浮头式换热器设计

目 录

一、 引言

1.1 列管式换热器设计任务书…………………………………2 1.2 设计题目的目的、意义、内容、主要任务……………… 3 二、正文

2.1 确定设计方案………………………………………………4 2.2 确定物性数据………………………………………………4 2.3 估算传热面积………………………………………………5 2.4 工艺结构尺寸………………………………………………6 2.4.1管径和管内流速…………………………………………6 2.4.2管程数和传热管数………………………………………6 2.4.3 平均温差校正及壳程数…………………………………6 2.4.4 传热管排列和分程方法…………………………………7

2.4.5 壳体直径……………………………………………… 7

2.4.6 折流板…………………………………………………7 2.4.7 接管……………………………………………………7

2.5 换热器核算…………………………………………………8 2.5.1.传热面积校核…………………………………………8

2.5.2换热器内压降的核算……………………………………10

三、结论…………………………………………………………………12

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四、参考文献…………………………………………………………13

一、引 言

1.1 列管式换热器设计任务书

1.1.1.设计题目： 1，3-丁二烯气体换热器设计 1.1.2.设计任务及操作条件

1．设计任务：工作能力（进料量q=120000+51×1000=171000㎏/h）

2．操作条件：1，3-丁二烯气体的压力：6.9MPa 进口110℃，出口60℃

循环冷却水的压力：0.4MPa 进口30℃，出口40℃

1.1.3.设备型式：浮头式换热器 1.1.4.物性参数

1，3-丁二烯气体在定性温度（85℃）下的有关物性数据如下： 密度 =527㎏/m3

1定压比热容 cp1=2.756kJ/（㎏·℃） ℃） =0.0999W/（m·粘度 =9.108×10Pa·s 热导率

1-5

1

循环水在定性温度（34℃）下的物性数据如下： 密度 =994.4kg/m3

2定压比热容 cp2=4.08kJ/（kg·℃）

粘度 热导率 1.1.5.设计内容：

22=0.624W/（m·℃） =0.725×10Pa·s

-3

1.设计方案的选择及流程说明 2．工艺计算

3．主要设备工艺尺寸 （1）冷凝器结构尺寸的确定 （2）传热面积，两侧流体压降校核

1

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（3）接管尺寸的确定 4．换热器设备图和说明书

1.2 设计题目的目的、意义、内容、主要任务

1.2.1. 课程设计的目的:

(1) 使学生掌握化工设计的基本程序与方法；

(2) 结合设计课题培养学生查阅有关技术资料及物性参数的能力； (3) 通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强学生分析问题、解决问题的能力；

(4) 对学生进行化工工程设计的基本训练，使学生了解一般化工工程设计的基本内容与要求；

(5) 通过编写设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求；

(6) 了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技能训练 1.2.2. 课程设计内容:

(1) 设计方案简介 ：对给定或选定的工艺流程，主要设备的型式进行简要的论述。

(2) 主要设备的工艺设计计算 ：包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。

(3) 典型辅助设备的选型和计算 ：包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。

(4) 工艺流程简图 ：以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量，能流量和主要化工参数测量点。

(5) 主体设备工艺条件图：图画上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表等。

1.2.3. 课程设计的基本教学要求

(1) 要求设计者接收设计任务书后，运用所学知识，经详细、全面考虑，确定设计方案，选用计算公式，认真收集查取相关的物性参数。

(2) 正确选用设计参数，树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点，兼顾操作维修的方便和环境保护的要求，从总体上得到最佳结果。

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(3) 准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算，以确保在规定时间内完成设计任务。

二、 正 文

2.1确定设计方案

2.1.1.选择换热器的类型

该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，结合两流体的温度差，估计该换热器管壁温度和壳体温度之差较大，初步确定用浮头式换热器。

