1、 1 1概述 化工生产中所用的换热器类型很多。按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异。 列管式 换热器是目前应用最广泛的一种换热器设备，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其它新型换热器，但由于它有结构牢固、适应性大、 材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中占有绝对优势。 2设计方案的确定 2.1 列管式换热器型式的选择 本次设计任务是用 25 的 自来水将甲苯从 105冷却到 60，两种换热流体的温差较大，故可选用浮头式换热器。浮头式换热器
2、管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热流体的温差较大时，不会因为管束与壳体的膨胀量不同而产生温差应力。 2.2 流程的选择 可选水走管程，甲苯走壳程。原因：冷却水硬度较高 ，受热后容易结垢，在管内便于清洗，管内流体易于维持较高流速，可以避免悬浮颗粒的沉积。被冷却物料走壳程 ，便于散热。 2.3 流速的选择 2 表 1 列管式换热器内 常用的流速范围 流体 种类 流速 /（ m/s） 流体种类 流速 /（ m/s） 管程 壳程 管程 壳程 一般流体 0.53 0.21.5 气体 530 315 易垢流体 1 0.5 表 2 不同黏度流体的流速（以普通钢管为例） 流体黏度
3、 / 103 N s/m2 最大流速（ m/s） 流体黏度 /103 N s/m2 最大流速 （ m/s） 1500 0.6 10035 1.5 1500500 0.75 351 1.8 500100 1.1 1 2.4 由题意选管程流速为 0.7m/s。 2.4 确定物性数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值 壳程甲苯的定性温度 T= 260105 =82.5 管程水的定性温度 t = 23525 =30 根据定性温度，分别查表可得有关物性数据 ： 甲苯（ 82.5） 水（ 30） 比热容 cJ/(kg ) 1910 4174 物 质 物 性 3 密度 (kg/m3 ) 808 995.
4、7 黏度 (pas) 0.0003 0.000801 导热系数 w/（ m ） 0.121 0.617 3. 工艺计算 3.1 根据传热基本方程式 Q=KA tm 来估算传热面积 3.11 传热量 Q= 05.1tcW phh = 05.1)60105(19.140000 3.61 106 kJ/h 1.0 106 w 3.12 平均传热温差 甲苯 105 60 水 35 25 温差 70 35 tm =2121ttIntt =35703570In=50.5 3.13 冷却水的用量 Wc =)( 12 ttc Qpc = ）（ 2535174.4 3610000 =86488(kg/h) 3.
5、14 估算传热面积 取 K 值为 420w/(m ) A=mtKQ = 5.50420 100.1 6 =47.1m2 4 4. 换热器的工艺结构尺寸计算 4.1 管程与管数 选取 FB 25 2.5 n=iiudV24=47.002.07.9953600864882 =109.8 取 110（根） 4.2 管长的确定 传热管长度 L=dnA= 025.014.3110 1.47 =5.45m 取管长 l =3m Np = 2345.5 lL (管程 ) 传热管总根数 N=110 2=220(根 ) 4.3 平均传热温差校正 R= 5.42535 6010512 21 tt TTP= 1 2
6、5.0251 0 5 253511 12 tT tt查表可得 t=0.96 4.4 采用三角形排列，取管心距 a=1.25do 则： a=1.25 25=31.25 32mm 横过管中心线管数 b=1.1 N =1.1 220 =16.3 取 17 4.5 壳体内径 采用多管程结构，壳体内径 应等于或 稍大于关闭的直径 ： ebaD 2)1( 式中 D 壳体内径 ,mm； 5 a 管心距， mm； b 最外层的六角形对角线上的管数； e 六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取 e=(11.5)d，取 32mm。 mmebaD 576322)117(322)1( 圆整可取 D=600mm 56
7、003000 DL （ 410） 4.6 折流板 采用 方形折流板，取方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=0.25 600=150mm 取折流板间距 B=0.3D=0.3 600 180mm 取 200mm 折流板数 NB =传热管长 /折流板间距 1 )(1412003000 块 查表得拉杆直径为 12mm，拉杆数为 4。 5. 换热器的校核计算 5.1 壳程对流给热系数 o 当量直径，由正三角形得： de = 0 2 5.014.3 )0 2 5.0414.30 3 2.02 3(4)42 3(4 220202dda =0.02m 壳程流通面积： oS =BD(
