甲苯水列管式换热器毕业论文

2、设计方案的选择2．1换热器型式的选择 在乙醇精馏过程中塔顶一般采用的换热器为列管式换热器，故初步选定在此次设计中的换热器为列管式换热器。 列管式换热器的型式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。在乙醇精馏的过程中乙醇是在常压饱和温度下冷凝，进口温度为76℃，出口温度为45。冷却介质为水，入口温度为24℃，出口温度为36℃，两流体的温度差不是很大，再根据概述中各种类型的换热器的叙述，综合以上可以选用固定管板式换热器。2．2流体流速的选择 流体流速的选择涉及到传热系数、流动阻力及换热器结构等方面。增大流速，可加大对流传热系数，减少污垢的形成，使总传热系数增大；但同时使流动阻力加大，动力消耗增多；选择高流速，使管子的数目减小，对一定换热面积，不得不采用较长的管子或增加程数，管子太长不利于清洗，单程变为多程使平均传热温差下降。因此，一般需通过多方面权衡选择适宜的流速。表1至表3列出了常用的流速范围，可供设计时参考。选择流速时，应尽可能避免在层流下流动。 表1 管壳式换热器中常用的流速范围 流体的种类 一般流体 易结垢液体 气体流速，m/s 管程 ~ > ~30 壳程 ~ > ~15表2 管壳式换热器中不同粘度液体的常用流速 液体粘度，mPa·s > 1500 1500 ~500 500 ~100 100 ~35 35 ~ 1 < 1最大流速，m/s 表3 管壳式换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度 液体名称 乙醚、二硫化碳、苯 甲醇、乙醇、汽油 丙酮安全允许速度，m/s < 1 < 2 ~3 < 10 由于使用的冷却介质是井水，比较容易结垢，乙醇则不易结垢。水和乙醇的粘度都较小，参考以上三个表格数据可以初步选定管程流速为，壳程流速为7m/s。2．3流体出口温度的确定 冷却介质水的入口温度24℃，出口温度为36℃，故，可以求得水的定性温度为：Tm=30℃ 热流体乙醇在饱和温度下冷凝，故可以确定入口温度和出口温度相同，故乙醇的定性温度Tm=℃。2．4管程数和壳程数的确定 当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，就得排列较多的管子，为了提高流体在管内的流速，需将管束分程。但是程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管壳式换热器系列标准中管程数有 1、2、4、6 四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。管程数N按下式计算： N=u/v式中 u——管程内流体的适宜流速； V——管程内流体的实际流速。第二章 工艺设计计算1确定物性数据 水的定性温度为Tm=(24+36)/2=30℃，乙醇的定性温度为Tm=(76+45)/2=℃ 两流体在定性温度下的物性数据 物性流体 乙醇 757 水 30 996 热负荷及传热面积的确定1、计算热负荷 冷凝量= 热负荷 Q1=r= ××31= 2、计算冷却水用量 换热器损失的热负荷：以总传热量的3%计； 则Q2=q/()= 水的流量可由热量衡算求得,即 ==317460/(36-24)=、计算有效平均温度差： 逆流温差℃。4、选取经验传热系数K值 根据管程走循环水，壳程走乙醇，总传热系数K现暂取： 5、估算换热面积 3换热器概略尺寸的确定管径和管内流速 选用Φ25×较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=。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 按双程管计算，所需的传热管长度为 按双程管设计，传热管适中，可以用双管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=4m，则该换热器的管程数为 传热管总根数 N=38×2=76(根）3、平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有 : R= P= 双壳程，双管程结构，查得 ε= 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于，同时壳程流体流量较大，故取双壳程合适。4、壳体内径 则横过管数中心线管的根数 在计算壳体内径时可用公式： D=t b取传热管外径，则： D=32（10-1）+50=338mm 按卷制壳体的进级档，可取D=350mm 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D…………………………350mm 公称换热面积S…………………… 管程数……………………………2 管数n………………………………76 管长L………………………………4m 管子直径…………………………… 管子排列方式………………………正三角形5、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20%，则切去的圆缺高度为h=*250=75mm。 取折流板间距B=，则 B=*250=105mm，可取B=150mm。 折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=8000/150-1=26（块）4面积与总传热系数核算1、壳程表面传热系数2、管内表面传热系数 有公式： 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 Pr= 则ai=、污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 所以管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为(m·K)。所以 4、传热系数K 依传热系数公式 5、传热面积裕度 可得所计算传热面积Ap为： 该换热器的实际传热面积为 该换热器的面积裕度为 5.压降校核1、计算管程压降 （结垢校正系数，管程数，壳程数） 取碳钢的管壁粗糙度为，则，而Rei=9700，于是对的管子有

