管式换热器课程设计_secret

1、一. 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1101进一步冷却至60c之后，进入吸收塔吸 收其屮的可溶组分。已知混和气体的流量为227301 婕/h,压力为6. 9mpa , 循环冷却水的压力为0. 4mpa，循环水的入口温度为29°c, !l|u温度为 39°c ,试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。反 应吸收分m88热导率 粘度 循环水在34c 密度定压比热容热导率粘度物性特征：混和气体在35c下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）: 密度p、=力6.2畑/ m3定压比热容s二2083kj/kg

2、76;c人二105. 9w/m/, =0.259 pas 卜的物性数据：二994. 3 kg/m3s 二4. 174kj/kg*c 人二0. 624w/m°c “i = 0.742二. 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144c岀口温度100°c；冷流 体进口温度30°c,出口温度为38°c,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

3、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。三. 确定物性数据定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度町取流体 进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为二 85°c管程流体的定性温度为39 + 29_2-=34 °c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。混和气休在35c下的有关物性数据如下（来自生产屮的实测值）：

4、密度定压比热容热导率p、= 776.2kg / m3j二2. 083kj/kg°c 入=105. 9w/m粘度耳二0. 259pas循环水在34c下的物性数拯：密度定压比热容热导率二994. 3 kg/m3 s 二4. 174kj/kgr 兄1二0 624w/m°c粘度ai=0. 742x 10 tas築龍網 zhulongxom四. 估算传热面积1.热流量建筑资料下载就在筑龙网= 12713. 3x2. 083x (144-100)二 1165199kj/h =323. 7kw2平均传热温差 先按照纯逆流计算，得ar= 86.76k(144-38)-(100-30),14

5、4-38in100-303传热而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/ (m2 k)则估算的传热面积为ap=323.7 xlq3320x86.76=11.66/7?24.冷却水用量07二 323.7x1()34.174x103x8= 9.69kg/s = 34s9skg/h五. 工艺结构尺寸1. 管径和管内流速 选用25x2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速 ui二 1. 6m/so2 .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血二 v = 34898/(3600x994.3) = ?()s,2 - 0.785x0.022 x 1.6按单程管计算，

6、所需的传热管长度为11.663.14x0.025x20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1=3. 5m,则该换热器的管程数为nt l 7 nnp=2 /3.5传热管总根数nt=20 x 2=403. 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)144-100k38-30= 5.538-30p= 144-30= 0.07按单壳程，双管程结构， 0.8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,即每程内均按止三角形排列，隔板 两侧采用正

7、方形排列。取管心距 t=l. 5do,则 t=1.5x25=37. 538 mm隔板屮心到离其最.近一排管中心距离s二t/2+6二32/2+6二25 mm各程相邻管的管心距为50 mm。5. 壳体内径采用多管程结构。取管板利用率n二0.75 ,则壳体内径为築龍網 zhulongxom建筑资料下载就在筑龙网d二 1. 05t j% iq = 1.05 x 3840/0.75 = 291 amm按卷制壳体的进级档，可取d=300mm6. 折流板采用弓形折流板，去弓形z流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为h二0. 25 x 350二87. 5m,故可取 h二87. 5mm取折流板间距b

8、=0. 3d,则 b=0. 3x300=90mm,可取b为100mmo折流板数目nb=传热管长折流板间距350010()-1 = 34折流板圆缺面水平装配，见图3-15o7. 其他附件本换热器壳体内径为350mm,故其拉杆直径为12拉杆数量不得少于 10o壳程入口处，应设置防冲挡板.8. 接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为ui=lm/s,则接管内径为4x12713.3/(3600x776.2) _ 0 0gv3.14x1- *岡整后可取管内径为80mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=0. 25m/s,则接管内径为4x 34898 7(3600x994.3)=0.2233.1

