2020年制药工程课程设计

制药工程课程设计

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

［阊替叶A号

《化工原理》课程设计

管壳式换热器设计

学生姓名孙国良

学生学号1343114

学科专业制药工程

院部名称工学院

设计时间.05.15至.06.14

二零一六年六月

目录

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

弓I言......................................................5

一、传热原理及用途.......................................5

二、换热器的分类与特点...................................5

三、结构设计的重要性.....................................6

四、设计的普遍标准与要求................................7

设计任务.....................................................8

设计步骤与基本原则...........................................8

一、设计步骤..............................................8

二、列管式换热器种类选取.................................9

三、管程与壳程的选取....................................10

三、流体流速的选择......................................10

四、管程结构的选择.......................................11

五、管程和管壳数的确定..................................12

六、折流挡板............................................13

七、其它主要部件........................................13

设计方案的确定..............................................14

一、设计方案的确定......................................14

1.选择换热器类型....................................14

2.选定流体流动空间及流速............................14

流程草图及说明..............................................14

设计计算....................................................15

一、物性数据的确定......................................15

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

二、计算逆流的平均温度差................................16

三、初选总传热系数K.........................................................................16

标准化的管壳式换热器设计方案............................17

一、换热器初步选型...................................17

二、换热器核算.......................................17

22

非标准化管壳式换热器的设计方案

一、工艺结构尺寸.....................................22

二、换热器核算......................................24

其它零部件的设计............................................29

一、壁厚的确定..........................................29

二、封头的确定..........................................30

换热器装配图................................................31

设计评述....................................................31

一、设计总结............................................31

二、设计感想............................................32

参考资料....................................................32

致谢........................................................33

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

引言

一、传热原理及用途

换热器是一种在两种或两种以上不同温度的流体间实现物料之间

热量传递的设备，其功能是使热量由温度较高的流体传递给温度较低

的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需

要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。在换热器中要实现热

交换至少要有两种不同温度的流体，一种流体温度高，放热；另一种

流体温度低，吸热。根据具体的换热要求，换热器中有时也会有两种

以上流体参与换热，但其基本原理与两种流体是一致的。

自然界存在三种基本传热方式，即热传导、对流传热、及热辐射。

在管壳式换热器中，实现高、低温流体的热量交换至少包括三个基本

步骤，即对流传热一热传导一对流传热。若传热壁面两侧存在污垢

层，还应加上经过两壁面污垢层的热传导过程。

当前，换热器已成为化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用

的通用设备，占有十分重要的地位。其在化工生产中换热器可作为加

热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。

二、换热器的分类与特点

1.按用途划分

按照其用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸

器、深冷器、过热器等。加热器是把流体加热到必要的温度而使用的

热交换器，被加热的流体没有相变化；冷却器是用于把流体冷却到必

要的温度的热交换器；冷凝器是用于冷却凝结性气体，并使其凝结液

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

化的热交换器，若使气体全部冷凝，则称为全凝器，否则称为分凝

器；再沸器是用于再加热装置中冷凝了的液体使其蒸发的热交换器；

深冷器是用于把流体冷却到0℃以下的很低温度的热交换器；过热器

是将流体(一般是气体)加热到过热状态的热交换器。

