考虑事情的全面性和做事情的严谨行性，让我分析问题、考虑问题、解决问题的能力有了进一步的提升。

我还要感谢我的指导老师徐慎颖老师和张燕老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。

限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。

参考文献

[1] 汪镇安.化工工艺设计手册[M].第3版上册.北京:化学工业出版社,2003.

[2] E.E. Ernest E. Ludwing.化工装置实用工业设计[M].原著第3版.北京：化学工业出版社,2006.

[3] 陈裕清.化工原理[M].上海:上海交通大学出版社,2008. [4] 黄英.化工过程设计[M].西安:西北工业大学,2005.

[5] 匡照忠.化工机器与设备[M].北京:化学工业出版社,2006.4. [6] 卓震.化工容器及设备[M].北京:中国石化出版社,2008.

[7] 喻健良.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2009.7. [8] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京:化学工业出版,2002.12. [9] 潘继红.管壳式换热器的的分析与计算[M].北京:科技出版社,1996. [10] 高安全,崔金海.化工设备机械[M].北京:化学工业出版社,2007.12. [11] 毛希澜.换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社,1988. [12] 马秉骞.化工设备[M].北京:化学工业出版社,2009.7.

[13] 刁玉伟,王立业.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2000. [14] 董其伍.换热器[M].北京:化学工业出版社,2008.12. [15] 孙继瀛.化工设备[M].北京:化学工业出版社,2000.

[16] 王菲, 林英.过程设备用钢[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004, 431. [17] 高莉萍, 高效换热器发展动态及其应用[J]. 石油化工设备技术, 1995. [18] 李志勇,喻健良,刘志军.过程机械[M].北京:化学工业出版社,2008.1. [19] 冷士良,宋志轩.化工单元操作设备[M].北京:化学工业出版社,2007.7. [20] GB151-1991,管壳式换热器[S].

[21] JB/T4712-2007,鞍式支座[S]. [22] JB/T4701-2000,甲型平焊法兰[S]. [23] JB/T4746-2002,EHA椭圆封头[S].

化工原理 化工设备 课

程设计任务书

设计题目： 4.0万吨原油换热器设计 学生姓名： 朱昌迪 专业班级： 资源环境与城乡规划管理 学 号： 100704011 指导教师： 徐慎颖 张燕

宜宾学院 化学与化工学院

2012年 12月 28 日

1. 概述与设计方案简介.................................................................................................... 1

1.1. 换热器的类型 .................................................................................................... 1 1.2. 换热器............................................................................................................... 1

1.2.1. 换热器类型 .............................................................................................. 2 1.2.2. 固定管板式换热器 .................................................................................... 2

1.2.3. U型管换热器 ............................................................................................ 2 1.2.4. 浮头式换热器 ........................................................................................... 2 1.2.5. 填料函式换热器 ....................................................................................... 3 1.3. 换热器类型的选择 ............................................................................................. 3 1.4. 流径的选择........................................................................................................ 3 1.5. 材质的选择........................................................................................................ 4 1.6. 管程结构 ........................................................................................................... 4 2. 换热器选型及工艺计算 ................................................................................................ 5

2.1. 确定基本操作参数 ............................................................................................. 5

2.2. 初算传热面积 .................................................................................................... 5 2.3. 计算换热器概略尺寸.......................................................................................... 7 2.4. 总传热系数核算................................................................................................. 8

2.4.1. 管程传热膜系数 ....................................................................................... 8 2.4.2. 壳程传热膜系数 ....................................................................................... 8

2.4.3. 污垢系数 .................................................................................................. 9 2.4.4. 总传热系数 .............................................................................................10

2.5. 压力损失计算 ...................................................................................................10

2.5.1. 壳程约束阻力： ......................................................................................10 2.5.2. 管程约束阻力 ..........................................................................................10

3. 工艺设计表................................................................................................................. 11 4. 换热器设备的计算 ......................................................................................................12

4.1. 壳体壁厚设计 ...................................................................................................12

