列管式换热器多种设计方案策划设计方案计算过程详细

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：.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。.物料(苯)的处理量为1000 吨/日。.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：.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.传热系数比较大的适合走

2、壳程，水传热系数比苯大.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t=30，冷却水出口温度设计为t =38，因此平均温度下冷却水物性如下：1、2、密度p =994kg/m3粘度p J0.727X 10-3Pa.s导热系数入=62.6X 10-2 W/(m.K)比热对 Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下:进口温度：80.1 密度 进口温度：80.1 密度 p =880kg/m3导热系数入=14.8X 10-2 W/(m.K)粘度 p =1.15X 10-3Pa.s 比热对 Cpc

3、=1.6 kJ/(kg.K)苯处理量：1000t/day=41667kg/h=11.57kg/s 热负荷：Q二WhCph (T2-T1) =11.57X 1.6 X 1000X (80.1-40)=7.4X 105W冷却水用量：Wc=Q/cpc(t2-t)=7.4X 105/4.184 X 1000 X(38-30)=22.1kg/s1 / 284、传热面积的计算。平均温度差()确定R和P值查阅化工原理上册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=At,m 义 0.9=27.2 义 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/ (m

4、2-) 估算所需要的传热面积：S0F=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 X2mm 管内流体流速暂定为0.7m/s所需要的管子数目： ，取n为123管长： =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 1.5盘，即 e=28.5mmD.=t(nc1)+2e=19X(1)+2义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

5、7.5,符合6-10的范围。 壳体壁厚的计算3 =平 i + C2 仙 W p选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235,查的相应的许用应力匚=113MPa ；2 / 28焊接系数W = 0.65 (单面焊)，腐蚀裕度C = 4mm，所以5 = 0 .6 义 900h 4 = 7 .2 8 mm 6 = 8 mm2 x 113 x 0.6 5 0.6排管方式：横过中心的管子数目：nc=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

6、。实际传热面积 S0=Nn do (L-0.1) =373 X3.14X0.019X(4.5-0.1) =97.9m2实际传热系数K= W/(m2K)(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=600-2X 3.5=593mm切去弓形高度h=0.25D=0.25X 600=150mm取折流板间距h =300mm那么 N= (4.5-d.1) /0.3=14.6，取整得 N=15 块实际排流板间距 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

7、采用与换热管相同的管子，即19mmX2mm钢管。温度补偿圈的选用。由于(80.1+40) /2-(30+38)/2=26.0550,故需不虑设置温度补偿圈。=0.15m(4)流体进出口接管直径等。=0.15m苯的进出口管道直径: 经圆整采用159mmX 10mm热轧无缝钢管，实际苯的进出口管内流速为 =0.867m2水的进出口管道直径： 一 =0.106m经圆整采用108mmX5mm热轧无缝钢管，实际水的进出口管内流速为 =2.5m6、管、壳程流体的压力降计算。管程压降：ZA pi= ( P1+A p2) FtNN管程数N3,串联壳程数4=1,对于19mmX 2mm的换热管，结构校正系数为3

8、/ 28F=1.5。tRe=查表，得到入=0.044，取F=1.5。tRe=查表，得到入=0.044=5066.6Pap =3/2=3X88 0X0. 72/2=58 . 8Pa2Z p5066.6X3X 1.5+58.8=22849.7Pa30Kpa,满足条件壳程压降：ZA p。二( p+ 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)d = =0.0136mu = =V=0.401m/so hD(i -4)h(D - nd) tRe=7456.5,f =5XRe-0.228=0. 13A p =Ff N (N+1) uo2 =0.5X0.128X21X (

9、15+1)X994X0.4012/2=1718.5Pa 1o c B2A p =N (3.5- 2h ) uo=15 X (3.5-2X0.275/0.6) X994X0.4012/2=3096.8Pa 2 B D 2Z A p(A p1+A p2)FtN = (1718.5+3096.8) X 1.15=5537.6Pa0.8,可见用单壳程合适，因此平均温度差 %= tmX0.99=27按经验数值初选总传热系数K。(估),选取K。(估)=500W/(m2.K) (4)所需传热面积S。：a， Q 2534 x 1000S = =187.7m2。K At 500 x 27 o m(五)、主要工艺

10、及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mmX2.5mm钢管。换热管数量及长度的确定管数 n= 4V = 4 x (125000/3600)/838 =176 根u - d 20.75 x 3.14x 0.022i igk i S187.7管长 l =o=13.6mn 冗 d 176 x3.14x 0.025按商品管长系列规格，取管长L=4.5m,N =二=3.02选用四管程。p L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DiDi=t(n-1)+2b由于管中心距t=1.25d =1.25