2.按热量交换原理和方式划分

按照冷、热流体热量交换的原理和方式不同，换热器可分为3大

类：

(1)混合式换热器：冷、热流体直接接触和混合进行换热。这类

换热器结构简单，价格便宜，常做成塔状。

(2)蓄热式换热器：冷热流体交替经过格子豉或填料等蓄热体以

实现换热。这类换热器由于少量流体相互掺和，易造成流体间的“污

染”。

(3)间壁式换热器：冷热流体经过隔开它们的固体壁面进行换

热，这是工业上应用最为广泛的一类换热器。按照传热面的形状及结

构特点又可将其分为：

①管式换热器，如管壳式、套管式、螺旋管式、热管式等；

②板面式换热器，如板式、螺旋板式等；

③扩展表面式换热器，如板翅式、管翅式等。

三、结构设计的重要性

换热器是制药生产、化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用的

通用设备，在生产过程中起着重要作用，一个合适的换热器能够更好

的达到生产要求。在化工厂的建设中，换热器约占工程总投资的

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

11%;一般换热器约占炼油及化工设备总投资的40%。再者，在生产

工艺流程中使用着大量的换热器，提高其换热效率，能够减少能源的

消耗；用换热器来回收工业余热，也能够显著的提高流程整体的热效

率。随着工业的迅速发展，能源消耗量量不断增加，能源紧张已成为

一个全球性问题，为缓解生产和人民生活的方方面面。因此，换热器

的设计、制造、结构改进及传热机理研究，在节省投资、降低能耗等

方面发挥着日益重要的作用

四、设计的普遍标准与要求

1、设计的普遍标准

工程设计是一项政策性很强的工作，要求设计人员必须严格遵

循国家的有关方针政策和法律法规以及有关的行业规范，特别是

国家的工业经济法规、环境保护法规和安全法规。另外，由于设

计本身是一个多目标优化问题，对于同一个问题，常会有多种不

同的解决方案，设计者常常要在相互矛盾的选项中进行判断和选

择，作出科学合理的决策，为此一般应遵循如下一些普遍标准：

①技术的先进性和可靠性；②过程的经济性；③过程的安全性；

④清洁生产；⑤过程的可操作性和可控制性；⑥尽可能采用标准

系列。

2、设计的基本要求

①、查阅文献资料，了解换热设备的相关知识，熟悉换热器设计的

方法和步骤；

②、根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

设计及计算；

③、根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计；

④、以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结

果，绘制换热器装配图；

⑤、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明

书应当用简洁的文字和清晰的图表表示设计思想、计算过程和设计结

果。

设计任务

以某工段C9产品冷却器设计为例。该冷却器利用公用工程冷却

水使C9产品降温，达到工艺要求。其设计条件如表1所列。

表1冷却器设计条件

参数热流体冷流体

介质C9产品公用工程冷却水

进出温度/℃188/5030/40

压力/MPa0.690.45

物料质量流量/(kg-Z)8500——

设计步骤与基本原则

一、设计步骤

根据任务书给定的冷热流体的温度，选择设计列管式换热器中的

浮头式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

管程走什么，壳程走什么。在这里，由于冷却水易结垢，若流速太低

会加快污垢增长的速度，使换热器的热流量下降，总体考虑，冷却水

走管程，C9产品走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密

度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面

积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长，算出传热管

程，传热管总根数等等。随后校正传热温差以及壳程数。确定传热管

排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流

板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换

热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出

面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围

内就能完成任务。最后，根据设计好的换热器类型选择合适的相关零

部件即可。

二、列管式换热器种类选取

根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修

困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。U形管式特点：结构简单，

质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是

洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗

和检修，完全消除温差应力，应用普遍。根据设计任务，两流体温度

变化情况如下：热流体进口温度188℃,出口温度52℃；冷流体进口

温度30℃,出口温度40℃；温差较大。我们设计的换热器中流体有

冷却水易结垢，再根据能够完全消除热应力原则我们选用浮头式换热

器。

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

三、管程与壳程的选取

根据以下原则：

1).不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

2).腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，且管子

也便于清洗和检修。

3).压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

4).饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，

冷凝传热系数与流速关系不大

5).被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强

冷却效果。

6).需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程

流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

7).粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间

又因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改

变，在低Re(Re>l()O)下即可达到湍流，以提高对流传热系数，且冷却

水易结垢，污垢会影响传热效率，因此选择冷却水走管程，C9产品走

壳程。

三、流体流速的选择

当流体不发生相变时，增加流体在换热器中的流速，将加大对流

