正戊烷换热器.docx

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正戊烷换热器

标准系列化管壳式换热器的设计计算步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能

（2）计算传热量，并确定第二种流体的流量

（3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核

（6）选取经验传热系数

（7）计算传热面积

（8）查换热器标准系列，获取其基本参数

（9）校核传热系数，包括管程、壳程对流给热系数的计算。

假如核算的K与原选的经验值相差不大，就不再进行校核。

若相差较大，则需重复（6）以下步骤

（10）校核有效平均温度差

（11）校核传热面积

（12）计算流体流动阻力。

若阻力超过允许值，则需调整设计。

非标准系列化列管式换热器的设计计算步骤

（1）了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能

（2）计算传热量，并确定第二种流体的流量

（3）确定流体进入的空间

（4）计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

（5）计算有效平均温度差，一般先按逆流计算，然后再校核

（6）选取管径和管内流速

（7）计算传热系数，包括管程和壳程的对流传热系数，由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此，一般先假定一个壳程传热系数，以计算K，然后再校核

（8）初估传热面积，考虑安全因素和初估性质，常采用实际传热面积为计算传热面积值的1.15~1.25倍

（9）选取管长

（10）计算管数

（11）校核管内流速，确定管程数

（12）画出排管图，确定壳径和壳程挡板形式及数量等

（13）校核壳程对流传热系数

（14）校核平均温度差

（15）校核传热面积

（16）计算流体流动阻力。

若阻力超过允许值，则需调整设计。

正戊烷立式管壳式冷凝器的设计（标准系列）

一、设计任务

1.处理能力：

2.376×104t/a正戊烷；

2.设备形式：

立式列管式冷凝器。

二、操作条件

1.正戊烷：

冷凝温度51.7℃，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器；

2.冷却介质：

为井水，流量70000kg/h，入口温度32℃；

3.允许压降：

不大于105Pa；

4.每天按330天，每天按24小时连续运行。

三、设计要求

选择适宜的列管式换热器并进行核算。

附：

正戊烷立式管壳式冷却器的设计——工艺计算书（标准系列）

正戊烷立式管壳式冷凝器的设计——工艺计算书（标准系列）

本设计的工艺计算如下：

此为一侧流体为恒温的列管式换热器的设计。

1.确定流体流动空间

冷却水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷的散热和冷凝。

2.计算流体的定性温度，确定流体的物性数据

正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据（查化工原理附录）

井水的定性温度：

入口温度为

，出口温度为

式中

井水的定性温度为

两流体的温差

，故选固定管板式换热器

两流体在定性温度下的物性数据如下

物性

流体

温度

℃

密度

kg/m3

粘度

mPa·s

比热容

kJ/（kg·℃）

导热系数

W/（m·℃）

正戊烷

51.7

596

0.18

2.34

0.13

井水

35.67

993.7

0.717

4.174

0.627

3.计算热负荷

4.计算有效平均温度差

逆流温差

5.选取经验传热系数K值

根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系数

，现暂取

。

6.估算换热面积

7.初选换热器规格

立式固定管板式换热器的规格如下

公称直径D…………………………500mm

公称换热面积S……………………40m2

管程数Np…………………………..2

管数n………………………………..172

管长L………………………………..3.0m

管子直径……………………………..

管子排列方式………………………..正三角形

换热器的实际换热面积

该换热器所要求的总传热系数

8.核算总传热系数

（1）计算管程对流传热系数

（湍流）

故

（2）计算壳程对流传热系数

因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算

现假设管外壁温

，则冷凝液膜的平均温度为

，这与其饱和温度很接近，故在平均膜温45.85℃下的物性可沿用饱和温度51.7℃下的数据，在层流下：

（3）确定污垢热阻

（4）总传热系数

所选换热器的安全系数为

表明该换热器的传热面积裕度符合要求。

（5）核算壁温与冷凝液流型

核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算

，这与假设相差不大，可以接受。

核算流型

冷凝负荷

（符合层流假设）

9.计算压强降

（1）计算管程压降

（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）

取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则

，而

，于是

对

的管子有

（2）计算壳程压力降

壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，可忽略压降。

由此可知，所选换热器是合适的。

列管式换热器的设计

列管式换热器的应用已有很悠久的历史。

现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。

同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。

为此本章对这两类换热器的工艺设计进行介绍。

　　列管式换热器的设计资料较完善，已有系列化标准。

目前我国列管式换热器的设计、制造、检验、验收按“钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151）标准执行。

