1、湖南工業(yè)大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)資 料 袋機(jī)械工程 學(xué)院（系、部） 2007 - 2008 學(xué)年第 一 學(xué)課程名稱單元過程設(shè)備指導(dǎo)教師職稱學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)過控041 學(xué)號(hào)題目 丁二烯臥式冷凝器 成 績(jī)起止日期 2007 年 12 月 24日 2008年 1月 11 日目 錄 清 單序號(hào)材 料 名 稱資料數(shù)量備 注1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書12課程設(shè)計(jì)說明書13課程設(shè)計(jì)圖紙2A1，A3各1張本科課程設(shè)計(jì)丁二烯臥式冷凝器學(xué) 院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學(xué) 生 姓 名：班 級(jí)：學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師姓名：職稱最終評(píng)定成績(jī)2008 年 1 月 湖南工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)丁二烯臥式冷凝器學(xué) 院（部）：機(jī)

2、械工程學(xué)院專 業(yè)：過程裝備與控制工程學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2008 年 1 月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2007 2008 學(xué)年第 一 學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院 過程裝備與控制工程專業(yè)過041班級(jí)課程名稱：?jiǎn)卧^程設(shè)備 設(shè)計(jì)題目：丁二烯臥式冷凝器完成期限：自2007年12月24日至2008年1月11日共3 周內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)某廠需將7500kg/h的丁二烯蒸汽冷凝。已知丁二烯蒸汽的冷凝溫度為40，冷凝潛熱為373kJ/kg。所用冷卻水的進(jìn)出口溫度分別為15和25，水側(cè)和蒸汽側(cè)的污垢熱阻分別可取5.8和1.76。試選用一臺(tái)合適的水平列管式冷凝器二、設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：主要

3、有工藝參數(shù)的選定、物料衡算，熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。3、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核三、設(shè)計(jì)成果1、設(shè)計(jì)說明書一份2、換熱器裝配圖3、換熱器管板零件圖進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2007.12.24.12.26.擬定設(shè)計(jì)方案換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算2008.1.4.2008.1.7.換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)2008.1.8.2008.1.10.繪制換熱器裝配圖與主要零件圖2008.1.11.課程設(shè)計(jì)資料匯總交卷，答辯主要參考資料1、匡國柱，史啟才，化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20012、李功樣，陳蘭英，常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì).廣州：華南理工大學(xué)出版社，20063、賈紹義，柴誠敬，化工原

4、理課程設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社，20024、化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書編輯委員會(huì)，化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書換熱器.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20045、錢頌文，換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.86、庫潘，錢頌文，換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：中國石化出版社，2004.17、秦叔經(jīng), 葉文邦，換熱器.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20038、曾正明主編，機(jī)械工程材料手冊(cè)金屬材料.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.69、王非, 林英，化工設(shè)備用鋼.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200410、孟慶森, 王文先, 吳志生主編，金屬材料焊接基礎(chǔ).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200611、GB1511999， 管殼式換熱器12、YB 41

5、03-2000，換熱器用焊接鋼管13、JB/T 4717-92 ，U形管式換熱器型式與基本參數(shù)14、JB/T 4715-92，固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)15、JB/T 4714-92，浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)16、化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)第一卷：金屬材料17、化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)第二卷：化工設(shè)備零部件18、金屬焊接國家標(biāo)準(zhǔn)匯編199019、王松漢，石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)第3卷：化工單元過程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002指導(dǎo)教師（簽字）：年 月 日系（教研室）主任（簽字）：年 月 日.目 錄第1章冷凝器工藝設(shè)計(jì)31.1 設(shè)計(jì)方案選擇31.1.1 選擇冷凝器類型31.1.1.1 流程安排31.1.1

6、.2 確定物性參數(shù)31.2 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31.2.1估算傳熱面積31.2.1.1 冷凝器的熱流量41.2.1.2 冷卻水用量41.2.1.3 平均傳熱溫差41.2.1.4 估算傳熱面積41.2.1.5 選擇管徑和管內(nèi)流速41.2.1.6 管程數(shù)和傳熱管數(shù)41.2.1.7 傳熱管排列和分程方法41.2.1.8 殼體內(nèi)徑51.2.1.9 折流板51.2.1.10 其它附件51.2.1.11 接管51.3 換熱器核算51.3.1 熱流量核算51.3.1.1. 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)51.3.1.2. 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)61.3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻61.3.1.4傳熱系數(shù)71.3.2 壁溫核算71.3.

