换热器设计说明书

1 设计任务和设计条件设计任务和设计条件 某生产过程的流程如图所示 反应器的混合气体经与进料物流 换热后 用循环冷却水将其从110 进一步冷却至60 之后 进入吸 收塔吸收其中的可溶性组分 已知混合气体的流量为237301 kg h 压力为6 9 循环冷却水的压力为0 4 循环水的入口温度MPaMPa 为29 出口的温度为39 试设计一列管式换热器 完成生产任 务 物性特征 混和气体在35 下的有关物性数据如下 来自生产中的 实测值 密度 3 1 90mkg 定压比热容 3 297kj kg 1p c 热导率 0 0279w m 1 粘度 Pas 5 1 105 1 2 循环水在34 下的物性数据 密度 994 3 m3 1 定压比热容 4 174kj kg 1p c 热导率 0 624w m 1 粘度 Pas 3 1 10742 0 确定设计方案确定设计方案 1 选择换热器的类型 两流体温的变化情况 热流体进口温度110 出口温度60 冷流体进口温度29 出口温度为39 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 考虑到这一 因素 估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大 因此初步确 定选用浮头式换热器 2 管程安排 从两物流的操作压力看 应使混合气体走管程 循环冷却水走壳程 但由于循环冷却水较易结垢 若其流速太低 将会加快污垢增长 速度 使换热器的热流量下降 所以从总体考虑 应使循环水走管 程 混和气体走壳程 浮头式换热器介绍 浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体 可以沿轴向 自由浮动 这种结构不但完全消除了热应力的影响 且由于固定端 3 的管板以法兰与壳体连接 整个管束可以从壳体中抽出 因此便于 清洗和检修 故浮头式换热器应用较为普遍 但它的结构比较复杂 造价较高 确定物性数据确定物性数据 定性温度 对于一般气体和水等低黏度流体 其定性温度可 取流体进出口温度的平均值 故壳程混和气体的定性温度为 T 85 2 60110 管程流体的定性温度为 4 t 34 2 2939 根据定性温度 分别查取壳程和管程流体的有关物性数据 对混合气体来说 最可靠的无形数据是实测值 若不具备此 条件 则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据 然后按 照相应的加和方法求出混和气体的物性数据 混和气体在35 下的有关物性数据如下 来自生产中的实测值 密度 3 1 90mkg 定压比热容 3 297kj kg 1p c 热导率 0 0279w m 1 粘度 1 5 10 5Pas 1 循环水在34 下的物性数据 密度 994 3 m3 1 定压比热容 4 174kj kg 1p c 热导率 0 624w m 1 粘度 0 742 10 3Pas1 算传热面积算传热面积 1 热流量 Q1 111 tcm p 237301 3 297 110 60 3 91 107kj h 1 086 107kw 5 2 平均传热温差 先按照纯逆流计算 得 m t K 3 48 2960 39110 ln 2960 39110 3 传热面积 由于壳程气体的压力较高 故可选取较大的K值 假设K 320W k 则估算的传热面积为 Ap 2 7 1 718 3 48320 10086 1 m tK Q m 4 冷却水用量 m ipi tc Q 1 hkgskg 5 936655 2 260 1010174 4 10806 1 3 7 工艺结构尺寸工艺结构尺寸 1 管径和管内流速 选用 25 2 5较高级冷拔传热管 碳钢 取管内流速u1 1 35m s 2 管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 Ns 取618根36 617 35 1 02 0 785 0 3 994 2 260 4 2 2 ud V i 按单程管计算 所需的传热管长度为 6 L m nd A so p 8 14 618025 014 3 718 按单程管设计 传热管过长 宜采用多管程结构 根据本设计实际 情况 采用非标设计 现取传热管长l 7m 则该换热器的管程数为 Np 2 7 25 14 l L 传热管总根数 Nt 642 2 1236 3 平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式 3 13a 和式 3 13b 有 R 5 2939 60110 P 124 0 29110 2939 按单壳程 双管程结构 查图3 9得 96 0 t 平均传热温差 46 448 30 96 塑mtm tt 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 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 见图3 13 取管心距t 1 25d0 则 t 1 25 25 31 25 32 隔板中心到离其最 近一排管中心距离按式 3 16 计算 S t 2 6 32 2 6 22 7 各程相邻管的管心距为44 管数的分成方法 每程各有传热管642根 其前后关乡中隔板设置和 介质的流通顺序按图3 14选取 5 壳体内径 采用多管程结构 壳体内径可按式 3 19 估算 取管板利用率 0 75 则壳体内径为 D 1 05tmmNT 9 14117 0 12363205 1 按卷制壳体的进级档 可取D 1400mm 6 折流板 采用弓形折流板 去弓形之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 1400 350m 取折流板间距B 0 3D 则 B 0 3 1400 420mm 可取B为450mm 折流板数目NB 1414 51 450 7000 1 折流板间距 传热管长 7 其他附件 拉杆数量与直径按表选取 换热管 25 拉杆 16 换热管700根 拉杆16根 壳程入口处 应设置防冲挡板 8 接管 8 壳程流体进出口接管 取接管内气体流速为u1 10m s 则接管 内径为 