　　列管式换热器的设计和分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计。

其中以热力设计最为重要。

不仅在设计一台新的换热器时需要进行热力设计，而且对于已生产出来的，甚至已投人使用的换热器在检验它是否满足使用要求对，均需进行这方面的工作。

　　热力设计指的是根据使用单位提出的基本要求，合理地选择运行参数，并根据传热学的知识进行传热计算。

　　流动设计主要是计算压降，其目的就是为换热器的辅助设备——例如泵的选择做准备。

当然，热力设计和流动设计两者是密切关联的，特别是进行热力计算时常需从流动设计中获取某些参数。

　　结构设计指的是根据传热面积的大小计算其主要零部件的尺寸，例如管子的直径、长度、根数、壳体的直径、折流板的长度和数目、隔板的数目及布置以及连接管的尺寸，等等。

　　在某些情况下还需对换热器的主要零部件——特别是受压部件做应力计算，并校核其强度。

对于在高温高压下工作的换热器，更不能忽视这方面的工作。

这是保证安全生产的前提。

在做强度计算时，应尽量采用国产的标准材料和部件，根据我国压力容器安全技术规定进行计算或校核（该部分内容属设备计算，此处从略）。

1.1设计方案的确定

1.1.1换热器类型的选择

（1）固定管板式换热器

（2）浮头式换热器

　　（3）填料函式换热器

　　（4）U型管换热器

1.1.2流动空间的选择

在管壳式换热器的计算中，首先需决定何种流体走管程，何种流体走壳程，这需遵循一些一般原则。

　　①应尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。

　　②在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。

　　③管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。

　　④应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。

从这个角度来说，顺流式就优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均，不像逆流式那样，热、冷流体的高温部分均集中于一端，低温部分集中于另一端，易于因两端胀缩不同而产生热应力。

　　⑤对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简单。

　　⑥应尽量避免采用贵金属，以降低成本。

以上这些原则有些是相互矛盾的，所以在具体设计时应综合考虑，决定哪一种流体走管程，哪一种流体走壳程。

（1）宜于通入管内空间的流体

　　①不清洁的流体因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗。

　　②体积小的流体因为管内空间的流动截面往往比管外空间的截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成多程流动。

　　③有压力的流体因为管子承压能力强，而且还简化了壳体密封的要求。

④腐蚀性强的流体因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀材料，而壳体及管外空间的所有零件均可用普通材料制造，所以造价可以降低。

此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便，并容易检查。

　　⑤与外界温差大的流体因为可以减少热量的逸散。

（2）宜于通入管间空间的流体

　　①当两流体温度相差较大时，α值大的流体走管间，这样可以减少管壁与壳壁间的温度差，因而也减少了管束与壳体间的相对伸长，故温差应力可以降低。

　　②若两流体给热性能相差较大时，α值小的流体走管间，此时可以用翅片管来平衡传热面两侧的给热条件，使之相互接近。

　　③和蒸汽对流速和清理无甚要求，并易于排除冷凝液。

　　④粘度大的流体管间的流动截面和方向都在不断变化，在低雷诺数下，管外给热系数比管内的大。

　　⑤泄漏后危险性大的流体可以减少泄漏机会，以保安全。

此外，易析出结晶、沉渣、淤泥以及其他沉淀物的流体，最好通入比较更容易进行机械清洗的空间。

在管壳式换热器中，一般易清洗的是管内空间。

但在U形管、浮头式换热器中易清洗的都是管外空间。

1.1.3流速的确定

当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热面积减少、结构紧凑。

成本降低，一般也可抑止污垢的产生。

但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降ΔP增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。

换热器常用流速的范围见表2-2和表2-3。

表2-2换热器常用流速的范围

?

?

?

?

?

?

?

介质

循环水

新鲜水

一般液体

易结垢液体

低粘度油

高粘度油

气体

流速

管程流速，m/s

1.0~2.0

0.8~1.5

0.5~3

>1.0

0.8~1.8

0.5~1.5

5~30

壳程流速，m/s

0.5~1.5

0.5~1.5

0.2~1.5

>0.5

0.4~1.0

0.3~0.8

2~15

表2-3列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速

液体名称

乙醚、二氧化碳、苯

甲醇、乙醇、汽油

丙酮

氢气

安全流速，m/s

<1

<2~3

<10

≤8

1.1.4加热剂、冷却剂的选择

工业上常用的载热体及其适用场合列于表2-4，供选用时参考。

1.1.5流体出口温度的确定

换热终温有时是由工艺过程的需要决定的。

当换热终温可以选择时，由于该温度影响到热强度和换热效率，因此对换热器操作的经济合理性由影响。

在冷流体的出口温度与热流体的进口温度相等的极限情况下，换热效率虽然很大，但热强度很小，需要的传热面积为最大。

另外在决定换热终温时，一般不希望冷流体的出口温度高于热流体的出口温度，否则会出现反传热现象，当遇到这种情况时，可采用几个换热器串联的方法解决。

为了合理地规定换热终温，可参考下述数据。

（1）热端的温差≤20℃。

（2）冷端的温差分三种情况考虑：

①两种工艺流体换热时，在一般情况下，冷端温差≥20℃；

②两种工艺流体换热时，若热流体尚需进一步加热，则冷端温差≥15℃；

表2-4?

