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07列管式换热器

贵州大学化工原理课程设计

化工原理课程设计任务书

班级

姓名

化工071

杨杰

设计题目：

年产

6500

吨合成氨厂变换工段列管

式热交换器的工艺设计

一．基础数据

1.半水煤气的组成（体积%）

CO2

36.77

34.22

6.82

21.32

CH4

H2S

0.39

0.28

0.2

2.水蒸汽饱和半水煤气时的体积比为

1.05:

1，饱和水蒸汽后湿混合煤气压力为

7.45

kgf/cm2（绝）；温度为

141℃

，要求经热交换器后温度达到

401℃，后再进变换炉。

3.变换率为

88.78%；变换炉出口变换气温度为

480℃，压力为

7.15

kgf/cm2（绝）。

4.每年估计大修、中修两个月，年工作日按300天计。

5.每生产一吨氨需耗半水煤气量为

3562

标准米。

6.要求热交换器管、壳程的压力降均小于

二．设计范围

1.列管热交换器传热面积；

2.列管热交换器的结构及工艺尺寸；

3.绘制列管热交换器结构图。

-1-

250

毫米水柱。

贵州大学化工原理课程设计

前言…………………………………………………………………………4

摘要…………………………………………………………………………5

关键词………………………………………………………………………5

一．热交换器设计的主要因素……………………………………………6

二．列管式换热器的设计步骤……………………………………………6

1.物料衡算及热量衡算……………………………………………………6

1.1物料衡算………………………………………………………………6

1.1.1湿混合煤气的体积……………………………………………6

1.1.2湿混合煤气的物料衡算………………………………………7

1.1.3变换气的物料衡算……………………………………………8

1.1.4质量流量与体积流量…………………………………………9

1.2热量衡算…………………………………………………………9

1.2.1同温下理想气体的恒压比热容Cpθ…………………………9

1.2.2真实气体与理想气体的热容差………………………………10

1.2.3两流体进出口热量衡算………………………………………13

2.确定两流体的物性数据…………………………………………………13

2.1两流体黏度…………………………………………………………13

2.2两流体导热系数……………………………………………………14

2.3两流体密度…………………………………………………………15

2.4两流体恒压比热容…………………………………………………16

3.两在热体的流程安排……………………………………………………16

4.管、壳程数的确定………………………………………………………17

5.平均传热温差……………………………………………………………17

6.估算传热面积……………………………………………………………18

7.结构设计…………………………………………………………………18

7.1管程设计—确定换热管规格、管数和布管…………………………18

7.1.1管子的规格………………………………………………18

7.1.2管子的数目、布管………………………………………18

7.1.3管程的直径………………………………………………18

7.2设置拉杆及确定实际换热管数………………………………………19

7.2.1设置拉杆………………………………………………………19

7.2.2确定实际换热管数……………………………………………19

7.3确定管程流速u1………………………………………………………19

7.4壳程设计………………………………………………………………19

7.4.1确定换热管长度………………………………………………19

7.4.2设置折流板……………………………………………………19

7.5核算传热面积…………………………………………………………20

7.5.1管程对流传热系数αi的计算…………………………………20

-2-

贵州大学化工原理课程设计

7.5.2壳程对流传热系数αo的计算…………………………………20

7.5.3污垢热阻Ra的确定……………………………………………23

7.5.4管壁热阻Rw的计算……………………………………………23

7.5.5传热系数K0的计算……………………………………………23

7.5.6核算传热面积…………………………………………………24

8.计算阻力压降…………………………………………………………24

8.1管程阻力压降……………………………………………………24

8.2壳程阻力压降……………………………………………………25

9.计算温差应力………………………………………………………………26

10.设计管箱和接管…………………………………………………………26

11.确定换热管与管板的链接方法…………………………………………26

三．换热器主要结构尺寸和计算结果参考资料……………………………26

参考文献………………………………………………………………………28