4.1.1. 壁厚的计算 .............................................................................................12 4.1.2. 换热器校核水压试验强度 ........................................................................13 4.2. 封头的设计.......................................................................................................14 4.3. 法兰的设计.......................................................................................................14 4.4. 支座的设计.......................................................................................................15

4.4.1. 质量核算 .................................................................................................15 4.4.2. 鞍座选型 .................................................................................................16 4.5. 管板的设计.......................................................................................................17

4.5.1. 管板尺寸确定 ..........................................................................................17

4.5.2. 管板与管子连接 ......................................................................................18 4.5.3. 管板与壳体的连接 ...................................................................................18 4.6. 流体进、出口接管直径的计算...........................................................................19 4.7. 容器开孔补强 ...................................................................................................19 5. 设备设计数据表..........................................................................................................20 设计心得.........................................................................................................................21 参考文献.........................................................................................................................23

1. 概述与设计方案简介

1.1. 换热器的类型

列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。 1.2. 换热器

换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。 按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。

间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。将在后面做重点介绍。

直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。

蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是设备的体积庞大，且不能完全避免两种流体的混合。

工业上最常见的换热器是间壁式换热器。根据结构特点，间壁式换热器可以分为管壳式换热器和紧凑式换热器。

紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器、板式换热器等。 管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式、套管式、蛇管式等类型的换热器。其中，列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。列管式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得它在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来。

使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上，而管板则安装在壳体

内。因此，这种换热器也称为管壳式换热器。常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型。 1.2.1. 换热器类型

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。 1.2.2. 固定管板式换热器

这类换热器如图1-1所示。固定管办事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。

1.2.3. 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。

1.2.4. 浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。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。

1.2.5. 填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。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。

1.3. 换热器类型的选择

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使水走管程。石油由于粘度较大，所以走壳程。

1.4. 流径的选择

在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 参考标准：

(1) 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

(2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。 (4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系

不大。 (5) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。

(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于

流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 (8) 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较

大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。 综合考虑以上标准，确定煤油应走壳程，水走管程。

1.5. 材质的选择

列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用不锈钢材料。

1.6. 管程结构

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，如下图所示。

(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。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。

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。管板与管子的连接可胀接或焊接。

2. 换热器选型及工艺计算

2.1. 确定基本操作参数

（1）热流体：入口温度140℃; 出口温度40℃ （2）冷却介质：岷江水

（3）允许压降：不大于0.1MPa （4）物性数据

（5）每年按360天计算，每天分成3班，每班8小时 （6）确定定性温度下的参数： 原油的定性温度

T(14040)290℃ 冷却水的定性温度 T

(2035)227.5℃

3

原油定性温度下的物性数据

密度o815kg/m

粘度o3.010定压比热容

3

Pas

cpo2.2kJ/kgC



o



导热系数o0.128W/mC



o



循环冷却水在27.5℃下的物理数据

密度粘度定压比热容导热系数污垢热阻

998kgm

3

c1.00510Pascpc4.18kJkg℃）

-3

c0.599W(m℃）0.21m℃kW

2

1

材料：碳钢导热系数 045W(m℃)

2.2. 初算传热面积

qmo

410kg36024h

7

4629.6kg/h

qvo

4629.6kg/h815kg/m

3

5.7m/h

3

传热量：

Qqmocpo(T2T1)4629.6kg/h2.2kJ/(kgC)(14040)1018512kJ/h2.8310w



5

已知岷江水的最高温度t120C且用水作冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度 有：t1

Qqmccpo

40C 又知：Q1018512kJ/h cpc4.18kJ/(kgC)





qmc12183.2kg/h 则取 qmc17000kg/h

t2

Qqmccpc

20C



1018512kJ/h

1.710kg/h4.18kJ/(kgC)