传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热

阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积，使换热器结

构紧凑，降低制造成本。可是流速过大也会带来一些不利的影响，如

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

压降增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。另外，在选择流

速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目

减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，而管

子太长不易清洗，一般管长都有一定的标准；单程变为多程又会使平

均温度差下降。因此需要选择适当的流速范围，已达到较好的传热效

果。同时也要考虑流体本身的特性，如易燃易爆液体或气体应控制其

流速不能过大等。

换热器常见流体及不同黏度液体的流速范围如下表：

表2-换热器中常见流体的流速范围

流体

流速

循环水新鲜水一般液体易结垢液体低黏度油高粘度油气体

管程流速

1.0~2.00.8~1.50.5~3>1.00.8~1.80.5~1.55-30

m/s

壳程流速0.5-

0.5~1.50.2~1.5>0.50.4~1.00.3~0.82-15

m/s1.5

表3-不同黏度液体的流速（以普通钢壁为例）

液体黏度小（KP/.S/加2）最大流速u（m/s）

>15000.6

1500~5000.75

500~1001.1

100~351.5

35~11.8

<12.4

四、管程结构的选择

选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流

速范围。常见的列管式换热管规格有619mmX2mm、<i>25X2.5mm

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

及。25X2mm。在选择管径规格时，一般选用外径为。19mm的管

子;在这里，冷却水易结垢，为了方便清洗，选择力25X2.5mm管

子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清

洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m,则合理的换热器管长

应为1.5、2、3或6mo另外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为

4~6（对直径小的换热器可大些）。

管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错

列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会

少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可

排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适

用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时

为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数（较直列

排列的）能够适当地提高。

管子在管板上排列的间距（指相邻两根管子的中心距），随管子与

管板的连接方法不同而异。一般，胀管法取t=（L3〜1.5）d,且相邻两

管外壁间距不应小于6mm,即t》（d+6）。焊接法取t=1.25d

换热管管心距一般按表4选取。

表4-换热管管心距

换热管外径/mm19253238

换热管管心距/mm25324048

分程隔板槽两侧相邻管的

38445260

管心距/mm

五、管程和管壳数的确定

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管

内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多

管程。可是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时

多程会使平均温度差下降；另外多程隔板使管板上可利用的面积减

少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有

1、2、4和6程等四种。采用多程时，一般应使每程的管子数大致相

等。

六、折流挡板

安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加

剧，以提高壳程对流传热系数。最常见的为圆缺形挡板，切去的弓形

高度约为外壳内径的10〜40%,一般取20〜25%,过高或过低都不

利于传热。两相邻挡板的距离（板间距）B为外壳内径D的（0.2〜1）倍。

系列标准中采用的B值为:固定管板式的有150、300和600mm三种，

板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就

难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡

板。

换热器壳体的内径应等于或稍大于（对浮头式换热器而言）管板的

直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管

程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。

七、其它主要部件

1.缓冲板与导流筒在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲

板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

还有使流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束两端放置导流筒，不

但起防冲板的作用，还可改进两端流体的分布，提高传热效率。

2.拉杆和定距管折流板用拉杆和定距管连接在一起。拉杆的数量取

决于壳体的直径，从4根到10根，直径10~12mm。定距管直径一般

与换热管相同。又是也可将折流板与拉杆焊在一起而不用定距管。

3.旁流挡板与假管当管束与壳体之间的间隙较大时，会形成旁流，

影响传热，其间应设置旁流挡板，或称密封条。当管束中间由于管程

分程隔板而引起较大的空隙时，可装一些假管，以减少旁流。假管是

一些不穿过管板的管子，她们的一端或两段都是封闭的，没有流体经

过，不起换热作用。

设计方案的确定

一、设计方案的确定

1.选择换热器类型

根据设计任务，两流体温度变化情况如下：热流体进口温度

188℃,出口温度52℃；冷流体进口温度30℃,出口温度40℃；因考

虑冷、热流体温度差较大，初步确定选用浮头式换热器。

2.选定流体流动空间及流速

由于循环冷却水易结垢，若流速太快会加速污垢增长速度，式换

热器的热流量下降，总体考虑，冷却水走管程，C9产品走壳程。同时

选用@25mmX2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速以=1.10m/s。

流程草图及说明

标准换热器流程草图如下:

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

C9产品出口

冷却水进口冷却水出口

C9产品进口

其中，循环冷却水走管程，其进口温度为30℃,出口温度为40℃；

C9产品走壳程，其进口温度为188℃,出口温度为50℃；从整体上分

析两流体处于逆流状态。

设计计算

一、物性数据的确定

1.定性温度

可取流体进口温度的平均值，则壳程流体的定性温度为：

T=188+50=119℃

2

管程流体的定性温度为

T=3°+4°=35℃

2

2.根据定性温度，由AspenExchangerDesignandRating中自带的

物性数据库可查得操作条件下管程即壳程的物性数据如表4所示。

表4管程与壳程的定性温度及相关物性数据

参数管程

定性温度(℃)11935

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

密度(kg/m3)931.7994.3

比定压热容Cp[kJ/(kg・℃)]1.374.174

热导率-[W/(m・℃)]0.2080.624

黏度u(mPa•s)0.850.742

3.换热器的热负荷

换热器的热负荷可根据热流体的流量及温度变化情况计算：

中=咻-cp)h(汇-5)=8500X1.37X(188-50)/3600ZW=446.39(ZW)

4.冷流体质量流量:

①446.39x3600

q〃,侬//?=38500(四/72)

Cp,h(，2—4.174x(40-30)

二、计算逆流的平均温度差

设C9产品冷却器壳程物料进出口温度分别为小心,管程冷却水进

出口温度分别为L，2则逆流的平均温度差为

A?2—A/|(7J—tp—(7^—)(188-40)-(50-30)

=63.95(C)

]加2iT、—t?188-40

In-In———In

A。T2Tl50-30

三、初选总传热系数K

根据物系、操作条件及传热手册，初步假设传热系数K=350

W/(m2-℃)o

5.估计总传热面积

总传热方程为①二鹿饵“，则

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

①446.39x10002、

Sc=-------=---------------=19.949（帆）

K-Atm350x63.95

考虑非标准换热器设计需要留有裕度，则

S=1.15xS=22.93(m2)

标准化的管壳式换热器设计方案

一、换热器初步选型

换热器形式的确定有两种，一种将换热器作为标准化的管壳式换

热器进行选型，另一种是自行设计非标准化的换热器。这里将换热器

做为标准化换热器经过选型完成设计任务。

根据壳程及管程流体温度的变化和传热面积，并考虑一定的裕

度，在浮头式换热器系列中选择型号为BES500-0.6-28.3-3/25-1I的内

导流浮头式换热器，根据JB/T4714-92,该换热器的基本参数如下：

外壳直径500mm管/壳程设计压力0.6MPa公称传热面积28.3m2

管子尺寸①25mmX2.5mm管子数206管长3m

管心距32mm管程数2管子排列方式正三角形

管程流通面积0.0215m2

采用双弓折流板，圆缺高度为壳径的25%,折流板间距0.3m。

二、换热器核算

1.传热能力的核算

（1）.壳程流体传热系数

%=0.362Re产pri/3（_X^）o.（4

de"w

根据克恩公式有

其中当量直径由于正三角形排列，则

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

2

:4(当产一詈6^)4(坐X0.0322_3J4X0025)

=0.02(m)

e71do3.14x0.025

壳程流通面积，由于D=500mm,B=().33D=165mm,则

4=5X。X(1—9)=0.165X0.5X(1—§§§)=0.018(利2)

壳程流速

Vh_8500/3600

4--931.7x0.018=0.141(/71/5)

雷诺数

deuopo_0.02x0.141x931.7

於()x1000=3091.05

No0.85

普朗特数

Pr=21.37x0.85「“

--------------=5.60

A)0.208

黏度校正

4=]

4w

因此，

4=0.36&Re产Pr1/3(^)014

de"w

=0.363091.05°55X5.6OI/3xlo,4w/(m2•℃)

0.02

=552.45W/(m2•℃)

(2).管程流体传热系数

a：=0.023^-Re08Pr04

A

根据迪特斯-贝尔特公式有

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

其中，管程流通面积

A=0.0215m2

管程流速

38500/3600

匕=0.500(m/5)

994.3x0.0215

雷诺数

_0.02x0.500x994.3

Re=型®x1000=13400.27

A0.742

普朗特数

CpM4.174x0.742.

