列管式换热器多种方案设计计算过程详细

1、根据给定的原始条件，确定各股物料的进出口温度，计算换热器所需的传热面积，设计换热器的结构和尺寸，并要求核对换热器压强降是否符合小于30 kPa的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标准来完成。具体项目如下：设计要求：1. 某工厂的苯车间，需将苯从其正常沸点被冷却到40；使用的冷却剂为冷却水，其进口温度为 30，出口温度自定。2. 物料（苯）的处理量为1000 吨/日。3. 要求管程、壳程的压力降均小于30 kPa。1、换热器类型的选择。列管式换热器2、管程、壳程流体的安排。水走管程，苯走壳程，原因有以下几点：1.苯的温度比较高，水的温度比较低，高温的适合走管程，低温适合走壳程2.传热系数比较

2、大的适合走壳程，水传热系数比苯大3.干净的物流宜走壳程。而易产生堵、结垢的物流宜走管程。3、热负荷及冷却剂的消耗量。冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为水，根进口温度t1=30，冷却水出口温度设计为t2=38，因此平均温度下冷却水物性如下：密度=994kg/m3 粘度2=0.72710-3Pa.s导热系数=62.610-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下：进口温度：80.1 出口温度：40密度=880kg/m3 粘度2=1.1510-3Pa.s导热系数=14.810-2 W/(m.K) 比热容Cpc=1.6 kJ/(kg.K)苯处理量：1

3、000t/day=41667kg/h=11.57kg/s热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.57×1.6×1000×(80.1-40)=7.4×105W冷却水用量：Wc=Q/cpc(t2-t1)=7.4×105/4.184×1000×(38-30)=22.1kg/s4、传热面积的计算。平均温度差t'm=t2-t1lnt2t1=80.1-38-（40-30）ln80.1-3840-30=27.2确定R和P值R=T1-T2t2-t2=80.1-4038-30=5.01 P=t2-t1T1-t1=38-3080.1

4、-30=0.16查阅化工原理上册203页得出温度校正系数为0.8，适合单壳程换热器，平均温度差为tm=tm×0.9=27.2×0.9=24.5由化工原理上册表4-1估算总传热系数K（估计）为400W/（m²·）估算所需要的传热面积：S0=QK估计tm=740000400×24.5=75m²5、换热器结构尺寸的确定，包括：（1）传热管的直径、管长及管子根数；由于苯属于不易结垢的流体，采用常用的管子规格19mm×2mm管内流体流速暂定为0.7m/s所需要的管子数目：n=4Vdiui=4×(11.57/880)3.14&

5、#215;0.7×0.0152=122.1，取n为123管长：l'=S0nd0=75123×3.14×0.015=12.9m按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，选用三管程管子的排列方式及管子与管板的连接方式:管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。（2）壳体直径；e取1.5d0，即e=28.5mmDi=t(nc1)+2e=1.25×19×(1.13×1231)+2×28.5=537.0mm，按照标准尺寸进行整圆，壳体直径为600mm。此时长径比为7.5，符合6-10的范围。壳体壁厚的计算选

6、取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以排管方式：横过中心的管子数目：nc=1.13×123=21.1，取整21根有排管图得出，中心有21根管道时，按照正三角形排列，可排331根，每边各加8根，总共可以排列379根，除去6根拉杆，总共可以排出373，与上述计算相差不大，所以实际管子数目为373根。实际传热面积S0=Ndo（L-0.1）=373×3.14×0.019×（4.5-0.1）=97.9m²实际传热系数K=QtmS0=74000024.5×97.9=308.5W/(m

7、²·K)（3）折流板尺寸和板间距；选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm，因此，折流板直径 Dc=600-23.5=593mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25600=150mm取折流板间距ho=300mm那么NB=（4.5-0.1）/0.3=14.6 ,取整得NB=15块实际折流板间距 h=（L-0.1）/(N+1)=（4500-100）/（15+1）=275mm拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即19mm2mm钢管。温度补偿圈的选用。由于（80.1+40）/2-(30+38)/2=26.0550，故需不虑设置温

8、度补偿圈。（4）流体进出口接管直径等。苯的进出口管道直径：d=4VSu=4×0.013143.14×0.7=0.15m经圆整采用159mm×10mm热轧无缝钢管，实际苯的进出口管内流速为u=4Vsd2=4×0.013143.14×0.1392=0.867m²水的进出口管道直径：d=4VSu=4×0.02233.14×2.5=0.106m经圆整采用108mm×5mm热轧无缝钢管，实际水的进出口管内流速为u=4Vsd2=4×0.02233.14×0.1062=2.5m6、管、壳程流体的压力

