用水冷却甲苯的列管式换热器设计

一、设计题目：用水冷却甲苯的列管式换热器设计

二、设计任务及操作条件 1、设计任务：

（1）选择适宜的列管式换热器；（2）核算；（3）在A3图纸中绘制换热器结构图、管板结构图、折流结构图

设计说明书一份、A3图纸一张； 2、操作条件

处理能力：甲苯进料量：110000吨/年

操作时间： 8000 小时／年

甲苯：入口温度90℃，出口温度60℃； 操作压力 （0.4~0.6）MPa 水： 入口温度30℃，出口温度50℃ 操作压力 （0.4~0.6）MPa

允许压降不大于0.1 Mpa，厂址：宁波地区。

三、设备型式

列管式换热器 四、设计项目(说明书格式) 1、封面、任务书、目录。

2、设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 3、换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积，并初选换热器规格 4、核算总传热系数，计算压力降 5、换热器的主要结构尺寸设计。

6、绘制水冷却甲苯的列管式换热器设计的换热器装配简图。 7、对本设计进行评述。 8、参考文献

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目 录

1 设计方案简介 1

1.1工艺流程概述 ......................................... 错误!未定义书签。 1.2选择列管式换热器的类型 ............................... 错误!未定义书签。

1.2.1列管式换热器的分类 ............................................. 4 1.2.2类型的确定 ..................................................... 3 1.3流动路径的选择 ....................................................... 5

2 换热器的工艺计算及选型 5

2.1确定物性数据 ......................................................... 5 2.2初算换热器的传热面积 ................................................. 6 2.3初选换热器规格 ....................................................... 6

3 换热器核算 7

3.1压力降的核算 ......................................................... 7

3.1.1管程压力降 ..................................................... 8 3.1.2壳程压力降 ..................................................... 8 3.2总传热系数的核算 ..................................................... 9

4 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计 9

4.1壳体壁厚的确定 ....................................................... 9 4.2管子拉脱力计算 ....................................................... 9 4.3换热器的主要结构尺寸设计参数 ........................................ 10

5 换热器装配简图 12 6 设计评述 12 7 参考文献 12

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1 设计方案简介

1.1工艺流程概述

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图1，甲苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，甲苯从90℃被冷却至60℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。

DAHEATXCPUMPC7H8BPUMP2H2O

图1 工艺流程草图

1.2选择列管式换热器的类型

列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。

1.2.1列管式换热器的分类

根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种： ⑴固定管板式换热器

固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。

固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。 ⑵浮头式换热器

浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、

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壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。 浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。 ⑶填函式换热器

填函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。 ⑷U形管式换热器

U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。

U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。

1.2.2类型的确定

所设计的换热器用于冷却甲苯，甲苯：入口温度90℃，出口温度60℃；水：入口温度30℃，出口温度50℃；该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足Tm-tm=75-40=35℃﹤50℃，两流体温度差不大。加上固定管板式换热器结构简单、造价低廉，所以本设计选用固定管板式换热器，且不需考虑热补偿。

1.3流动路径的选择

本设计为两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，甲苯走壳程。

2 换热器的工艺计算及选型

2.1确定物性数据

9060305075℃，查得水、甲40℃，甲苯定性温度T22苯在各自定性温度下的物性数据：

表1 定性温度下各流体物性[1] 水的定性温度t 密度/(kg/m3) 比热容/(kJ/( kg·℃)) 水 甲苯 992.2 812.6 4.174 1.867 0.656×10-3 0.350×10-3 黏度/(Pa·s) 导热系数/(w/m·℃) 0.6338 0.145 2.2初算换热器的传热面积

⑴计算热负荷和冷却水流量

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11000010313750kg/h Wh8000Q=Whcph(T1-T2)=13750×1.867×103×(90-60)/3600=213930W

WcQ21393036009226kg/h 3cpc(t2t1)4.17410(5030)⑵计算两流体的平均温度差。先按单壳程单管程进行计算，逆流时的平均温度差为

tm't2t1403034.76℃ t240lnln30t1T1T2906030tt50301.5 ， P210.33

t2t1503020T1t19030 有关参数R[1]

根据R，P值，查《化工原理》P-280图4-19可读得，温度校正系数φΔt=0.92，

则平均温度差Δtm=Δtm’ φΔt=34.76×0.92=31.98℃ ⑶按经验数值初选总传热系数K0(估) 选取K0(估) =450W/(m2·℃) ⑷初算出所需传热面积SQ21393014.86m2 Ktm45031.982.3初选换热器规格

