正戊烷换热器.doc

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标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能

（2）计算传热量，并确定第二种流体的流量

（3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核

（6）选取经验传热系数

（7）计算传热面积

（8）查换热器标准系列，获取其基本参数

（9）校核传热系数，包括管程、壳程对流给热系数的计算。

假如核算的K与原选的经验值相差不大，就不再进行校核。

若相差较大，则需重复（6）以下步骤

（10）校核有效平均温度差

（11）校核传热面积

（12）计算流体流动阻力。

若阻力超过允许值，则需调整设计。

非标准系列化列管式换热器的设计计算步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能

（2）计算传热量，并确定第二种流体的流量

（3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核

（6）选取管径和管内流速

（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核

（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍

（9）选取管长

（10）计算管数

（11）校核管内流速，确定管程数

（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等

（13）校核壳程对流传热系数

（14）校核平均温度差

（15）校核传热面积

（16）计算流体流动阻力。

若阻力超过允许值，则需调整设计。

正戊烷立式管壳式冷凝器的设计（标准系列）

一、设计任务

1.处理能力：

2.376×104t/a正戊烷；

2.设备形式：

立式列管式冷凝器。

二、操作条件

1.正戊烷：

冷凝温度51.7℃，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器；

2.冷却介质：

为井水，流量70000kg/h，入口温度32℃；

3.允许压降：

不大于105Pa；

4.每天按330天，每天按24小时连续运行。

三、设计要求

选择适宜的列管式换热器并进行核算。

附：

正戊烷立式管壳式冷却器的设计——工艺计算书（标准系列）

正戊烷立式管壳式冷凝器的设计——工艺计算书（标准系列）

本设计的工艺计算如下：

此为一侧流体为恒温的列管式换热器的设计。

1.确定流体流动空间

冷却水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷的散热和冷凝。

2.计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据（查化工原理附录）

井水的定性温度：

入口温度为，出口温度为

式中

井水的定性温度为

两流体的温差，故选固定管板式换热器

两流体在定性温度下的物性数据如下

物性

流体

温度

℃

密度

kg/m3

粘度

mPa·s

比热容

kJ/（kg·℃）

导热系数

W/（m·℃）

正戊烷

51.7

596

0.18

2.34

0.13

井水

35.67

993.7

0.717

4.174

0.627

3.计算热负荷

4.计算有效平均温度差

逆流温差

5.选取经验传热系数K值

根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系数，现暂取。

6.估算换热面积

7.初选换热器规格

立式固定管板式换热器的规格如下

公称直径D…………………………500mm

公称换热面积S……………………40m2

管程数Np…………………………..2

管数n………………………………..172

管长L………………………………..3.0m

管子直径……………………………..

管子排列方式………………………..正三角形

换热器的实际换热面积

该换热器所要求的总传热系数

8.核算总传热系数

（1）计算管程对流传热系数

（湍流）

故

（2）计算壳程对流传热系数

因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算

现假设管外壁温，则冷凝液膜的平均温度为，这与其饱和温度很接近，故在平均膜温45.85℃下的物性可沿用饱和温度51.7℃下的数据，在层流下：

（3）确定污垢热阻

（4）总传热系数

所选换热器的安全系数为

表明该换热器的传热面积裕度符合要求。

（5）核算壁温与冷凝液流型

核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算

，这与假设相差不大，可以接受。

核算流型

冷凝负荷

（符合层流假设）

9.计算压强降

（1）计算管程压降

（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）

取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是

对的管子有

（2）计算壳程压力降

壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，可忽略压降。

由此可知，所选换热器是合适的。

列管式换热器的设计

列管式换热器的应用已有很悠久的历史。

现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。

同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。

为此本章对这两类换热器的工艺设计进行介绍。

　　列管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。

目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）标准执行。

　　列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。

其中以热力设计最为重要。

不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投人使用的换热器在检验它是否满足使用要求对，均需进行这方面的工作。