7、3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力8第2章冷凝器機(jī)械設(shè)計(jì)102.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)102.1.1部件工藝結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)112.1.1.1 筒體內(nèi)徑確定112.1.1.2 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)112.1.1.3 管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì)112.1.1.4 固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)112.1.1.5 墊片選擇112.1.1.6 鞍座選用及安裝位置確定112.1.1.7 折流板布置112.2 強(qiáng)度計(jì)算122.2.1 筒體壁厚計(jì)算122.2.2 管箱筒節(jié),封頭厚度計(jì)算122.2.3 固定管板計(jì)算13結(jié)論14參考文獻(xiàn)15附錄116第1章 冷凝器工藝設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)方案選擇選擇設(shè)計(jì)方案的原則是要保證達(dá)到工藝要求的熱流量,操作上要

8、安全可靠,結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單,可維護(hù)性好,盡可能節(jié)省操作費(fèi)用和設(shè)備投資.1.1.1 選擇冷凝器類型冷凝丁二烯蒸汽,其溫度為40,用冷卻水作冷卻劑,水的進(jìn)出口溫度分別為15和25.該溫差不是很大,所以選擇固定管板式臥式冷凝器.1.1.1.1 流程安排因?yàn)槔鋮s水較容易結(jié)垢,若其流速太低,會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度,使冷凝器的熱流量下降,所以從總體考慮,應(yīng)使冷卻水走管程,丁二烯蒸汽走殼程.1.1.1.2 確定物性參數(shù)定性溫度: 殼程氣體的定性溫度為 管程氣體的定性溫度為 根據(jù)定性溫度查管程和殼程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:丁二烯蒸汽在40時(shí): 密度 定壓比壓容 熱導(dǎo)率 粘度 冷卻水在20時(shí): 密度 定壓比熱容 熱導(dǎo)率

9、 粘度 1.2工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.2.1 估算傳熱面積1.2.1.1冷凝器的熱流量（1.1）1.2.1.2冷卻水用量（1.2）1.2.1.3 平均傳熱溫差 （1.3）估算傳熱面積根據(jù)冷熱流體的具體情況,參考換熱器傳熱系數(shù)的大致范圍 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第75頁(見表3-1)假設(shè) 則 （1.4） 選擇管徑和管內(nèi)流速 選用較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼),取. 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 傳熱管內(nèi)徑和單程傳熱管數(shù)(根)（1.5）按單程管計(jì)算,所需的傳熱管長(zhǎng)度為（1.6）按單程管計(jì)算.傳熱管過長(zhǎng),宜采用多程管,現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng),則管程數(shù)為(管程) 傳熱管總根數(shù) (根)傳熱管排列和分程方法采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三

10、角形排列,隔板兩側(cè)采用正方形排列.取管心距,則 隔板中心到離其最近一排管中心距離按式(3-16)計(jì)算 各相鄰管的管心距為44mm. 管束的分程方法,每程各有傳熱管119根,其前后管箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)流通順序按圖3-14選取.1.2.1.8 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu),殼體內(nèi)徑按式(3-19)估算.取管板利用率,則殼體內(nèi)徑為（1.7）按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔圓整1.2.1.9折流板采用弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%, 則切去的圓缺高度為取折流板間距,則, 圓整取, 折流板數(shù)(塊) 折流板水平裝配. 其它附件拉桿數(shù)量與直徑按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第135頁表4-7和4-8選取,本冷凝

11、器殼體內(nèi)徑為600mm,故其拉桿直徑為拉桿數(shù)量不得少于4個(gè).殼程入口處,應(yīng)設(shè)置防沖擋板.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第138頁參考文獻(xiàn)1(d)圖 接管殼程流體進(jìn)出口接管: 取接管內(nèi)氣體流速,則接管內(nèi)徑為（1.8）圓整后取管內(nèi)徑為40mm.摘自HG2059397板式平焊鋼制管法蘭。管程流體進(jìn)出口接管: 取接管內(nèi)液體流速,則接管內(nèi)徑為(m), （1.9）圓整后取管內(nèi)徑為150mm.摘自HG2059597帶頸對(duì)焊鋼制法蘭1.3換熱器核算1.3.1 熱流量核算1.3.1.1. 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 由公式（1.10）則 結(jié)合以上三個(gè)公式（1.11）得到殼程流通截面積按公式（1.12）其中（1.13）殼程流體

