列管式换热器多种方案设计 计算过程详细.docx

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1、根据给定的原始条件，确定各股物料的进出口温度，计算换热器所需的传热面积，设计换热器的结构和尺寸，并要求核对换热器压强降是否符合小于30 kPa的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标准来完成。具体项目如下：设计要求：1. 某工厂的苯车间，需将苯从其正常沸点被冷却到40；使用的冷却剂为冷却水，其进口温度为 30，出口温度自定。2. 物料（苯）的处理量为1000 吨/日。3. 要求管程、壳程的压力降均小于30 kPa。1、换热器类型的选择。列管式换热器2、管程、壳程流体的安排。水走管程，苯走壳程，原因有以下几点：1.苯的温度比较高，水的温度比较低，高温的适合走管程，低温适合走壳程2.传热系数比较

2、大的适合走壳程，水传热系数比苯大3.干净的物流宜走壳程。而易产生堵、结垢的物流宜走管程。3、热负荷及冷却剂的消耗量。冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为水，根进口温度t1=30，冷却水出口温度设计为t2=38，因此平均温度下冷却水物性如下：密度=994kg/m3 粘度2=0.72710-3Pa.s导热系数=62.610-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下：进口温度：80.1 出口温度：40密度=880kg/m3 粘度2=1.1510-3Pa.s导热系数=14.810-2 W/(m.K) 比热容Cpc=1.6 kJ/(kg.K)苯处理量：1

3、000t/day=41667kg/h=11.57kg/s热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.571.61000(80.1-40)=7.4105W冷却水用量：Wc=Q/cpc(t2-t1)=7.4105/4.1841000(38-30)=22.1kg/s4、传热面积的计算。平均温度差tm=t2-t1lnt2t1=80.1-38-（40-30）ln80.1-3840-30=27.2确定R和P值R=T1-T2t2-t2=80.1-4038-30=5.01 P=t2-t1T1-t1=38-3080.1-30=0.16查阅化工原理上册203页得出温度校正系数为0.8，适合单壳程换热器，平均温度差

4、为tm=tm0.9=27.20.9=24.5由化工原理上册表4-1估算总传热系数K（估计）为400W/（m）估算所需要的传热面积：S0=QK估计tm=74000040024.5=75m5、换热器结构尺寸的确定，包括：（1）传热管的直径、管长及管子根数；由于苯属于不易结垢的流体，采用常用的管子规格19mm2mm管内流体流速暂定为0.7m/s所需要的管子数目：n=4Vdiui=4(11.57/880)3.140.70.0152=122.1，取n为123管长：l=S0nd0=751233.140.015=12.9m按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，选用三管程管子的排列方式及管子与管板的连接方式

5、:管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。（2）壳体直径；e取1.5d0，即e=28.5mmDi=t(nc1)+2e=1.2519(1.131231)+228.5=537.0mm，按照标准尺寸进行整圆，壳体直径为600mm。此时长径比为7.5，符合6-10的范围。壳体壁厚的计算选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以排管方式：横过中心的管子数目：nc=1.13123=21.1，取整21根有排管图得出，中心有21根管道时，按照正三角形排列，可排331根，每边各加8根，总共可以排列379根，除去6根拉杆，总共可

6、以排出373，与上述计算相差不大，所以实际管子数目为373根。实际传热面积S0=Ndo（L-0.1）=3733.140.019（4.5-0.1）=97.9m实际传热系数K=QtmS0=74000024.597.9=308.5W/(mK)（3）折流板尺寸和板间距；选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm，因此，折流板直径 Dc=600-23.5=593mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25600=150mm取折流板间距ho=300mm那么NB=（4.5-0.1）/0.3=14.6 ,取整得NB=15块实际折流板间距 h=（L-0.1）/(N+1)=（4500-100）/（15+1）=275mm拉

7、杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即19mm2mm钢管。温度补偿圈的选用。由于（80.1+40）/2-(30+38)/2=26.0550，故需不虑设置温度补偿圈。（4）流体进出口接管直径等。苯的进出口管道直径：d=4VSu=40.013143.140.7=0.15m经圆整采用159mm10mm热轧无缝钢管，实际苯的进出口管内流速为u=4Vsd2=40.013143.140.1392=0.867m水的进出口管道直径：d=4VSu=40.02233.142.5=0.106m经圆整采用108mm5mm热轧无缝钢管，实际水的进出口管内流速为u=4

8、Vsd2=40.02233.140.1062=2.5m6、管、壳程流体的压力降计算。管程压降：pi=（p1+p2）FtNsNp管程数Np=3，串联壳程数Ns=1，对于19mm2mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.5。Re=du=0.0150.78800.0015=5749.33,取=0.2mm，即/di=0.2/14=0.015查表，得到=0.044p1=ld+c+eu22=0.0447.50.015+1.58800.722=5066.6Pap2=3ui2/2=3X880X0.72/2=58.8Papi=5066.631.5+58.8=22849.7Pa30Kpa，满足条件壳程压降：p=（p