8、1 ad0 )=0.2 0.6 （ 1 032.0025.0 ） =0.0263m2 6 壳体流速及其雷诺数： u0 = msw h 52.00 2 6 3.0 8 0 83 6 0 04 0 0 0 00 /s Re0 = 7.2 8 0 2 00 0 0 3.0 8 0 852.002.0 du普兰特准数： Pr= 74.41 2 1.0 0 0 0 3.01 9 1 0 pc )/(5.1 0 1 6)74.4()7.2 8 0 1 0(02.0 1 2 1.036.0)(PrRe36.023155.014.03155.000mwd we 5.2 管程对流给热系数 i Si = 222
9、0 3 4 5.01 1 0)02.0(414.34 mndi ui = smSw ic /70.0345.0 7.995360086488 Rei = 0.1 7 4 0 30 0 0 8 0 1.0 7.99570.002.0 duPr= 42.5121.0 0003.01910 pc 1.3 4 4 4)42.5()0.1 7 4 0 3(02.0 617.0023.0PrRe023.0 4.08.04.08.0 iiii d 5.3 传热系数 K0 5.4 9 75.1 0 1 610 0 0 1 7 2.00 2 2 5.0450 2 5.00 0 2 5.002.00 2 5.00
10、 0 0 3 4 4.002.01.3 4 4 40 2 5.0111000000RsdbdddRsddKmiiii7 18.1420 5.4970 KK （ 1.151.25） 5.4 传热面积 Sp 换热器面积： S= 260 4.4196.05.508.497100.1 mtK Qm 该换热器的实际面积 Sp = 20 8.512 2 030 2 5.014.3 mlNd 25.14.41 8.51 SS p (1.11.3) 5.5 换热器压降的计算 5.51 管程压降 psti NNFppp )( 21 式中 21,pp 分别为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降； tF 结垢校正因数
11、，量纲为 1，对 mmmm 5.225 的管子，取 1.4； pN 管程数； sN 串联的壳程数。 查表得 036.0i Paudlp ii 3.13172 )70.0(7.99502.0 3036.02 221 Paup i 8.7 3 12 )70.0(7.9 9 5323 222 psti NNFppp )( 21 = （ 1317.3+731.8 ） 1.4 12=5737.48Pa 35kPa 8 5.52 壳程压降 ss NFppp )( 210 1p 流体横过管束的压强降， Pa 2p 流体通过折流板缺口的压强降， Pa sF 壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为 1，液体可取
12、1.15。 2)1( 2001 uNnFfp Bc 式中 F 管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列 F=1.15 0f 壳 程流 体 的摩 擦 系数 ， 当 Re500时 , 228.000 Re f ; b 横过管束中心线的管子数 ; BN 折流挡板数 ; h 折流挡板间距， m; 0u 按壳程流通截面积计算的流速 ,m/s。而)( 00 bdDhA 200 0 3 5.0)0 2 5.0176.0(2.0)( mbdDhA 200 39.00 3 5.03 6 0 08 0 84 0 0 0 0 mAwu h 9 PauNbFfpB5.68472)524.0(808)114(17
13、)7.28010(55.02)1(22 2 8.02001PauDhNpB0.4 6 5 92)5 2 4.0(8 0 8)6.05.025.3(142)25.3(2202 ss NFppp )( 210 = (6848.7+4659.0) kP aPa 358.1 3 2 3 3115.1 壳程流动阻 力也比较适宜。 6. 设计结果总汇 换热器主要结构尺寸和计算结果见表 3。 表 3 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器形式：浮头式 换热面积 /m2 51.8 工艺参数 名称 物料名称 操作压力 /MPa 操作温度 / 流量 /（ kg/h） 管程 循环水 0.4 25/35 86488 壳
14、程 甲苯 0.6 105/60 40000 流体密度 /（ kg/m3 ） 995.7 808 10 流速 /(m/s) 0.70 0.52 传热量 /kw 1000 总传热 系 数 / )/( 2 kmw 497.8 传热系数 / )/( 2 kmw 0.617 0.121 污垢系数 / )/( 2 wkm 0.000344 0.000172 阻力降 Pa 5737.48 13233.8 程数 2 1 推荐使用材料 碳钢 碳钢 管子规格 25 2.5 管数 220 管长 6000mm 管间距 /mm 32 排列方式 正三角形 折流板形式 上下 间距 200mm 壳体内径 /mm 600 切口高度 150mm 7. 参考文献 1 任晓光 .化工原理课程设计指导 .北京 :化学工业出版社 , 2009 2 夏清 陈常贵 .化工原理 .天津 :天津大学出版社 ,2005 3 马江泉 冷一欣 . 化工原理课程设计指导 .北京：中国石化出版社， 2009 4 刘光启 马连湘 刘杰 .化学化工物性数据手册 .北京：化学工业出版社， 2002
