化工原理课程设计案例

D1
4V


4 227301 /(3600 90) 0.299 3.14 10
பைடு நூலகம்
圆整后可取管内径为 300mm。 管程流体进出口接管：取接管内液体流速 u2=2.5m/s，则接管内径为
D2
圆整后去管内径为 360mm
4 898560 /(3600 994.3) 0.358 3.14 2.5
Np=
t 0.96
平均传热温差
t m t t m塑 0.96 48.3 46.4 ℃
由于平均传热温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程 合适。 4.传热管排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板 两侧采用正方形排列。见图 3-13。 取管心距 t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32 ㎜ 隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算 S=t/2+6=32/2+6=22 ㎜ 各程相邻管的管心距为 44 ㎜。 管数的分成方法，每程各有传热管 612 根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通
该换热器的实际传热面积为 Ap
Ap d o lN T 3.14 0.025 7 1224 673m 2
该换热器的面积裕度为
H
Ap Ac Ac

673 539 24.9% 539
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 2． 壁温计算
8
因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式 3-42 计算。由 于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保 可靠，取循环冷却水进口温度为 15℃，出口温度为 39℃计算传热管壁温。另外，
设计说明书范例
一．设计任务和设计条件
某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流换热 后，用循环冷却水将其从 110℃进一步冷却至 60℃之后，进入吸收塔吸 收其中的可溶组分。 已知混和气体的流量为 227301 ㎏/h， 压力为 6.9MPa , 循环冷却水的压力为 0.4MPa ，循环水的入口温度为 29℃，出口温度为 39℃ ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。
式中液体的平均温度 t m 和气体的平均温度分别计算为
t m 0.4×39+0.6×15=24.6℃
Tm (110+60)/2=85℃
c i 5887w/㎡·k
h o 925.5w/㎡·k
传热管平均壁温
t w 32.3 ℃
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即 T=85℃。壳体壁温和传热管 壁温之差为 t 85 32.3 52.7 ℃。 该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需 选用浮头式换热器较为适宜。 3．换热器内流体的流动阻力 （1）管程流体阻力
u1=1.3m/s。
2．管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 V 898560 /(3600 994.3) Ns= 612 2 0.785 0.02 2 1.3 di u 4 按单程管计算，所需的传热管长度为 L=
Ap
d o ns