总结……………………………………………………………………………29

附图……………………………………………………………………………30

-3-

贵州大学化工原理课程设计

前言

传热设备简称换热器，是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、

石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。

石油化工厂中，它

的投资占到建厂投资的1/5左右，它的重量占工艺设备总重量的40%[1]；在我国一些大中型

炼油企业中，各式热交换器的装置达到300～500台以上。

就其压力、温度来说，国外的管

壳式热交换器的最高压力达840bar，最高温度达1500℃。

而最大的外形尺寸长达33m，最

大的传热面积达6700m2[1,2]。

按用途分为加热器、冷凝器、冷却器、蒸发器、过热器和废热锅炉等[3]；换热器按传

热特征可分为直接接触式、蓄热式、间壁式等[4]；按制造材料可分为金属、陶瓷、塑料、

石墨、玻璃的交换器等；按热流体与冷流体的流动方向可分为顺流式、逆流式、错流式等[5]。

目前，在换热设备中，使用量最大的是列管式换热器。

列管式换热器又称固定管板式换热器。

固定管板式换热器由壳体、管束、管板、封头

等部件构成。

其结构较紧凑，排管较多，在相同的直径情况下面积较大，制造较简单。

其特点是传热面积比浮头式换热器大20%～30%；旁路漏流较小；锻件使用较少，成本

低20%以上；没有内漏；壳体和管子的温差应力应小于等于50℃，大于50℃时应在壳体上

设置膨胀节；壳程无法清洗适用于管外物料比较清洁且不易结垢的场合[6]。

由于结构紧凑、

坚固，且能选用多种材料来制造，故适应性较强，尤其是在大型装置和高温、高压中得到

普遍的采用。

-4-

贵州大学化工原理课程设计

摘要

本文设计的是列管式固定管板换热器用于合成氨工艺中CO的变换。

通过内插法计算冷

热流体的物性参数；通过试差法确定换热器的管数、内径、换热管长度、长径比、

换热面积、传热系数、管壳程流速等。

并进行热量、传热面积、压降的校核。

关键词

列管式换热器

CO变换

内插法

试差法

-5-

贵州大学化工原理课程设计

一．热交换器设计的主要因素

完善的换热器在设计时应满足以下各项基本要求:

（1）合理地实现所规定的工艺条件

传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、

黏度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。

设计时要根据这些条件进行热力学和流体力

学的计算，使所设计的换热器有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。

（2）安全可靠

换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国

《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。

（3）有利于安装、操作与维修

直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。

设备部件应便于运输与装拆。

（4）经济合理

评价换热器的最终指标是：

在一定的时间内固定费用（设备费、安装费）与操作费（动

力费、消耗费、维修费）的总和最小。

在设计时，如果几种方案都能完成任务，这一指标

尤为重要。

在设计换热器时，流体流速是一个很重要的因素。

若选取较大流体的流速获得较大的

换热系数，传递一定热量所需的换热面积小，可降低设备费，但高流速流体能耗大，操作

费高。

反之，选取小流速流体，设备费增加，操作费降低。

因此，在设计时一定要选取一

个合适的流速，使换热器能完成生产任务的前提下总费用降到最小。

二．列管式换热器的设计步骤

1.物料衡算及热量衡算

1.1物料衡算

以每年生产一吨氨为基准作物料衡算

1.1.1湿混合煤气的体积

由理想气体方程PV=nRT[7]可知：

p0V

p1V1

-6-

贵州大学化工原理课程设计

式中：

p0―标准大气压，kPa；

p1―湿混合气体总压，kPa；

V0―标准状态下半水煤气体积，m3；

T0―标准状态温度，K；

T1―湿混合煤气的进口温度，K；

V1―半水煤气的真实体积，m3；

已知：

p0=101.325KPa

V0=3591.000m3

T0=273.150K

T1=（141+273.15）K=414.150K

p1=7.45kgf˙cm-2=（7.45×98.07）kPa=730.622kPa

将已知数据代入上式得

101.325⋅3591.000

273.15

730.622⋅V1

414.15

⇒V1=755.085m3

因为水蒸气和半水煤气的体积比为1.05：

所以饱和水蒸气的体积：

V2=1.05V1=1.05×755.085=792.839m3

则湿混合气的体积：

V=V1+V2=2..05×755.085=1547.924m3

1.1.2湿混合煤气的物料衡算

查[8]得半水煤气各组分的相对分子质量见表2.