4



34.3C



逆流时的平均传热温差：水 34.3C20C 原油 140C40C tmc

(14034.3)(4020)

ln

4034.34020

51.05C



参数： P

t2t1T1t1



34.32014020

0.12

6.99

R

T2T1t2t1



1404034.320

查《化工工艺设计手》第2-279页 图 15-14（a）得 t0.95 故平均传热温差:



tmttmc0.9551.0548.5C

参照《化工过程设计》第282页 根据生产经验或文献报导，估算出传热系数，则初选K值

200wm

-2

C

-1

S

QKtm



2.8310

5

20048.5

29m

2

参考《化工设备设计手册》第46页 取安全系数为1.04 则S30.2m

2

2.3. 计算换热器概略尺寸

选用换热器管规格252.5mm用6m长的管子。原油的粘度大，所以走壳程，水走管程

S

30.23.140.0256

所需总管数：N

d0L

65(根)

取水的流速为0.96m/s

17000kg/h3

qvh17m/h3

998kg/m

ui

qvh



4



17

3.144n

(0.0250.005)653600uoptui0.960.236544

2

0.23m/s

din

则管程数为：

16(根)

每管程的管子数为：

NB

根据初步计算结果：传热面积30.2m2、总管数65根、4管程、管长6m。 查

JB/T471592

和GB1511999 初选管板式换热器型号为

BEM4001.635.26/254I

2

该管板式壳体直径D400mm、换热面积为 35.2m、公称压力为 1.6MPa、总管数为

76、并且为4管程、每管程的管子数为19根、中心排管数为11根、管程流通面积为0.0060m ①横过管束中心线的管数：nc1.19

N1.196510（根）

2

②参考《化工工艺设计手册》第2-263页 选用圆缺形折流板，圆缺形折流板的圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度h0.25400100mm

设定折流板的数目：

nB

LB1

6000150

139（根）

③管心距一般取1.5d0 则管心距Pt1.52532mm

④参考《化工工艺设计手册》第2-253页 换热管呈转角三角形排列 那么壳径Di1.05Pt则 Di1.053265⑤接管

壳程流体进出口接管

n

0.60.8

0.6

349.7mm

取接管内油品流速为1m/s 则接管内径为 d

4V



(44629.6)/(3600815)

3.141

0.044m

u

参考《化工设备设计基础》表3-31取标准管径为45mm 管程流体进出口接管

取接管内循环水流速为1.5m/s 则接管内径为 d

4V



(417000)/(3600998)

3.141.5

0.063m

u

则去标准管径为65mm 2.4. 总传热系数核算

2.4.1. 管程传热膜系数

冷却水量：W



4

Nn

Qcpi(t2t1)

2



10185124.18(34.320)

654

5.110

23

2

17039kg/h

A

di



3.144

(0.02)m

2

GiuiPriRei

WAGi



170395.110928.1998

3

3340980kg/(hm)928.1kg/(sm)

i

0.93m/s4.181.00510

0.599

3

3

cpii

idiGiui



7.01

0.02928.11.00510

18469.7

参考《化工装置实用工艺设计》原著第三版 图10-46查得JH54 JH

idiw

JH()0.14

cpii

1

i

)3(

w

)0.14

1

1

假定(

J540.59923

1，则iHPri）(7.01)33095.3w/(mC)

di0.02

2.4.2. 壳程传热膜系数

热交换器中心线或距中心线最近的管排上错流流动的最大通道面积S

A0BD(1

d0pt

)0.150.4(1

0.0250.032

)0.013125m

2

热交换器中心线或距中心线最近的管排上错流流动的最小质量流速Ge

Geu0Re

qmoA0Ge



4629.60.013125

352731.4kg/(hm)98.0kg/(sm)

2

2

0





98.0815

0.1202m/s

816.7

3

d0Ge

0.02598.03.010

3

00

Pr0

cpo0

2.23.010

0.128

51.6

正三角形排列时管群的当量直径：

4(0.43PTDe

2

0.5d0

2

)

8(0.430.032

2



0.53.140.025

2

)

0.020m

d02

3.140.025

带入克恩公式 假设(

w

)

0.14

0.95

0

0De

0.36Re

0.550

1

Pr03(

w

)

0.14



0.1280.020

1

0.36816.7

0.55

51.630.95323.1w/(mC)