Pr=-----=--------------------=4.9Q6A

为0.624

因此

1=0.023&Re。》Pr°-4

山

=0.023xx134OO.2708x4.960-4W/(m2•℃)

0.02

=2727.5W/(/M2-℃)

(3).污垢热阻和管壁热阻

查阅《化工工艺物性手册》得:

管内侧污垢热阻0.000344m2•℃/W

管外侧污垢热阻0.000200m2•℃/W

管壁导热系数50m2­℃AV

(4).总传热系数

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

1

K=

do+&，膏+给+号。+之

1

0.025X0.025|0.0025x()025

2727.5x0.020+0.0003440.020丁50x0.0225+0.000200+552.45

=338.53W/(m2-℃)

(5).传热面积裕度

换热所需传热面积

S=44639x1。。。=20.62(一)

K-\tm338.53x63.95

实际传热面S。=28.3加2积则

裕度

F=员二。xlOO%=283-20.62xl0()%=3724%

S20.62

因此该换热器能完成任务

2.壁温核算

由于管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温降低，降低了壳体与

传热管壁之间的温度差，但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热

管壁温度差会较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取

两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。

因此，传热管平均壁温

T/a+t/a105.2/2727.5+34/552.45℃.

t—m-------c------m------h---—---------------------------------------—

X/ac+l/ah~1/2727.5+1/552.45,'

壳体因有良好的保温层，可近似取壳程流体的平均温度，即

t=10血籍。咽此,45.99)℃=59.21℃250c温差较大，且任务要求

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

中壳程流体压力较高，因此，选用浮头式换热器是可行的

3.换热器的阻力损失

(1).管程阻力损失

工”，=(△*+Ap2}FtNpNs

其中，对625mmX2.5mm的管予爷=1.4,且Np=2,Ns=1

由Re=13740.61,传热管相对粗眄.004,查莫迪摩擦系数图得

4=0.033W/(/T72-℃)

管程流遨,=0.500僧管程流体密度8=994.3版/加则

Ap.=2,•—•包工=0.033xx0,5002x994.3尸a=615.2Pa

1'd20.022

22

△4=J.包父=3x0-500-x994.3=372.9Az

222

则，ZA0=("]+\p2}FtNpNs=(615.2+372.9)x1.4x1x2Pa=2767Pa<5kPa

因此，管程流体阻力损失在允许范围之内。

(2).壳程阻力损失

£即\=Sp；+Ap2)FsNs

流体流经管束的阻力

2

△p；=曰0&(%+1)

其中，p-Q5,PQ=931.7左g/nr,,u0=0.141m/s

-0228

/0=5x(3091.O5)=0.800

%=1.=l.lxV206«16

_传热管长_3000

B二折流板间距—而一=

29

贝lj,△〃；=Ffonc(NB+1)号^=0.5x0.8xl6x(17+l)x网.7;0.⑷一=10669Pa

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

流体流过挡板缺口的阻力

•_28、Z?UM—「2x0.165、931.7x0.1412……

年2=/Ar(3.5--)•堂0=17x(3.5--)x-----------------=447.1Pa

Q52

因此壳程总阻力

ZAp0=(Ap']+Ap2)FSNS=(1066.9+447.1)x1x1=1514P«

因此，壳程流体阻力损失也在允许范围之内

初选的标准化换热器能满足工艺要求。

非标准化管壳式换热器的设计方案

一、工艺结构尺寸

(1).管径和管内流速

已选定，管径为@25mmX2.5mm,管内流速为四=L10m/s。

(2).管程数和传热管数

根据传热管内径和流速确定单程传热管数A

V38500/(994.3x3600)…曰、

&=--------；—=---------------------------=31.14a32(不艮)