表1

半水煤气各组成的相对分子质量

CO2

CH4

H2S

H2O

M（kg·kmol-1）

2.016

28.02

16.03

34.090

32.00

18.02

以H2作为典型计算

H2的体积分数V%=

（1.05+1）⋅99.72

36.77%⋅99.9

2.05⋅99.72

=17.969%

H2的体积VH2=V%⋅V=17.969%⋅1547.925=278.147m3

总的物质的量n总=

p1V

RT1

730.622⋅1547.924

8.314⋅414.150

=325.802kmol

H2的质量

mH2=MH2nH2=2.016⋅58.334=118.023kg

-7-

贵州大学化工原理课程设计

同理求的各组分的质量

∑mi

=118.023+1525.531+477.711+951.127+9.954+5.418+10.190+

300.7073=6105.087kg

H2的质量百分含量W%=

mH2

∑mi

118.023

6105.087

⋅100%=1.933%

其余各组分的V%、Vi、ni、mi、Wi%列于表2中

表2湿混合气体的组成

CO2

CH4

H2S

H2O

∑

17.9690

16.7228

3.3328

10.41880.1906

0.0488

0.0977

51.2195

100.0000

V/m3

ni/kmol

278.146

58.543

258.857

54.483

51.590

10.858

161.275

33.945

2.950

0.621

0.755

0.159

1.513

0.318

792.840

166.874

1547.925

325.802

mi/kg

118.023

1525.531

477.771

951.127

9.954

5.418

10.1903007.073

6105.087

Wi%

1.933

24.988

7.826

15.579

0.163

0.089

0.167

49.255

100.000

1.1.3变换气的物料衡算

变换炉的主反应CO+H20=CO2+H2

副反应

2H2+O2=2H2O

CO的转化率η为88.78%

O2完全反应，变换器中其他组分未发生变化

+0.445+119.355=325.802

以H2作典型计算

H2的体积分数

V%=

n'H2

106.085

325.802

=32.561%

-8-

变换器中变换气的组成为nco=nco−çnco=54.483×（1-88.78%）=6.102

变换气总物质的量n总'=∑ni=106.085+6.102+59.122+34.072+0.621

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H2的质量

mH2=MH2nH2=2.016⋅106.085=213.867kg

同理求的各组分的质量

∑mi

=213.867+170.856+2601.368+954.707+9.949+

15.185+2150.769=6116.702kg

H2的质量百分含量W%=

mH2

∑mi

213.867

6116.702

⋅100%=3.496

变换气总体积V'总=

n'总RT'

325.802⋅8.314⋅753.15

7.15⋅98.7

=2909.395m3

H2的体积

V'H2=V%V'总=2909.395⋅32.561%=947.334m3

同理可得变换气的各组分的组成列于表3。

表3变换气气体的组成

CO2

CH4

H2S

H2O

∑

V%´

V´/m3

32.561

947.334

1.873

54.491

18.147

527.956

10.458

304.264

0.191

5.542

0.137

3.978

36.634

1065.830

100.000

2909.395

n`i/kmol106.085

6.102

59.122

34.072

0.621

0.445

119.355

325.802

m`i/kg

Wi%´

213.867

3.496

170.856

2.793

2601.368

42.529

954.707

15.608

9.949

0.163

15.185

0.248

2150.769

35.162

6116.702

100.000

1.1.4质量流量与体积流量

本次设计任务是每年生产6500t氨，每小时的产量W=

6500

300⋅24

=0.9028t∙h−1

（1）质

量流量

湿混合煤气的质量流量ms1=∑miW=6105.087×0.9028/3600=1.531kg·s-1

变换气的质量流量

ms2=∑miW=6116.702×0.9028/3600=1.533kg·s-1

（2）体积流量

湿混合煤气的体积流量Vs1=WV总1=0.000251×1535.42=0.3854t·s-1

变换气的体积流量Vs'=WV总'=0.000251×2909.395=0.7303t·s-1

1.2热量衡算

查[9]可知，真实气体的恒压热容Cp=Cpθ+ΔCp

-9-

贵州大学化工原理课程设计

式中Cpθ―同温下理想气体的恒压热容，kcal·kmol-1·oC-1;