　　热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

　　流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备——例如泵的选择做准备。

当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。

　　结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。

　　在某些情况下还需对换热器的主要零部件——特别是受压部件做应力计算，并校核其强度。

对于在高温高压下工作的换热器，更不能忽视这方面的工作。

这是保证安全生产的前提。

在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核（该部分内容属设备计算，此处从略）。

1.1设计方案的确定

1.1.1换热器类型的选择

（1）固定管板式换热器

（2）浮头式换热器

　　（3）填料函式换热器

　　（4）U型管换热器

1.1.2流动空间的选择

在管壳式换热器的计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需遵循一些一般原则。

　　①应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。

　　②在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。

　　③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

　　④应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。

从这个角度来说，顺流式就优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均，不像逆流式那样，热、冷流体的高温部分均集中于一端，低温部分集中于另一端，易于因两端胀缩不同而产生热应力。

　　⑤对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简单。

　　⑥应尽量避免采用贵金属，以降低成本。

以上这些原则有些是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。

（1）宜于通入管内空间的流体

　　①不清洁的流体因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗。

　　②体积小的流体因为管内空间的流动截面往往比管外空间的截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成多程流动。

　　③有压力的流体因为管子承压能力强，而且还简化了壳体密封的要求。

④腐蚀性强的流体因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，所以造价可以降低。

此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便，并容易检查。

　　⑤与外界温差大的流体因为可以减少热量的逸散。

（2）宜于通入管间空间的流体

　　①当两流体温度相差较大时，α值大的流体走管间，这样可以减少管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长，故温差应力可以降低。

　　②若两流体给热性能相差较大时，α值小的流体走管间，此时可以用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。

　　③和蒸汽对流速和清理无甚要求，并易于排除冷凝液。

　　④粘度大的流体管间的流动截面和方向都在不断变化，在低雷诺数下，管外给热系数比管内的大。

　　⑤泄漏后危险性大的流体可以减少泄漏机会，以保安全。

此外，易析出结晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流体，最好通入比较更容易进行机械清洗的空间。

在管壳式换热器中，一般易清洗的是管内空间。

但在U形管、浮头式换热器中易清洗的都是管外空间。

1.1.3流速的确定

当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热面积减少、结构紧凑。

成本降低，一般也可抑止污垢的产生。

但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降ΔP增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。

换热器常用流速的范围见表2-2和表2-3。

表2-2换热器常用流速的范围

?

?

?

?

?

?

?

介质

循环水

新鲜水

一般液体

易结垢液体

低粘度油

高粘度油

气体

流速

管程流速，m/s

1.0~2.0

0.8~1.5

0.5~3

>1.0

0.8~1.8

0.5~1.5

5~30

壳程流速，m/s

0.5~1.5

0.5~1.5

0.2~1.5

>0.5

0.4~1.0

0.3~0.8

2~15

表2-3列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速

液体名称

乙醚、二氧化碳、苯

甲醇、乙醇、汽油

丙酮

氢气

安全流速，m/s

<1

<2~3

<10

≤8

1.1.4加热剂、冷却剂的选择

工业上常用的载热体及其适用场合列于表2-4，供选用时参考。

1.1.5流体出口温度的确定

换热终温有时是由工艺过程的需要决定的。

当换热终温可以选择时，由于该温度影响到热强度和换热效率，因此对换热器操作的经济合理性由影响。

在冷流体的出口温度与热流体的进口温度相等的极限情况下，换热效率虽然很大，但热强度很小，需要的传热面积为最大。

另外在决定换热终温时，一般不希望冷流体的出口温度高于热流体的出口温度，否则会出现反传热现象，当遇到这种情况时，可采用几个换热器串联的方法解决。

为了合理地规定换热终温，可参考下述数据。

（1）热端的温差≤20℃。

（2）冷端的温差分三种情况考虑：

①两种工艺流体换热时，在一般情况下，冷端温差≥20℃；

②两种工艺流体换热时，若热流体尚需进一步加热，则冷端温差≥15℃；

表2-4?

载热体的种类及适用范围

载热体名称

温度范围/℃

优?

点

缺?

点

加热剂

热水

40～100

可利用工业废水和冷凝水废热作为回收

只能用于低温，传热情况不好，本身易冷却，温度不易调节

饱和蒸汽

100～180

易于调节，冷凝潜热大，热利用率高

温度升高，压力也高，设备有困