9、1+p2）FsNs,由于管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）de=4(32t2-4d02)do=4320.02372-40.01923.140.019=0.0136mu=0.02220.275(0.6-210.019)=0.401m/sRe=du=0.01360.4019940.000727=7456.5, fo=5Re-0.228=0.13p1=FfoNc(NB+1)=0.50.12821X（15+1）9940.4012/2=1718.5Pap2=NB（3.5-）=15(3.5-20.275/0.6)9940.4012/2=3096.8Papi=（p1+p2）FtNs=

10、(1718.5+3096.8)1.15=5537.6Pa30Kpa传热系数校正总传热系数由下式计算：=+R+其中，管内苯的传热系数的计算=0.023R=0.0230.1480.0155749.30.8（0.00151.610000.148）0.3=570.8W/( m.K)管间水的传热系数的计算 =0.36由于水被加热，取粘度校正系数w=1.05=0.360.6260.01367456.50.55(4.9)0.331.05=4147.5( m.K)取水与苯的污垢热阻均为1.719710( m.K)/W，钢管导热系数=51 W/( m.K)。故=14147.5+1.7210-4+0.002551

11、16.5+141.7210-419+19570.814=2.8910-3Ko（计）=346 W/(m.K)所以， K（计算）K（选取）=346308=1.15,一般Ko（计）/ Ko（选）应在1.15-1.25之间。本设计的换热器可适用7、设计过程的评价及自我体会。一、设计题目： 列管式换热器设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务 处理能力： 3000吨/日 设备型式： 固定管板式换热器 2、操作条件（1）苯：入口温度 80.1 出口温度 40 （2）冷却介质：循环水入口温度 25 出口温度 35 （3）允许压降：管程不大于30kPa 壳程不大于30kPa三、设计内容（一）、概述目前板式换

12、热器产品达到了一个成熟阶段,凭借其高效、节能、环保的优势,在各行业领域中被频繁使用,并被用以替换原有管壳式和翅片式换热器,取得了很好的效果。板式换热器的优点(1)换热效率高,热损失小在最好的工况条件下,换热系数可以达到6000W/m2K,在一般的工况条件下,换热系数也可以在30004000W/m2K左右,是管壳式换热器的35倍。设备本身不存在旁路,所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流,进行充分的换热。完成同一项换热过程,板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/31/4。(2)占地面积小重量轻除设备本身体积外,不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.60.8mm。同样的

13、换热效果,板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。(3)污垢系数低流体在板片间剧烈翻腾形成湍流,优秀的板片设计避免了死区的存在,使得杂质不易在通道中沉积堵塞,保证了良好的换热效果。(4)检修、清洗方便换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起,当检修、清洗时,仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。(5)产品适用面广设备最高耐温可达180,耐压2.0MPa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面,在低品位热能回收方面,具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。当然板式换热器也存在一定的缺点,比如工作压力和工作温度不是很高,

14、限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小,也不适宜用于杂质较多,颗粒较大的介质。板式换热器的类型及工作原理板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式;按照密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同,采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀,并且设备拆装更加方便。又如焊接式板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器,可以达到250、2.5MPa。因此同样是板式换热器,因其形式

15、的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式,但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起,介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,在板片波纹的作用下形成激烈的湍流,犹如用筷子搅动杯中的热水,加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触,通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割,或者通过大量的焊缝来保证,在换热板片不开裂穿孔的情况下,冷热介质不会发生混淆。（二）.设计参数苯的定性温度：，该温度下的物性如下：质量流量Ws1=3000t/

16、day相对分子质量Mr=78密度1=838kg/m3粘度=0.3910-3Pa.s导热系数1=0.136W/(m.K)比热容Cph=1.82kJ/(kg.K)进口温度T1=80.1出口温度T2=40允许压强降 p=30kpa 水的定性温度：，该温度下的物性如下：密度2=838kg/m3粘度2=0.3910-3Pa.s导热系数2=0.136W/(m.K)比热容Cpc=1.82kJ/(kg.K)进口温度t1=25出口温度t2=35允许压强降 p=30kpa（三）、根据任务要求，确定设计方案(1)类型的选择。 根据设计要求，采用固定管板式换热器(2)流动路径的选择。 由于变换气被冷却且要求压力降不允

17、许超过30kpa，按变换气走管内考虑；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，安排走管间（即壳程）(3)流速的选择。 变换气在管内的流速取ui=0.75m/s（四）、初算换热器的传热面积So(1)热负荷及冷却介质消耗量的计算标准状况下变换气的质量流量Ws1=3000t/day=125000kg/h热负荷 Q=WhCph(T1-T2)=1250001.82(80.1-40)=9122750kJ/h=2534KW冷却水的消耗量 Ws2=218.561t/h(2) 计算平均温度差tm，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差tm：tm=27.3有关参数 R=4.01 ，P=0.

