化工原理课程设计说明书列管式换热器设计专业：过程装备与控制工程学院：机电工程学院化工原理课程设计任务书某生产过程的流程如图3-20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220301kg 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。

已知：混合气体在85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值） 密度 3190kg m ρ= 定压比热容1 3.297p c kj kg =g ℃ 热导率10.0279w m λ=g ℃ 粘度51 1.510Pa s μ-=⨯g 循环水在34℃下的物性数据： 密度 31994.3kg m ρ= 定压比热容1 4.174p c kj kg =g K 热导率10.624w m λ=g K 粘度310.74210Pa s μ-=⨯g目录1、确定设计方案 ............................................................................................. - 4 -1.1选择换热器的类型 (4)1.2流程安排 (4)2、确定物性数据............................................................................................. - 4 -3、估算传热面积............................................................................................. - 5 -3.1热流量 (5)3.2平均传热温差 (5)3.3传热面积 (5)3.4冷却水用量 (5)4、工艺结构尺寸............................................................................................. - 5 -4.1管径和管内流速 (5)4.2管程数和传热管数 (5)4.3传热温差校平均正及壳程数 (6)4.4传热管排列和分程方法 (6)4.5壳体内径 (6)4.6折流挡板 (7)4.7其他附件 (7)4.8接管 (7)5、换热器核算 ................................................................................................ - 8 -5.1热流量核算 (8)5.1.1壳程表面传热系数.......................................................................................... - 8 -5.1.2管内表面传热系数.......................................................................................... - 8 -5.1.3污垢热阻和管壁热阻...................................................................................... - 9 -5.1.4传热系数.......................................................................................................... - 9 -5.1.5传热面积裕度.................................................................................................. - 9 -5.2壁温计算. (9)5.3换热器内流体的流动阻力 (10)5.3.1管程流体阻力................................................................................................ - 10 -5.3.2壳程阻力........................................................................................................ - 11 -5.3.3换热器主要结构尺寸和计算结果................................................................ - 11 -6、结构设计 .................................................................................................. - 12 -6.1浮头管板及钩圈法兰结构设计 (12)6.2管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 (13)6.3管箱结构设计 (13)6.4固定端管板结构设计 (14)6.5外头盖法兰、外头盖侧法兰设计 (14)6.6外头盖结构设计 (14)6.7垫片选择 (14)6.8鞍座选用及安装位置确定 (14)6.9折流板布置 (15)6.10说明 (15)7、强度设计计算........................................................................................... - 15 -7.1筒体壁厚计算 (15)7.2外头盖短节、封头厚度计算 (16)7.3管箱短节、封头厚度计算 (16)7.4管箱短节开孔补强校核 (17)7.5壳体接管开孔补强校核 (18)7.6固定管板计算 (19)7.7浮头管板及钩圈 (20)7.8无折边球封头计算 (20)7.9浮头法兰计算 (21)参考文献 ....................................................................................................... - 22 -1、确定设计方案1.1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。

1.2流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。

2、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=260110+ =85℃管程流体的定性温度为t=3422939=+℃ 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85℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：密度 3190kg m ρ= 定压比热容1 3.297p c kj kg =g ℃ 热导率10.0279w m λ=g ℃ 粘度51 1.510Pa s μ-=⨯g 循环水在34℃ 下的物性数据： 密度 31994.3kg m ρ= 定压比热容1 4.174p c kj kg =g k 热导率10.624w m λ=g k 粘度310.74210Pa s μ-=⨯g3、估算传热面积3.1热流量Q 1=111t c m p ∆=220301×3.297×(110-60)=3.64×107kj/h =10098kw3.2平均传热温差先按照纯逆流计算，得 m t ∆=K 3.48296039110ln)2960()39110(=-----3.3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=313W/(m 2·k)则估算的传热面积为A p =216683.4831310098000m t K Q m =⨯=∆ 3.4 冷却水用量m =ipi t c Q ∆1=1010174.4100980003⨯⨯=h kg s kg /870855/9.241= 4、工艺结构尺寸4.1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=1.3m/s 。

4.2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n s =5963.102.0785.03.994/9.241422=⨯⨯=u d V i π 按单程管计算，所需的传热管长度为 L=m n d A so p3.14596025.014.3668=⨯⨯=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N p =273.14≈=l L （管程） 传热管总根数 N T =596×2=1192（根）4.3传热温差校平均正及壳程数平均温差校正系数：R=5293960110t t T -T 1221=--=- P=124.0291102939t T t t 1112=--=-- 按单壳程，双管程结构，查【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图5-19得：96.0=∆t ε平均传热温差 46.448.30.96=⨯=∆=∆∆塑m t m t t εK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。

4.4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【化学工业出版社《化工原理》（第三版）上册】：图6-13。

取管心距t=1.25d 0，则t=1.25×25=31.25≈32（mm ）隔板中心到离其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22（mm ）各程相邻管的管心距为44mm 。