化工原理换热器设计

化工原理换热器设计

丁

二

烯

蒸

汽

冷

凝

器

的

设

计

年级：2014级

姓名

学号:2014094068

班级：化学工程与工艺班

刖百

一、换热器的种类

固定管板式换热器

管板式换热器浮头式换热器

填料涵式换热器

换热器套管式换热器

蛇形式换热器

二、换热器的特点

1.管壳式换热器

管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简

单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为

广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：

固定管板式换热器

固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，价

格低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50C且壳方流体较清洁及不

易结垢的物料。

带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，

这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600Kpa的情

况。

浮头式换热器

浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头

可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清

洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的奥热，应用极为普遍，但结构

复杂，造价高。

填料涵式换热器

填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简

单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流

体。

2.蛇管式换热器

蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设咨，

通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。

3.套管式换热器

套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用u

型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，

传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外经，可使流体的流速增大，两

种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间

的换热。

三、换热器的发展趋势

70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。为了节能

降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能

换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，

可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术

的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研

完成为人们关注的课题。最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器

也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时:对其

一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的

发展以CFD(ComputationalFluidDynamics)＞模型化技术、强化传热技术

及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。近年来，随着制造技术的进

步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根

据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热相，并已

在化工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得

了较大的经济效益。

设计任务

（一）设计题目：丁二烯蒸汽冷凝器的设计

（二）设计任务及操作条件

1：处理能力7510kg/h饱和丁二烯蒸汽，

2：设备形式立式列管冷凝器

3：操作条件

（1）饱和丁二烯蒸汽：（温度40℃,冷凝潜热为373kJ/kg）,冷凝液于饱和温度

离开冷凝器

（2）冷却介质：水入口温度15℃,出口温度35℃,流量：自己计算

（3）允许压强降：不大于150kpa

（4）饱和丁二烯定性温度下的物性数据：自查

（5）每年按330天计，每天24h连续运行

（三）.设计内容：

1、设计方案的选择及流程说明

2、工艺计算，及校核

3、主要设备工艺尺寸设计

（1）立式列管冷凝器结构尺寸的确定

（2）传热面积、两侧流体压降校核

（3）接管尺寸的确定

4、设计结果汇总

5、换热器装备图及工艺流程图（手工绘图要求2号或3

号；若计算机绘图要求3号或4号）

6、设计评述

设计与选型的具体步骤

一.估算传热面积，初选换热器型号

L查取冷热流体在该定性温度下的物性。

2.根据换热任务，计算传热量。

3.确定流体在换热器中的流动途径。

4.计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0・8

的原则，确定壳程数。

5.根据两流体的温度差和设计要求，确定换热器的型号

6.根据换热流体的性质及设计经验，选取总传热系数值K

选

7.根据总传热系数方程，初步计算传热面积S,并确定换热

器的基本尺寸或按系列标准选设备规格。

二.计算管壳程压力降

L壳程压力降.

2.管程压力降。

三.核算总传热系数

1.壳程对流传热系数

2.管程对流传热系数

3.污垢热阻

4.总传热系数K

5.K值与K选比较，若K/K选=1.15〜1025,则初选换热器

合适，否则另选K选，重新计算，步骤同上。

1、估算传热面积，初选换热器型号

L1基本物性数据的查取：

因为是用水冷凝1,3-丁二烯，所以其温度不变，其定性温度为40。

此温度下的丁二烯的物性参数：

P0=595kg/m3Cp0=2.0kJ/(kg•℃)

Xp0=0.248W/(m•℃)u0=0.000275Pa・s

冷却水的定性温度：T=15+302=25(℃)

此温度下的水的物性参数：

pi=996.8kg/m3止0.0008937Pa-s

CpM.179kJ/(Kg℃)入pi=0.6075V(m-℃)

2、计算冷凝量、热负荷、水耗量、普兰特准数、平

均传热温差

冷凝量Wl=75103600=2.09kg/s

热负荷Q=Wlr=7510x373=2801230kJh=778.1kJ/s

水耗量Wi=QCpit2-tl=28012304.17(35-15)=33587.9kgh=9.33kg/s

普兰特准数Pr=CpiuiXpi=4.16X1000X0.00080.616=5.4

平均传热温差

Atl=40-15=25(℃)At2=40-35=5(℃)

由AtlAt2=255>2

Atm=At2-AtllnAt2Atl=5-251n525=12.43(℃)

T\-Ti40-40八

R=，2-ti35-15

1LL=3L15=08

p-T\-ti40-15

由R、P值，查图5-11(a)①A=1.0,因为①4>0.8,选用单壳程可行。

3、确定管径和初选管速

从腐蚀性、传热面积和价格三方面综合考虑后，选用025X2.5mm无缝钢

管，此管的内径di=0.02m。

综合考虑管内Re,管程压降Ap及单程管数三方面的因素，水的流速选为0.6

mso

4、估算总传热系数K

有机物蒸汽-水系统冷凝操作的传热系数K值范围为500-1500W/(m2•℃)

Re=diPiuiui=0.02X996X0.60.0008937=13374

ai=0.023Xidi(diuiPiMi)0.8(Cpiui入i)0.4

=0.023X0.60750.020(13374)0.8(4.179X103X0.00089370.6075)0.4

=2892.1W/(m2・℃)

壳程传热系数：

假设壳程的传热系数a0=2500W/(m2­℃)