12、流速及雷諾數(shù)分別為 （1.14）（1.15）普朗特?cái)?shù) （1.16）1.3.1.2. 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按式3-32及3-33計(jì)算, n=0.4（1.17）管程流體流通截面積 （1.18）管程流體流速 （1.19）普朗特?cái)?shù) 經(jīng)查表得7.02（1.20）1.3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻管外則污垢熱阻 （1.21）管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 （1.22）管壁熱阻按式3-34計(jì)算,化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第139頁依表3-11,碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為, 所以1.3.1.4.傳熱系數(shù)依式3-21有 （1.23）1.3.1.5 傳熱面積裕度依式3-35可得所計(jì)算傳熱面積為該冷凝器的實(shí)際傳熱面積 （1.24）該冷凝

13、器的面積裕度按式3-36計(jì)算為 （1.25）傳熱面積裕度合適,該冷凝器能夠完成生產(chǎn)任務(wù).1.3.2壁溫核算因管壁很薄,且管壁熱阻很小,故管壁溫度可按式3-42計(jì)算.由于該冷凝器用循環(huán)水冷卻,冬季操作時(shí),水的進(jìn)口溫度會(huì)降低.為確保可靠,取水的進(jìn)口溫度10,出口溫度25計(jì)算傳熱管壁溫.另外,由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大,會(huì)使傳熱管壁溫升高,降低了殼體和傳熱管壁溫之差.但在操作初期,污垢熱阻較小,殼體和傳熱管間壁溫差可能較大.計(jì)算中,應(yīng)按最不利的操作條件下考慮,因此,取兩側(cè)污垢縶 阻為零計(jì)算成本傳熱壁溫.于是,按式4-42有 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別按式3-44和3-45計(jì)算為 傳熱管平

14、均壁溫 （1.26）殼體壁溫,可近似取為殼程流體的平均溫度,即殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 由于該溫差不大,所以不需要溫度補(bǔ)償裝置,選用臥式冷凝器合適.1.3.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 (1) 管程流體阻力 依式(3-47)(3-48)(3-49)可得 （1.27）（1.28）由 ,傳熱管對(duì)粗糙度 查莫狄圖得流速所以管程流體阻力在允許范圍之內(nèi).(2) 殼程阻力 按式3-50-3-54計(jì)算.（1.29）, 流體流經(jīng)管束的阻力 （1.30）流體流過折流板缺口的阻力總阻力 由于該冷凝器殼程流體的操作壓力較高,所以殼程流體的阻力也比較適宜.表1.1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表參數(shù)管程殼程流率/66

15、9607500進(jìn)/出口溫度/15/2540/40壓力/Pa0.42.5物性定性溫度2040密度/998.2160定壓比壓容/4.1830.708粘度/熱導(dǎo)率/0.5990.0175普朗特?cái)?shù)7.025.866形式臥式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)1管徑/mm管心距/mm32管長(zhǎng)/mm4500管子排列管數(shù)目/根238折流板數(shù)/個(gè)21傳熱面積/84.1折流板間距/mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)0.4980.37表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/23614484.7污垢熱阻/0.000580.000176阻力/MPa0.00120.0032熱流量/kW777傳熱溫差/K19.6傳熱系數(shù)/

16、588裕度/%24.8%第2章 冷凝器機(jī)械設(shè)計(jì)2.1機(jī)械設(shè)計(jì)冷凝器中,完成了其工藝設(shè)計(jì)計(jì)算后,冷凝器的工藝尺寸即可確定.若能用冷凝器標(biāo)準(zhǔn)系列選型,則結(jié)構(gòu)尺寸隨之確定,否則盡管在傳熱計(jì)算和流體阻力計(jì)算中已部分確定了結(jié)構(gòu)尺寸,仍需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),此時(shí)除了應(yīng)進(jìn)一步確定那些尚未確定的尺寸以外,還應(yīng)對(duì)已確定的尺寸進(jìn)行某些較核,修正.2.1.1部件工藝結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冷凝器機(jī)械設(shè)計(jì)其中的一方面是工藝結(jié)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要是確定有關(guān)部件的結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)尺寸,零件之間的連接等,如管板結(jié)構(gòu)尺寸確定;折流板尺寸,間距確定;管板與冷凝器的連接;管板與殼體,管箱的聯(lián)接;管箱結(jié)構(gòu);折流板與分程隔板的固定;法蘭與墊片等

