化工原理设计作业列管式换热器的设计

1、列管式换热器的设计列管式换热器的设计基础数据拟用150kpa的饱和水蒸气将常压下20的甲苯加热到75，甲苯的质量流量为35吨小时，试设计一列管式换热器。要求换热器管程压降小于70kpa物性数据 加热介质150 kpa绝压的饱和水蒸气，冷凝液在饱和温度下排出。 换热器类型选择两流体的温度变化情况如下：（1） 甲苯：入口温度=20，出口温度=75。（2） 饱和水蒸汽：入口温度=出口温度=111.3 。 因此，甲苯的平均温度为饱和水蒸汽的平均温度为 因此，此次设计采用浮头式列管换热器。其主要优点是管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀

2、量的不同而产生温差应力。热负荷即传热速率q（单位时间内传递的热量）635.78472kw式中： 热负荷； 甲苯的质量流量； 甲苯的比热容； ， 甲苯的入口与出口温度。平均温度差因为壳程中水蒸汽的温度不变，采用并流和逆流的平均温度差是相同的。采用逆流方式，甲苯 水蒸汽 因此，平均温度差为 初选k值，并估算传热面积a初 根据条件k值的选择范围在5801160 w/m2 故k初650 w/m2 16.40 m2 选用安全系数1.151.25a初a1.15160418.86 m2 换热器尺寸的初步确定1、确定管程结构尺寸（1）管子规格选传热管，l=3m,内径为，外径为。材料为碳钢。液体种类 流速管程壳

3、程低粘度液体0.5-30.2-1.5易结垢液体10.5气体5-302-15取管内苯的流速为u2=0.88m/s初步设计总管数80.04 圆整为80根 n”=127根三角排列管数，3a2+3a+1，此处a6；校核流速、确定管程 m/s 管程 ，取2管管间距及排列方式管间距t（1.251.3）d0，取t1.3d01.30.0250.0325m采用紧凑的三角型排列， 层数a6，弓形不排管，共127根管子（nt127）最外层六角形对角线上管数 ntb2a+113根 采用胀管法排列（因流体压力不变，胀管法制造方便） 壳程设计数据壳体内径 t 管间距 ntb 最外层六角形对角线上管数 六角形最外层管中心到

4、壳体内壁距离，一般取b（11.5）d0 故 0.0325x12+2x0.0375=0.465mm 此处取 1.5d01.50.0250.0375m 壳体内径标准圆整到50010mm，内径d480mm 中心拉杆n38根 直径12mm , 双管程隔板少排ntb13根，固定杆n=4,其它可能管若干根。 实际管数选84根，每程42根排列管127布管图实际流速 0.877m/s与初假设苯的流速u2=0.88m/s相近，可行。换热器长径比 符合要求（）校核计算1、校核总传热系数k值（1）管内对流传热系数23430.97673.931098.21 w/m2 （2）管外对流传热系数1式中：n为水平管束垂直列上

5、的管数，n6；假设管外壁温tw108.3，则3 （3）污垢热阻及管壁热阻常用流体的污垢热阻流体污垢热阻m2k/kw水(速度1m/s，t47)蒸馏水0.09海水0.09清净的河水0.21未处理的凉水塔用水0.58已处理的凉水塔用水0.26已处理的锅炉用水0.26硬水、井水0.58水蒸汽优质不含油0.052劣质不含油0.09往复机排出0.176液体处理过的盐水0.264有机物0.176燃料油1.056焦油1.76气体空气0.260.53溶剂蒸汽0.14因此甲苯侧污垢热阻rs21.7610-4 m2/ w 水蒸汽侧污垢热阻，因为属于蒸汽冷凝方式，污垢 热阻相对比较小碳钢钢管的导热系数45 w/m2（

6、4）校核k值以外表面计算： 0.0014974m2/ w k=667.821w/m2 2.665%5%，可行。2、校核壁温tw 105.80.23%与与原假设值tw108.3接近，可行。3、校核传热面积a由于水蒸汽侧的冷凝温度ts不变，因此本一壳程双管程换热器内的两流体平均温度差与逆流传热的平均温度差相等。tm59.63实际所需面积15.97m2实际提供面积19.782m2余度 19.26%20% 符合要求（六）、进出口管径1、 苯进出口取进口流速u01m/s进口直径 =0.122m选用无缝热轧钢管（gb 8163-87）1334.5mm，长200mm。2、水蒸汽进口管径（壳体） 蒸汽用量 0

7、.294 kg/s蒸汽体积流量v0.262m3/s取蒸汽流速u15 m/s0.1492m149.2mm选用无缝热轧钢管（gb8163-87）1594.5mm，长200mm。3、冷凝水排出口选用水煤气管 即42.253.25mm，长100mm。1、管程总压力降每程直管压力降 每程局部阻力引起的压降 d 管内径; l 管长 管程结垢校正系数，正三角形为1.5，正方形为1.4 壳程数，1； 一壳程的管程数，2； 部分钢管的绝对粗糙度数据 选取碳钢的绝对粗糙度为，则其相对粗糙度可以求得， 。 36105.0 查（摩擦系数与雷诺数.相对粗糙度间的关系）图查图（化工原理上册p43图128）可知0.036

8、8150.148n/m2 8150.148pa3.0104pa1、 壳程压力降壳程是饱和水蒸汽冷凝，不必校核其压力降。壳程压强降壳程中是水蒸汽，压强降可按流体沿直管流动的的压强降计算，但是要用当量直径代替内径。计算方法可以采用克恩法等。根据相关知识可知，水蒸汽的压强降是比较小的，可以忽略不计。所以，流体流经换热器因流动阻力所引起的压强降为 符合压强降条件，换热器选择能够满足需求。附 录150kpa绝压的饱和水蒸气物性数据压力绝压 kpa 饱和温度c比汽化焓 kj/kg蒸汽密度kg/m150111.3494 22290.8626同温下饱和水的性质密度 kg/m导热系数比汽化rkj/kg粘度（ ）

9、949.91540.6820 22290.0002514苯进口温度 t120 ， 出口温度=75 定性温度 甲苯定性温度下的物性数据物理量密度（）黏度（ ）比热容（）导热系数（）数据841.00.000431.1890.130化工原理（2010） 换热器的主要结构尺寸和工艺设计换热器型式： 浮头式列管换热器换热器面积（）： 23.079（公称面积），18.79（估算面积）工 艺 参 数项 目管程壳程物料名称甲苯水蒸汽操作压力无200 kpa(绝压)操作温度（入口/出口）20/75111.3/111.3流量35000流体密度8410.8626流速未计算传热量总传热系数对流传热系数污垢系数1.7610-4压强降忽略不计程 数21使用材料碳 钢管子