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      列管式換熱器設計
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      • 列管式換熱器設計
        一.設計任務和設計條件
        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110℃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227301㎏/h,壓力為6.9MPa ,循環冷卻水的壓力為0.4MPa ,循環水的入口溫度為29℃,出口溫度為39℃ ,試設計一臺列管式換熱器,完成該生產任務。


        物性特征:
        混和氣體在35℃下的有關物性數據如下(來自生產中的實測值):
        密度
        定壓比熱容 =3.297kj/kg℃
        熱導率 =0.0279w/m
        粘度
        循環水在34℃ 下的物性數據:
        密度 =994.3㎏/m3
        定壓比熱容 =4.174kj/kg℃
        熱導率 =0.624w/m℃
        粘度
        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110℃ 出口溫度60℃;冷流體進口溫度29℃,出口溫度為39℃,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= =85℃
        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35℃下的有關物性數據如下(來自生產中的實測值):
        密度
        定壓比熱容 =3.297kj/kg℃
        熱導率 =0.0279w/m
        粘度 =1.5×10-5Pas

        循環水在34℃ 下的物性數據:
        密度 =994.3㎏/m3
        定壓比熱容 =4.174kj/kg℃
        熱導率 =0.624w/m℃
        粘度 =0.742×10-3Pas

        四.估算傳熱面積
        1.熱流量
        Q1=
        =227301×3.297×(110-60)=3.75×107kj/h =10416.66kw
        2.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=320W/(㎡k)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 選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管(碳鋼),取管內流速u1=1.3m/s。
        2.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=
        按單程管設計,傳熱管過長,宜采用多管程結構。根據本設計實際情況,采用非標設計,現取傳熱管長l=7m,則該換熱器的管程數為
        Np=
        傳熱管總根數 Nt=612×2=1224
        3.平均傳熱溫差校正及殼程數 平均溫差校正系數按式(3-13a)和式(3-13b)有 R=
        P=
        按單殼程,雙管程結構,查圖3-9得

        平均傳熱溫差 ℃
        由于平均傳熱溫差校正系數大于0.8,同時殼程流體流量較大,故取單殼程合適。
        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3-13。
        取管心距t=1.25d0,則 t=1.25×25=31.25≈32㎜
        隔板中心到離其最.近一排管中心距離按式(3-16)計算
        S=t/2+6=32/2+6=22㎜
        各程相鄰管的管心距為44㎜。
        管數的分成方法,每程各有傳熱管612根,其前后關鄉中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η=0.75 ,則殼體內徑為
        D=1.05t
        按卷制殼體的進級檔,可取D=1400mm
        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=0.25×1400=350m,故可取h=350mm
        取折流板間距B=0.3D,則 B=0.3×1400=420mm,可取B為450mm。
        折流板數目NB=
        折流板圓缺面水平裝配,見圖3-15。
        7.其他附件
        拉桿數量與直徑按表3-9選取,本換熱器殼體內徑為1400mm,故其拉桿直徑為Ф12拉桿數量不得少于10。
        殼程入口處,應設置防沖擋板,如圖3-17所示。
        8.接管
        殼程流體進出口接管:取接管內氣體流速為u1=10m/s,則接管內徑為

        圓整后可取管內徑為300mm。
        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360mm

        六.換熱器核算
        1.熱流量核算
        (1)殼程表面傳熱系數 用克恩法計算,見式(3-22)

        當量直徑,依式(3-23b)得
        =
        殼程流通截面積,依式3-25 得

        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3-32和式3-33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 按表3-10,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/(m·K)。所以 ...
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