9、降计算。管程压降：pi=（p1+p2）FtNsNp管程数Np=3，串联壳程数Ns=1，对于19mm2mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.5。Re=du=0.015×0.7×8800.0015=5749.33,取=0.2mm，即/di=0.2/14=0.015查表，得到=0.044p1=ld+c+eu22=0.044×7.50.015+1.5×880×0.722=5066.6Pap2=3ui2/2=3X880X0.72/2=58.8Papi=5066.6×3×1.5+58.8=22849.7Pa30Kpa，满足条件壳程压降：

10、p=（p1+p2）FsNs,由于管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）de=4(32t2-4d02)do=4×32×0.02372-4×0.01923.14×0.019=0.0136mu=0.02220.275×(0.6-21×0.019)=0.401m/sRe=du=0.0136×0.401×9940.000727=7456.5, fo=5×Re-0.228=0.13p1=FfoNc(NB+1)=0.5×0.128×21X（15+1）×994×

11、0.4012/2=1718.5Pap2=NB（3.5-）=15×(3.5-2×0.275/0.6)×994×0.4012/2=3096.8Papi=（p1+p2）FtNs=(1718.5+3096.8)×1.15=5537.6Pa30Kpa传热系数校正总传热系数由下式计算：=+R+其中，管内苯的传热系数的计算=0.023R=0.023×0.1480.015×5749.30.8×（0.0015×1.6×10000.148）0.3=570.8W/( m.K)管间水的传热系数的计算 =0.36由于水被

12、加热，取粘度校正系数w=1.05=0.36×0.6260.0136×7456.50.55×(4.9)0.33×1.05=4147.5( m.K)取水与苯的污垢热阻均为1.719710( m.K)/W，钢管导热系数=51 W/( m.K)。故=14147.5+1.72×10-4+0.002551×16.5+14×1.72×10-419+19570.8×14=2.89×10-3Ko（计）=346 W/(m.K)所以， K（计算）K（选取）=346308=1.15,一般Ko（计）/ Ko（选）应在1.

13、15-1.25之间。本设计的换热器可适用7、设计过程的评价及自我体会。一、设计题目： 列管式换热器设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务   处理能力： 3000吨/日 设备型式： 固定管板式换热器 2、操作条件（1）苯：入口温度 80.1 出口温度 40 （2）冷却介质：循环水入口温度 25 出口温度 35 （3）允许压降：管程不大于30kPa 壳程不大于30kPa三、设计内容（一）、概述目前（二）.设计参数苯的定性温度：，该温度下的物性如下：质量流量Ws1=3000t/day相对分子质量Mr=78密度1=838kg/m3粘度=0.39×10-3Pa.s导热

14、系数1=0.136W/(m.K)比热容Cph=1.82kJ/(kg.K)进口温度T1=80.1出口温度T2=40允许压强降 p=30kpa 水的定性温度：，该温度下的物性如下：密度2=838kg/m3粘度2=0.39×10-3Pa.s导热系数2=0.136W/(m.K)比热容Cpc=1.82kJ/(kg.K)进口温度t1=25出口温度t2=35允许压强降 p=30kpa（三）、根据任务要求，确定设计方案(1)类型的选择。 根据设计要求，采用固定管板式换热器(2)流动路径的选择。 由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过30kpa，按变换气走管内考虑；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，

15、安排走管间（即壳程）(3)流速的选择。 变换气在管内的流速取ui=0.75m/s（四）、初算换热器的传热面积So(1)热负荷及冷却介质消耗量的计算标准状况下变换气的质量流量Ws1=3000t/day=125000kg/h热负荷 Q=WhCph(T1-T2)=125000×1.82×(80.1-40)=9122750kJ/h=2534KW冷却水的消耗量 Ws2=218.561t/h(2) 计算平均温度差tm，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差tm：tm=27.3有关参数 R=4.01 ，P=0.18根据R,P值，查化工原理上册P233图4-19

16、可读得，温度校正系数w=0.99>0.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差tm=tm×0.99=27(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需传热面积So'：So'=187.7m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm×2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定 管数 n=176根 管长 l=13.6m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，Np =3.02 选用四管程。(3)管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管

17、板的连接，采用焊接法。(4)计算外壳内直径Di Di=t(nc-1)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b=1.5do=1.5×0.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=1000mm。因为L/D=4500/1000=4.5，管长径比在425之间，合适。(5)排管：根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排2