2.2.2.管程安排

由于循环冷却水容易结垢，若其流速太低，会加快结垢速度，影响换热，从

总体考虑应使循环水走管程，1，3-丁二烯气体走壳程。

2.2确定物性数据

进料量：q=[110000+138×1000]=248000kg/h

项目 管程（循环水） 定性温度 t304035℃ 2壳程（1，3-丁二烯气体） t1106085℃ 2 物性参数[1] 1=994.4㎏/m3 cp22=527kg/m3 cp1=4.08kJ/（㎏·℃） =2.756kJ/（kg·℃） ℃） =0.626W/（m·s =0.725×10-3Pa·112=0.0999W/（m·℃） 2=9.108×10-5Pa·s 3

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2.3估算传热面积

2.3.1传热量：

Qqm1cp1(T1T2)qm2cp2(t2t1)

=248000×2.761×（110-60） =9506.8 kW

2.3.2冷却水用量：

qm.iQC9506.80810233.0kg/s pit4.

2.3.3平均温差：

tt1t250lnt1031.07C 1tln50210

2.3.4初算总传热面积

由于壳程气体压力较高，故可选取较大的K值[2]，假定总K=450W.m-2.℃-1,则计算所需传热面积为：

SQ9506.8估Kt45031.07680m2

4

传热系数

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2.4工艺结构尺寸

2.4.1管径和管内流速

选用25mm×2.5mm的碳钢管[3], 取管内流速u2=1.2m/s[4]

2.4.2管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

qmi233Ns621（根） 20.7850.021.22du4

按单程管计算，所需的传热管长度为：

LS估68013.94m d0NS3.140.025621按单管程设计，传热管过长，因此采用多管程结构。先取传热管长l=7m，则该换热器管程数为：2

传热管总根数

621×2=1242（根）

2.4.3 平均温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数：

RT1T211060tt40305 P210.125 t2t14030T1t111030按单壳程双管程结构，温差校正系数应为[2]：

t0.91，

tmtt0.9131.0728.27

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。

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2.4.4 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。隔板两侧采用正方型排列[4]，管心距Pt=1.25×25=31.25≈32（mm）,隔板中心到离其最近一排管中心距离：Z=Pt/2+6=22mm各程相邻管的管心距为44mm。

管束的分程方法:每程各有传热管621根，横过管束中心线的管数[4]：

nc1.19N42根

2.4.5 壳体直径

采用多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率0.75[4]，则壳体直径为：D1.05tN/=1415.39（mm） 圆整可取1400（mm）

2.4.6 折流板

采用弓形折流板，圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×1415.3=353.825(mm),进挡所以可以取h=350(mm)，所取折流板间距B=0.3D=0.3×1400=420（mm）可取B=400(mm)

折流板数：

NB传热管长7000-1-116（块）

折流板间距4002.4.7 接管

壳程流体进出口接管，取接管内循环水流速u1=10m/s, 则接管内径为 D14qV4171000/(3600527)0.107(m)

3.1410取整后D1=110mm

管程流体出口接管：取壳内流体流速u2=1.2m/s,则接管内径为

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D24156670/(3600994.4)0.216(m)

3.141.2取整后D2=220mm

2.5换热器核算

2.5.1.传热面积校核

1.管程传热膜系数[4] i0.023diRe0.8Pr0.4

管程流体流通截面积

Si=0.785×0.022×58=0.182m2

管程流体的流速和雷诺数分别为：

ui=233.0/（994.4×0.182）=1.197m/s

Re=0.02×1.197×994.4/（0.725×10-3）=32835

普朗特数

Pr=4.08×1000×0.725×1000/0.626=4.73 可得

6.626k) i0.023328350.84.730.45680.23 W/(m2·

0.02

2.壳程表面传热系数[4]

 00.36Re00.55Prdew1130.14

管子按正三角形排列，传热当量直径为

32234Ptd040.03220.02522424 =0.02（m） de= d00.025

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壳程流通截面积

d S0BD10 =0.250×1.150×（1-25/32）=0.062（m2）

Pt

壳程流体流速和雷诺数分别为：

u0qm024800/36002.1m/s 0S05270.06125

Re0d0u0000.0202.1527232378

9.525105

普朗特数

Pr0CP0002.761039.5251052.632

0.0999黏度校正[4] (

则壳程传热膜系数

0.14)1 w00.360.09992323780.552.6321/37.9 0.02

3.污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻：1.718×10-4（m2 ·℃）/W

管内污垢热阻： 3.4395×10-4 （m2 ·℃）/W 碳钢在此条件下的热导率为[4]：50W/（m·℃） 已知管壁厚度为：b0.0025m，

4.总传热系数K[4]