674 14m 3.14 0.025 612
Ke
1
d Rd R d 1 ( o i o w o Ro ) i di di dm o
400w / m 2 k
（5）传热面积裕度
依式 3-35 可得所计算传热面积 Ac 为
Ac
Q1 10416.66 10 3 539m 2 K e t m 400 48.3
由于传热管内侧污垢热阻较大， 会使传热管壁温升高， 降低了壳体和传热管壁温之差。 但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该按最 不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，按式 4-42 有
Tw tw 1
tm c n 1 c n
Q1 10416.66 10 3 674m 2 Kt m 320 48.3
10416.66 10 3 249.6kg / s 898560kg / h = 4.174 10 3 10
4.冷却水用量
Q m= 1 c pi t i
4
五． 工艺结构尺寸
1．管径和管内流速 选用Φ25×2.5 较高级冷拔传热管（碳钢） ，取管内流速
物性特征： 混和气体在 35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） ： 3 密度 1 90kg / m 定压比热容 热导率
c p1 =3.297kj/kg℃
粘度 循环水在 34℃ 下的物性数据： 密度 定压比热容 热导率 粘度
1 =0.0279w/m 1 1.5 10 5 Pas
普朗特数
4.174 10 3 0.742 10 3 Pr 4.96 0.624
i 0.023
（3）污垢热阻和管壁热阻
0.624 35002 0.8 4.96 0.4 5887 w / m 2 .k 0.02
按表 3-10，可取
管外侧污垢热阻 Ro 0.0004m 2 k / w 管内侧污垢热阻 Ri 0.0006m 2 k / w 管壁热阻按式 3-34 计算， 依表 3-14， 碳钢在该条件下的热导率为 50w/(m· K)。 0.0025 所以 Rw 0.00005m 2 k / w 50 （4） 传热系数 K e 依式 3-21 有
so BD (1 do 25 ) 450 1400(1 ) 0.1378 t 32
壳程流体流速及其雷诺数分别为 227301 /(3600 90) uo 5.1m / s 0.1378 0.02 5.1 90 Re o 612000 1.5 10 5 普朗特数
c p1 =3.297kj/kg℃
1 =0.0279w/m
1 =1.5×10 Pas
-5
循环水在 34℃ 下的物性数据： 密度 定压比热容 热导率 粘度
1 =994.3 ㎏/m3
c p1 =4.174kj/kg℃
1 =0.624w/m℃
1 =0.742×10 Pas
-3
3
四． 估算传热面积
1．热流量
Q1= m1c p1t1
=227301×3.297×(110-60)=3.75×107kj/h =10416.66kw
2.平均传热温差
先按照纯逆流计算，得
t m =
(110 39) (60 29) 48.3K 110 39 ln 60 29
3. 传 热 面 积 由于 壳程气体的压力较高 ，故可选取较大的 K 值。假设 K=320W/(㎡ k)则估算的传热面积为 Ap=
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非 标设计，现取传热管长 l=7m，则该换热器的管程数为
L 14 2 l 7 传热管总根数 Nt=612×2=1224 3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b） 110 60 有 R= 5 39 29 39 29 P= 0.124 110 29 按单壳程，双管程结构，查图 3-9 得
6
六． 换热器核算
1． 热流量核算 （1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见式（3-22）
0 0.36
当量直径，依式（3-23b）得
1
de
Re 0
0.55
Pr 3 (
1
0.14 ) w
4[
de =
3 2 2 t do ] 2 4 0.02m d o
壳程流通截面积，依式 3-25 得
1 =994.3 ㎏/m3
c p1 =4.174kj/kg℃
1 =0.624w/m℃ 1 0.742 10 3 Pas
1
二． 确定设计方案
1．选择换热器的类型 两流体温的变化情况：热流体进口温度 110℃ 出口温度 60℃；冷流 体进口温度 29℃，出口温度为 39℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季 操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温 度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。 2．管程安排 从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。 但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度， 使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气 体走壳程。
7 1.306 2 994.3 11871.4 Pa 0.02 2 3 994.3 1.306 2 2544 Pa 2
u 2
2
p1 (11871.4 2544) 2 1.5 43246Pa
管程流体阻力在允许范围之内。 （2）壳程阻力 按式计算
ps (po pi ) Fs N s , N s 1 , Fs 1
i 0.023
管程流体流通截面积
i
di
Re 0.8 Pr 0.4
S i 0.785 0.02 2
1224 0.1922 2
7
管程流体流速
ui
898560 /(3600 994.3) 1.306m / s 0.1922
Re 0.02 1.306 994.3 /(0.742 10 3 ) 35002
流体流经管束的阻力
po Ff o N TC ( N B 1)
u o 2
2
F=0.5
f o 5 588000 0.288 0.2419
5
顺序按图 3-14 选取。 5．壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率 η=0.75 ，则壳体内径为 D=1.05t N T / 1.05 32 1224 / 0.7 5 1357mm 按卷制壳体的进级档，可取 D=1400mm 6．折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切 去的圆缺高度为 H=0.25×1400=350m，故可 取 h=350mm 取折流板间距 B=0.3D，则 折流板数目 NB= B=0.3×1400=420mm，可取 B 为 450mm。
传热管长 7000 1 1 14.5 14 折流板间距 450
折流板圆缺面水平装配，见图 3-15。 7．其他附件 拉杆数量与直径按表 3-9 选取，本换热器壳体内径为 1400mm，故其拉 杆直径为Ф12 拉杆数量不得少于 10。 壳程入口处，应设置防冲挡板，如图 3-17 所示。 8．接管 壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为 u1=10m/s，则接管内径为
pt (pi pr ) N s N p Fs
N s 1 , Np 2 , pi i
l u 2 di 2
由 Re=35002，传热管对粗糙度 0.01，查莫狄图得 i 0.04 ，流速 u=1.306m/s,
994.3kg / m 3 ,所以，
9
pi 0.04 p r
2
三． 确定物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体 进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为 110 60 T= =85℃ 2 管程流体的定性温度为 39 29 t= 34 ℃ 2 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合 气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查 取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气 体的物性数据。 混和气体在 35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） ： 3 密度 1 90kg / m 定压比热容 热导率 粘度
Pr
3.297 10 3 1.5 10 5 1.773 0.0279
粘度校正
(
0.14 ) 1 w
1 0.0279 612000 0.55 1.773 3 925.5w / m 2 K 0.02 按式 3-32 和式 3-33 有
o 0.36
（2）管内表面传热系数