固定管板式列管换热器的设计

1、固定管板式列管换热器1目 录 十、对本设计的评述或有关问题的分析讨论 十一、参考文献 十二、工作总结 十三、设计创新点固定管板式列管换热器2摘 要 本次课程设计属于化工课程设计的一个重要方面，在工业生产中有着广泛的应用。目的在于考察我们对相关化工原理基本理论知识的掌握程度，提高对化工设备的认知以及培养分工与独立工作的能力。我们的课题为“固定管板式列管换热器的设计”，通过已知的苯进口温度，管程壳程的压力降要求，水的常温温度等条件设计一符合实际工作要求的换热器，并且通过一工艺流程图展现其在某种特定用途下的操作流程。由于水的出口温度并不已知，笔者通过选择合理的泵来推算出其出口温度，进而对后续的计算问

2、题迎刃而解。后期的校核计算中，所得的换热面积、压力降及壁温均符合要求，标明所设计的换热器是满足一定生产负荷下正常工作要求的。固定管板式列管换热器3一、固定管板式换热器的介绍1、固定管板式换热器的结构特点 此种换热器的特点是管束以焊接或胀接在两块管板上，管板分别焊接在外壳的两端并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体上装有流体进出口接管。固定管板式列管换热器42、固定管板式换热器的性能优点 与其他形式的换热器相比，它的结构简单，制造成本较低。管内不易积累污垢，即使产生了污垢也便于清洗。3、固定管板式换热器的性能缺点 无法对管子的外表面进行检查和机械清洗，因而不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。由于管子和管板与

3、壳体的连接都是刚性的，当管子与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体和管子中将产生很大的温差应力，以致管子扭弯或从管板上脱落，甚至损坏整个换热器。固定管板式列管换热器5二、设计方案的确定及流程说明1、确定设计方案（1）已知设计条件 生产负荷（按每年7200小时计算）：11.6万吨纯苯/年 苯进料状况：80的液体 苯出口状况：55的液体 冷却介质：循环水（1535） 管程和壳程压降：不大于10kpa（2）设计的前期处理 壳程和管程所走流体的选择 选择依据：1）有毒的流体走管程，减少泄漏的机会，而苯是一种可至白血病有毒液体；2）粘性大的或流量小的液体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，

4、在较小的雷诺数（Re100）下，即可达到湍流，有利于提高传热系数，而一般正常温度下，苯的粘性小，水的粘性大；3）苯是高温液体，在管内热膨胀，水是低温流体，在壳内冷缩，从而使管子不会从管板上脱落。固定管板式列管换热器6 由此，笔者选定让水走壳程，苯走管程。 对水的假定 假设所用水的水源来自于清河水，在使用它作为冷却介质前，需对其做一定的化学处理：先通过一净水池将较大的颗粒除去；再通过另一净水池，使用絮凝剂，将钙离子和镁离子沉淀，这样得到的水可近似认为是污垢热阻很小的蒸馏水。同样的，考虑到设备是长期工作的，难免保证水不蒸发、泄露而损耗，需进行定期的补给。 水入口温度的选定 笔者假定换热器的常年平均

5、工作温度为20，亦即室外温度基本恒定在20。符合这样条件的地区分布在大陆的低纬度地区，以广州地区为宜。所以，水入口的温度选择为20。 固定管板式列管换热器7水出口温度的设计思路 笔者是通过选择泵来确定水的出口温度的。下面即为设计的思路： 一般情况下，水的流速在12.5m/s之间取。 取TR32-160型离心式液下泵（化工设备设计手册P1530），已知其体积流量qV=9m/h,出口直径d为32mm，由u=qV/A解得出口流速为2.07m/s，正好符合上述的流速范围内；由的选定，得到20条件下水的密度为998.2kg/m，知道质量流量qm=qV*=998.2*9kg/h=2.4955kg/s； 在

6、根据热负荷计算式 Q=1Cp1(T1-T2)= 2Cp2(t2-t1) 可计算得水的出口温度 =40.50540.50 因此，水的出口温度设定为40.5。 其中，热负荷Q=213580J2t固定管板式列管换热器8输送苯对应泵的选择 由苯的年产量可知其质量流量，再由苯的进口温度查得其对应密度，结合质量流量和入口密度即可求得苯入口的体积流量（为20.23m3/h）。选用ZA 型卧式离心泵，型号ZA40-200 对应C型叶轮 ，额定流量Q=22m3/h（摘自化工设备设计手册下卷P1512） 下面确定泵操作的流量富余量，以确定所选泵是否符合要求。 泵的流量富余量应尽量减少，这样所选泵的型号、规格的额定

