甲苯加热器的设计(浮头列管式)

1、甲苯加热器的设计 蹇木强摘 要换热器是目前许多工业部门广泛应用的通用工艺设备,其结构简单,制造方便,在相同的管数情况下其壳体内径最小,管程分程方便。此次设计是根据甲苯加热过程相关技术要求为依据，以安全生产和经济效益为考量标准。根据要求，选定浮头式列管换热器，经过计算选用的换热器的公称直径为700 mm，管数为292根，管程为4，公称面积为135 m2。初选总传热系数，经过计算得到实际总传热系数。经过面积核算、壁温检验、压降验算等方法，可以发现，所选用的换热器符合生产要求，能够完成任务。关键词：浮头式换热器：工艺计算；对流传热系数；壁温校核；压强降目 录1 问题重述41.1设计题目41.2 基础

2、数据41.2.1处理能力41.2.2 设备型式41.2.3 操作条件41.3设计范围52 问题背景53 初选换热器的类型53.1确定流体通入的空间53.2换热器类型的选择64 换热器的工艺计算74.1 基本物性数据74.2 热负荷的计算74.3 平均温度差84.4 估算传热面积84.5 试选换热器型号84.6 换热器其他附件计算94.6.1 折流挡板的计算94.6.2 管束中心线的管数计算95 换热器核算105.1 管程对流传热系数105.2 壳程对流传热系数（一）105.3 总对流传热系数（一）115.4 壁温校核（一）135.5 壳程对流传热系数（二）135.6 总程对流传热系数（二）14

3、5.7 壁温校核（二）145.8 核算管压降155.8.1管程压强降155.8.2直管压强降155.8.3 回弯管的压强降155.8.4 壳程压强降166 换热器的主要结构尺寸和工艺设计167 设计结果评价178 结束语189 参考文献2010 附表2010.1 水的物性数据2010.2 水蒸汽的物性数据2110.3 绝对粗糙度数据2110.4 列管换热器内常用的流速范围22甲苯加热器的设计1 问题重述1.1设计题目甲苯加热器的设计1.2 基础数据1.2.1处理能力流量为的甲苯。1.2.2 设备型式卧式列管换热器1.2.3 操作条件 1.2.3.1 甲苯 入口温度为20 ，出口温度为100 。

4、 1.2.3.2 加热介质 200 Kpa绝压的饱和水蒸气，冷凝液在饱和温度下排出。 1.2.3.3 允许压强降 要求换热器的管程压强降小于70 kpa。 1.2.3.4 物性数据 甲苯在定性温度下的物性数据如下：表1 甲苯定性温度下的物性数据物理量密度（）黏度（ ）比热容（）导热系数（）数据8301.820.1271.3设计范围1） 选择适宜的列管式换热器并进行核算；2） 确定列管式换热器结构及工艺尺寸。2 问题背景列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备，结构简单，适应性强；单位体积所具有的传热面积大并传热效果好；而且种类多，型号全1。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所

5、需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程列管式换热器。列管式换热器是在工业生产中应用非常广泛, 尤其是在高温、高压和大型换热设备中的应用。因此掌握它的设计计算, 对于强化传热过程，了解工业换热设备，有着很重要的意义。 本设计为甲苯加热的换热器，通过相关数据的核算，选择合适的换热器装置，并确定此换热器的结构和工艺尺寸。3 初选换热器的类型3.1确定流体通入的空间 在列管式换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，取决于多种因素，

6、主要从以下三个方面考虑。1 传热效果1） 黏度大的流体货流量小的流体，宜在管间流过。2） 待冷却的流体走壳程好，便于散热。3） 两流体温差较大时。宜将对流传热系数大的流体走壳程，以减小管壁与壳体的温差，减小热应力。 2 设备结构1）高压的流体、腐蚀性的流体宜在管内流过。这样，管子采用耐高压或耐腐蚀的材料，壳体采用一般材料。2）有毒的气体宜走管内，防止泄露直接进入大气。3 清洗方便1） 不洁净或易结垢的流体宜在管内流过，以便于清洗管子。2） 饱和蒸汽一般通入壳程，以便于及时排出冷凝液，且蒸汽较洁净，壳程不必清洗。 根据以上选择原则，结合具体情况，为使水蒸汽的冷凝液及时排出，且减少壳程不必要的清洗

7、次数，因此，选择水蒸汽走壳程，甲苯走管程。3.2换热器类型的选择两流体的温度变化情况如下：（1） 甲苯：入口温度=20 ，出口温度=100 。（2） 饱和水蒸汽：入口温度=出口温度=120.2 。 因此，甲苯的平均温度为饱和水蒸汽的平均温度为两流体的温度差为 因此，此次设计采用浮头式列管换热器，基本结构如如下图所示。图1 浮头式换热器其主要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。4 换热器的工艺计算4.1 基本物性数据定性温度：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。管程流

