甲苯式列管换热器设计方案流程.docx

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甲苯式列管换热器设计方案流程

甲苯式列管换热器设计流程

换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，广泛应用于化工、石油、石油化工、动力、冶金等工业部门，特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有重要地位。

换热器的操作技术培训在整个操作培训中尤为重要。

本单元设计采用列管式换热器。

将来自界外的冷物流由泵送至换热器的壳程被流经管程的热物流加热至指定温度。

冷物流流量由自动控制阀控制。

来自另一设备的高温物流经泵送至换热器与经冷物流进行热交换,热物流出口温度由自动控制阀，控制在指定温度。

某厂用循环冷却水甲苯从80°冷却到50°C，甲苯年处理能力为18000t／a，压力为6.5MPa,循环冷却水的入口温度为25°C，出口温度为35°C，要求冷凝器允许压降不大于500000Pa,试设计一台管壳式卧式换热器完成该生产任务。

每年按330天计算，每天按24小时连续运行。

流体

定性温度／°C

密度／﹙㎏／m³

粘度／mPa·s

比热容

热导率

甲苯

65

866

0.445

1.91kJ﹙㎏·K﹚

0.1273w／﹙m.k

循环冷却水

30

994.3

0.742

4.174kJ（kg·°C﹚

0.624w／（m.°C

设计要求

<1）换热器工艺设计计算

<2）换热器工艺流程图

<3）换热器设备结构图

<4）设计说明

一、标题页····························································3

2、方案设计¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤4

三、确定设计方案¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤4

四、确定物性数据¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤4

五、计算总传热系数¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤4

六、计算传热面积¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤5

七、工艺结构尺寸计算¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤5

八、换热器核算¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤7

九换热器主要结构参数和设计结果一览表¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤10

一十、对本设计的评价¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤11

十一、自设计使用该换热器的工艺流程图¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤12

十二、参考文献¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤¡¤12

二、方案设计

某厂在生产过程中，需将甲苯从80℃冷却到50℃。

甲苯年处理能力为18000t／a。

压力为6.5Mpa，冷却水入口温度25℃，出口温度35℃。

要求冷凝器压降不大于500KPa。

试设计能完成上述任务的管壳式换热器。

三、确定设计方案

<1）选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

热流体进口温度80℃，出口温度50℃冷流体。

冷流体进口温度25℃，出口温度35℃。

由于管壁与壳壁的温差低于60℃—70℃，而且考虑到制作简单便宜，因此采用逆流，初步确定选用固定管板式换热器。

<2）流动空间及流速的确定

由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。

另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。

同时，在此选择逆流。

选用25×2mm的碳钢管，管内流速取ui=0.94m/ｓ。

四、确定物性数据

定性温度：

可取流体进口温度的平均值。

甲苯的定性温度为：

T=﹙80+50﹚／2=65℃

冷却水的定性温度为：

t=﹙25+35>／2=30℃

根据定性温度，由已知图表数据提供可得：

甲苯在70℃下的有关物性数据如下：

密度　　ρo=886kg/m3

比热容　cpo=1.91kJ/（kg·℃>

热导率　　λo=0.1273W/（m·℃>

粘度　　μo=0.000445Pa·s

冷却水在30℃下的物性数据：

密度　　ρi=994.3kg/m3

定压比热容　cpi=4.174kJ/（kg·℃>

热导率　　λi=0.624W/（m·℃>

粘度　　　　¦Ìi=0.000742Pa·s

五．计算总传热系数

<1）热流量

由甲苯的年处理能力18000t／a可知：

甲苯的流量为18000000／﹙330×24﹚=2272.73㎏／hQo=Lcp1Δt1=2272.73×1910×（80-50>/3600=36174.24kW

（2>冷却水用量qm2=Qo/cp2Δt2=36174.24/19100×3600=6818.18kJ/h

3）平均传热温差¡÷Tm=[﹙80-35﹚－﹙50－25﹚]／㏑[﹙80-35﹚／﹙50－25﹚]=34.03℃<4）初算传热面积

查表可得：

假设K=600W/m2.oC

A=Q／

5、工艺结构尺寸

<1）管径和管内流速及管长

选用25×2mm传热管（碳钢>，管长取2m，则需要管字数为N

N=A／<πdl﹚=2.3／﹙3.14×0.025×2﹚=15﹙根﹚

为了便于铺管，一般取管程的倍数，即N=16﹙根﹚

<3）平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数

按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。

可得

平均传热温差

<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，隔板两侧采用正方形排列。

取管心距t=1.25d0，则

t=1.25×19=25（mm>

隔板中心到离其最近一排管中心距离按式，计算

Z=t÷2+6=18.5mm

各程相邻管的管心距为37mm

横过管束中心线的管数

<5）壳体内径

采用多管程结构，取管板利用率¦Ç＝0.7，则壳体内径为

圆整可取D＝325mm

<6）折流板

采用弓形折流板，取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＝0.25×325＝81.25mm，故可取h＝82mm。

取折流板间距B＝0.3D，则B＝0.3×325＝97.5mm，可取B为100。

折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=2000/100-1=19（块>

折流板圆缺面水平装配。

<7）接管

壳程流体进出口接管：

取接管内硝基苯流速为u＝1..0m/s，则接管内径为

圆整后可取管内径为60mm

管程流体进出口接管：

取接管内冷却水流速u＝2m/s，则接管内径为

圆整后可取管内径为70mm

6．换热器核算

<1）热量核算

¢Ù壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式

当量直径，由正三角形排列得

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普兰特准数

p=6.449

粘度校正

¢Ú管程对流传热系数

管程流通截面积

管程流体流速

普兰特准数

¢Û传热系数K

¢Ü传热面积S

该换热器的实际传热面积Sp

该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）换热器内流体的压力降

¢Ù管程流动阻力

¡Æ¦¤Pi=（ΔP1+ΔP2>FtNsNp

Ns=1,Np=2,Ft=1.5

由Re＝18934，传热管相对粗糙度0.01/15＝0.0067，查莫狄图得¦Ëi＝0.0028W/m·℃，

流速ui＝0.942m/s，¦Ñ＝994.3kg/m3，所以

管程压力降在允许范围之内。

¢Ú壳程压力降

流体流经管束的阻力

流体流过折流板缺口的阻力

壳程压力降也比较适宜。

三、设计结果一览表

换热器形式：

固定管板式

换热面积

10.3

工艺参数

名称

管程

壳程

物料名称

冷却水

硝基苯

操作压力，Pa

未知

未知

操作温度，¡æ

30/40

140/80

流量，kg/h

25590

10000

流体密度，kg/m3

994.3

1097.58

流速，m/s

0.942

0.324

传热量，kW

296.7

总传热系数，W/m2·K

509

传热系数，W/

4795

936

污垢系数，m2·K/W

0.000344

0.000176

阻力降，kPa

8.3

7.64

程数

2

1

推荐使用材料

碳钢

碳钢

管子规格

§¶19×2

管数86

管长mm:

2000

管间距，mm

25

排列方式

正三角形

折流板型式

上下

间距，mm

100

切口高度25%

壳体内径，mm

325

保温层厚度，mm

未知

表格1

硝基苯粘度

¦Ìo

冷却水粘度

¦Ìi

热流量

Wo

冷却水流量

热负荷

Qo

平均传热温差

总传热系数

管程雷诺数

温差校正系数

管程、壳程传热系数

初算初始传热面积

传热管数

初算实际传热面积

S

管程数

壳体内径

D

横过中心线管数

折流板间距

B

管心距

t

折流板数

NB

接管内径

管程压力降

当量直径

壳程压力降

面积裕度

H

表格2