列管式换热器的设计计算________________________________________【关键词】列管式换热器【论文摘要】列管式换热器的设计计算列管式换热器的设计计算 � 1． 流体流径的选择� 哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)� (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。 (2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。� 在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。 2. 流体流速的选择 增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。 此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。 3. 流体两端温度的确定 若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济衡算来决定。为了节省水量，可使水的出口温度提高些，但传热面积就需要加大；为了减小传热面积，则要增加水量。两者是相互矛盾的。一般来说，设计时可采取冷却水两端温差为5～10℃。缺水地区选用较大的温度差，水源丰富地区选用较小的温度差。 4. 管子的规格和排列方法� 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有φ25×及φ19×mm两种规格的管子。 管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为、2、3或6m。系列标准中也采用这四种管长。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为4～6(对直径小的换热器可大些)。 如前所述，管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，如第五节中图4－25所示。等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。� 管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(～)do，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t≥(d+6)。焊接法取t=。 5. 管程和壳程数的确定� 当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。 管程数m可按下式计算，即: � (4-121)� 式中�u―――管程内流体的适宜速度， m/s； � u′―――管程内流体的实际速度， m/s。�图4-49串联列管换热器 当壳方流体流速太低时，也可以采用壳方多程。如壳体内安装一块与管束平行的隔板，流体在壳体内流经两次，称为两壳程，如前述的图4-47和图4-48所示。但由于纵向隔板在制造、安装和检修等方面都有困难，故一般不采用壳方多程的换热器，而是将几个换热器串联使用，以代替壳方多程。例如当需二壳程时，则将总管数等分为两部分，分别安装在两个内径相等而直径较小的外壳中，然后把这两个换热器串联使用，如图4-49所示。 6. 折流挡板� 安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。 第五节的图4－26已示出各种挡板的形式。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10～40％，一般取20～25％，过高或过低都不利于传热。 两相邻挡板的距离(板间距)h为外壳内径D的(～1)倍。系列标准中采用的h值为:固定管板式的有150、300和600mm三种；浮头式的有150、200、300、480和600mm五种。板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。 �挡板切去的弓形高度及板间距对流体流动的影响如图3-42所示。 �7. 外壳直径的确定� 换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。根据计算出的实际管数、管径、管中心距及管子的排列方法等，可用作图法确定壳体的内径。但是，当管数较多又要反复计算时，作图法太麻烦费时，一般在初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。待全部设计完成后，仍应用作图法画出管子排列图。为了使管子排列均匀，防止流体走"短路"，可以适当增减一些管子。� 另外，初步设计中也可用下式计算壳体的内径，即: �� (4-122) 式中 �D――――壳体内径， m； � t――――管中心距， m； � nc―――－横过管束中心线的管数； � b′―――管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离， 一般取b′=(1～)do。 