18、9根管时，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每边各加14根(12+2,两层)，共排715根，除去6根拉杆位置，实际排出709根。因此，实际管子数N=n=709根。(6)计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）So=Ndo(L-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2Ko(选)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.5mm，因此，折流板直径 Dc=1000-2×4.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25×1000=250mm折

19、流板数量 NB=-1取折流板间距ho=600mm，那么 NB=-1=-1=6.3取整得NB=7块实际折流板间距 h=550mm(8)拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即25mm×2.5mm钢管。(9)温度补偿圈的选用。由于 < 50，故无需考虑设置温度补偿圈。(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径： Di=1000mm换热面积： So=245.23mm换热管数量： N=709根管长： L=4500mm管子规格： 25mm×2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 4壳

20、程数： 1折流板数量： NB=7(块)折流板间距： h=600mm拉杆数量： 6根拉杆直径： 12mm定距管： 与换热管相同规格通过管板中心的管子数： nc=29根（六）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。(1)筒体壁厚的确定选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以(2)封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。(3)流体进、出口接管直径计算。变换器进出口接管d1,取u1=2m/s那么经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出

21、口管内流速为水进出口接管d2,取u2=2m/s，那么 经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际水流速（七）、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：pi=（p1+p2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于25mm×2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。流体流经直管段的压力降为p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=32000取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041×+1.5）×=2527.7 N/m2流体流经回弯管的压力降为p2=3（）=3

22、15;（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707.06）×1.4×1×4=18114.66 N/m2<30kpa，管程流体压强降满足要求。(2)壳程压强降（冷却水走壳程）：p=（p1+p2）FsNs其中流体流经管束的压强降为： p1=FfoNc(NB+1)由于管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）壳程流体的摩擦系数：fo=5Re横过管子中心的管子数：Nc=29根折流板数：NB=7块 Reo= d=0.0202m u=0.37m/s Reo=9294.2 > 500 f=5（9294.2）=0.623p1=0.5&#

23、215;0.623×29×（7+1）×=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7×（3.5-）×=1097.31 N/ mNs=1(单壳程) Fs=1.15（液体）所以p=1.15×（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 < 30kpa，壳程压强降满足题给要求。（八）、总传热系数的校验总传热系数由下式计算：=+R+其中，管内变换气的传热系数的计算=0.023R=0.023=1031.9 W/( m.K)管间水的传热系数o的计算 o=0.36由于水被加热，取粘度校正系数w=1.05=0.36=2802 W/(

24、m.K)取水侧与苯侧污垢热阻分别为0.2610-3（m2·K/W)、1.719710( m2·K)/W，钢管导热系数=51 W/( m·K)，故= =2.098 m2·K/WKo（计）=476.6 W/( m·K)所以， 一般Ko（计）/ Ko（选）应在1.151.25之间。本设计的换热器可适用。（九）、换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：固定管板式换热器面积（）：245.23工艺参数名称管程壳程物料名称苯循环水操作压力，N/18114.666926操作温度，60.0530流量，kg/h125000218561流体密度，kg/838995.

25、7流速，m/s0.750.37传热量，kw2534总传热系数，w/·k476.6对流传热系数，w/·k1027.83173.6污垢系数，·k/w0.00260.00017197程数41使用材料碳钢碳钢管子规格.5管数 709管长，mm4500管间距，mm32排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm600切口高度25%壳体内径，mm500（十）、设计评述本设计采用固定管板式换热器，其具有结构简单和造价低廉等优点。但设计的管程数为四，比起二管程、单管程，其流动阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少。但四管程所需的管长

26、及筒体长度较少，总的来说节省了材料和容易安放。另外，冷却剂选用水，其来源广、价格便宜，符合经济要求。总的来说，该设计从工艺方面来说比较合理，从经济方面来说，只是所需动力费较其他管程多点，其他的还算节省，所以是合理的。结束语化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。 在换热器的设计过程中,我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点： (1)掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； (2)培养了迅速准确的进行工程计算的能力； (3)学会了用简洁的文字

27、，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为水的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K.因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大.通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要.参考文献1. 常用化工单元设备设计,李功祥,陈兰英,崔英德.广州：华南理工大学出版社,2009.8；2. 化工原理上册修订版,夏清,陈常贵等.天津:天津大学出版社,2005.1；3. 画法几何与机械制图第二版,冯开平,左宗义等.广州:华南理工大学出版社,2007.