8、体（甲苯）的定性温度为：壳程流体（水蒸汽）的定性温度为：在定性温度下，管程流体甲苯的有关物性数据见表1，壳程流体水蒸汽如下：表2 饱和水蒸汽的部分物性数据（绝压200kPa）物理量温 度（）蒸汽密度（）比汽化焓（）数 据 120.21.1274.2热负荷的计算热负荷的计算（不计热损失）式中： 热负荷； 甲苯的质量流量； 甲苯的比热容； ， 甲苯的入口与出口温度。4.3 平均温度差因为壳程中水蒸汽的温度不变，采用并流和逆流的平均温度差是相同的。采用逆流方式，甲苯 水蒸汽 因此，平均温度差为4.4 估算传热面积结合表2-5与表4-72，轻质有机物的总传热系数K值的范围为580-1190，选总传热系

9、数。4.5 试选换热器型号选传热管，内径为，外径为。材料为碳钢。选取公称直径，公称面积为，管长为，管数为292根，管程为4的FB系列的浮头式换热器。因此，每管程的管数根，管的中心距为，正方形错列，如下图所示。图2 正方形错列的管子排列方式示意图此时，实际面积为因此，4.6 换热器其他附件计算4.6.1 折流挡板的计算折流挡板的主要作用是引导壳程流体反复的改变方向，以加大壳程流体流速和湍动速度，致使壳程对流传热系数提高。折流板间距折流板数 块采用弓形折流板，取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4.6.2 管束中心线的管数计算横过管束中心线的管数为： 根5 换热器核算5.1 管

10、程对流传热系数管内甲苯的流速雷诺数为普朗特数为由上面数据可知， ， ，。所以，符合下式：甲苯是被加热的，因此，取。则另外，可以求得管程流体流通截面积S为5.2 壳程对流传热系数（一）首先需要假设壁温，根据相关知识，壁温应接近对流传热系数大的流体温度，故可假设壁温为。此时，式中，为饱和蒸汽的温度。定性温度为在定性温度下，根据相关数据2，利用插值法得到蒸汽和冷凝液的部分物性数据如下：表3 蒸汽和冷凝液的部分物性数据（）物理量比汽化热(蒸汽)r()水的密度（）水的热导率（）水的黏度（）数据9510.685假设蒸汽在水平管外冷凝，采用下面的公式。式中，为横过管束中心线的管数，在4.6中已求出。特征尺寸

11、取外径。代入相关数据，解得：5.3 总对流传热系数（一）下表为部分流体的污垢热阻的经验值，结合表2-6和表4-62，选取甲苯的污垢热阻为，水蒸汽的污垢热阻为。碳钢的热导率选为。表4 部分流体污垢热阻经验值（单位：）总传热系数的求取采用下面的公式。其中，为管壁外径与内径的平均直径，以对数平均值表示。因此，下面进行换热器的安全系数计算。安全系数P不符合1025%的安全范围。5.4 壁温校核（一）下面对假设的壁温进行验算，看是否符合计算结果。使用下面的公式。代入相关数据，可以求出的值。利用，可以求出，利用，可以求出，与假设壁温相差较大，假设不成立。采用公式，也存在较大误差，所以重新假设壁温计算总传热

12、系数。5.5壳程对流传热系数（二）重新假设壁温，此次使壁温更加接近与水蒸汽的温度。因此，设壁温为。从而可以得出，温差为定性温度为此温度下，冷凝液的物性数据如下： 表5 水的部分物性数据（）物理量密度（）热导率（）黏度（）数据944.70.6858表中数据是根据110 和120 相关数据利用插值法得到，同样的方法可以得到此温度下饱和蒸汽的比汽化焓。根据以上数据和蒸汽在水平管外冷凝的对流传热系数公式，可以求得5.6 总程对流传热系数（二）5.3中选取的相关污垢热阻，在这里同样可以使用，即选取甲苯的污垢热阻为，水蒸汽的污垢热阻为。碳钢的热导率选为。下面进行换热器的安全系数计算。安全系数P符合1025

13、%的安全范围。5.7 壁温校核（二）（1）根据以下公式进行检验壁温。因此，传热面积为因此，可以求得所以与假设的壁温基本相同，假设正确。（2）利用另一种检验方法，公式与5.4中相同，即 代入相关数据，解得与假设的壁温相差不大，可以认为在误差允许的范围之内，符合条件。5.8 核算管压降5.8.1管程压强降对于多程列管换热器，管程压强降的计算式为：式中， ， 分别为直管和回弯管中摩擦阻力引起的压强降，； 结垢校正因子，无因次。对于的管子取值为1.4，对于的管子取值为1.5； 管程数； 串联的壳程数。5.8.2直管压强降由前面可知，因此流体的流态为湍流。选取碳钢的绝对粗糙度为3，则其相对粗糙度可以求得