载热体的种类及适用范围

载热体名称

温度范围/℃

优?

点

缺?

点

加热剂

热水

40～100

可利用工业废水和冷凝水废热作为回收

只能用于低温，传热情况不好，本身易冷却，温度不易调节

饱和蒸汽

100～180

易于调节，冷凝潜热大，热利用率高

温度升高，压力也高，设备有困难。

180℃时对应的压力为10MPa

高温载热体

联苯混合物

液体：

15～255

蒸汽：

255～380

加热均匀，热稳定性好，温度范围宽，易于调节，高温时的蒸汽压很低，热焓值与水蒸汽接近，对普通金属不腐蚀

价昂，易渗透软性石棉填料，蒸汽易燃烧，但不爆炸，会刺激人的鼻粘膜

水银蒸汽

400～800

热稳定性好，沸点高，加热温度范围大，蒸汽压低

剧毒，设备操作困难

氯化铝-溴化铝共熔混合物蒸汽

200～300

500℃以下，混合物蒸汽是热稳定的，不含空气时对黑色金属无腐蚀，不燃烧，不爆炸，无毒，价廉，来源较方便

蒸汽压较大，300℃为1.22MPa

矿物油

≤250

不需高压加热，温度较高

粘度大，传热系数小，热稳定性差，超过250℃时易分解，易着火，用节困难

甘油

200～250

无毒，不爆炸，价廉，来源方便，加热均匀

极易吸水，且吸水后出点急剧下降

四氯联苯

100～300

400℃以下有较好的热稳定性，蒸汽压低，对铁、钢、不锈钢、青铜等均不腐蚀

蒸汽可使人体肝脏发生疾病

熔盐

142～530

常压下温度高

比热变小

烟道气

≥1000

温度高

传热差，比热害小，易局部过热

电热法

可达3000

温度范围大，可得特高温度，易调节

成本高

冷却剂

水

0～80

价廉，来源方便

空气

＞30

价廉，在缺水地区尤为适宜

盐水

-15～0

用于低温冷却

氨蒸汽

＜-15

用于冷冻工业

③采用水或其他冷却剂冷却时，冷端温差≥5℃。

如果超出上述数据，应通过技术经济比较来决定换热终温。

（3）冷却水的出口温度不宜太高，否则会加快水垢的生成。

对于经过良好净化的新鲜水，出口温度可达到45℃或稍高一些；对于净化较差的冷却水，出口温度建议不要超过40℃。

1.1.6材质的选择

在进行换热器设计时，换热器各种零、部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度。

流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。

当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。

在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。

至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

（1）碳钢

价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。

如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

（2）不锈钢

奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

1.2列管式换热器的结构

1.2.1管程结构

介质流经传热管内的通道部分称为管程。

（1）换热管布置和排列问距

常用换热管规格有ф19×2mm、ф25×2mm（1Crl8Ni9Ti）、ф25×2.5mm（碳钢10）。

小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。

所以，在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下，采用ф19mm×2mm直径的管子更为合理。

如果管程走的是易结垢的流体，则应常用较大直径的管子，有时采用ф38mm×2.5mm或更大直径的管子。

标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。

当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。

换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如图2-2所示。

（a）正方形直列    （b）正方形错列  （c）三角形直列    （d）三角形错列 （e）同心圆排列

图2-2>管子布置方式

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。

我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

对于多管程换热器，常采用组合排列方式。

每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。

管板上两管子中心的距离a称为管心距（或管间距）。

管心距取决于管板的强度、清洗管子外表面时所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。

当管子采用焊接方法固定时，相邻两根管的焊缝太近，会相互受到影响，使焊接质量不易保证。

而常用胀接法固定时，过小的管心距会造成管板在胀接时由于挤压力的作用发生变形，失去管子与管板之间的连接力。

根据生产实际经验，当管子外径为d0时，管心距a一般采用：

焊接法?

a=1.25do；

胀接法?

a=（1.30～1.50）do；

小直径的管子?

