列管式换热器设计方案

PAGEPAGE12一．设计任务和设计条件TC"设计任务和设计条件"\fC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110℃进一步冷却至60℃之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301㎏/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℃，出口温度为39℃，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。物性特征：混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容=3.297kj/kg℃热导率=0.0279w/m粘度 循环水在34℃下的物性数据：密度 =994.3㎏/m3定压比热容 =4.174kj/kg℃热导率 =0.624w/m℃粘度 确定设计方案TC"确定设计方案"\fC选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度110℃出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，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。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。确定物性数据TC"确定物性数据"\fC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。故壳程混和气体的定性温度为T==85℃管程流体的定性温度为 t=℃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。混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度定压比热容=3.297kj/kg℃热导率=0.0279w/m粘度=1.5×10-5Pas 循环水在34℃下的物性数据：密度 =994.3㎏/m3定压比热容 =4.174kj/kg℃热导率 =0.624w/m℃粘度 =0.742×10-3Pas估算传热面积TC"估算传热面积"\fC热流量TC"热流量"\fCQ1==227301×3.297×(110-60)=3.75×107kj/h=10416.66kw2.平均传热温差TC"平均传热温差"\fC先按照纯逆流计算，得=3.传热面积TC"传热面积"\fC由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=320W/(㎡k)则估算的传热面积为Ap=4.冷却水用量TC"冷却水用量"\fCm==工艺结构尺寸TC"工艺结构尺寸"\fC1．管径和管内流速TC"管径和管内流速"\fC选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.3m/s。2．管程数和传热管数TC"管程数和传热管数"\fC可依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为L=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l=7m，则该换热器的管程数为Np=传热管总根数Nt=612×2=12243.平均传热温差校正及壳程数TC"平均传热温差校正及壳程数"\fC平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b）有R=P=按单壳程，双管程结构，查图3-9得平均传热温差℃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TC"传热管排列和分程方法"\fC采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。见图3-13。取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32㎜隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算S=t/2+6=32/2+6=22㎜各程相邻管的管心距为44㎜。管数的分成方法，每程各有传热管612根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5．壳体内径TC"壳体内径"\fC采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率η=0.75，则壳体内径为D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=1400mm6．折流板TC"折流板"\fC采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为H=0.25×1400=350m，故可取h=350mm取折流板间距B=0.3D，则B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。折流板数目NB=折流板圆缺面水平装配，见图3-15。7．其他附件TC"其他附件"\fC拉杆数量与直径按表3-9选取，本换热器壳体内径为1400mm，故其拉杆直径为Ф12拉杆数量不得少于10。壳程入口处，应设置防冲挡板，如图3-17所示。8．接管TC"接管"\fC壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为300mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为360mm换热器核算TC"换换热器核算算"\ffC\热流量核算TC"热热流量核算算"\ffC\（1）壳程表表面传热系系数TC"（1）壳程表表面传热系系数"\\fC用克克恩法计算算，见式（3-22）当量直径，依依式（3--23b）得得=壳程流通截面面积，依式式3-255得壳程流体流速速及其雷诺诺数分别为为 普朗特数粘度校正 （2）管内表表面传热系系数TC"（2）管内表表面传热系系数"\\fC按式3-332和式3-333有管程流体流通通截面积 管程流体流速速 普朗特数（3）污垢热热阻和管壁壁热阻TC"（3）污垢热热阻和管壁壁热阻"\fCC\l"3"按表表3-100，可取管外侧污垢热热阻管内侧污垢热热阻管壁热阻按式式3-344计算，依依表3-114，碳钢钢在该条件件下的热导导率为500w/(mm·K)。所以以（4）传热热系数TC"（4）传热系数数"\ffC\依式式3-211有 （5）传热面面积裕度TC"（5）传热面面积裕度""\fC\ll"3""依式3-335可得所所计算传热热面积Acc为 该换热器的实实际传热面面积为App 该换热器的面面积裕度为为 传热面积裕度度合适，该该换热器能能够完成生生产任务。壁温计算TC"壁温温计算"\fCC\l"2"因为管壁很薄薄，而且壁壁热阻很小小，故管壁壁温度可按按式3-442计算。由由于该换热热器用循环环水冷却，冬冬季操作时时，循环水水的进口温温度将会降降低。为确确保可靠，取取循环冷却却水进口温温度为155℃，出口温温度为399℃计算传热热管壁温。另另外，由于于传热管内内侧污垢热热阻较大，会会使传热管管壁温升高高，降低了了壳体和传传热管壁温温之差。但但在操作初初期，污垢垢热阻较小小，壳体和和传热管间间壁温差可可能较大。计计算中，应应该按最不不利的操作作条件考虑虑，因此，取取两侧污垢垢热阻为零零计算传热热管壁温。于于是，按式式4-422有式中液体的平平均温度和和气体的平平均温度分分别计算为为00.4×39+00.6×15=244.6℃((110++60)//2=855℃55887ww/㎡·k9925.55w/㎡·k传热管平均壁壁温℃壳体壁温，可可近似取为为壳程流体体的平均温温度，即TT=85℃。壳体壁壁温和传热热管壁温之之差为℃。该该温差较大大，故需要要设温度补补偿装置。由由于换热器器壳程压力力较大，因因此，需选选用浮头式式换热器较较为适宜。3．换热器内内流体的流流动阻力TC"换换热器内流流体的流动动阻力"\fCC\l"2"（1）管程流流体阻力TC"（1）管程流流体阻力""\fC\ll"3"" ,,,由Re=355002，传传热管对粗粗糙度0..01，查查莫狄图得得，流速u==1.3006m/ss,,所以， 管程流体阻力力在允许范范围之内。（2）壳程阻阻力TC"（2）壳程阻阻力"\\fC按式式计算 ,,流体流经管束束的阻力 F=00.500.5×0.24419×38.55×(14+11)×=754468Paa流体流过折流流板缺口的的阻力,BB=0.445m,,D=11.4mPa总阻力75468++432118=1..19×Pa由于该换热器器壳程流体体的操作压压力较高，所所以壳程流流体的阻力力也比较适适宜。（3）换热器器主要结构构尺寸和计计算结果TC"（3）换热器器主要结构构尺寸和计计算结果""\fC\ll"3""见下表表：参数管程壳程流率89856002273011进/出口温度度/℃29/39110/600压力/MPaa 0.46.9物性定性温度/℃℃3485密度/（kgg/m3）994.390定压比热容//[kj//（kg•k）]4.1743.297粘度/（Paa•s）0.742××1.5×热导率（W//m•k）0.6240.02799普朗特数4.961.773设备结构参数数形式浮头式壳程数1壳体内径/㎜㎜1400台数1管径/㎜Φ25×2..5管心距/㎜32管长/㎜7000管子排列△管数目/根1224折流板数/个个14传热面积/㎡㎡673折流板间距//㎜450管程数2材质碳钢主要计算结果果管程壳程流速/（m//s）1.3064.9表面传热系数数/[W//（㎡•k）]5887925.5污垢热阻/（㎡㎡•k/W）0.000660.00044阻力/MPPa0.0432250.119热流量/KWW10417传热温差/KK48.3传热系数/[[W/（㎡㎡•K）]400裕度/%