11、X 25=32mm。横过管束中心线的管数 n=1.1 =1.1、:2 x 704 =29.1取整n=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=1.5X0.025=0.038m 所以Di=0.032 (29-1) +2X0.038=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。9 / 28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 (12+2,

12、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)S =Nnd (L-0.1)=406X3.14X0.025.(9-0.1)=284m2K = -Q = 2534 *1000 =382.7W/(m2.K) o(选)S At245.23x27折流板直径上、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 D =1000-2 X 4.5=991mm c切去弓形高度h=0.25D=0.25 X 1000=250mm折流板数量N=三-1B ho,取折流板间距h=600mm,

13、那么 oN= H-1= 4500一100 -1=6.3B h 600o取整得N=7块B实际折流板间距10 / 28h= 45T =550mm7 +1(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25mmX2.5mm钢管。温度补偿圈的选用。由于80J + 40 25 + 35 = 3.5 50,故无需考虑设置温度补偿圈。22(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径：D=1000mm换热面积：S =245.23mmo换热管数量：N=709 根管长：L=4500mm管子规格： 25mmX 2.5 mm （钢管）管中心距：t=32mm管子排

14、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IL 113MPa ；焊接系数9 = .65 (单面焊)，腐蚀裕度C = 2 mm，所以+ 2 = 5.28 + 2 = 5.28 mm2 x 113 x .65 - .6根据钢板厚度标准

15、，取厚度为12mm,即三三=12mm11 / 28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4x125000di = 13600 x 838 x 3.14 x 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4x125000di = 13600 x 838 x 3.14 x 2=0.1625m经圆整采用168mmx12mm热轧无缝钢管(GB8163-87)实际苯的进出口管内流速为4x125000u = 1 3600 x 838 x 3.14 x 0.1442=2

16、.55 m / s水进出口接管d2，取u/m/s，那么,4 x 218561d 9 =.,3600 x 838 x兀 x 2=0.197 m经圆整采用203mmx 12mm热轧无缝钢管(GB8163-87)实际水流速4 x 2185613600 x995.7x3.14x0.17922.42 m / s(七)、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：Z pi=( P1+A P2)FtN Np据上述结果可知：管程数Np=4,串联壳程数Ns=1,对于25mmX 2.5mm的换热管， 结构校正系数为F=1.4。t流体流经直管段的压力降为lpu2lpu2 p=(入+E e+E c)-=(入+1.5) J1

17、 d2 d2由于Gi=125000=624兀3600 x-x 0.022 x 1774Re=卫=0.02 x 621i r0.39 x 10-3=3200012 / 28取 =0.2mm,那么 /d0.2/20=0.01，可查得入=0.041,故4.5838 x 0.752 nn_ ,T , p = (0.041X+1.5)X=2527.7 N/m210.022流体流经回弯管的压力降为 p2=3 （浮）=3X（ W ） =707.06 N/m2所以Z p(2527.7+707.06)X1.4X 1X4=18114.66 N/m2 50080.07 x 10- 5f =5x (9294.2) -

18、0.228 =0.623pi =0.5X0.623X29X(7+1)、/ 995.7x0.372X=4925.5 N/m22 hp =N (3.5-丝)B D厂 22 hp =N (3.5-丝)B D(3.5-) X=1097.31 N/m13 / 28N =1（单壳程）F=1.15 （液体）所以ZA 所以ZA p =1.15X(4925.5+1097.31)=6926 N/m20.8,可见用单壳程合适，因此平均温度差 %= tmx0.99=27按经验数值初选总传热系数K。(估)，选取K。(估)=500W/(m2.K) (4)所需传热面积S。：a， Q 2534 x 1000S =187.7m

19、2。K At 500 x 27 o m(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25mmX2.5mm钢管。换热管数量及长度的确定管数 n= 4V = 4 x (125000/3600)/838 =176 根u 冗 d 2 0.75 x 3.14x 0.022 i i20 / 28gk 1 , S187.7管长 l = 13.6mn 冗 d176 x3.14x 0.025按商品管长系列规格，取管长L=4.5m,N =3.02 选用四管程。p L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

20、直径DiDi=t(n-1)+2b由于管中心距t=1.25d =1.25X25=32mmo横过管束中心线的管数n=1.1五=1.1 J2 x 704 =29.1取整n=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=1.5X0.025=0.038m 所以Di=0.032 (29-1) +2X0.038=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。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，

21、可排631 根，若在六角形 每边各加14根 (12+2,两层)，共排715根，除21 / 28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)S =Nn d (L-0.1)=406X3.14X0.025.(9-0.1)=284m2K = Q = 2534 义1000 =382.7W/(m2.K) o(选)S At245.23x27折流板直径上、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D =1000-2 X 4.5=991mmc切去弓形高度 h=0.25D=0.25

