丁二烯蒸汽冷凝器的设计

化工原理课程设计任务书
一、设计题目
丁二烯蒸汽冷凝器的设计
二、设计任务与操作条件
某厂需用冷却水将丁二烯蒸汽冷凝。

已知丁二烯蒸汽的冷凝温度为40℃，冷凝潜热为373kJ/kg。

水侧和蒸汽侧的污垢热阻分别可取5.8×10-4m2.K/W和1.76×10-4m2.K/W。

冷却水温度和生产能力见下表：
三、设计内容
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达设计思想、计算过程和设计结果。

四、进度安排
1、搜集资料、阅读教材，拟定设计方案 0.6周
2、换热器工艺设计及计算 1.0周
3、换热器结构设计 0.8周
4、绘制换热器装配图 0.8周
5、编写设计说明书 0.8周
五、完成后应上交的材料
1、设计说明书 1份
2、换热器装配图（A1，手工） 1张
3、换热流程图（A4，CAD） 1张
六、推荐参考资料
1、《化工原理》上册
2、《换热器设计》
3、《化工设备设计手册》
3、《压力容器手册》
4、《钢制石油化工压力容器手册》
5、《化工管路手册》
化工原理课程设计要求
一、换热器设计说明书的主要内容
1、前言
主要介绍换热器的种类、特点及发展趋势。

2、确定设计方案。

包括换热器类型、材料的选择、流动空间和流速的确定等。

3、确定物性数据
4、计算总传热系数K
5、计算传热面积
6、确定换热器工艺结构尺寸
（1）确定传热管管径和管内流速
（2）确定管程数和传热管数
（3）确定壳程数
（4）确定传热管排列
（5）确定壳体内径
（6）确定折流板
（7）确定接管
7、换热器核算
（1）热量核算
（2）换热器内流体流动阻力核算
8、换热器主要结构尺寸和计算结果汇总（用三线表）
9、参考文献
10、设计自评
二、图纸
要求：一张A1图纸（手绘），为换热器的装配图。

一张A4图纸，由电脑绘制，为换热流程图。

目录
1.前言 (8)
1.1 换热器的种类 (8)
1.2 换热器的特点 (8)
1.3 换热器的发展趋势 (10)
2.确定设计方案 (11)
2.1 换热器的类型 (11)
2.2 材料的选择 (11)
2.3 流动空间的确定 (12)
2.4 流速的确定 (13)
3.确定物性数据 (13)
4．计算冷凝量、热负荷、水耗量、普兰特准数、平均传热温差 (13)
5.确定管径和初选管速 (14)
6．估算总传热系数K (14)
7.计算传热面积 (15)
8．确定换热器工艺结构尺寸 (15)
8.1 单程管数
8.2 单程管长
8.3 选定换热器管长，则管程数
8.4 初选换热器
8.5管程压降的计算
8.6 计算管内给热系数
8.7 计算冷凝给热系数
8.8 计算K值
8.9 计算传热面积及安全系数
8.10 计算管束与壳体温差
8.11. 计算接管
8.12计算折流板
9．换热器主要结构尺寸和计算结果汇总（用三线表） (19)
10.附表 (21)
11．参考文献 (24)
12．CAD流程图 (25)
13．设计自评 (26)
1、前言
1.1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
1.2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：
（1）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50℃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。

（2）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
换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价
高。

（3）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备，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、外径，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。

1.3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，换热器的开发与研究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(Computational Fluid Dynamics)、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器，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。

2、确定设计方案
2.1换热器的类型
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50℃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。

2.2材料的选择
（1）换热器
在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。

流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。

当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。

在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热
器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。

至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

①碳钢
价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。

如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

②不锈钢
奥氏体系不锈钢以1Cr
18Ni
9
Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有
稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。

我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

（2）管板
管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。

胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。

胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 MPa，设计温度不超过350℃的场合。

（3）封头和管箱
封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

①封头当壳体直径较小时常采用封头。

接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

②管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱,壳径较大的换热器大多采
用管箱结构。

由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

③分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。

对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。

这样可提高介质流速，增强传热。

管程多者可达16程，常用的有2、4、6程。

在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分
程隔板的泄漏，以防止流体的短路
2.3流动空间的确定
换热器内冷热流体通道的选择：
a 不洁或易结垢的物料应走易于清洗的一侧，如冷却水走管内；
b 需提高流速以增大传热膜系数的流体应走管内，因管程比壳程易增加流速；
c 有腐蚀性或高压流体多走管内，以减少设备腐蚀或降低壳体受压；
d 饱和蒸汽一般走壳程，因蒸汽较清洁，且冷凝液排出方便；
e 被冷却流体一般选壳程，便于散热；
f 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将传热膜系数大的流体通入壳程，以减少温差应力；
g 流量小而温差大的液体一般走壳程为宜，因在壳程R
>100即可达到湍流。

