换热器例子-3.doc

列管式换热器设计说明书 设计者：曾凡岐 班级：12生物工程2学号：G1245222日期：2014年7月4日-2014年7月15日指导教师：林静雯 设计成绩： 日期：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患热后，用循环冷却水将其从140进一步冷却至40之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为5000/h，压力为0.3MPa ,循环冷却水的压力为0.4MPa ，循环水的入口温度为27，出口温度为37 ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。 物性特征： 油品在90下的有关物性数据如下： 密度 o=825 kg/m3 定压比热容 cpo=2.22kJ/(kg) 导热系数 o=0.140 W/(m) 粘度 o=0.000715 Pas 冷却水在32下的物性数据： 密度 i=994.3kg/m3 定压比热容 cpi=4.24 kJ/(kg) 导热系数 i=0.618 W/(m) 粘度 i=0.000818 Pas一、确定设计方案71、选择换热器的类型7 （1）、固定管板式换热器7（2）、浮头式换热器7（3）、U形管式换热器72、管程安排8二、确定物性数据8三、估算传热面积91 热流量92.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得93.传热面积104.冷却水用量 10四、列管式换热器主要结构尺寸计算101管径和管内流速102管程数和传热管数103. 平均传热温差校正114. 传热管排列和分程135壳体内径136折流板137接管13五、换热器阻力计算141换热器内流体的流动阻力14（1）管程流体阻力14（2）壳程阻力 按式计算14六、换热器核算151 热流量核算15（1）壳程表面传热系数15（2）管内表面传热系数16（3）污垢热阻和管壁热阻16（4） 传热系数17（5）传热面积裕度17七、换热器主要结构尺寸17八、参考文献：18一、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140 出口温度；冷流体进口温度27，出口温度为37。本设计从列管式换热器中选择：列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛使用。它的结构简单、坚固、制造较容易，处理量大，适应性能，操作弹性较大，尤其在高温、高压和大型装置中使用更为普遍。列管式换热器主要有以下几种： （1）、固定管板式的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进 出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩， 失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 （2）、浮头式换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。（3）、U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。本设计的物料为油品，物料要从140降到40，这还要考虑到热胀冷缩的问题，一般的列管换热器，因为没有伸缩性能，容易损坏设备。用浮头式列管换热器这个问题可以很好的解决，同时浮头式列管换热器还有：清洗方便，管束可以抽出，清洗管壳、管程；介质间温差不受限值；可在较高的温度和压力下工作，一般温度450，压力6.4MPa；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀的场合等优点。因此初步选定本换热器为浮头式列管换热器。2、管程安排管程选择条件：（1）不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便，但U形管式的不宜走管程； （2）腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀； （3）压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力；（4）饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易出； （5）被冷却的流体宜走壳程，便于散热；（6）若两流体温差大，对于刚性结构的换热器，宜将给热系数大的流体通入壳程，以减小热应力；（7）流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜，因在壳程即可达到湍流。但这不是绝对的，如果流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并采用多管程结构，反而会得到更高的给热系数。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贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。二、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= 管程流体的定性温度为t= 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对油体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取油体的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出油体的物性数据。 油品在90下的有关物性数据如下： 密度 o=825 kg/m3 定压比热容 cpo=2.22kJ/(kg) 导热系数 o=0.140 W/(m) 粘度 o=0.000715 Pas 冷却水在32下的物性数据： 密度 i=994.3kg/m3 定压比热容 cpi=4.24 kJ/(kg) 导热系数 i=0.618 W/(m) 粘度 i=0.000818 Pas三、估算传热面积1 热流量 Q1=其中：m1 :油品的处理能力, kg/h；Cp1: 油品定压比热容, kJ/(kg)；：油体的进出口温度差, ；将已知数据代入得：Q1=50003.297(140-40)=1110000kJ/h =308.33kw2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 =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=250W/(k)则估算的传热面积为 Ap=其中： Q :热流量，w； K :估算传热系数,w/(m2 k)；4.冷却水用量 m=其中 ：Q :热流量，w；Cp1:水的定压比热容, kJ/(kg)； : 水的进出口温度差, ；四、列管式换热器主要结构尺寸计算1管径和管内流速 选用252.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/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=其中：V:流体流速，ms； d:管内径，mm；本设计选取252.5 mm u：管内流速，ms；本设计选取u=1 ms将数据代入得：按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 其中：Ap：传热面积，；d 0 :管的内径，m ;ns :管的根数，个； 代入数据可得：L=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=6m，则该换热器的管程数为 Np=传热管总根数 Nt=184=723. 平均传热温差校正及壳程数、平均温差校正系数 R= P=按双壳程，四管程结构，查图得 平均传热温差 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，故取双壳程合适。4. 传热管排列和分程方法 采用正方形排列法 取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532隔板中心到离其最.近一排管中心距离计算 S=t/2+6=32/2+6=22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18根。5壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。取管板利用率=0.75 ，则壳体内径为 D=1.05t其中：t:管心距，mm; NT :管根数，个；代入可得：D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=400mm6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=0.25200=100m，故可取h=100mm取折流板间距B=150mm折流板数目NB=折流板圆缺面水平装配，7接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=1m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为50mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2m/s，则接管内径为圆整后去管内径为70mm五、换热器阻力计算1换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 , , 由Re=35002，传热管对粗糙度0.01，查莫狄图得，流速u=1.3m/s,所以， 管程流体阻力在允许范围之内。（2）壳程阻力 按式计算 , , 流体流经管束的阻力 F=0.5 0.50.24199.32(39+1)99874Pa流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.15m , D=0.4mPa总阻力99874+17428=1.17Pa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。六、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。 当量直径，依下式得 =壳程流通截面积，依下式得 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数 按下式。 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 按表可取管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻管壁热阻计算后，依表碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以（4） 传热系数依下式（5）传热面积裕度 依下式可得所计算传热面积Ac为该换热器的实际传热面积为Ap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。七、换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率kg/h261795000进/出口温度/27/37140/40压力/MPa0.40.3物性定性温度/3290密度/（kg/m3）994.3825定压比热容/kj/（kgk）4.242.22粘度/（Pas）0.8181.5热导率（W/mk） 0.6180.14普朗特数5.611.34设备结构参数形式浮头式壳程数2壳体内径/400台数1管径/252.5管心距/32管长/6000管子排列管数目/根72折流板数/个78传热面积/34折流板间距/150管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.30.13表面传热系数/W/（k）5633463污垢热阻/（k/W）0.00060.001阻力/ MPa0.15120.117热流量/KW 308传热温差/K43.5传热系数/W/（K）261裕度/% 24.6%八、参考文献：1王志魁，刘丽英，刘伟等.化工原理M第四版.北京：化学工业出版社20102刘积文等石油化工设备及制造概论M 哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社19893GB4557.184机械制图图纸幅面及格式4GB15098钢制压力容器