换热器设计说明书讲解

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性组分。已知混合气体的流量为237301kg 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℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。

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 31/90m kg =ρ

定压比热容 1p c =3.297kj/kg ℃ 热导率 1λ=0.0279w/m

粘度 Pas 51105.1-⨯=μ

循环水在34℃ 下的物性数据：

密度

1ρ=994.3㎏/m 3 定压比热容 1p c =4.174kj/kg ℃

热导率 1λ=0.624w/m ℃

粘度 Pas 3110742.0-⨯=μ

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降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。

浮头式换热器介绍

浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固

定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。

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=

260

110 =85℃管程流体的定性温度为

t=

342

29

39=+℃

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 31/90m kg =ρ

定压比热容 1p c =3.297kj/kg ℃ 热导率 1λ=0.0279w/m

粘度 1μ=1.5×10-5Pas

循环水在34℃ 下的物性数据：

密度

1ρ=994.3㎏/m 3 定压比热容 1p c =4.174kj/kg ℃ 热导率 1λ=0.624w/m ℃

粘度 1μ=0.742×10-3

Pas

算传热面积 1．

热流量

Q 1=1

11t c m p ∆

=237301×3.297×(110-60)=3.91×107kj/h =1.086×107kw 2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得

m t ∆=

K 3.4829

6039110ln

)

2960()39110(=-----

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=27

17183

.4832010086.1m t K Q m =⨯⨯=∆

4.冷却水用量 m=i pi t c Q ∆1=

h kg s kg /5.936655/2.26010

10174.410806.137

==⨯⨯⨯

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u 1=1.35m/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=

36.61735

.102.0785.03

.9942.2604

22

=⨯⨯÷=

u

d V

i π

取618根

按单程管计算，所需的传热管长度为 L=

m n d A s

o p

8.14618

025.014.3718

≈⨯⨯=

π

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=

27

25.14≈=l L 传热管总根数 Nt=642×2=1236

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=529

3960

110=-- P=

124.029

11029

39=--

按单壳程，双管程结构，查图3-9得 96.0=∆t ε

平均传热温差 46.448.30.96=⨯=∆=∆∆塑m t m t t ε℃

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=1.25d 0，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642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