ΔCp―真实气体与理想气体的热容差，kcal·kmol-1·oC-1；

理想气体的Cpθ只是温度的函数，与压强无关，所以可由指导书上常压下的恒压比热容查得。

湿混合煤气进口温度：

t1=141oC

出口温度：

t2=401oC

定性温度t=

t1+t2

141+401

=271︒C

假设变换气的进口温度为190oC

变换气的进口温度：

T1=190oC

出口温度：

T2=480oC

定性温度T=

T1+T2

160+480

=320︒C

查表有t=100oC时

t=200oC时

CpθH2=6.92kcal·kmol-1oC-1

CpθH2=6.94kcal·kmol-1oC-1

当t=141oC时，用内插法可知H2在定性温度下的CpθH2

Cp⎝H2−6.92

⎝

141−100

200−141

⇒Cp⎝H2=6.9282kcal∙kmol−1∙oC−1

同理可查得各组分与真实气体温度相同时的理想气体定压容Cpθ表4所示

表4

摩尔定压热容/kcal·kmol-1℃-1

Cpm

t1141℃

t2401℃

t271℃

T1190℃

T2480℃

T335℃

6.9282

6.9802

6.9542

6.9380

6.9960

6.9670

6.9169

7.1368

7.0269

6.9610

7.1040

7.0325

CO2

9.4853

10.3028

9.8941

9.6470

10.5240

10.0855

6.8828

7.0807

6.9818

6.9220

7.1360

7.0290

CH4

9.0584

10.7868

9.9226

9.3504

11.3240

10.3372

H2S

8.1433

9.1157

8.6295

8.3266

9.4112

8.8689

7.1110

7.3809

7.2460

7.1600

7.4520

7.3060

H2O

7.9756

8.3813

8.1785

8.0540

8.4840

8.2690

∑Cpi

7.5441

7.8495

7.6968

7.6035

7.9137

7.7586

1.2.2真实气体与理想气体的热容差

-10-

1.2.1同温下理想气体的恒压比热容Cp

6.94−CpH2

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（1）两载热体的临界温度和临界压力

查[10]到各组分的临界压力、临界温度如下表5：

表5各组分的临界压力、临界温度

CO2

CH4

H2S

H2O

y´%

Pc/MPa

Tc/K

17.969

32.561

1.297

33.30

16.7228

1.8730

3.4957

133.00

3.3328

18.147

7.3866

304.20

10.4188

10.4580

3.3944

126.20

0.1906

0.1910

4.6407

190.70

0.0488

0.1370

9.0078

373.60

5.0764

0.0000

5.0764

154.80

51.2195

36.6340

22.1192

647.00

则湿混合煤气的临界压力为：

Pc1=∑Pciyi=（1.2970×17.969+3.4957×16.7228+7.3866×3.3328+3.3944×

10.4188+4.6407×0.1906+9.0078×0.0488+5.0764×5.0764+22.1192×51.2195）

/100=12.7650MPa

变换气的临界压力为：

Pc1=∑Pciyi、=（1.2970×32.561+3.4957×1.873+7.3866×18.147+3.3944×10.458+

4.6407×0.191+9.0078×0.137+5.0764×0+22.1192×36.634/100=10.3076MPa

湿混合煤气的临界温度为：

Tc1=∑Tciyi=（33.3×17.969+133×16.7228+304.2×3.3328+126.2×10.4188+

190.7×0.1906+373.6×0.0488+154.8×5.0764+647×51.2195）/100=383.5991K

变换气的临界温度为：

Tc2=∑Tciyi=（33.3×32.561+133×1.873+304.2×18.147+126.2×10.458+

190.7×0.191+373.6×0.137+154.8×0+647×36.634）/100=319.6331K

（2）对比温度、对比压力

湿混合气的对比温度：

tr1=

Tc1

141+273.15

383.599

=1.079

Tc1

401+273.15

383.599

=1.757

tr=

Tc1

271+273.15

383.599

=1.418

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