0.785<2M,.0.785X0.022X1.1

按单程管计算所需换热管的长度L

,S22.93

=9.13(m)

ns7rd032x3.14x0.025

按单程管设计，传热管过长，根据本任务的实际情况，取传热管

长L=4.5m,则该换热器的管程数为

TQ13

M节=言。2(管程)

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

传热管总根数=32x2=64(根)

(3).平均传热温差校正及壳程数首先计算P和R的参数:

40-30T-T188-50

0.063R=2}=13.8

188-30‘2—440—30

按公式获取。A并求取单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2

折流的公式计算温差校正系数和传热平均温差。

卬Z=返三I-m上2/in2-尸…-=0.929

R—'\一PR2——(1十二十J—2十1)

Atm=(z?AtAtm=0.929x63.95=59.41(℃)

由于温度校正系数大于0.8,同时壳程流量亦较大，故取单壳程较合

适。

(4).传热管排列和分程方法

采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排

列。取管心距f=L25d0,则

t=1.25x25=32(mm)

隔板中心到其最近一排管中心的距离C：按净空不小于6mm的原

则确定，亦可按下式来求取：。=t/2+6=32/2+6=22Gn加)

分程隔板两侧相邻排管之间的管心距

ta=2c=2x22=44(mm)

管中心距t与分隔板槽两侧相邻管排中心距ta的计算结果与表4给

出的数据完全一致，证明可用。

(5).壳体内径

采用两管程结构，取管板利用率n=0.7,则壳体内径

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

D=1.05tjN/77=1.05x32V64/0.7=322（mm）

圆整取D=400mm。

（6）.折流板

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h=0.25x400=100（即），取h=100mm。

取折流板间距为B=0.33D=0.33X400=132mm,则折流板数

_传热管长45001—33（块）

心一折流板间反巨块）

折流板圆缺水平面安装。

（7）.其它附件

拉杆直径为012mm,其数量不少于4根。壳程入口应设置防冲挡

板。

（8）.接管

①壳程流体（C9产品）进出口接管取接管内流体流速为4m/s,

则接管内径

“=传==0.027m

取标准管径为6

②管程流体（循环水）进出口接管取接管内循环水的流速

2.5m/s,则接管内径

d=信=J4x3850；：匿994五=。皿加

取标准管径为6

二、换热器核算

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

(1).传热能力核算

①壳程对流给热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式

劭=0.36&Re浮Pry*)。」，

de"w

当量直径由正三角形排列得

d_4(Y产-£屏)_4(4X0.0322-竽X0.0252)

=0.02(m)

e~有-3.14X0.025

由于D=40()mm,B=132mm,壳程流通截面积

4=6X。X(1—牛)=0.132X0.4X(1—牒)=0.012(m2)

壳程流体流速、雷诺数及普朗特常数分别为

Vh_8500/3600

u=0.211(m/5)

oA)-931.7x0.012

R%二誓=空喂产x-625.61

1.37x0.85_/八

---------------=5.6()

4)0.208

0208

a=0.36x—x4625.61055x5.60l/3xl=689.56W/(7n2•℃)

00.020

②管程给热系数

根据迪特斯-贝尔特公式有

%=0.0234Re"Pr0-4

A

管程流通面积

3.14x0.02()2

Tcd^NT64

X--=-----0.010,%2

A=4242

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为

Uj=1.10m/5

Re=i！hPk=0.020xLl0*9943xl0(X)=29481>10000

出0.742

DCp、M4.174x0.742

Pr=-.......=------------------=4.96

’40.624

故，管程给热系

a,=0.023^Re08Pr04-0.023xx2948108x4.9604=5126.6W/(小•℃)