7、工况接近操作工况，泵的一次性投资较小，操作效率高，节省操作费用。根据经验，泵的流量富余量最好在泵的额定流量5%10%的范围内。 而计算得富余量约为8%，符合要求。换热器设计压力的选定 由于条件中所给苯的进口温度为80，而苯的沸点也略高于这个值，因而不宜在常压下进行工作，需要施加一定的压力，使其不宜蒸发出来，根据后来计算出的压降值（很小）以及标准的几个公称压力值，因此这里的设计压力定为0.6Mpa。固定管板式列管换热器9（3）设计安排 本次设计首先通过换热面积的计算以及校核值确定所选用的换热器是否合适，一旦选择好换热器后，其内部总管子的数目以及换热面积都是确定的值。根据管子的尺寸和数目即可进行相

8、应的排列。当壁温和压力降的校核结果满足后，即可进行附件的设计。当计算和校核的部分完成后，即可进行作图。笔者作为组长，负责协调每一个人的分工，从而为后续的设计扫除障碍。固定管板式列管换热器10三、换热面积的估算计算定性温度，确定物理常数管程管程壳程壳程T=67.5t=30.251 =831kg/m32=995.7kg/m31 =0.000358Pa*s2=0.0008015Pa*sCp1=1909J/(kg*k)Cp2=4174J/(kg*k)1 =0.1315W/(m*k)2=0.618W/(m*k)固定管板式列管换热器11计算对数平均温差 为了增加传热的有效性，设计时采用逆流的方式。根据计算

9、式tm逆=（ t1- t2）/ln（ t1/t2 ）其中， t1 =80-40.5（ ）=39.5 t2 =55-20（ ）=35 求得tm逆=37.20 假设所选择的流程为单壳程、双管程，则流动的形式为折流，需对对 数平均温度差tm逆乘以校正系数，而校正系数是辅助量R与P的函数。固定管板式列管换热器12其中，R=（T1-T2）/（t2-t1）=1.22 P= (t2-t1)/(T1-t1)=0.342由化工原理图4-52（）得出温差校正系数为0.94。解得tm逆=34.97估算总传热系数K值 由化工原理表4-4可知，有机物水组合中，当有机物黏度0.5mpa*s时，K的取值范围为300800W

10、/（*k），而苯的1 =0.000358Pa*s2100,得di表示列管的内径，15mm.由于管内的液体被加热，因此近似取KC=0.3，KE=0.2，K=4将这些数值代入Pt的公式中，得到Pt=4632Pa500时，2111*0.0077754TtpassNadn114.4753/mWqkg s0.1610.040.007959Ref 0.14rtw0.95rt 0.22825.0*Re0.78of固定管板式列管换热器28横过管束中心线的管子数nc=1.1* =10.31 取nc=11折流板数NB=14壳程流速u2=0.161m/s解得流体通过折流板缺口的压强降折流板间距h=0.2m壳体内径D

11、=0.325m一般的，流体流经换热器进出口导致的压降可忽略。对于液体壳程压强降的结垢校正系数Fs=1.5TN32995.7/ mkg水221*u(1)*2ocBPFf n N水1830PaP222*u2*(3.5)*410 a2BhPNPD水固定管板式列管换热器29壳程数Ns=1因此，壳程的压力降也是符合要求的。12()*1860 a10sSoPPPFNPKPa 固定管板式列管换热器30九、设计一览表水进口温度水进口温度20面积裕量（非有效）面积裕量（非有效）22.09%水出口温度40.5实际外壁壁温41苯的质量流量4.4753kg/s管长3m水的质量流量2.4955kg/s管径输送水的泵型号

12、TR32-160型管子数目88输送苯的泵型号ZA40-200型折流板数目14管、壳程设计压力0.6MPa折流板间距200mm管程压力降4632Pa拉杆和定距杆数目4壳程压力降1860Pa管子在管板上排列方式正三角形设计传热面积(非有效)15.2排列管的中心距25mm计算传热面积12.45壳体内径325mm19*2固定管板式列管换热器31十、设计创新点 在整个设计过程的计算步骤中，我是通过选择泵来确定水的出口温度的。 这样做的好处是，一方面能够使水满足在其正常的流速范围中工作（12.5m/s），不至于对设备造成较大的冲击影响，另一方面也能为实际的生产带来方便，即直接可利用所选择的泵，且符合其工作

13、范围之内，以期达到生产中的有效利用。固定管板式列管换热器32十一、设计中的不足点及需改进之处第一，我们设计的常年工作室温为20，但这一条件常常不能够严格符合，我们需考虑到在当地一些极端情况下的温度情况，即利用历史气象数据，计算在极端情况下的换热器工作情况，再对其作出取舍；第二，尽管接触了大量的文献，在附件的选择中依然查不到一些附件的质量，这是我们设计报告的不完整之处；第三，在工作中的协调问题。我在协调作图员与设备员的方面做得不够好，以致后期制图时，某些尺寸和查资料所得尺寸有不同之处。总之，在工作之前，一定要明确每个组员之间的关系，这样才能更好地实现组内效率最大化；第四，作图时，某些剖面线画得比