2

2.4.3. 污垢系数

管内侧ri2.110管外侧r02.010管金属的导热系数：

4

mC/wmC/w

2

2

4



45w/(mC)

2.4.4. 总传热系数

1k



1

0

r0

b



d0di



d0dm

ri

d0di



1

i

其中dm

d0diln

25-20ln2520

-4

22.4

那么

1K



1323.1

2.010C

1

5



0.00250.025450.224

2.110

-4



0.0250.02



13095.3



0.0250.02

5.0510

3

K198.2wmS

QKtm



2

2.8310

198.248.5

29.4m。还有（

2

与前面初选值基本相符

35.229.4

-1）20%的富裕量

2.5. 压力损失计算

2.5.1. 壳程约束阻力

D(NB1)u0

P1s

De2

阻力系数：



2

s

1.72Re

0.190



1.72816.7

0.19

0.48

2

0.4（161）8150.1202

则P10.48

0.022

960.9Pa

折流板缺口阻力：

P2



2Bu0

NB(3.5)

D2



2

16(3.5

20.150.4

)

8150.1202

2

2

251.8Pa

那么 总阻力PP1P2960.9251.81212.7Pa0.1MPa

2.5.2. 管程约束阻力

P（P1P2）FtNsNpFt1.5 Ns1 Np4

P1i

ldi



iui2

2

0.0120

由Rei18469.7 传热管相对粗糙度

60.02

9980.23

2

2

2

0.005，查莫狄图 0.038w/(mC)



则P10.038P2

piui2

300.9Pa

79.2Pa

3

9980.23

2

则P(300.979.3)1.5142280.6Pa0.1MPa

管程我壳程流体阻力均为超过0.1MPa 选用管板式换热器

BEM4001.635.26/354I满足工艺要求

3. 工艺设计表

换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。

4. 换热器设备的计算

4.1. 壳体壁厚设计

4.1.1. 壁厚的计算

根据工艺设计，选用错误！未找到引用源。的碳素钢管，其钢号为20R，钢板标准为GB6654。

由于换热器为内压容器，故可采用内压容器的设计方法来确定其壁厚，壳壁计算壁厚计算公式为：

错误！未找到引用源。 

pcDi2pc

t

式中，错误！未找到引用源。——计算压力，取pc1.6MPa

错误！未找到引用源。——壳体内径，错误！未找到引用源。Di400mm 错误！未找到引用源。——焊接接头系数，错误！未找到引用源。 t——壳程温度，设

错误！未找到引用源。——壳程温度为错误！未找到引用源。时的的许用应力，取错误！未找到引用源。（查《化工设备设计基础》附表一得） 则壳体计算壁厚为：



pcDc2pc

t



1.640021320.851.6

2.9mm

考虑到钢板厚度不均匀介质对筒壁的腐蚀作用，在确定筒体所需厚度时，还应在计算厚度错误！未找到引用源。的基础上，增加壁厚附加量C。壁厚附加量C是指在满足强度要求而计算出的壁厚之外，考虑其他因素而额外增加的壁厚量，包括钢板负偏差（或钢板负偏差）错误！未找到引用源。、腐蚀裕量错误！未找到引用源。，即错误！未找到引用源。。

取错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，故

dC1C22.90.614.5mm

圆整后，取名义厚度为错误！未找到引用源。 4.1.2. 换热器校核水压试验强度

按强度、刚度计算确定的容器壁厚，由于材质、钢板弯曲、焊接及安装等造成加工过程不完善，有可能导致容器不安全，会在规定的工作压力下发生过大变形或焊缝有渗漏现象等，故必须进行压力试验予以校核。

最常用的压力试验方法是液压试验。本设计采用水压试验方法。

液压试验时要求满足的强度条件是：

错误！未找到引用源。 T

pTDie2e

0.9s

查《化工设备设计基础》附表一可知，对于20R刚在壁厚为6mm时，其屈服极限错误！未找到引用源。，则有

pT1.25p1.251.62MPa

enC60.614.4mm

代入得：



T

pTDie2e



24004.424.4

91.9MPa

水压试验时满足强度要求。 4.2. 封头的设计

左右封头均采用标准椭圆形封头，根据JB/T 4337-95标准，封头为错误！未找到引用源。DN4006mm，曲面高度为错误！未找到引用源。，直边高度错误！未找到引用源。，材料选用20R钢。