28、7.一、设计题目： 列管式换热器设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务   处理能力： 3000吨/日 设备型式： 固定管板式换热器 2、操作条件（1）苯：入口温度 80.1 出口温度 40 （2）冷却介质：循环水入口温度 25 出口温度 35 （3）允许压降：管程不大于30kPa 壳程不大于30kPa三、设计内容（一）、概述目前（二）.设计参数苯的定性温度：，该温度下的物性如下：质量流量Ws1=3000t/day相对分子质量Mr=78密度1=838kg/m3粘度=0.39×10-3Pa.s导热系数1=0.136W/(m.K)比热容Cph=1.82kJ/(kg

29、.K)进口温度T1=80.1出口温度T2=40允许压强降 p=30kpa 水的定性温度：，该温度下的物性如下：密度2=838kg/m3粘度2=0.39×10-3Pa.s导热系数2=0.136W/(m.K)比热容Cpc=1.82kJ/(kg.K)进口温度t1=25出口温度t2=35允许压强降 p=30kpa（三）、根据任务要求，确定设计方案(1)类型的选择。 根据设计要求，采用固定管板式换热器(2)流动路径的选择。 由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过30kpa，按变换气走管内考虑；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，安排走管间（即壳程）(3)流速的选择。 变换气在管内的流速取ui=

30、0.75m/s（四）、初算换热器的传热面积So(1)热负荷及冷却介质消耗量的计算标准状况下变换气的质量流量Ws1=3000t/day=125000kg/h热负荷 Q=WhCph(T1-T2)=125000×1.82×(80.1-40)=9122750kJ/h=2534KW冷却水的消耗量 Ws2=218.561t/h(3) 计算平均温度差tm，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差tm：tm=27.3有关参数 R=4.01 ，P=0.18根据R,P值，查化工原理上册P233图4-19可读得，温度校正系数w=0.99>0.8，可见用单壳程合适，

31、因此平均温度差tm=tm×0.99=27(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需传热面积So'：So'=187.7m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm×2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定 管数 n=176根 管长 l=13.6m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，Np =3.02 选用四管程。(3)管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。(4)计算外壳内直径Di Di=t(nc-1

32、)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b=1.5do=1.5×0.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=1000mm。因为L/D=4500/1000=4.5，管长径比在425之间，合适。(5)排管：根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排29根管时，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每边各加14根(

33、12+2,两层)，共排715根，除去6根拉杆位置，实际排出709根。因此，实际管子数N=n=709根。(6)计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）So=Ndo(L-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2Ko(选)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.5mm，因此，折流板直径 Dc=1000-2×4.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25×1000=250mm折流板数量 NB=-1取折流板间距ho=600mm，那么 NB=-1

34、=-1=6.3取整得NB=7块实际折流板间距 h=550mm(8)拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即25mm×2.5mm钢管。(9)温度补偿圈的选用。由于 < 50，故无需考虑设置温度补偿圈。(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径： Di=1000mm换热面积： So=245.23mm换热管数量： N=709根管长： L=4500mm管子规格： 25mm×2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 4壳程数： 1折流板数量： NB=7(块)折流板间距： h=600mm

35、拉杆数量： 6根拉杆直径： 12mm定距管： 与换热管相同规格通过管板中心的管子数： nc=29根（六）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。(1)筒体壁厚的确定选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以(2)封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。(3)流体进、出口接管直径计算。变换器进出口接管d1,取u1=2m/s那么经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出口管内流速为水进出口接管d2,取u2=2m/s，那么 经圆整采用热

36、轧无缝钢管（GB8163-87）实际水流速（七）、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：pi=（p1+p2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于25mm×2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。流体流经直管段的压力降为p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=32000取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041×+1.5）×=2527.7 N/m2流体流经回弯管的压力降为p2=3（）=3×（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707

37、.06）×1.4×1×4=18114.66 N/m2<30kpa，管程流体压强降满足要求。(2)壳程压强降（冷却水走壳程）：p=（p1+p2）FsNs其中流体流经管束的压强降为： p1=FfoNc(NB+1)由于管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）壳程流体的摩擦系数：fo=5Re横过管子中心的管子数：Nc=29根折流板数：NB=7块 Reo= d=0.0202m u=0.37m/s Reo=9294.2 > 500 f=5（9294.2）=0.623p1=0.5×0.623×29×（7+1）×=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7×（3.5-）×=1097.31 N/ mNs=1(单壳程) Fs=1.15（液体）所以p=1.15×（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 < 30kpa，壳程压强降满足题给要求。（八）、总传热系数的校验总传热系数由下式计算：=+R+其中，管内变换气的传热系数的计算=0.023R=0.023=1031.9 W/( m.K)