14、较粗，粗细不匀，没有严格按照标准区分各类线。固定管板式列管换热器33十二、工作总结固定管板式列管换热器34输送苯对应泵的选择 由苯的年产量可知其质量流量，再由苯的进口温度查得其对应密度，结合质量流量和入口密度即可求得苯入口的体积流量（为20.23m3/h）。选用ZA 型卧式离心泵，型号ZA40-200 对应C型叶轮 ，额定流量Q=22m3/h（摘自化工设备设计手册下卷P1512） 下面确定泵操作的流量富余量，以确定所选泵是否符合要求。 泵的流量富余量应尽量减少，这样所选泵的型号、规格的额定工况接近操作工况，泵的一次性投资较小，操作效率高，节省操作费用。根据经验，泵的流量富余量最好在泵的额定流量

15、5%10%的范围内。 而计算得富余量约为8%，符合要求。换热器设计压力的选定 由于条件中所给苯的进口温度为80，而苯的沸点也略高于这个值，因而不宜在常压下进行工作，需要施加一定的压力，使其不宜蒸发出来，根据后来计算出的压降值（很小）以及标准的几个公称压力值，因此这里的设计压力定为0.6Mpa。固定管板式列管换热器35（3）设计安排 本次设计首先通过换热面积的计算以及校核值确定所选用的换热器是否合适，一旦选择好换热器后，其内部总管子的数目以及换热面积都是确定的值。根据管子的尺寸和数目即可进行相应的排列。当壁温和压力降的校核结果满足后，即可进行附件的设计。当计算和校核的部分完成后，即可进行作图。笔

16、者作为组长，负责协调每一个人的分工，从而为后续的设计扫除障碍。固定管板式列管换热器36（3）设计安排 本次设计首先通过换热面积的计算以及校核值确定所选用的换热器是否合适，一旦选择好换热器后，其内部总管子的数目以及换热面积都是确定的值。根据管子的尺寸和数目即可进行相应的排列。当壁温和压力降的校核结果满足后，即可进行附件的设计。当计算和校核的部分完成后，即可进行作图。笔者作为组长，负责协调每一个人的分工，从而为后续的设计扫除障碍。固定管板式列管换热器37根据裕量要求的范围为10%25%，可知所选的换热面积是合适的。若考虑到所选择的面积应为有效换热面积，则要在所选换热面积（15.2）的基础上，减去因

17、折流板覆盖管外表面的面积A1以及管子嵌入管板中的面积A2。由折流板的厚度为6mm可知，要计算A1，必然要知道折流板弓形部分圆缺的高度，这需要看自己的选择，观察所作图，可近似用如下式子来求得其值： A1= *0.0019*0.006*14*80=0.401 因而这一部分是不能忽略的。 管子的左右两端分别嵌入前管板和后管板中，不传热的部分包括与管板接触的面积以及伸出管板外的面积。一根管子的“损失长度”为32*2mm，换算成面积为0.0038 ，因而A2=88*0.0038 =0.34 ，同样不能够忽略。所以，总的损失面积为A1+A2=0.401+0.34 （）=0.741 在进行传热面积校核的时候

18、，就要将此因素考虑进去，即A选=15.2-0.741（）=14.459 则A选/A=1.1614；裕量为16.14%，同样符合在规定的要求之内。固定管板式列管换热器38根据裕量要求的范围为10%25%，可知所选的换热面积是合适的。若考虑到所选择的面积应为有效换热面积，则要在所选换热面积（15.2）的基础上，减去因折流板覆盖管外表面的面积A1以及管子嵌入管板中的面积A2。由折流板的厚度为6mm可知，要计算A1，必然要知道折流板弓形部分圆缺的高度，这需要看自己的选择，观察所作图，可近似用如下式子来求得其值： A1= *0.0019*0.006*14*80=0.401 因而这一部分是不能忽略的。 管子的左右两端分别嵌入前管板和后管板中，不传热的部分包括与管板接触的面积以及伸出管板外的面积。一根管子的“损失长度”为32*2mm，换算成面积为0.0038 ，因而A2=88*0.0038 =0.34 ，同样不能够忽略。所以，总的损失面积为A1+A2=0.401+0.34 （）=0.741 在进行传热面积校核的时候，就要将此因素考虑进去，即A选=15.2-0.741（）=14.459 则A选/A=1.1614；裕量为16.14%，同样符合在规定的要求之内。固定管板式列管换