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列管式换热器的设计说明书


列管式换热器的设计

学院:机械学院 专业: 设计者:

目录:
1、设计任务和设计条件,确定设计方案。 2、换热器的工艺计算,确定换热器的传热面积。 3、换热器的主要结构尺寸设计。 4、主要辅助设备选型。 5 、绘制换热器总装配图。 6、设计完成后的结束语。
一、设计任务与设计条件
某一生产过程的流程如图

1-1 所示。出反应器的混合气体经与进 料物流换热后,用循环冷却水将其 从 110℃进一步冷却至 60℃之后, 进入吸收塔吸收其中的可溶组分。 已知混合气体的流量为 240425kg/h, 压力为 6.9MPa,循环冷却水 的压力为 0.4MPa,循环冷却水入口 温度为 29℃,出口温度为 39℃,设计一台列管式换热器,完成该生 产任务。

二、确定设计方案
1.选择换热器的类型 两流体温度变化情况:热流体进口温度

110℃,出口温度 60℃;冷流体进口温度 29℃,出口温度 39℃,该 换热器用循环冷却水冷却,冬季作业时,其进口温度会降低,考虑到

这一因素, 故该换热器 的管壁温和壳体壁温 之差较大, 所以初步确 定选用浮头式换热器。 2.流程安排 从物流的操作压力看,应使混合气体气体走管程,循

环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢,若其流速太低,将会 加快结垢增长的速度, 使换热器的传热能力下降, 所以综合起来考虑, 应是循环水走管程,混合气体走壳程。

三、确定物性数据
壳程混合气体的定性温度为
T ? 110 ? 60 2 ? 8 5℃

管程流体的温度为
t ? 29 ? 39 2 ? 34



壳程混合气体在 85℃下的有关物性数据如下: 密度 定压比热容 热导率 黏度
? 0 ? 90 kg / m
3

Cpo ? 3 . 297 kJ /( kg .℃)

? o ? 0 . 0279 W /( m .℃)

? o ? 1 .5 ? 1 0

?5

Pa ? s

循环冷却水在 34℃下的物性数据 密度 定压比热容 热导率
? i ? 9 9 4.3 k g / m 3
Cpi ? 4 . 174

kJ/(kg·℃)

? ? qm c p ? t

黏度

? i ? 0 . 742 ? 10

?3

Pa . s

四、估量传热面积
热流量
? ? qm oc
p o

根据式 ?

? q m c p ? t 有:

? t ? 4 0 4 2 5? 3 . 2 9 7 2 ?

( 1?1 0

? 0) 6

3 ? 9K J 4 h 1 0 . 63 ?
7

/K W 1 1 0 0 9

1.平均传热温度

按纯逆流计算,按式 ? t

m

?

? t1 ? ? t 2 ln ? t1 ? t2

得:

? tm ?

? t1 ? ? t 2 ln ? t1 ? t2

?

(1 1 0 ? 3 9 ) ? (6 0 ? 2 9 ) ln (1 1 0 ? 3 9 60 ? 29 )

? 4 8 .3 K

2.传热面积 假设 K

因为壳程气体的压力较高。 故可选取较大的 K 值。
2

? 3 3 9 W( m ?k )则估算的传热面积为:
? K ? tm 11009 3 3 1 ? 4 8 .3

A

P

?

?

? 6 8 8 .6 m

2

3.冷却水用量
q m ,c ? ? C pi ? ti ? 11009 4 .1 7 4 ? 1 0 ? ? 3 9 ? 2 9 ?
3

? 2 6 3 .7 5( k g / s ) =949500(kg/h)

五、工艺结构尺寸
1.管径和管 内流速 钢) ,取管内流速 选用 ?
? 25 ? 2 . 5

较高冷拔 传热管 (碳

u i ? 1 .3 7 5 m / s

2.管程数和传热管数 传热管数:
ns ? qv

依据传热管内径和流速可确定单程

?
4

?
2

di u

= 6 1 4 . 4? 6 1 5 (根) 2 0 . 7 8 5? 0 . 0 2 ? 1 . 3 7 5

2 6 3 .7 5 / 9 9 4 .3

按单程管计算,所需的传热管长度为:

L ?

AP

? d 0ns

?

? 1 4 . 2 6m 3 . 1 4? 0 . 0 2 5 6 1 5 ?