17、的設(shè)計(jì).2.1.1.1 筒體內(nèi)徑確定由工藝設(shè)計(jì)給定的筒體內(nèi)徑為600mm,考慮原取板的利用率,對(duì)小直徑冷凝器合適,且實(shí)際計(jì)算值為620mm,決定就按筒體內(nèi)徑為600mm做排管圖,認(rèn)定取mm是合適的.2.1.1.2 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用B型封頭管箱,因冷凝器直徑較小,且為二管程,其管箱最小長(zhǎng)度可不按流通截面積計(jì)算,只考慮相鄰焊縫間距離計(jì)算.取管箱長(zhǎng)度為400mm管箱內(nèi)分程隔板厚度按參考書1表(4-1)取8mm.2.1.1.3 管箱法蘭和管箱側(cè)殼體法蘭設(shè)計(jì) 依工藝條件:管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力聽高值,以及設(shè)計(jì)溫度和公稱直徑,按JB470392長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取.并確定各結(jié)構(gòu)尺寸,畫出草圖.2.1.1.4

18、固定端管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 依據(jù)所選用的管箱法蘭,管箱側(cè)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸,確定固定端管板最大外徑為mm2.1.1.5 墊片選擇管箱墊片,依據(jù)管程操作條件(循環(huán)水壓力0.4MPa,溫度20)選石棉橡膠墊.其結(jié)構(gòu)尺寸按化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第165頁參考書1取mm, mm.2.1.1.6 鞍座選用及安裝位置確定鞍座選用JB/T471292鞍座B600F/S.安裝尺寸 取mm, mm, 取mm, mm.2.1.1.7 折流板布置 折流板結(jié)構(gòu)尺寸:按參考書1表(4-2)外徑mm厚度取mm,圓缺高度取mm,在排管圖上取.前端折流板距管板的距離至少為mm,結(jié)構(gòu)調(diào)整為mm.后端折流板距管板的距離至少為mm實(shí)際按折

19、流板間距mm,計(jì)算折流板數(shù)量為19塊.拉桿直徑按參考書1表(4-7)取,數(shù)量取4根.長(zhǎng)度參考書1表(4-9)2.2 強(qiáng)度計(jì)算冷凝器機(jī)械設(shè)計(jì)的另一方面是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)受力元件的應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核,以保證冷凝器安全運(yùn)行,比如封頭,管箱,殼體,管板,管子等等.2.2.1筒體壁厚計(jì)算 由工藝設(shè)計(jì)給定的設(shè)計(jì)溫度40,設(shè)計(jì)壓力MPa,選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16MnR卷制,材料40時(shí)的許用應(yīng)力MPa,取焊縫系數(shù),腐蝕裕度mm,則計(jì)算厚度 mm（2.1） 設(shè)計(jì)厚度 mm（2.2）名義厚度 mm 取mm（2.3）有效厚度 mm（2.4）水壓試驗(yàn)壓力 Mpa（2.5）所選材料的屈服應(yīng)力 MPa水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核（2

20、.6）152.77MPaMPa,水壓強(qiáng)度滿足要求.氣密試驗(yàn)壓力 MPa2.2.2管箱筒節(jié),封頭厚度計(jì)算由工藝設(shè)計(jì)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)為:設(shè)計(jì)溫度20,設(shè)計(jì)壓力0.4MPa,選用16MnR鋼板,材料許用應(yīng)力MPa,屈服強(qiáng)度MPa, 按參考書1177頁取焊縫系數(shù),腐蝕裕度.計(jì)算厚度 （2.7）設(shè)計(jì)厚度 mm（2.8）名義厚度 mm 綜合考慮結(jié)構(gòu)需要取mm（2.9）有效厚度 mm（2.10）壓力試驗(yàn)強(qiáng)度在這種情況下一定滿足.管箱封頭取用厚度與短節(jié)相同, 取mm. 該計(jì)算結(jié)果與參考書1表(4-31)相符.由于溫差比較小,所以不需要補(bǔ)強(qiáng)圈,也不用進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算.2.2.3 固定管板計(jì)算化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)

21、第175頁參照參考書1表(4-30)選取管板厚度為50mm,其中材料選取為16Mn鍛.結(jié) 論采用固定管板式換熱器設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，制造成本較低；館內(nèi)不宜積垢，即使產(chǎn)生了污垢也便于清洗。根據(jù)給定的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn) 1袁慶龍，候文義Ni-P合金鍍層組織形貌及顯微硬度研究太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32(1)：51-53.（連續(xù)出版物：序號(hào) 主要責(zé)任者文獻(xiàn)題名J刊名，出版年份，卷號(hào)(期號(hào))：起止頁碼）2劉國鈞，王連成圖書館史研究北京：高等教育出版社，1979：15-18，31（專著：序號(hào) 主要責(zé)任者文獻(xiàn)題名出版地：出版者，出版年：起止頁碼）3孫品一高校學(xué)報(bào)編輯工作現(xiàn)代化特征中國高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報(bào)研究會(huì)科技