4.3. 法兰的设计

壳体与封头采用法兰连接，材料选用20R碳素钢，本设计的压力和壳体内径都较小，根据JB/T4701―2000选用DN400,1.6MPa的甲型平焊法兰。

4.4. 支座的设计

4.4.1. 质量核算 ①壳体质量m1： 由上计算知：

DN400mm ，错误！未找到引用源。

查《化工设备设计基础》附表4得：单位长度的筒体质量为错误！未找到引用源。q165kg 则

m1q1L656390kg

②封头的质量错误！未找到引用源。： DN=400mm，错误！未找到引用源。，直边高度错误！未找到引用源。的标准椭圆形封头，其质量错误！未找到引用源。=9.9kg。

所以 错误！未找到引用源。m29.9219.8kg ③水的质量错误！未找到引用源。：

m3

(7.4.1)

式中，错误！未找到引用源。——装填系数，1.0 储罐体积：

VV封V管20.01150.17661.0791.1m

3

则

m31.01.19981097.8kg

④附件质量错误！未找到引用源。：

m4300Kg

⑤管子质量错误！未找到引用源。：

1

错误！未找到引用源。m576m765.21395.96kg

式中

错误！未找到引用源。——错误！未找到引用源。的管子单重，错误！未找到引用源。 ⑥法兰质量错误！未找到引用源。：PN=1.6MPa； DN=400mm；法兰质量27Kg。 则

m6274108kg

所以，设备总质量：

mm1m2m3m4m5m639019.81097.8300395.961082311.56kg

支座计算：

F

mg2

2311.569.8

2

11326.64411.33KN

4.4.2. 鞍座选型

每个支座承受11.33KN，选用重型B1型，120度包角，焊制，双筋，带垫片的鞍座。

鞍座标准

鞍座结构尺寸

4.5. 管板的设计

管板用来固定换热管并骑着分隔管程、壳程的作用。 4.5.1. 管板尺寸确定

由于固定管板式换热器计算十分复杂，需要综合考虑多种因素，可采用下表选取：

①材质：在选用管板时的材料时，当换热介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，可按规定采用低碳钢或普通低合金；处理腐蚀性介质时，应采用优质的耐腐蚀材料，本设计采用与壳体相同的低碳钢Q235-AF。

②管板尺寸：根据《化工设备设计基础》公称压力pc=1.6MPa，及公称直径DN=400mm，

4.5.2. 管板与管子连接

在管壳式换热器设计中，管子与管板的连接是否紧密十分重要。如果连接不紧密，在操作时连接处发生泄漏，冷热流体相互混合，会造成物料和热量损失；若物料带有腐蚀性、放射性或者两种流体接触会产生易燃易爆物质，后果将更加严重。

管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种，其原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄露。

第一，胀接法。此法是利用胀接管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使端部发生塑性变形，管板同时也产生弹性形变，当取去胀管器后由于管板孔的弹性收缩，使管子与管板间同时产生一定挤紧力而紧密的贴在一起，从而达到密封紧固连接的目的。采用胀接时，管板的硬度应比管端高，以保证胀接质量，这样可以免除应管板孔塑性变形，而影响胀接紧密性。

第二，焊接法。由于此法具有高温高压下仍能保持连接的紧密性，对管板孔的加工精度

要求低，加工工艺较简单，当压强不太高使，可用较薄管板等优点，因此焊接法应用较广泛；但焊接法工艺要求管子与管孔之间应留有一定间隙。

根据本设计的操作物质为有原油且操作压力与温度均不太高，因此选用密封性能较好的胀接法。

4.5.3. 管板与壳体的连接

考虑到换热器的结构特点，管板与壳体的连接结构可以分成可拆式和不可拆式两大类型。固定管板式换热器的管板与壳体间常采用不可拆连接，可采用焊接的方式。即选用其中的（e）型