6 8 8 .6

按单管程设计,传热管过长,宜采用多管程结构。根据设计的实 际情况,采用非标设计,现取管长为 l =7m,则该换热器的管程数 为:
NP ? L l ? 1 4 .2 6 7 ?2

(管程)

传热管总根数:
N T ? 6 1 5? 2 ? 1 2 3 0

(根)

3.平均传热温差校正及壳程数
R ? P ? 110 ? 60 39 ? 29 39 ? 29 110 ? 29 ?5 ? 0 . 124

按单壳程,双管程,查图 3-9 得:
? ? t ? 0 . 96

平均传热温差:
? t m ? ? ? t ? t m 塑 ? 0 . 9 6? 4 8 . 3 ? 4 6 .4 ℃

由于平均传热温差校正系数大于 0.8,同时壳程流体流量较大, 故取单壳程合适。 4.传热管排列和分程方法 采用组

合排列方法,即每程内按正三角形排列, 隔板两侧采用矩形排列,如图 1-2。 取管心距 t=1.25d0,则:
t ? 1 . 25 ? 25 ? 31 . 25 ? 32 mm

隔板中心到离其最近一排管中心距离为:
s? t 2 ?6? 32 2 ? 6 ? 2 2 (mm)

,各程相邻管的管心距是 44mm。

每程各有传热管 615 根,前后管箱中隔板设置和戒介质的流通顺 序选取. 5.壳体内径 板利用率 ?
? 0 .7

采用多管程结构,按 b ? 1 . 1 9

NT

估算。取管

,则壳体内径为:
D ? 1 .0 5 t NT

?

? 1 .0 5 ? 3 2

1230 0 .7

? 1408

(mm)

按卷制体的进级档,可取 D=1450 mm. 6.折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳

体内径的 0.25,则切去的圆缺高度为:
h ? 0 . 25 D ? 0 . 25 ? 1450 ? 362 . 5 ( mm ) ,取

360mm。

取折流板间距 B=0.3D,则
B ? 0 . 3 ? 1450 ? 435 ( mm ) ,可取

B=450 mm

折流板数 N

B

NB ?

传热管长 折流板间距

-1 ?

7000 450

- 1 ? 14 . 5 ? 14

(块)

7.其 他 附 件

拉 杆 数 量 为 与直 径 按 表

4-7 和表 4-8 选取,此换热器传热管外径为 25mm, 其拉杆直径为 16mm,共有 8 根拉杆。 壳程入口处,应设置防冲挡板,如右 图。 8. 接 管 壳程流体进出口接管:取接管内气体流速为

u1=10m/s,则接管内径为:
D1 ? 4V

? u1

?

4 ? 2 4 0 4 2 5 / ( 3 6 0? 0 3 . 1 4? 1 0

90) ? 0 .3 0 7 4 m

圆整后可取管内径为 310mm。 取接管内液体流速 u
D2 ? 4V
2

? 2 .5 m / s

,则接管内径为:
9 9 4 .3) ? 0 .3 6 7 6 m

? u2

?

4 ? 9 4 9 5 0 0 / ( 3 6 0? 0 3 . 1 4? 2 . 5

圆整后取管内径为 370mm。

六、换热器的核算
1.热流量核算 (1)壳程表面传热系数
h o ? 0 . 36

用克恩法计算:
0 . 55 1

?1
de

Re0

Pr

3

(

? ?w

)

0 . 14

当量直径:
4( de ? 3 2 t ?
2

?
4

d0 )

2

( 4 ?

3 ? 0 .0 3 2
2

2

? d0

? 0 .7 8 5 0 .0 2) ? 5 ? 0 . 0 2 0m 3 . 1 4? 0 . 0 2 5
2

壳程流通截面积:
S 0 ? B D (1 ? d0 t ) ? 0 . 4 5? 0 . 1(5 1 4 ? 0 .0 2 5 )? 0 .0 3 2 0 . 1 4 2m( 7
2

)

壳程流体流速及其雷诺数分别为:
240425 u0 ? (9 0 ? 3 6 0 0 ) ? 5 .2 0 ( m / s )

0 .1 4 2 7

Re0 ?

0 . 0 2? 5 . 2 0 9 0 ? ? 624000 ?5 1 .5 ? 1 0

普朗特数:
Pr ? C p o? 0

?0

?

3 .2 9 7 ? 1 0 ? 1 .5 ? 1 0
3

?5

? 1 .7 7 3

0 .0 2 7 9

黏度校正:
(

? ?w

)

0.14

? 1
1 0 .0 2 7 9 0.55 ? 6 2 4 0 0 0 ? 1 .7 73 ? 3 0 .0 2

h 0 ? 0 . 3 6?