18、18根据R,P值，查化工原理上册P233图4-19可读得，温度校正系数w=0.990.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差tm=tm0.99=27(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需传热面积So：So=187.7m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定 管数 n=176根 管长 l=13.6m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，Np =3.02 选用四管程。(3)管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板

19、的连接，采用焊接法。(4)计算外壳内直径Di Di=t(nc-1)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b=1.5do=1.50.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+20.038=0.972m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=1000mm。因为L/D=4500/1000=4.5，管长径比在425之间，合适。(5)排管：根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排29根管时，按正三角形排列，

20、可排631根，若在六角形每边各加14根(12+2,两层)，共排715根，除去6根拉杆位置，实际排出709根。因此，实际管子数N=n=709根。(6)计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）So=Ndo(L-0.1)=4063.140.025(9-0.1)=284m2Ko(选)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.5mm，因此，折流板直径 Dc=1000-24.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.251000=250mm折流板数量 NB=-1取折流板间距ho=600mm，那么 NB=-1=-1=6.3取整得

21、NB=7块实际折流板间距 h=550mm(8)拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即25mm2.5mm钢管。(9)温度补偿圈的选用。由于 50，故无需考虑设置温度补偿圈。(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径： Di=1000mm换热面积： So=245.23mm换热管数量： N=709根管长： L=4500mm管子规格： 25mm2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 4壳程数： 1折流板数量： NB=7(块)折流板间距： h=600mm拉杆数量： 6根拉杆直径： 12mm定距管： 与换热管

22、相同规格通过管板中心的管子数： nc=29根（六）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。(1)筒体壁厚的确定选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以根据钢板厚度标准，取厚度为12mm，即=12mm(2)封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。(3)流体进、出口接管直径计算。变换器进出口接管d1,取u1=2m/s那么经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出口管内流速为水进出口接管d2,取u2=2m/s，那么 经圆整采用热轧无缝

23、钢管（GB8163-87）实际水流速（七）、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：pi=（p1+p2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于25mm2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。流体流经直管段的压力降为p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=32000取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041+1.5）=2527.7 N/m2流体流经回弯管的压力降为p2=3（）=3（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707.06）1.414=18114.66 N/m2 500

24、 f=5（9294.2）=0.623p1=0.50.62329（7+1）=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7（3.5-）=1097.31 N/ mNs=1(单壳程) Fs=1.15（液体）所以p=1.15（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 0.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差tm=tm0.99=27(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需传热面积So：So=187.7m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定 管数 n=176根

25、 管长 l=13.6m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，Np =3.02 选用四管程。(3)管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。(4)计算外壳内直径Di Di=t(nc-1)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b=1.5do=1.50.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+20.038=0.972m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=1000mm。因为L/D=45

26、00/1000=4.5，管长径比在425之间，合适。(5)排管：根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排29根管时，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每边各加14根(12+2,两层)，共排715根，除去6根拉杆位置，实际排出709根。因此，实际管子数N=n=709根。(6)计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）So=Ndo(L-0.1)=4063.140.025(9-0.1)=284m2Ko(选)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.5mm，因此，折流板

27、直径 Dc=1000-24.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.251000=250mm折流板数量 NB=-1取折流板间距ho=600mm，那么 NB=-1=-1=6.3取整得NB=7块实际折流板间距 h=550mm(8)拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即25mm2.5mm钢管。(9)温度补偿圈的选用。由于 50，故无需考虑设置温度补偿圈。(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径： Di=1000mm换热面积： So=245.23mm换热管数量： N=709根管长： L=4500mm管子规格： 25mm2.5mm（

28、钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 4壳程数： 1折流板数量： NB=7(块)折流板间距： h=600mm拉杆数量： 6根拉杆直径： 12mm定距管： 与换热管相同规格通过管板中心的管子数： nc=29根（六）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。(1)筒体壁厚的确定选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以根据钢板厚度标准，取厚度为12mm，即=12mm(2)封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。(3)流体进、

29、出口接管直径计算。变换器进出口接管d1,取u1=2m/s那么经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出口管内流速为水进出口接管d2,取u2=2m/s，那么 经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际水流速（七）、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：pi=（p1+p2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于25mm2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。流体流经直管段的压力降为p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=32000取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041+1.5）=2527.7 N/m2流体流经回弯管的压力降为p2=3（）=3（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707.06）1.414=18114.66 N/m230kpa，管程流体压强降满足要求。(2)壳程压强降（冷却水走壳程）：p=（p1+p2）FsNs其中流体流经管束的压强降为： p1=FfoNc(NB