但
e
这并不是绝对，若流动阻力允许，将该种流体通入管内并采用多管程结构，反而能得到更高的传热膜系数。

丁二烯没有腐蚀性，碳钢的价格低，强度较高所以换热器的材料选择碳钢。

由于流速对蒸气冷凝系数的影响较小，并且为了使冷凝液易于排出，选择丁二烯蒸气在管外冷凝，水流经管内。

2.4流速的确定
换热器内适宜的流速应通过经济核算选择
3、确定物性数据
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：
此温度下的水的物性参数：
4、计算冷凝量、热负荷、水耗量、普兰特准数、平均传热温差
平均传热温差
5、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
=0.02m。

综合考虑管内Re,管程压降方面的因素，水的流速选为0.5。

6、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
壳程传热系数：
假设壳程的传热系数
污垢热阻
管壁的导热系数
7、计算传热面积
传热面积
8、确定换热器工艺结构尺寸
8.1单程管数为：
8.2 单程管长为：
8.3选定换热器管长，则管程数为
取程，则总管数为：
8.4初选换热器
根据，，，选用G700-2-16-158.4列管换热器，其实际传热面积为158.4，有关参数如下：
公称直径公称压力
传热面积管程数
管数管长
管子规格管心距
管子排列方式正三角形
图表见附录一
8.5管程压降的计算
其中，为选定换热器的实际操作流速，由下式计算
由于，根据传热管相对粗糙度0.0075，查莫狄图得
，又取管程结垢校正系数，故得管程压降为
因此，压降满足要求.
8.6计算管内给热系数
故
8.7 计算冷凝给热系数
一般情况下，水平管的冷凝给热系数大于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
8.8 计算K值
8.9 计算传热面积及安全系数
实际换热器的传热面积为158.4，故安全系数为
有合适的传热面积裕度，该换热器能够完成生产任务。

8.10 计算管束与壳体温差
根据对流传热速率可得
故
而管束的平均温度为
则壳体与管束的温差为
以上各项计算结果表明，所选型号的换热器合用。

8.11. 计算接管
壳程流体进出接管：
已知饱和丁二烯蒸汽的密度,取丁二烯流速为
，则丁二烯入口接管内径为：
取标准管径为，取标准管
取接管内丁二烯流速为，则接管内径为
取标准管径为，取标准管
管程流体进出接管：取接管内循环水流速，则接管内径为
取标准管径为，取标准管
8.12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
取折流板间距 B=0.3D,则
折流板数
折流板圆缺面水平装配。

9、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
物料名称操作压操作温
度
污垢系数导热系数比热流体密
度
粘度
冷却水0.1 25/32 0.00058 0.615 4.08 996 0.000827 丁二烯0.1 40 0.000176 0.248 2.0 595 0.000275
表2管程、壳程计算数据表
名称流量流速传热
量
总传热系
数
对流传热系
数
阻力降程数使用材料
管程11870 0.53
808.2 575.3
2693 6169 2 无缝钢管
壳
程
7800 3211 1 无缝钢管
表3 工艺设备尺寸表
换热器型式换热
面积
/
管子规格管数管长管间
距
排列
方式
折
流
板
型
式
间
距
切口
高度
壳体内
径
固定管板式158.4 342 6000 32 三角
形
上
下
300 25% 700
表4管口表
10、附表
附表一：换热管为
附表二：摩擦系数与雷诺数、相对粗糙度间的关系
附表三：几种换热器的结构
附表四：列管式换热器中K值大致范围
因此取K其中平衡值1000计算。

11参考文献
[1]贾绍义柴诚敬主编 .化工原理课程设计[M]. 天津：天津大学出版社，2002年
[2] 王志魁主编 .化工原理（第三版）[M]. 北京：化学工业出版社，2007年
[3]中国石化集团上海工程有限公司组织编写董其伍张垚等编[M] .石油化工设备设计选用手册换热器北京：化学工业出版社，2009年
[4]青岛化工学院全国图算学培训中心组织编写刘光启马连湘刘杰主编.化学化工物性数据手册 (有机卷) 北京：化学工业出版社 2002年
[5]刘道德等编著.化工设备的选择与设计. 湖南：中南大学出版社 2003年
[6]国家医药管理局上海医药设计院编 .化工工艺设计手册(第二版上册){M}.北京：化学工业出版社 2002年
12、CAD流程图。