9 3 5?.W ?7

2 m (? K ? ) / ?

(2)管内表面传热系数:
h i ? 0 . 023

?i
di

Re

0 .8

Pr

0 .4

管程流体通截面积
S i ? 0 .7 8 5 ? 0 .0 2 ?
2

1230 2

? 0 .1 9 3 1( m )
2

管程流体流速:
ui ? Re ? 9 4 9 5 0 0 / ( 3 6 0? 0 0 .1 9 3 1 0 . 0 2? 1 . 3 7 4 9 9 4 . 3 ? ? 36824 ?3 0 .7 4 2 ? 1 0 9 9 4 .3) ? 1 . 3 7 4 ( /s ) m

普朗特数:
Pr ? 4 .1 7 4 ? 1 0 ? 0 .7 4 2 ? 1 0
3 ?3

? 4 .9 6 ? 4 .9 6
0 .4

0 .6 2 4 0 .6 2 4 0 .0 2 ? 36824
0 .8

hi ? 0 .0 2 3 ?

? 6 1 2 3 ?W / ( m ? K ) ? ? ?
2

(3)污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内测污垢热阻 碳钢的热导率: 故:
C

按表 3-10,可取:
2

R 0 ? 0 .0 0 0 4 m ?K / W R i ? 0 .0 0 0 6 m ?K / W
2

50
0 . 0025 50

W ( m ?K ) /
2

Rw ?

? 0 . 00005 ( m ? K / W )

传热系数 K 有:

Kc ?

1 ( 1 9 3 5 .7 ? 0 .0 0 0 4 ? 0 .0 0 0 0 5 ? 25 2 2 .5 ? 0 .0 0 0 6 ? 25 20 ? 1 6123 ? 25 20 )

2 ? 4 0 3 ?W ? ? m ? K ? ? ? ?

(5)传热面积裕度 传热面积 Ac
Ac ? ? K c ? tm ? 11009 4 0 3 ? 4 8 .3 ? 566m
2

该换热器的实际传热面积 A:
A ? ? d 0 l Ns ? 3 . 1 4 ? 0 . 0 2 5? 7? 1 2 3 0 ? 6 7m 5
2

该换热器的面积裕度 H:
H ? A ? Ac Ac ? 1 0 0? ? 6 7 5? 5 6 6 ? 1 0 0 ? 1 9 .? ? 3 566

由于传热裕度的范围是 15 ℅ -20 ℅ ,所以计算的传热面积裕度合 适,该换热器能够完成此项生产任务。 2.壁温核算 因管壁很薄,且管壁热阻很小,故管壁温度可按

下式 3-42 式计算。由于该换热器用循环水冷却,冬季操作时,循 环水的进口温度将会降低。为确保可靠,取循环冷却水的进口温 度为 15℃,出口温度为 39℃计算传热管壁温。另外,由于传热管 内测污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,降低了壳体和传热管 壁温之差。但在操作初期,污垢热阻较小,壳体和传热管间壁温 差可能较大。计算中,应按最不利的操作条件考虑,因此,取两 侧污垢热阻为零计算传热管壁温差。于是有:
tw ? T m / hc ? t m / hh 1 / hc ? 1 / hh

式中液体的平均温度 t 和气体的平均年温度:
m

t m ? 0 .4 t 2 ? 0 .6 t1 ? 0 .4 ? 3 9 ? 0 .6 ? 1 5 ? 2 4 .6 ℃ Tm ? 1 2
2

(1 1 0 ? 6 0 ) ? 8 5℃

h c ? hi ? 6 1 2 3 ?W / ( m ?K ) ? ? ?
2 h h ? h 0 ? 9 3 5 .7 ?W / ( m ?K ) ? ? ?

传热管比平均壁温:
t ? 8 5 / 6 1 2 3 ? 2 4 .6 / 9 3 5 .7 1 / 6 1 2 3 ? 1 / 9 3 5 .7 =32.5℃

壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即 T=85℃。 壳体壁温和传热管壁温之差为:
? t ? 85 ? 32.5 ? 52.5℃

该温差较大,故需设计温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力 较高,因此,选用浮头式换热器较为适用。 3.换热器内流体流动阻力 (1)管程流体阻力:
? p t ? ( ? p i ? ? p r ) N s N p Fs

Ns=1
? Pi ? ? i l di ?