a≥do+10mm；

最外层管中心至壳体内表面的距离≥

d0+10mm；

管子材料常用的为碳钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金等。

应根据工作压力。

温度和介质腐蚀性等条件决定。

此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等亦有采用。

在设计和制造换热器时，正确选用材料很重要。

既要满足工艺条件的要求，又要经济。

对化工设备而言，由于各部分可采用不同材料，应注意由于不同种类的金属接触而产生的电化学腐蚀作用。

（2）管板

管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。

管板与管子的连接可胀接或焊接。

胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。

胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4MPa，设计温度不超过350℃的场合。

焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性。

管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。

固定管板常采用不可拆连接。

两端管板直接焊在外壳上并兼作法兰，拆下顶盖可检修胀口或清洗管内。

浮头式、U型管式等为使壳体清洗方便，常将管板夹在壳体法兰和顶盖法兰之间构成可拆连接。

（3）封头和管箱

1.2.2壳程结构

介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。

壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。

由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。

各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：

一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。

旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。

（1）壳体

壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。

直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。

壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。

介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。

如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。

用两个换热器串联也可得到同样的效果。

为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。

壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。

计算式如下：

单管程

D=t（nc-1）+（2~3）d0（2-1）

式中t——管心距，mm；

d0——换热管外径，mm；

nc——横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。

正三角形排列：

2-2）

正方形排列：

2-3）

多管程

（2-4）

式中N——排列管子数目；

η——管板利用率。

正角形排列：

2管程η=0.7~0.85

>4管程?

η=0.6~0.8

正方形排列：

2管程η=0.55~0.7

>4管程?

η=0.45~0.65

壳体内径D的计算值最终应圆整到标准值。

（2）折流板

在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。

折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。

圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种，如图2-4（a）、（b）所示。

切缺率（切掉圆弧的高度与壳内径之比）通常为20％~50％。

垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。

垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。

弓形折流板有单弓形和双弓形，如图2-5，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。

环盘型折流板如图2-4（C）所示，是由圆板和环形板组成的，压降较小，但传热也差些。

在环形板背后有堆积不凝气或污垢，所以不多用。

孔流型折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用于清洁流体，其应用更少。

折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。

一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。

（3）缓冲板

（5）壳程接管

1.3列管式换热器的设计计算

1.3.1设计步骤

目前，我国已制订了管壳式换热器系列标准，设计中应尽可能选用系列化的标准产品，这样可简化设计和加工。

但是实际生产条件千变万化，当系列化产品不能满足需要时，仍应根据生产的具体要求自行设计非系列标准的换热器。

此处将扼要介绍这两者的设计计算的基本步骤。

（1）非系列标准换热器的一般设计步骤

①了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能。

②由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量。

③决定流体通入的空间。

④计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。

⑤初算有效平均温差。

一般先按逆流计算，然后再校核。

⑥选取管径和管内流速。

⑦计算传热系数K值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算。

由于壳程对流传热系数与壳径、管束等结构有关，因此一般先假定一个壳程对流传热系数，以计算K值，然后再作校核。

⑧初估传热面积。

考虑安全系数和初估性质，常取实际传热面积是计算值的1.15~1.25倍。

⑨选择管长L。

⑩计算管数N。

⑾校核管内流速，确定管程数。

⑿画出排管图，确定壳径D和壳程挡板形式及数量等。

⒀校核壳程对流传热系数。

⒁校核有效平均温差。

⒂校核传热面积，应有一定安全系数，否则需重新设计。

⒃计算流体流动阻力。

如阻力超过允许范围，需调整设计，直至满意为止。

（2）系列标准换热器选用的设计步骤

①至⑤步与

（1）相同。

⑥选取经验的传热系数K值。

⑦计算传热面积。

⑧由系列标准选取换热器的基本参数。

⑨校核传热系数，包括管程、壳程对流传热系数的计算。

假如核算的K值与原选的经验值相差不大，就不再进行校核；如果相差较大，则需重新假设K值并重复上述③以下步骤。

⑩校核有效平均温差。

⑾校核传热面积，使其有一定安全系数，一般安全系数取1.1~1.25，否则需重行设计。

⑿计算流体流动阻力，如超过允许范围，需重选换热器的基本参数再行计算。

从上述步骤来看，换热器的传热设计是一个反复试算的过程，有时要反复试算2~3次。

所以，换热器设计计算实际上带有试差的性质。

2.3.2传热计算主要公式

传热速率方程式

Q=KSΔtm　　　　　（2-5）

式中?

Q——传热速率（热负荷），W；

K——总传热系数，W/（m2·℃）；