22、X 1000=250mm折流板数量N= H-1B ho,取折流板间距h=600mm,那么 oN= i1-1= 4500-100 -1=6.3B h 600o取整得N=7块B实际折流板间距h= 4500 -100 =550mm7 +1(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25mmX2.5mm钢管。温度补偿圈的选用。由于80.1 + 40 25 + 35 = 30.05 50,故无需考虑设置温度补偿圈。22(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径：D=1000mm换热面积：S =245.23mmo换热管数量：N=709 根管长：

23、L=4500mm管子规格： 25mmX 2.5 mm （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：Nj7(块)折流板间距：h=600mm拉杆数量：6根拉杆直径： 12mm22 / 28定距管：与换热管相同规格通过管板中心的管子数: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IL 113MPa ；焊接系数9 = 0.65 (单面焊)，腐蚀裕度C = 2 mm，所以 二0

24、.6x900+ 2 = 5.28mm2 x 113 x 0.65 - 0.6根据钢板厚度标准，取厚度为12mm，即三=12mm 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。4V4x125000变换器进出口接管d/取ui4x125000=0.1625md = =0.1625m3600 x 838x 3.14x 2经圆整采用中168mmx12mm热轧无缝钢管(GB8163-87)实际苯的进出口管内流 速为厂 4 x125000= 2.55 m / s1 3600 x 838 x 3.14 x 0.1442水进出口接管与取u2=2m/s，那么23 / 284x2185610

25、.197 m 3600 x 838 x兀 x 24 x 218561经圆整采用203mm义12mm热轧无缝钢管4 x 218561=2.42 m / s=2.42 m / s3600 x 995.7 x 3.14 x 0.1792(七)、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：Z pi=( P1+A P2)FtN Np据上述结果可知：管程数N4,串联壳程数N=1,对于25mmX2.5mm的换热管， 结构校正系数为F=1.4。t流体流经直管段的压力降为lpu2 lpu2 p=(入+t e+E c) Y i =(入+1.5) H i 1 d2 d2由于Gi=125000=624由于Gi=125000

26、=624兀3600 x x 0.022 x 1774Re=q=0.02 x 621i R0.39 x 10-3=32000取 =0.2mm,那么 /di=0.2/20=0.01，可查得入=0.041,故4.5838 x 0.752 nn_ ,T , p = (0.041X+1.5)X=2527.7 N/m2 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 10.022流体流经回弯管的压力降为 p=3 (段:)=3X ( 838x0.752 ) =707.06 N/m2 222所以Z pi= (2527.7+707.06)X1.4X

27、 1X4=18114.66 N/m2 50080.07 x 10- 5f =5x (9294.2) -0.228 =0.623p1 =0.5X0.623X29X(7+1)X995.7 x 0.372 =4925.5 N/m 22 h p =N (3.5-)D(3.5-三竺1)X 995.7X0.372 =1097.31 N/mN =1(单壳程) sF=1.15 (液体) s所以Z p =1.15X(4925.5+1097.31)=6926N/m2 30kpa，壳程压强降满足题给要求。（八）、总传热系数的校验,“1总传热系数由下式计算：Ko （计）=+Raoso+ bd九dmR d+ siodi

28、d+oa d其中，管内变换气的传热系数a的计算ia =0.023 工 R 0.8 Pr 0.3id eii=0.023 x 06 x (32000)0.8 x ( 0.021.8 X103 X 0.39 X10-30.136)0.3 = 1031.9 W/( m 2 .K)25 / 28管间水的传热系数a的计算a =0.36九丁 Re 0$5 Pri/3 w0.14e由于水被加热，取粘度校正系数w 0.14 =1.05=0.36 xo0.61760.0202=0.36 xo0.61760.0202x (9294.2)0.55 x (4.174 x 103 x 0.8007 x 10-30.61

29、76)1/3 x 1.05=2802 W/( m 2 .K)取水侧与苯侧污垢热阻分别为0.26X 10-3 (m2 K/W)、1.7197X 10-4 ( m2 K)/W,钢管导热系数入=51 W/（ zK），故1Ko（计）1Ko（计）128020.0025 x 2525+ 0.26 x 10-3 +1.7197 x 10-4 x +51 x 22.520251031.9 x 20=2.098 x 10-3 m2 K/WK (计)=476.6 W/( m 2 K)所以，屋二也二 1.245所以，K （选）382.7一般KJ K （选）应在35工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Im?）： 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/m18114.666926操作温度，。c60.0530流量，kg/h125000218561流体密度，kg/m 3838995.7流速，m/s0.750.3726/28传热量，kw2534总传热系数，w/ k476.6对流传热系数，w/