14、，。结合图1-28，可以得出摩擦系数为。因此，直管压强降为5.8.3 回弯管的压强降回弯管的压强降采用如下的经验公式。代入相关数据，解得因此，管程压强降为5.8.4 壳程压强降壳程中是水蒸汽，压强降可按流体沿直管流动的的压强降计算，但是要用当量直径代替内径。计算方法可以采用克恩法等。根据相关知识可知，水蒸汽的压强降是比较小的，可以忽略不计。所以，流体流经换热器因流动阻力所引起的压强降为符合压强降条件，换热器选择能够满足需求。6 换热器的主要结构尺寸和工艺设计根据设计要求，通过利用换热器设计相关知识对数据进行了运算和检验，从而得到了满足要求的浮头式列管换热器，换热器的结构尺寸、工艺设计以及计算结

15、果如下表所示。表6.1换热器的主要结构尺寸和工艺设计换热器型式：浮头式列管换热器换热器面积（）：135（公称面积），97.2（估算面积）工 艺 参 数项 目管程壳程物料名称甲苯水蒸汽操作压力无200 kPa(绝压)操作温度（入口/出口）20/100120.2/120.2流量5940流体密度8301.127流速1.3未计算传热量总传热系数860对流传热系数17939715污垢系数压强降忽略不计程 数41使用材料碳 钢管子规格管数292管心距32排列方式正方形错列壳体内径700折流挡板型式弓形折流板数29挡板间距210表6.2换热器的主要结构尺寸和工艺设计项 目数 据项 目数据壳径D700管尺寸管

16、程数4壳程数1管 数n292管排列方式正方形错列中心排管数21管心距32mm管程流通面积0.023传热面积（）137.57 设计结果评价（1）通过分析计算，选取浮头式列管换热器进行数据处理，通过分析得到，而，因此安全系数为，符合安全系数范围，符合要求。流体流经换热器的压强降为，小于要求值。另外，本设计通过对面积校核、壁温校核等计算可知均满足要求，完全满足生产任务，设计的换热器较为合理。（2）通过分析浮头式换热器管程和壳程传热与阻力性能特点,采用能量系数来评价强化传热,以利于提高其换热性能。本设计中： ，满足要求，性能良好。（3）效益评价：生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的

17、过程4,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再利用、维护、再循环及最终处置。本设计中使用水作加热介质，无污染，耗资少，无有害气体产生，整个过程简单，易操作，环境和经济效益良好，并且甲苯流速不是很高，有效地保证了操作的安全性。（4）本设计中面积、总传热系数、压强降等均有比较好的裕度保证，即使生产使用中出现比较大的误差，设备结构也能保证不出现大的安全损伤的事故，具有良好可靠的安全保证。8 结束语化工原理课程

18、设计是培养个人综合运用化工课程相关知识及有关选修课程的基本知识去解决设计任务的一次训练，既深化了学生的理论知识，又锻炼了学生利用所学知识解决实际生产任务，而且也在一定程度上培养了学生独立思考、独立工作能力。在换热器的设计过程中,我完全独立地完成了此次设计任务，所学的理论知识在运用于实际的过程中得到了加深和强化，自己的独立思考和理论联系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的能力，并且锻炼了自己在较短时间内学习和领悟新知识的能力，培养了迅速准确地进行工程计算的能力；(2)树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和

19、环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；(3)学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力，锻炼了自己在论文写作方面的能力。9 参考文献1 吕利霞. 列管式换热器的设计J. 内蒙古石油化工, 2001(27): 136-137.2 王志魁. 化工原理M. 北京: 化学工业出版社, 2009, 165.3 陈凤, 余汉成, 孙在蓉. 管道内壁粗糙度的确定J. 天然气与石油, 2007, 25(6): 9-11.4 朱晓峰, 生命周期方法论J. 科学学研究, 2004, 22(6): 566-571.10 附表10.1 水的物性数据表7 水的部分物性数据温度t 密度kg/m比热容cpkJ/(kgK)热导率W/(mK)动力黏度Pas普朗特数Pr108933.74.1560.6730.0002542911.57109942.44.1950.6790.0002566451.59110951.04.2330.6850.0002591.60111950.24.2350.6850.000256841.59112949.44.2360.6850.000254681.57113948.64.2380.6850.000252521.561149