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K1d0Riidisid0bd01R0didm0

0.0250.0250.00250.02513.43941041.7181045485.300.020.02500.02251816.2 =597.6 W/（m2·℃）

5.传热面积校核[4]

1

Q9506.8103 S562.3m2

Ktm597.628.27'

实际传热面积

Sd0l(Nn)3.140.0257(124242)659.4m2

换热器的面积裕度为

SS'100%17.2% S'

传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。

2.5.2换热器内压降的核算

1.管程阻力

Pi(P1P2)NsNpFt

Ns1,Np2,lui2P 1d2

由Re013628，传热管相对粗糙度0.01参考Re双对数坐标图[2]得

0.032，流速ui1.197m/s，994.4kg/m3

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71.1972994P9221.77(pa) 10.0370.022994.41.197232147.90(Pa) P2322Pi(9221.772147.90)21.431.835KPa<35KPa

ui2管程流体阻力在允许范围之内

2.壳程阻力

N， P0(P1P2)Fts其中Ns1,Ft1.15

流体流经管束的阻力

Ffn(N1)u0 P10cB22F0.5,f05.0Re00.2285.01186310.2280.348

NB16

u02.1m/s

则

P0.5232378'10.2285272.12421724796.8Pa

2

流体流过折流板缺口的阻力

2huP2NB(3.5)0，

D22

其中 h0.35m,D1.4m，

20.45272.12)54450Pa 则 P16(3.51.42'2 10

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总阻力

P024796.85445079246Pa ,

管程流体阻力在允许范围之内。

三、结 论

3.1主要结构尺寸和计算结果

参数 流率/（Kg/h) 进（出）口温度/℃ 压力/MPa 定性温度/℃ 密度/(Kg/m3) 物性 定压比热容/[kJ/(kg·℃)] s 黏度/Pa·热导率/[W/(m·℃)] 普朗特数 形式 壳体内径/mm 设备结构参数 管径/mm 管长/mm 管数目/根 传热面积/m 管程数 主要计算结果 流速/（m/s） 表面传热系数/[W/(m2·℃）] 污垢热阻/[(m2·℃)/W] 阻力/KPa 热流量/kW 传热温差/K 传热系数/[W/m2·℃] 裕度/% 2管程 83800 30/40 0.4 35 994.4 4.08 0.725×10-3 0.626 4.73 浮头式 1400 Φ25×2.5 7000 1242 659.4 2 壳程数 台数 壳程 248000 110/60 6.9 85 527 2.756 9.108×10-5 0.0999 2.62 1 1 32 正三角形 16 400 碳钢 壳程 2.1 7.9 1.718×10-4 79.25 9506.8 31.07 597.6 17.2 管心距/mm 管子排列 折流板数/个 折流板间距/mm 材质 管程 1.197 5680.23 3.4394×10-4 31.84 3.2设计评述

本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。壳

程流体流速u0=1.43m/s，流体雷诺数Re0=165628。管程流体流速ui=1.197m/s，流体雷诺数Rei =32083>4000。管程流体流动为湍流，能够较好的达到换热的要

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求。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。正三角形排列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗。该换热器的面积裕度H=17.2％在15％-25％之间，则所设计换热器能够完成生产任务。管程流动阻力为31.835KPa，10KPa < 18.84KPa <35 KPa在允许范围之内。

四、参考文献

[1]刘光启，马连湘，刘杰 化学化工数据手册[M].化学工业出版社.2002 [2]杨祖荣，刘丽英，刘伟 化工原理[M].化学工业出版社.2009. [3]化工机械手册编辑委员会 化工机械手册[M].天津出版社

[4]天津大学化工原理教研室 化工原理课程设计[M].化工出版社.1997

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