Np=2
?u
2
0 .2 20 ? 0 . 01 ,查莫狄图的 ? i ?
2

有R

e

? 3 6 8 2 4 ,传热管相对粗糙度 ? 994.3kg / m
3

0.04,

流速 u ? 1.299 m / s , ?

所以:
9 9 4 .3 ? 1 .2 9 9 2 ? 3? 9 9 4 .3 ? 1 .2 9 9 2
2 2

? p i ? 0 .0 4 ? ? pi ? ?

? 1 1 7 4 4 .5( P a ) ? 2 5 1 ( P a) 7

?u
2

2

? p t ? ? 1 1 7 4 4 .5 ? 2 5 1 7 ? ? 2 ? 1 .5 ? 4 2 7 8 ( P a) 5

管程流体阻力在允许的范围之内。

(2)壳程阻力:
? Ps ? ( ? P0 ? Pi ) F s N s

Ns=1 流体流经管束的阻力:
? p 0 ? F f 0 N T C ( N B ? 1) F ? 0 .5 f0 ? 5 ? 624000 N T C ? 1 .1 N T
0 .5 ? 0 .2 8 8

Fs=1

? u0
2

2

= 0 .1 0 7 1
0 .5

? 1 .1 ? 1 2 3 0

? 3 8 .5 8

N B ? 1 4, u 0 ? 5 .2 m / s ? p 0 ? 0 .5 ? 0 .1 0 7 1 ? 3 8 .5 8 ? ?1 4 ? 1 ? ? 9 0 ? 5 .2 2
2

? 37708 Pa

流体流过折流管缺口的阻力:
2 B ? u0 ? p i ? N B (3.5 ? ) , B ? 0.45 m , D ? 1.45 m D 2
2

? p i ? 14 ? 3.5 ? (

2 ? 0.45 1.45

) ?

90 ? 5.2 2

2

? 49049 Pa

总阻力
? p s ? 3 7 7 0 8 ? 4 9 0 4 9 ? 8 .6 7 ? 1 0 ( P a )
4

由于该换热器壳程流体的操作压力较高, 所以壳程流体的阻力也比较 合适。

(3)换热器主要结构尺寸和计算结果如下表所示:
参数 流率/(Kg/h) 进/出口温度/℃ 压力/Pa 定性温度/℃ 物 密度 定 压 比 热 [kJ/(kg·K] 黏度 热导率 普朗特数 形式 设 备 结 构 参 数 壳体内径/mm 管径/mm 管长/mm 管数目/根 传热面积/m2 管程数 主要计算结果 流速/(m/s) 表面传热系数/[W/(m 2 ·K)] 污垢热阻/(m2·K/W) 阻力/MPa 热流量/KW 传热温差/K 传热系数/[W/(m 2 ·K)] 裕度/℅ 容 管程 949500 29/39 0.4 34 994.3 4.174
0 . 742 ? 10
?3

壳程 240425 110/60 6.9 85 90 3.297
1 . 5 ? 10
?3



0.624 4.96 浮头式 1408
? 25 ? 2 . 5

0.0279 1.773 台数 壳程数 管心距 管子排列 折流板数 折流板间距/mm 材质 1 1 32
?

7000 1230 688.6 2 管程 1.374 6123 0.0006 0.049

14 450 碳钢 壳程 5.20 935.7 0.0004 0.086

11009 46.4 403 19.3

结束语 化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程基本知识去解 决某一设计任务的一次训练, 也起着培养学生独立工作能力的重要作 用。 在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得 到了提升,主要有以下几点: (1)掌握了查阅资料,选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献 中和从生产现场中搜集)的能力; (2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性, 又考虑经济上的合理 性,并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想,在这种 设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力; (3)培养了迅速准确的进行工程计算的能力; (4)学会了用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能 力。 从设计结果可看出,若要保持总传热系数,温度越大、换热管数 越多, 折流板数越多、 壳径越大, 这主要是因为煤油的出口温度增高, 总的传热温差下降,所以换热面积要增大,才能保证 Q 和 K.因此, 换热器尺寸增大,金属材料消耗量相应增大.通过这个设计,我们可 以知道, 为提高传热效率, 降低经济投入, 设计参数的选择十分重要. 主要参考文献 [1] 《化工单元过程及设备课程设计》第二版 工业出版社 [2] 《过程工程原理》 谭天恩 李伟编著 化学工业出版社 匡国柱 史启才 化学


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