浮头式换热器设计 1.docx
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浮头式换热器设计1
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
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
定压比热容
=2.756kJ/（㎏·℃）
热导率
=0.0999W/（m·℃）
粘度
=9.108×10-5Pa·s
循环水在定性温度（34℃）下的物性数据如下：
密度
=994.4kg/m3
定压比热容
=4.08kJ/（kg·℃）
热导率
=0.624W/（m·℃）
粘度
=0.725×10-3Pa·s
1.1.5.设计内容：
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
（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。
（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）
壳程（1，3-丁二烯气体）
定性温度
℃
℃
物性参数[1]
=994.4㎏/m3
=4.08kJ/（㎏·℃）
=0.626W/（m·℃）
=0.725×10-3Pa·s
=527kg/m3
=2.756kJ/（kg·℃）
=0.0999W/（m·℃）
=9.108×10-5Pa·s
2.3估算传热面积
2.3.1传热量：
=248000×2.761×（110-60）
=9506.8kW
2.3.2冷却水用量：
kg/s
2.3.3平均温差：
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]，假定总传热系数K=450W.m-2.℃-1,则计算所需传热面积为：
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
=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
（根）
按单程管计算，所需的传热管长度为：
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：
按单壳程双管程结构，温差校正系数应为[2]：
，
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。
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]：
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
[4]，则壳体直径为：
=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：
2.4.7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
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
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]
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
5680.23W/（m2·k）
2.壳程表面传热系数[4]
管子按正三角形排列，传热当量直径为
=
=0.02（m）
壳程流通截面积
=0.250×1.150×（1-25/32）=0.06289（m2）
壳程流体流速和雷诺数分别为：
普朗特数
黏度校正[4]
则壳程传热膜系数
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：
，
4.总传热系数K[4]
=597.6W/（m2·℃）
5.传热面积校核[4]
实际传热面积
换热器的面积裕度为
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
由
，传热管相对粗糙度0.01参考
双对数坐标图[2]得
，流速
，
KPa<35KPa
管程流体阻力在允许范围之内
2.壳程阻力
，
其中
.15
流体流经管束的阻力
则
流体流过折流板缺口的阻力
，
其中
，
则
总阻力
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
管程
壳程
流率/（Kg/h）
83800
248000
进（出）口温度/℃
30/40
110/60
压力/MPa
0.4
6.9
物性
定性温度/℃
35
85
密度/（Kg/m3）
994.4
527
定压比热容/[kJ/（kg·℃）]
4.08
2.756
黏度/Pa·s
0.725×10-3
9.108×10-5
热导率/[W/（m·℃）]
0.626
0.0999
普朗特数
4.73
2.62
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/mm
1400
台数
1
管径/mm
Φ25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
7000
管子排列
正三角形
管数目/根
1242
折流板数/个
16
传热面积/m2
659.4
折流板间距/mm
400
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
1.197
2.1
表面传热系数/[W/（m2·℃）]
5680.23
897.9
污垢热阻/[（m2·℃）/W]
3.4394×10-4
1.718×10-4
阻力/KPa
31.84
79.25
热流量/kW
9506.8
传热温差/K
31.07
传热系数/[W/m2·℃]
597.6
裕度/%
17.2
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
=1.43m/s，流体雷诺数
=165628。
管程流体流速
=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<35KPa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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