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1、1概述 化工生产中所用的换热器类型很多。按其用途分，有加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器。按其结构分，有列管式、板式等。不同类型换热器，其性能各异。列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热器设备，设计资料和数据比较完善，目前在许多国家已有系列化标准。列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其它新型换热器，但由于它有结构牢固、适应性大、材料范围广等独特优点，因而在各种换热器的竞争发展中占有绝对优势。2设计方案的确定2.1 列管式换热器型式的选择 本次设计任务是用25的自来水将甲苯从105冷却到60，两种换热流体的温差较大，故可选用浮头式换热器。浮头式换热器管束可以拉出，便于清洗；管
2、束的膨胀不受壳体的约束，因而当两种换热流体的温差较大时，不会因为管束与壳体的膨胀量不同而产生温差应力。 2.2 流程的选择 可选水走管程，甲苯走壳程。原因：冷却水硬度较高，受热后容易结垢，在管内便于清洗，管内流体易于维持较高流速，可以避免悬浮颗粒的沉积。被冷却物料走壳程，便于散热。2.3 流速的选择 表1 列管式换热器内常用的流速范围 流体种类流速/（m/s）流体种类流速/（m/s）管程壳程管程壳程一般流体0.530.21.5气体530315易垢流体10.5 表2 不同黏度流体的流速（以普通钢管为例）流体黏度/10Ns/m最大流速（m/s）流体黏度/10Ns/m最大流速（m/s）15000.6
3、100351.515005000.753511.85001001.112.4由题意选管程流速为0.7m/s。2.4 确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值壳程甲苯的定性温度 T=82.5管程水的定性温度 t = =30根据定性温度，分别查表可得有关物性数据：物质物性甲苯（82.5）水（30）比热容cJ/(kg)19104174密度(kg/m)808995.7黏度(pas)0.00030.000801导热系数w/（m）0.1210.6173. 工艺计算 3.1根据传热基本方程式Q=KAt来估算传热面积3.11传热量 Q= =3.6110kJ/h1.010w3.12平均传热温差 甲苯 1
4、0560 水 3525 温差 70 35t=50.53.13冷却水的用量 W=86488(kg/h)3.14估算传热面积 取K值为420w/(m) A=47.1m4. 换热器的工艺结构尺寸计算4.1 管程与管数选取F 252.5n=109.8取110（根）4.2 管长的确定传热管长度L=5.45m取管长=3mN=(管程)传热管总根数N=1102=220(根)4.3 平均传热温差校正R=P=查表可得t=0.964.4 采用三角形排列，取管心距a=1.25d则： a=1.2525=31.2532mm横过管中心线管数 b=1.1=1.1=16.3 取174.5 壳体内径采用多管程结构，壳体内径应等于
5、或稍大于关闭的直径：式中 D壳体内径,mm； a 管心距，mm；b最外层的六角形对角线上的管数；e六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(11.5)d，取32mm。圆整可取 D=600mm（410） 4.6 折流板 采用方形折流板，取方形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 h=0.25600=150mm取折流板间距B=0.3D=0.3600180mm取200mm折流板数N=传热管长/折流板间距1查表得拉杆直径为12mm，拉杆数为4。5. 换热器的校核计算5.1 壳程对流给热系数 当量直径，由正三角形得： d=0.02m 壳程流通面积： =BD(1)=0.20.6（1）=
6、0.0263m 壳体流速及其雷诺数： u=/s Re= 普兰特准数： Pr= 5.2 管程对流给热系数 S= u= Re=Pr=5.3 传热系数K （1.151.25）5.4 传热面积S 换热器面积： S=该换热器的实际面积S= (1.11.3)5.5 换热器压降的计算5.51 管程压降 式中 分别为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；结垢校正因数，量纲为1，对的管子，取1.4；管程数；串联的壳程数。 查表得 =（1317.3+731.8）1.412=5737.48Pa35kPa5.52 壳程压降流体横过管束的压强降，Pa流体通过折流板缺口的压强降，Pa 壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1
7、，液体可取1.15。式中 管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=1.15壳程流体的摩擦系数，当Re500时,;横过管束中心线的管子数;折流挡板数;折流挡板间距，m;按壳程流通截面积计算的流速,m/s。而 = (6848.7+4659.0) 壳程流动阻力也比较适宜。 6. 设计结果总汇 换热器主要结构尺寸和计算结果见表 3。 表3 换热器主要结构尺寸和计算结果换热器形式：浮头式换热面积/m 51.8工艺参数名称物料名称操作压力/MPa操作温度/流量/（kg/h）管程循环水0.425/3586488壳程甲苯0.6105/6040000流体密度/（kg/m）995.7808流速/(m/s
8、)0.700.52传热量/kw1000总传热系数/497.8传热系数/0.6170.121污垢系数/0.0003440.000172阻力降Pa5737.4813233.8程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管数220管长6000mm管间距/mm32排列方式正三角形折流板形式上下间距200mm壳体内径/mm600切口高度150mm 7. 参考文献 1 任晓光.化工原理课程设计指导.北京:化学工业出版社, 2009 2 夏清 陈常贵.化工原理.天津:天津大学出版社,2005 3 马江泉 冷一欣. 化工原理课程设计指导.北京：中国石化出版社，2009 4 刘光启 马连湘 刘杰.化学化工物性数据手册.北京：化学工业出版社，200211