浮头式换热器设计

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ρ1=527㎏/m3

定压比热容c p1=2.756kJ/（㎏·℃）

热导率λ1=0.0999W/（m·℃）

粘度μ1=9.108×10-5Pa·s

循环水在定性温度（34℃）下的物性数据如下：

密度ρ2=994.4kg/m3

定压比热容c p2=4.08kJ/（kg·℃）

热导率λ2=0.624W/（m·℃）

粘度μ2=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

2.3估算传热面积

2.3.1传热量：

1

2

1

221

1

2

()()p p m m Q T T q

q c c t t -==-

=248000×2.761×（110-60） =9506.8 kW

2.3.2冷却水用量：

0.23310

08.48

.9506.=?=?=

t C Q q pi i m kg/s

2.3.3平均温差：

C t t t t t 07.3110

50ln 10

50ln 2121=-=???-?=

?

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：

2m 68007

.314508.9506t =?=?=K Q S 估

2.4工艺结构尺寸

2.4.1管径和管内流速

选用φ25mm×2.5mm 的碳钢管[3], 取管内流速u 2=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

6212.102.0785.0233

4

2

2

=??=?=u d q N mi s π（根）

按单程管计算，所需的传热管长度为：

m 94.13621

025.014.3680

d 0=??==

S N S L π估 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：

53040601101221=--=--=

t t T T R 125.030

11030

401112=--=--=t T t t P 按单壳程双管程结构，温差校正系数应为[2]：

91.0=Φ?t ，

27.2807.3191.0=?=?Φ=??t t t m

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P t =1.25×25=31.25≈32（mm ）,隔板中心到离其最近一排管中心距离：Z=P t /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]：

根4219.1==N n c

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75.0=η[4]，则壳体直

径为： 1.05D =（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：

（块）折流板间距传热管长161-400

7000

1-===

B N

2.4.7 接管

壳程流体进出口接管，取接管内循环水流速u 1=10m/s,

则接管内径为 10.107()D m =

=

=

取整后D 1=110mm

管程流体出口接管：取壳内流体流速u 2=1.2m/s,则接管内径为

20.216(m)D =

=

取整后D 2=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] 0.80.40.023

i e r i

R P d λ

α=

管程流体流通截面积

S i =0.785×0.022×58=0.182m 2

管程流体的流速和雷诺数分别为：

u i =233.0/（994.4×0.182）=1.197m/s

R e =0.02×1.197×994.4/（0.725×10-3）=32835

普朗特数

P r =4.08×1000×0.725×1000/0.626=4.73 可得

=???=4.

08.073.43283502.0626

.6023.0i α5680.23 W /(m 2·

k )

2.壳程表面传热系数[4]

00.14

1

0.5513

00.36d e r e w R P λμαμ??

= ?

??

管子按正三角形排列，传热当量直径为

220044t e P d d d ππ?-???==2240.0320.02540.025

ππ??-??

??? =0.02（m ）

壳程流通截面积

00d 1t S BD P ??

=- ??? =0.250×1.150×（1-25/32）=0.06289（m 2）

壳程流体流速和雷诺数分别为：

s m S q u m /1.206125

.05273600

/248000000=?==

ρ

23237810525.9527

1.2020.0Re 5

000=???=

=

-μρu d

普朗特数

632.20999

.010525.91076.2Pr 530

00=???==

-λμP C

黏度校正[4] 0.14

()1w

μμ≈

则壳程传热膜系数

9.897632.223237802

.00999

.036.03/155.00=???

=α

3.污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻：1.718×10-4（m 2 ·℃）/W

管内污垢热阻： 3.4395×10-4 （m 2 ·℃）/W 碳钢在此条件下的热导率为[4]：50W/（m·℃） 已知管壁厚度为：0.0025b m =，

4.总传热系数K [4]

00

0001

1i

i

i i

i m s K d d bd R R d d d αλα=

++++

441

0.0250.0250.00250.02513.439410 1.718105485.300.020.02500.02251816.2--=

?+??++?+

??

=597.6 W/（m 2·℃）

5.传热面积校核[4]

23

'

3.56227

.286.597108.9506m t K Q S m =??=?=

实际传热面积

204.659)421242(7025.014.3)(m n N l d S =-???=-=π

换热器的面积裕度为

%2.17%100'

'

=?-S S S

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

12()i s p t P P P N N F ?=?+?

211,2,

2

s p i N N u l P d ρλ==?=?

由13628Re 0=，传热管相对粗糙度0.01参考Re -λ双对数坐标图[2]得

0.032λ=，流速 1.197/i u m s =，3994.4/kg m ρ=

)(77.92212994

197.102.07037.021pa P =???

=? 2

22994.4 1.197332147.90()22i u P Pa ρ??==?= 835.314.12)90.214777.9221(=??+=?i P KPa <35KPa

管程流体阻力在允许范围之内

2.壳程阻力

012()t s

P P P F N ''?=?+?， 其中1,1s t N F ==.15

流体流经管束的阻力

2

010(1)2

c B

u P Ff n N ρ'?=+ 0.2280.228000.5,

5.0Re 5.01186310.348F f --==?=?=

16=B N

s m u /1.20=

则

Pa P 8.247962

1.25271742232378

5.02

228

.0'1

=?????=?-

流体流过折流板缺口的阻力

2

022(3.5)2

B u

h P N D ρ'?=-，

其中 m D m h 4.1,35.0==，

则 Pa P 544502

1.2527)4.14.025.3(162

'

2

=???-

?=?

总阻力

Pa P 79246544508.247960=+=? ,

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

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0u =1.43m/s ，流体雷诺数0Re =165628。管程流体流速i u =1.197m/s ，流体雷诺数Re i =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 <35 KPa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