对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为Φ25mm的管子。由于Tm-tm=35℃，因此不需考虑热补偿。再由换热面积，查《换热器设计手册》[2]P-17表1-2-1，选定G273Ⅰ-2-2.5-11.1型换热器，有关参数见下表2。 表2 所选换热器结构基本参数 公称直径/mm： 300 公称压强/MPa： 1.6 公称面积/m2： 15.27 管程数： 2 4个。

由《换热器设计手册》[2]P-18式1-2-1，计算实际传热面积：

So=nπd(L-2δ-0.006)=（37-4）×3.14×0.025×(6-2×0.05-0.006)=15.27m2 若选该型号的换热器，则要求过程的总传热系数为

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管子尺寸/mm： Φ25×2.5 管长/m： 6 管子总数： 37 管子排列方法： 正三角形排列 查《化工设备机械基础》[3]p-215表7-10，壳体直径为159~325时，拉杆数量为

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KoQ213930438Sotm14.8131.982

W/(m·℃)

3 换热器核算

3.1压力降的核算

3.1.1管程压力降

∑Δpi=(Δp1 +Δp2)FtNp 其中，Ft=1.4，Np=2。 管程流通面积Ai4di2nn330.0220.0220.005181m2 Np4Np42

uiVs92260.51m/sAi3600992.20.005181diui0.020.51992.2154304000(湍流) 30.65610Rei设管壁粗糙度ε=0.1mm，ε/di=0.1/20=0.005，查《化工原理》[1]P-54图1-27第一章中λ-Re关系图中查得：λ=0.036，所以

lu26992.20.5120.0361393Pa p1d20.022

992.20.512p233387Pa

22u2则∑Δpi=（1393+387）×1.4×2=4984Pa

3.1.2壳程压力降

∑Δpo=(Δp1’ +Δp2’)FsNs 其中，Fs=1.15，Ns=1，p1'Ffonc(NB1)查《化工原理》[1]P-284：管子为正三角形排列，F=0.5。 nc=1.1√n=1.1√37≈7

查《换热器设计手册》[2]P-14表1-2-3，取折流挡板间距h=0.2m， L6NB1129

h0.2壳程流通面积Ao=h(D-ncdo)=0.2×（0. 3-7×0.025）=0.025m2

13750uo0.19m/s

3600812.60.025Reodououo22

0.0250.19812.69082500 30.42510。 6欢迎下载

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fo=5.0Reo-0.228=5.0×9082-0.228=0.63 所以

p1'Ffonc(NB1)uo222812.60.1920.50.637(291)970Pa

22huo20.2812.60.192p2'NB(3.5)29(3.5)922Pa

D20.32∑Δpo=（970+922）×1.15=1088Pa

计算表明，管程和壳程压强都能满足题设（不大于0.1 MPa）的要求。

3.2总传热系数的核算

⑴管程对流传热系数αi Rei=15430（湍流）

4.1741030.656103Pri4.32

0.6338cpi0.023diRei0.8Pri0.40.0230.6338(15430)0.8(4.32)0.42935W/(m2·℃) 0.02⑵壳程对流传热系数αo

由《化工原理》[1]P-253式4-77a计算，即

deuo0.55cp1/30.14o0.36()()()

dew查《化工设备机械基础》[3]p-208表7-5，取换热器列管之中心距t=32mm，则流体通过管间最大截面积为 do0.025A。=hD(1-)=0.2×0. 3×(1-)0.013m2

t0.032uoVs137500.36m/s A3600812.60.0134(t2de4dodo)24(0.03223.140.0252)40.027m 3.140.025Reodeuocp0.0270.36812.622567

0.351031.8671030.35103Pro4.51

0.145。

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壳程中甲苯被冷却，取(0.14)0.95，所以 wo0.360.1452

(22567)0.55(4.51)1/30.95752 W/(m·℃) 0.027⑶污垢热阻

参考《化工原理》[1]附录p-355表22，污垢系数取为0.52m2·K/kW，则 管、内外侧污垢热阻分别为Rsi= 0.000066m2·℃/W，Rso= 0.000112m2·℃/W ⑷总传热系数Ko

管壁热阻可忽略时，总传热系数Ko为

1ddRsoRsiooodiidi11125250.0001120.00006675220293520Ko'

=513W/(m2·℃)

