1、一設計題目某生產過程的流程如圖所示，反應器的混合氣體經與進料物流患熱后，用循環冷卻水將其從130進一步冷卻至60之后，進入吸收塔吸收其中的可溶組分。已知混和氣體的流量為51500/h，壓力為2MPa ,循環冷卻水的壓力為0.4MPa ，循環水的入口溫度為37，出口溫度為40 ，試設計一臺列管式換熱器，完成該生產任務。二.確定設計方案1 選擇換熱器的類型兩流體溫的變化情況：熱流體進口溫度130 出口溫度60；冷流體進口溫度37，出口溫度為40，該換熱器用循環冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。2 管程安

2、排 從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環冷卻水走殼程。但由于循環冷卻水較易結垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下賤，所以從總體考慮，應使循環水走管程，混和氣體走殼程。 三 .確定物性數據 定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為 T= =95 管程流體的定性溫度為t= 根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據。對混合氣體來說，最可靠的無形數據是實測值。若不具備此條件，則應分別查取混合無辜組分的有關物性數據，然后按照相應的加和方法求出混和氣體的物性數據。混和氣體在95下的有關物性數據如下（來

3、自生產中的實測值）： 密度 /m3 定壓比熱容 =1.4kJ/kg 熱導率 =0.0317w/m粘度 循環水在38.5 下的物性數據： 密度=992.725/m3定壓比熱容=4.18kj/kg 熱導率 =0.63245w/m粘度 四.估算傳熱面積1 熱流量 Q1=515001.4(130-60)=1401.94kw2.平均傳熱溫差 先按照純逆流計算，得 =3.傳熱面積 由于殼程氣體的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=280W/(k)（參照表5-4,p142）則估算的傳熱面積為 Ap=4.冷卻水用量 m=五.工藝結構尺寸1管徑和管內流速 一般1.0-1.5ms（p406參照附錄20）。選用2

4、52.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內流速u1=1.1m/s2管程數和傳熱管數 可依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數 Ns=按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L= 3.平均傳熱溫差校正及殼程數 平均溫差校正系數按式（5-97）和式（5-98）有 R= P=按單程結構，查附錄22（p409）得 平均傳熱溫差 （公式5-95p145）4.傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內均按正三角形排列,隔板兩側采用正方形排列。見圖5-13（p130）。 取管心距t=1.25d0，則 t=1.2525=31.2532隔板中心到離其最.近一排管中心距離按下列公式計算S=t/2+6=32/2+6=22

5、（6為隔板厚度）.各程相鄰管的管心距為22。管數的分成方法，每程各有傳熱管326根，其前后關于隔板設置和介質的流通順序按圖3-14選取。5殼體內徑 采用多管程結構，殼體內徑可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.75 ，則殼體內徑為 D=1.05t按卷制殼體的進級檔，可取D=750mm解釋：殼截面積乘以修正系數1.05.6折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為 H=0.25750=187.5m，故可取h=200mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3750=225mm，可取B為250mm。折流板數目NB=7接管殼程流體進出口接管：取接管內氣體流

6、速為u1=10m/s，則接管內徑為圓整后可取管內徑為310mm。管程流體進出口接管：取接管內液體流速u2=2.5m/s，則接管內徑為圓整后去管內徑為240mm六.換熱器核算1 熱流量核算Nu=f(Re,Pr,Gr) 5-38（具體見p126）（1）殼程表面傳熱系數 用克恩法計算，見p131 有折流板式5-54 無折流板式5-52 當量直徑正三角形排列 公式5-56 =正方形排列 公式5-55 =殼程流體流過管間最大截面積，依式5-57（p131） 得 （1-d/t）總截面中空隙的比例殼程流體流速及其雷諾數分別為 普朗特數 粘度校正 （2）管內表面傳熱系數 按式5-42至式5-51（p127）計

7、算 低粘度流體在圓形直管內作強制湍流有 管程流體流通截面積管程流體流速 普朗特數 （3）污垢熱阻和管壁熱阻 按附錄24查壁面污垢熱阻（p412），可取管外側污垢熱阻 管內側污垢熱阻管壁熱阻按式3-34計算，依表3-14，碳鋼在該條件下的熱導率為50w/(mK)。所以（4） 傳熱系數依式5-86有 （5）傳熱面積裕度 依式3-35可得所計算傳熱面積Ac為該換熱器的實際傳熱面積為Ap該換熱器的面積裕度為傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務。2 壁溫計算 因為管壁很薄，而且壁熱阻很小，故管壁溫度可按式3-42計算。由于該換熱器用循環水冷卻，冬季操作時，循環水的進口溫度將會降低。為確保可靠，取循

8、環冷卻水進口溫度為19，出口溫度為40計算傳熱管壁溫。另外，由于傳熱管內側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。于是，按式4-42有 式中液體的平均溫度和氣體的平均溫度分別計算為 0.440+0.619=27.4 (130+60)/2=95 5360w/k 651.1w/k傳熱管平均壁溫 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=95。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 。 該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。由于換熱器殼程壓力較大，因此，需選

9、用浮頭式換熱器較為適宜。3換熱器內流體的流動阻力（1）管程流體阻力 殼程數, 管程數 , Fs=1.5管程結垢校正系數（正三角形排列）, 由Re=32330，傳熱管相對粗糙度0.01，查圖1-29（p29）得，流速u=1.100m/s,所以， 換熱管直管內阻力 換熱接著拐彎處阻力 管程流體阻力在允許范圍之內。（3）換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表：參數管程殼程流率402470.8151500進/出口溫度/37/40130/60壓力/MPa0.42物性定性溫度/38.595密度/（kg/m3）992.72518.94定壓比熱容/kj/（kgk）4.181.4粘度/（Pas）0.675532.1

10、7熱導率（W/mk） 0.632450.0317普朗特數4.460.6625設備結構參數形式浮頭式殼程數1殼體內徑/750臺數1管徑/252.5管心距/32管長/4000管子排列管數目/根326折流板數/個15傳熱面積/102.36折流板間距/250管程數1材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.10018.4表面傳熱系數/W/（k）5360651.1污垢熱阻/（k/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.009910.00480熱流量/KW1401.94傳熱溫差/K 49.1傳熱系數/W/（K）336裕度/% 20.45%七參考文獻1 劉積文主編，石油化工設備及制造概論，哈爾濱；哈爾濱船舶工程學院出版