4.6. 流体进、出口接管直径的计算

1.壳程流体进出口接管

取接管内油品流速为1m/s 则接管内径为

d

4V



(44398.2)/(3600815)

3.141

0.044m

u

参考《化工设备设计基础》表3-31取标准管径为57mm6mm 2.管程流体进出口接管

取接管内循环水流速为1.5m/s 则接管内径为

d

4V



(417000)/(3600998)

3.141.5

0.063m

u

则取标准管径为76mm8mm

4.7. 容器开孔补强

开孔补强设计是在开孔附近区域增加补强金属，使之达到提高器壁强度、满足强度设计要求的目的。开孔补强的形式分为整体补强和局部补强。

按照GB150-1998钢制压力容器第8章中开孔和开孔补强的有关规定： 圆筒

1.Di1500mm时，开孔最大直径

当圆筒的内径

2.Di1500mm时，开孔最大直径

d

1213

Di，且d520mm；

d

Di，且d1000mm;

不另行补强的最大开孔直径，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

① 设计压力小于或等于2.5MPa;

② 两相邻的开孔中心间距应不小于直径之和的两倍； ③ 接管公称外径小于或等于89mm；

④ 接管壁厚不小于5mm（公称外径为57mm）；

本设计的固定管板式换热器筒体为碳钢，壁厚为6mm，管程设计压力为1。6MPa，壳程设计压力为1.6MPa，根据计算结果知，接管壁厚均大于5mm。因此开孔不必补强。

5. 设备设计数据表

设计心得

本次化工原理课程设计历时两周，是学习环境工程原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。

在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。

我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。

在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。

通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使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，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。正是在这次疼苦并快乐的课程设计中，我找到了运用知识和更有效率的学习知识的方法，在运用和学习的同时也加深了我对相关的专业知识的理解、提升了我考虑事情的全面性和做事情的严谨行性，让我分析问题、考虑问题、解决问题的能力有了进一步的提升。

我还要感谢我的指导老师徐慎颖老师和张燕老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。

限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。

参考文献

[1] 汪镇安.化工工艺设计手册[M].第3版上册.北京:化学工业出版社,2003.

[2] E.E. Ernest E. Ludwing.化工装置实用工业设计[M].原著第3版.北京：化学工业出版社,2006.

[3] 陈裕清.化工原理[M].上海:上海交通大学出版社,2008. [4] 黄英.化工过程设计[M].西安:西北工业大学,2005.

[5] 匡照忠.化工机器与设备[M].北京:化学工业出版社,2006.4. [6] 卓震.化工容器及设备[M].北京:中国石化出版社,2008.

[7] 喻健良.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2009.7. [8] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京:化学工业出版,2002.12. [9] 潘继红.管壳式换热器的的分析与计算[M].北京:科技出版社,1996. [10] 高安全,崔金海.化工设备机械[M].北京:化学工业出版社,2007.12. [11] 毛希澜.换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社,1988. [12] 马秉骞.化工设备[M].北京:化学工业出版社,2009.7.

[13] 刁玉伟,王立业.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版,2000. [14] 董其伍.换热器[M].北京:化学工业出版社,2008.12. [15] 孙继瀛.化工设备[M].北京:化学工业出版社,2000.

[16] 王菲, 林英.过程设备用钢[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004, 431. [17] 高莉萍, 高效换热器发展动态及其应用[J]. 石油化工设备技术, 1995. [18] 李志勇,喻健良,刘志军.过程机械[M].北京:化学工业出版社,2008.1. [19] 冷士良,宋志轩.化工单元操作设备[M].北京:化学工业出版社,2007.7. [20] GB151-1991,管壳式换热器[S].

[21] JB/T4712-2007,鞍式支座[S]. [22] JB/T4701-2000,甲型平焊法兰[S]. [23] JB/T4746-2002,EHA椭圆封头[S].