由上面计算可知，选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为438W/(m2·℃），在规定的流动条件下，计算出的Ko’为513W/(m2·℃），有

KO'5131.17(1.15~1.25) KO438故所选的换热器是合适的，其安全系数为

513438100%=17.1%。 4384 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计

固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板（或支撑板）、接管、支座等。

4.1壳体壁厚的确定

选取设计压力pc=1.6Mpa，壳体材料为Q-235B，查《化工设备机械基础》[3][3]p-311附录9得，其相应的许用应力[σ]t=113 Mpa；查《化工设备机械基础》p-96表4-8，焊缝系数取为0.85，Di=300mm，故

计算厚度： 2pctpcDi1.63002.5mm

21130.851.6根据《化工设备机械基础》p-97，取C2=1.0mm，负偏差C2取0.25 mm。 圆整后，δn=4mm，即壳体壁厚为4mm。

4.2管子拉脱力计算

根据《化工设备机械基础》p-205，取胀接长度l=50mm；

根据《化工设备机械基础》p-295附表1-1，查地碳钢线膨胀系数

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αl=11.2×10-6mm/(mm·℃)，弹性模量E取为200×103 Mpa；

根据《化工设备机械基础》p-218,表7-11，许用拉脱力取为4 Mpa。 ① 在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力

qppf dol2其中，f0.866t2

4do0.8663224252396mm

2

0.63960.06MPa

3.142550② 温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力

P=0.6Mpa，l=50mm，qpqtt(do2di2)4dol

其中，tE(ttts)1AtAs，As=πD中δn=π×308×4=3868mm2

At4(do2di2)n4(252202)376535mm2

11.21060.21063529.15MPa 则t65351386829.15(252202)qt1.31Mpa

42550

又因qp与qt作用方向相同，都使管子受压，则管子的拉脱力：

Q=qp+qt=0.06+1.31=1.37Mpa＜[q]=4.0 Mpa

因此，拉脱力在许用范围内。

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4.3换热器的主要结构尺寸设计参数

表2主要结构尺寸设计参数 换热器型式：固定管板式 换热器面积/m2：15.27 工艺参数 名称 物料名称 操作压力/MPa 操作温度/℃ 流量/kg/h 流体密度/kg/m3 流速/m/s 传热量/W 总传热系数W/(m2·℃） 壳程 甲苯 0.4~0.6 13750 812.6 0.26 213930 513 2935 0.000066 4984 碳钢 Φ25×2.5mm 6m 正三角形排列 32mm 管程 水 0.4~0.6 9226 992.2 0.51 90（进口）/60（出口） 30（进口）/50（出口） 对流传热系数W/(m2·℃） 752 污垢系数/W/(m2·℃） 0.000112 压力降/Pa 1088 推荐使用材料 碳钢 壳径D(DN) 300mm 管尺寸 管程数Np 2 管长L 管子总根数 37（拉杆4） 管排列方式 中心排管数nc 7 管心距

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5 换热器装配简图

详见附图。

6 设计评述

本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，经过查阅有关文献资料，对换热器参数进行了设计及反复核算，以确保设计的准确性。以下是对本设计的一些评述。

从工艺要求和经济性出发，选用了固定管板式换热器作为设计对象。根据已知条件选定换热器规格后，经过很多次核算，K’/K值始终达不到要求的1.15~1.25范围。然后，通过查阅更多资料、反复再次核算，加上和同学的激烈讨论，终于取得了阶段性的胜利，基本上完成了换热器设计这块。

绘制换热器的装配图，需要对换热器有全面的认识，许多细节问题必须注意到，主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。整个流程下来，对固定管板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。

通过本次设计，真的学到了很多。首先，熟悉了化工原理课程设计的流程，学会了如何根据工艺要求查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，继而对换热器进行准确设计；其次，巩固了以前学习的化工知识，理解得相对更深入、透彻了些；此外，学习时要跟同学探讨，一个思想加一个思想，或许会碰撞出更多思维的火花。

第一次做本次课程设计，我们大都是在摸索中前进，走了不少曲折的路。加上可利用文献资源有限、时间有限，这次设计仍存在许多地方需要去改进与完善。

7 参考文献

[1] 夏清，陈长贵．化工原理[M]．天津：天津大学出版社，2010． [2] 钱颂文．二换热器设计手册[M]．化学工业出版社，2002．

[3] 玉玮，王立业，喻键良．化工设备机械基础[M]．大连：大连理工大学出版社，2010．

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