换热器设计

换热器设计

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。

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）：

密度

定压比热容 =3.297kj/kg℃

热导率 =0.0279w/m

粘度

循环水在34℃下的物性数据：

密度 =994.3㎏/m3

定压比热容 =4.174kj/kg℃

热导率 =0.624w/m℃

粘度

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。

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

T= =85℃

管程流体的定性温度为

t= ℃

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）：

密度

定压比热容 =3.297kj/kg℃

热导率 =0.0279w/m

粘度 =1.5×10-5Pas

循环水在34℃下的物性数据：

密度 =994.3㎏/m3

定压比热容 =4.174kj/kg℃

热导率 =0.624w/m℃

粘度 =0.742×10-3Pas

四．估算传热面积

1．热流量

Q1=

=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

=

3.传热面积

二．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=

4.冷却水用量 m= =

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

Ns=

按单程管计算，所需的传热管长度为

L=

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

Np=

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）有 R=

P=

按单壳程，双管程结构，查图3-9得

平均传热温差℃

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

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 B=0.3×1400=420mm，可取B为450mm。

折流板数目NB=

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

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

圆整后去管内径为360mm

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）

当量直径，依式（3-23b）得

=

壳程流通截面积，依式3-25 得

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正

（2）管内表面传热系数

按式3-32和式3-33有

管程流体流通截面积

管程流体流速

普朗特数（3）污垢热阻和管壁热阻按表3-10，可取

管外侧污垢热阻

管内侧污垢热阻

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)。所以（4）传热系数

依式3-21有

（5）传热面积裕度