nc值可由下面的公式计算。 管子按正三角形排列时: (4-123) 管子按正方形排列时: (4-124) 式中n为换热器的总管数。 �按计算得到的壳径应圆整到标准尺寸，见表4-15。� 8．主要构件� 封头 封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体(一般小于400mm)，圆形用于大直径 的壳体。 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。 �导流筒 壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间(死角)，为了提 高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必然经过这个空间。� 放气孔、排液孔 换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝性气体和冷凝液等。� 接管尺寸 换热器中流体进、出口的接管直径按下式计算，即: ��式中Vs--流体的体积流量， /s； � �u --接管中流体的流速， m/s。 流速u的经验值为:�对液体 u=～2 m/s对蒸汽 u=20～50 m/s�对气体 u=(15～20)p/ρ (p为压强，单位为atm ；ρ为气体密度，单位为kg/)� 9． 材料选用� 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。 �10． 流体流动阻力(压强降)的计算� (1) 管程流体阻力 管程阻力可按一般摩擦阻力公式求得。对于多程换热器，其总阻力 Δpi等于各程直管阻力、回弯阻力及进、出口阻力之和。一般进、出口阻力可忽略不计，故管程总阻力的计算式为: � � （4-125）�� 式中 �Δp1、Δp2------分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，N/；�� Ft-----结垢校正因数，无因次，对于φ25×的管子， 取为，对φ19×2mm的管子，取为； � � Np-----管程数； � � Ns-----串联的壳程数。� 上式中直管压强降Δp1可按第一章中介绍的公式计算；回弯管的压强降Δp2由下面的经验公式估算，即: �� �� (4-126) (2) 壳程流体阻力 现已提出的壳程流体阻力的计算公式虽然较多，但是由于流体的流动状况比较复杂，使所得的结果相差很多。下面介绍埃索法计算壳程压强Δpo的公式，即: � � (4-127)式中 Δp1′-------流体横过管束的压强降，N/； �Δp2′-------流体通过折流板缺口的压强降，N/；� �Fs --------壳程压强降的结垢校正因数，无因次，对液体可取 ，对气体或可凝蒸气 可取而 (4-128) (4-129)式中 F----管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=，对正方形斜转45°为，正方形排列为；� fo----壳程流体的摩擦系数，当Reo＞500时， nC----横过管束中心线的管子数；�� NB----折流板数；� � h ----折流板间距，m；� uo----按壳程流通截面积Ao计算的流速，而。 一般来说，液体流经换热器的压强降为 ～1atm，气体的为～。设计时，换热器的工艺尺寸应在压强降与传热面积之间予以权衡，使既能满足工艺要求，又经济合理。 �三、 列管式换热器的选用和设计计算步骤 � 1． 试算并初选设备规格� (1) 确定流体在换热器中的流动途径。� (2) 根据传热任务计算热负荷Q。�� (3) 确定流体在换热器两端的温度，选择列管式换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性 温度下流体的性质。 �(4) 计算平均温度差，并根据温度校正系数不应小于的原则，决定壳程数。� (5) 依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K选值。� (6) 由总传热速率方程�Q＝KSΔtm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。� 2． 计算管、壳程压强降� 根据初定的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压强降。检查计算结果是否合理或满足工 艺要求。若压强降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压强降直至满足要求为止。� 3． 核算总传热系数� 计算管、壳程对流传热系数αi 和αo，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K'，比较K得初始值和计算值，若K'/K＝～，则初选的设备合适。否则需另设K选值，重复以上计算步骤 。� 通常，进行换热器的选择或设计时，应在满足传热要求的前提下，再考虑其他各项的问题。它们之间往往是互相矛盾的。例如，若设计的换热器的总传热系数较大，将导致流体通过换热器的压强降(阻力）增大，相应地增加了动力费用；若增加换热器的表面积，可能使总传热系数和压强降降低，但却又要受到安装换热器所能允许的尺寸的限制，且换热器的造价也提高了。 此外，其它因素(如加热和冷却介质的用量，换热器的检修和操作)也不可忽视。总之，设计者应综合分析考虑上述诸因素，给予细心的判断，以便作出一个适宜的设计。