40.020

③污垢热阻与管壁热阻

查阅《化工工艺物性手册》得：

管内侧污垢热阻0.000344m2•℃/W

管外侧污垢热阻0.000200m2•℃/W

管壁导热系数碳钢的热导率：45m2­rAV

④总传热系数

工=4+入心+旦+&.0+工

Kocididj24〃a。

0.0250.0025x0.0251

+0-000344x^++0.0002+

5126.6x0.02045x0.0225689.56

金制艇8娘2/w

因此

⑤传热面积

理论传热面积

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

446.39x1()3

=17.9m2

KZ“、419x59.41

该换热器的实际换热面积

2

Sp=TKIOLNT=3.14X0.025x(4.5-0.1)x64=22.1m

面积裕度为

F=岂二^=22-I7.9=23.4%

S17.9

换热面积裕度合适，能够满足设计要求。

（2）核算壁温

因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算:

t——?（士+凡）+%*（聂+>/?）

士+&+击+&

Tm=0.47；+0.67；=0.4x188+0.6x50=105.2℃

t„,=0.由2+06]=0.4x40+0.6x30=34c

取两侧污垢与热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温：

t_7；”/4.+〃/%_105.2/5126.6+34/689.56_42隹

—\/ac+l/atl―1/5126.6+1/689.56一,

壳体平均壁温，近似取壳程流体的平均温度，即105.2C

壳体平均温度与传热管平均壁温之差：105.2-42.4=62.8℃

该温差较大，故需设置温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较

高，因此，选用浮头式换热器是可行的。

（3）换热器内流体的流动阻力

①管程流动阻力

汇=（八〃1+Ap2）FtNpNs

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

取换热管粗糙度为0.01mm,则£/d=0.005,而

Re：=29481,查图得a=0.024,流速的=1.10m/s,密度夕=994.3kg//??

因此，

、,Lp：ureg”4.5994.3xl.l2〃八

An.=4—=0.024x-------x---------------=3248.4Pa

1

'di20.022

瓯2=4告^=3x994.；Il=1804.7Ptz

对025mmx2.5加利的管子有用=1.4,且=2,Ns=1

ZAp,=(A〃i+A〃2)£NpNs=(3248.4+1804.7)xL4x2x1=14148.7R/

②壳程流动阻力

ZApo=(A〃；+Ap2)«Ns

流体流经管束的阻力

2

△P\=Efo〃c(NB

式中：F为管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5,

正方形直列F=0.3,正方形错列F=0.4

%为横过管束中心线的管数久=L1JNT=1.1XV64®9

折流板间流板=0.132mm,折流板数NB=34,40=0.211m/s

1^7八。［"12

△pi=0.5x0.7299x9x(34+l)x；：——=2384.3Pa

流体流经体流经折流板阻力

2xQA32

Ap2=NB(3.5)^-=34x(3.5-)x知人⑼产=20027Pa

2BD20.42

ZAp0=(2384.3+2002.7)xl,15xl=5045.1Pa

/o为壳程流体的摩擦系数，当He。＞500时，为=5.0Re/28=0.7299

流体流经管壳式换热器是由于流动阻力而产生一定的压力降，因此

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

换热器的设计必须满足工艺要求的压力将。一般合理的压力降的范围

见表5

表5合理压力降的选取

操作情况减压操作低压操作中压操作较高压操作

操作压力/Pa55

p=0-lxl05p=lxlO-1.7xlOp=llxl05-31xl05p=31xl05-81xl05

(绝)

P=L7X105-11X105

0.5p

合理压力降/PaO.lp0.35xlO5-1.8xlO50.7X105-2.5X105

0.35xlO5

参考上表可看出该换热器的压降在合理的范围之内，故设计的换热器

合适。

其它零部件的设计

一、壁厚的确定

壳体、管程壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式

换热器的壳体一般是由管材或板材卷制而成的。当直径小于400mm

时，一般采用管材和管箱壳体。当直径不小于400mm时，采用板材

卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配，

以便于法兰和封头的选型。一般情况下，当直径小于1000mm时-，其

直径相差100mm为一个系列：当直径大于1000mm时，直径相差

200mm为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔时间可取

100mmo常见碳素钢或低合金钢圈圆筒的最小壁厚见表6o

表6碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度

公称直径(mm)400-700800-10001000-15001600-2100-2600

浮头式(mm)810121416

U型管式(mm)