设计任务和设计条件 某生产过程的流程如图所示,反应器的混合气体经与进料物流患热 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 收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301kg/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℃,出口温度为 39℃,试设计一台列管式换热器,完成该生产任务 原料补充 压缩机 反 吸 换热器 塔 循环冷水 物性特征: 混和气体在35℃下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值): 密度 P,=90kg/m 定压比热容 cn=3.297kj/kg℃ 热导率 A1=0.0279w/m 粘度 11=1.5×10-Pc 循环水在34℃下的物性数据: 密度 p1=994.3kg 定压比热容 cn=4.174kj/kg℃ 热导率 λ1=0.624w/m℃ 粘度 1=0.742×103Pas
1 一．设计任务和设计条件 某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进料物流患热 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 收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为 227301 ㎏/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℃，出口温度为 39℃ ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。 物性特征： 混和气体在 35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 3 1 = 90kg / m 定压比热容 p1 c =3.297kj/kg℃ 热导率 1 =0.0279w/m 粘度 Pas 5 1 1.5 10− = 循环水在 34℃ 下的物性数据： 密度 1 =994.3 ㎏/m 3 定压比热容 p1 c =4.174kj/kg℃ 热导率 1 =0.624w/m℃ 粘度 Pas 3 1 0.742 10− =
确定设计方案 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。 2.管程安排 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,将会加快污垢増长速度, 使换热器的热流量下贱,所以从总体考虑,应使循环水走管程,混和气 体走壳程
2 二． 确定设计方案 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。 2．管程安排 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贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气 体走壳程
三.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 110+60 T =85℃ 管程流体的定性温度为 39+29 34℃ 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35℃下的有关物性数据如下(来自生产中的实测值): 密度 P,=90kg/m 定压比热容 Cpl=3. 297kj/kg 热导率 41=0.0279w/m 粘度 1=1.5×10Pas 循环水在34℃下的物性数据 密度 p1=994.3kg/m 定压比热容cn1=4.174kj/kg℃ 热导率 41=0.624w/m℃ 粘度 1=0.742×10Pas 3
3 三． 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= 2 110 + 60 =85℃ 管程流体的定性温度为 t= 34 2 39 29 = + ℃ 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 35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 3 1 = 90kg / m 定压比热容 p1 c =3.297kj/kg℃ 热导率 1 =0.0279w/m 粘度 1 =1.5×10 -5 Pas 循环水在 34℃ 下的物性数据： 密度 1 =994.3 ㎏/m 3 定压比热容 p1 c =4.174kj/kg℃ 热导率 1 =0.624w/m℃ 粘度 1 =0.742×10 -3 Pas
四.估算传热面积 1.热流量 Q1=mcn△1 =227301×3.297×(110-60)=3.75×10kj/h=10416.66kw 2.平均传热温差先按照纯逆流计算,得 A=10-39)-(66-29)=483k 110-39 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=320W/(mk)则估算的传热面积为 Q110416.66×10 674m K△t 320×48.3 4.冷却水用量 m=9=1041610=2496kg/s=898560kg/h cmA14174×103×10
4 四． 估算传热面积 1．热流量 Q1= 1 1 1 m c t p =227301×3.297×(110-60)=3.75×107 kj/h =10416.66kw 2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 m t = 48.3K 60 29 110 39 ln (110 39) (60 29) = − − − − − 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=320W/(㎡ k)则估算的传热面积为 Ap= 2 3 1 674 320 48.3 10416.66 10 m K t Q m = = 4.冷却水用量 m= pi i c t Q 1 = 249.6k g /s 898560k g / h 4.174 10 10 10416.66 10 3 3 = =
五.工艺结构尺寸 1.管径和管内流速选用Φ25×2.5较髙级冷拔传热管(碳钢),取管内流速 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 Ns=1898560(3600×9943)=612 du 0.785×0.022×1.3 按单程管计算,所需的传热管长度为 674 ln3.14×0.025×61214m 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1=7皿,则该换热器的管程数为 2 传热管总根数 Nt=612×2=1224 3.平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数按式(3-13a)和式(3-13b) 有 l10-60 5 39-29 0.124 110-29 按单壳程,双管程结构,査图3-9得 E=0.96 平均传热温差 Mt明=0.96×48.3=464℃ 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.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。见图3-13 取管心距t=1.25d0,则t=1.25×25=31.25≈32mm 隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式(3-16)计算 S=t/2+6=32/2+6=22mm 各程相邻管的管心距为44m。 管数的分成方法,每程各有传热管612根,其前后关乡中隔板设置和介质的流通 5
5 五． 工艺结构尺寸 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 u1=1.3m/s。 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 Ns= 612 0.785 0.02 1.3 898560 /(3600 994.3) 4 2 2 = = d u V i 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= m d n A o s p 14 3.14 0.025 612 674 = 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 Np= 2 7 14 = = l L 传热管总根数 Nt=612×2=1224 3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式（3-13a）和式（3-13b） 有 R= 5 39 29 110 60 = − − P= 0.124 110 29 39 29 = − − 按单壳程，双管程结构，查图 3-9 得 t = 0.96 平均传热温差 = 塑 = 0.96 48.3 = 46.4 m t m t t ℃ 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.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。见图 3-13。 取管心距 t=1.25d0，则 t=1.25×25=31.25≈32 ㎜ 隔板中心到离其最.近一排管中心距离按式（3-16）计算 S=t/2+6=32/2+6=22 ㎜ 各程相邻管的管心距为 44 ㎜。 管数的分成方法，每程各有传热管 612 根，其前后关乡中隔板设置和介质的流通