污垢热阻

Rsi=0.00058m2・K/W

Rs0=0.000176m2・K/W

管壁的导热系数X=45W/(m•℃)

K=ldoaidi+Rsidodi+bdo入dm+Rso+1a0

=10.0252892.1X0.020+0.00058X0.0250.020+0.0025X0.02545X0.020+0.00

0176+12500

=554.8W/(m2・℃)

5、计算传热面积

传热面积

S'=QKAtm=778.1X103554.8X12.43=112.83(m2)

6、确定换热器工艺结构尺寸

6.1单程管数为：

n=Wu-Ji4•di2•P=4X9.330.6X3.14X0.022X996.8=49,7^50(ffi)

6.2单程管长为；

l'=S'n'Jido=9.350X3.14X0.025=2.4(m)

6.3选定换热器管长1=2111,则管程数Np为

Np=2.42=1.2

取Np=2程，则总管数为：

n=2n'=2X50=100(根)

6.4初选换热器

根据S'=112.83m2,n=100根，Np=2,选用G700-2-16T58.4列管换热器,

其实际传热面积为158.4m2,有关参数如下：

公称直径DN700mm公称压力PN1.6X106Pa

传热面积s158.4m2管程数Np2

管数门342管区】21n

管子规格025X2.5mm管心距t32mm

管子排列方式正三角形

6.5管程压降的计算

Rei=diPiuiPi

其中，ui为选定换热器的实际操作流速，由下式计算

ui=Vin，'・Ji4•di2

式中Vi=Wp=9.33996.8=0.0093(m3/s)

n''=3422=171(根)

所以ui=0.0093171Xn4X0.022=0.17(m/s)

故Rei=0.02X0.17X996.80.0008937=3792.2

由于Rei=3792.2,根据传热管相对粗糙度0.0075,查莫狄图得Xi=0.039W/

(m・°C),又取管程结垢校正系数Ft=1.5,故得管程压降为

Api=入pildi+3Ft•Np•Piui22

=0.039X60.02+3X1,5X2X996.8X0.1722

=635.2N/m2<9,8X103(Pa)

因此，压降满足要求.

6.6计算管内给热系数ai

因为Re=3792,ffifMldi=60.02=300>50

故

ai=0.023入idi(diuiPiUi)0.8(CpiUi入i)0.4

=0.0230.60750.0237920.8(6.15)0.4=1054.1W/(m2・℃)

6.7计算冷凝给热系数ao

般情况下，水平管的冷凝给热系数大丁垂直管的冷凝给热系数，所以列管换

热器选用水平安装方式。对于n根水平管束，可用下式计算冷凝给热系数

a0=2.02£X3P21nPW=2.02X0.6X0.24835952X6X3420.000275X75103

600=3280[W/m2・℃]

6.8计算K值

K=ldoaidi+Rsidodi+bdoqdm+Rso+1ao

=10.0251054.10X0.02+0.00058X0.0250.020+0.0025X0.02545X0.0225+0.0

001764-13280

=408.2[W/(m2・℃)]

6.9计算传热面积及安全系数

S=QKAtm=778.1X103408.2X12.43=153.4(m2)

实际换热器的传热面积为158.4m2,故安全系数为

158.4153.4=1.03

有合适的传热面积裕度，该换热器能够完成生产任务。

6.10计算管束与壳体温差

根据对流传热速率可得

Q=aiS(tw'-tw)

故

tw=QaiS+tm=7781001054.1X158.4+28.5=33.1℃

而管束的平均温度为

tmg=tw+tw'2=40+33.12=36.6(℃)

则壳体与管束的温差为

△t=T-tmg=40-36.6=3,45<6.47

以上各项计算结果表明，所选型号的换热器合用。

6.11.计算接管

壳程流体进出接管：

已知饱和丁二烯蒸汽的密度P=2.453kg/m3,取丁二烯流速为25m/s

,则丁二烯入口接管内径为：

d=4Vnu=4X75103600X2.4533.14X25=0.208(m)

取标准管径为207mm,取标准管0219X6mm

取接管内丁二烯流速为u=1.0m/s,则接管内径为

d=4Vnu=4X75103600X5953.14X1.0=0.067(m)

取标准管径为70mm,取标准管076X3mm

管程流体进出接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为

d=4X28012303600X9963.14X1.5=0.81

取标准管径为150mm,取标准管;0159X4.5mm

6.12计算折流板

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=0.3X700=210mm

取折流板间距B=0.3D,则

B=0.3X700=240mm,可取B为300mm。

折流板数N=传热管长折流板间距-1=6000300=19块

折流板圆缺面水平装配。

7、换热器的主要结构尺寸和计算结果

表1冷热流体物性数据表

物料操作压操作温污垢系数导热系数比热流体密粘度

名称度度

MPa℃m2・K/WW/(m・K)kj/kgKg/m3mPa/s

冷却0.115/350.000580.60754.179996.80.0008937

水

丁二0.1400.0001760.2482.05950.000275

烯

表2管程、壳程计算数据表

名流量流速传热总传热系对流传热系阻力降程数使用材料

称量数数

kg/hm/sKWW/m2・KW/m2・KMPa

管33587.90.171054.1635.22无缝钢管

程778.1408.2

壳751032801无缝钢管

程

表3工艺设备尺寸表

换热换热管子规格管数管长管问排列折间切口壳体内

器型