m053 0 1014 3 903600 23730144V D1 圆整后可取管内径为300mm 管程流体进出口接管 取接管内液体流速u2 2 5m s 则接管内 径为 m364 0 5 214 3 3 9943600 5 9366554 2 D 圆整后取管内径为360mm 换热器核算换热器核算 1 热流量核算 1 壳程表面传热系数 用克恩法计算 见式 3 22 14 0 3 1 55 0 0 1 0 PrRe36 0 we d 当量直径 依式 3 23b 得 e dm d dt o o 02 0 42 3 4 2 2 壳程流通截面积 依式3 25 得 1427 0 32 25 1 1450450 1 t d BDs o o 壳程流体流速及其雷诺数分别为 9 smuo 1 5 1427 0 903600 237301 612000 105 1 905102 0 Re 5 o 普朗特数 773 1 0279 0 105 110297 3 Pr 53 粘度校正 1 14 0 w Kmw o 2 3 1 55 0 5 925773 1 612000 02 0 0279 0 36 0 2 管内表面传热系数 按式3 32和式3 33有 4 08 0 PrRe023 0 i i i d 管程流体流通截面积 194 0 2 1236 02 0 785 0 2 i S 管程流体流速 smui 295 1 1982 0 3 9943600 5 936655 8 34706 10742 0 3 994295 1 02 0 Re 3 普朗特数 96 4 624 0 10742 0 10174 4 Pr 33 kmw i 584096 4 8 34706 02 0 624 0 023 0 24 08 0 3 污垢热阻和管壁热阻 按表3 10 可取 管外侧污垢热阻 wkmRo 0004 0 2 管内侧污垢热阻wkmRi 0006 0 2 10 管壁热阻按式3 34计算 依表3 14 碳钢在该条件下的热导率为50w m K 所以 wkmRw 00005 0 50 0025 0 2 4 传热系数依式3 21有 cK kmw R d dR d dR d d K o o m ow i oi ii o 2 c 402 1 1 5 传热面积裕度 依式3 35可得所计算传热面积Ac为 2 7 1 6 582 4 46402 10086 1 m tK Q A me c 该换热器的实际传热面积为Ap 2 3 68112367025 014 3 mlNdA Top 该换热器的面积裕度为 95 16 6 582 6 582 3 681 c cp A AA H 传热面积裕度合适 该换热器能够完成生产任务 2 壁温计算 因为管壁很薄 而且壁热阻很小 故管壁温度可按式3 42计算 由于该换热器用循环水冷却 冬季操作时 循环水的进口 温度将会降低 为确保可靠 取循环冷却水进口温度为15 出口 温度为39 计算传热管壁温 另外 由于传热管内侧污垢热阻较大 会使传热管壁温升高 降低了壳体和传热管壁温之差 但在操作 11 初期 污垢热阻较小 壳体和传热管间壁温差可能较大 计算中 应该按最不利的操作条件考虑 因此 取两侧污垢热阻为零计算传 热管壁温 于是 按式4 42有 nc n m c w tT t 11 m 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 m t 0 4 39 0 6 15 24 6 m t 110 60 2 85 m T 5872w k ic 921 5w k oh 传热管平均壁温 9 32 w t 壳体壁温 可近似取为壳程流体的平均温度 即T 85 壳体 壁温和传热管壁温之差为 1 52 9 3285 t 该温差较大 故需要设温度补偿装置 由于换热器壳程压力较大 因此 需选用浮头式换热器较为适宜 3 换热器内流体的流动阻力 1 管程流体阻力 spsrit FNNppp 12 1 s N2 Np 2 2 u d l p i ii 由Re 34706 8 传热管对粗糙度0 01 查莫狄图得 流速u04 0 i 1 302m s 所以 3 3 994mkg Papi 8 11798 2 3 994302 1 02 0 7 04 0 2 Pa u pr44 2528 2 302 1 3 994 3 2 22 Pap726 429815 12 44 25288 11798 1 管程流体阻力在允许范围之内 2 壳程阻力 按式计算 ssios NFppp 1 s N1 s F 流体流经管束的阻力 2 1 2 o BTCoo u NNFfp F 0 5 2397 0 6120005 288 0 o f 07 3912621 11 1 5 0 5 0 TTC NN 14 B NsmUO 03 5 0 5 0 2397 38 6 14 1 o p 2 9 490 2 74976a 流体流过折流板缺口的阻力 13 B 0 45m D 1 4m 2 2 5 3 2 o Bi u D B Np Pa 7 45359 2 06 5 90 4 1 45 0 2 5 3 14 2 i p 总阻力 74976 43553 1 2 Pa s p 6 10 由于该换热器壳程流体的操作压力较高 所以壳程流体的阻力也 比较适宜 参数管程壳程 流率 923400233801 进 出口温度 29 39110 60 压力 pa 0 46 9 定性温度 3485 密度 kg m3 994 390 定压比热容 kj kg k 4 1743 297 粘度 Pa s 0 742 3 10 1 5 5 10 热导率 W m k 0 6240 0279 物性 普朗特数 4 961 773 形式浮头式壳程数 1 壳体内径 1400 台数 1 管径 25 2 5 管心距 32 管长 7000 管子排列 设备结构参 数 管数目 根 1 折流板数 个 14 14 传热面积 681 3 折流板间距 450 管程数 2 材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速 m s 1 3025 06 表面传热系数 W k 5872921 5 污垢热阻 k W 0 00060 0004 阻力 MPa 0 0429820 126 热流量 KW 10706 14 传