9、4x0.25圆整后去管内径为250mm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.丫0 = 0.36 勺 re 严 pr%(z)o4de血当量直径壳程流通截面积4炉-討d,二一l4=0.039m1r-) = 100 x300 (!-) = 0.01売程流体流速及其雷诺数分别为12713.3/(3600x7762)6x)1= 0.450.454 x 776.2 x 0.0390.000259=53063普朗特数2.083><10冬0.0002590.1059= 5.09粘度校正“"36x 牆"3063。孤 5.09%=667.33/k(2) 管

10、内表面传热 6z, =0.023re0-8 pr04管程流体流通截面积9 40s. = 0.785 x 0.022x = 0.0063 2管程流体流速_ 34898/(36()()x994.3)养“,u； 1/ s1 0.006re = 0.02 xl.62x 994.3/(0.742 x 10 巧=43416普朗特数4.174x103 x0.742x1030.624= 4.96分 0.023x 需 x4340x4.96j6985w/点(3) 污垢热阻和管壁热阻可取管外侧污垢热阻ro = 0.0004加2 - k/w管内侧污垢热阻% = 0.0006m2 k/w管壁热阻,碳钢在该条件下的热导率

11、为50w/(m -k)o所以 =0.0025 = ° 00005加 2.鸟 / 50(4) 传热系数k°(5) 传热面积裕度 所计算传热面积ac为4 q,323.7xlo32a = = 9.32m-' kctm 400x86.76 该换热器的实际传热面积为apa/f = 7rdolnt = 34 x 0.025 x3.5x40 = 10.99/w2 该换热器的而积裕度为=10"-932=18%9.32传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2. 讎温计算因为管壁很薄，而口壁热阻很小，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，

12、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20°c,岀口温度为40c计算传热管壁温。另外， 曲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z差。 但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算屮，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。于是有式中液体的平均温度g和气体的平均温度分别计算为tm =0.4x40+0. 6x20二28°ctm = (144+100)/2二 122°cae = ai = 6985w/m2 kah - ao - 578. 4w/m2 k传热管平均壁温t

13、yv = 35.2 °c壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即t-85°co壳体壁温和传热管 醸温之差为 2 = 122-35.2 = 86.8 °c。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，石応 築龍 紬! 选用浮头式换热器较为适宜。“3. 换热器内流休的流动阻力(1) 管程流体阻力n$ = 1 np 2 , ap;.=人dj 2查莫狄图得人=0.03,流速u=1.6m/s,0.03x3.5 994.3 xl.62x= 6681.7p = 994.3kg/m 所以,7一 pllc 994.3xl.62，w 2 =二 3x=3818.1pd2

14、0.02 2pt = (6681.7 + 3318.1)x2x1.5 = 29999 apa 管程流体阻力在允许范围之内。(2) 壳程阻力按式计算几=(几 +、pjfsn$ , ns=, fs =1 流体流经管束的阻力2几=厅08(心+1)令f二0. 5£ =5x53063一°测=0.2179ntc = 1. in/5 =1.1x 40°-5 = 6.95nb = 4 u 0 = 0.454776 2x0 4542a/r, =0. 5x0. 2179x6. 95x (4+1) x=302856pa。 2流体流过折流板缺口的阻力r r2pi =nli(3.5-)-

15、, b=0. lm , d=0.3m八 bd 2ap =4x(3.5-2x0.10.3776.2x0.45422=906594 pa总阻力ps =302856+906594=1. 21x 106pa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。(3) 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3489812713.3进/出口温度/°c30/38144/100唐力/mpa0.46.9ft定性温度/°c34122密度/ (kg/m3)994.3776.2定压比热容/kj7 (kg*k)4. 1742. 083粘度/ (pas)0. 742 x 1o-30. 258 x l(r3热导率(w/m*k)105.90. 0279普朗特数4. 965. 09驳备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/血300台数1管径/mm25x2. 5管心距/mm50管长/mm3500管子排列管数fl/根40折流板数/个34传热面积/nf11.66折流板间距/mm100管程数2材质碳钢主耍计算结果管程壳程流速/ (m/s)1.64.9表面传热系数/w/ (m2*k)6985578.4污垢热阻/ (m2-k/w)0. 00060. 0004阻力/ mpa0. 03001.21热流量/kw32