用水冷却甲苯的列管式换热器设计

化工原理课程设计

一、设计题目：用水冷却甲苯的列管式换热器设计

二、设计任务及操作条件 1、设计任务：

（1）选择适宜的列管式换热器；（2）核算；（3）在A3图纸中绘制换热器结构图、管板结构图、折流结构图

设计说明书一份、A3图纸一张； 2、操作条件

处理能力：甲苯进料量：110000吨/年

操作时间： 8000 小时／年

甲苯：入口温度90℃，出口温度60℃； 操作压力 （0.4~0.6）MPa 水： 入口温度30℃，出口温度50℃ 操作压力 （0.4~0.6）MPa

允许压降不大于0.1 Mpa，厂址：宁波地区。

三、设备型式

列管式换热器 四、设计项目(说明书格式) 1、封面、任务书、目录。

2、设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 3、换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积，并初选换热器规格 4、核算总传热系数，计算压力降 5、换热器的主要结构尺寸设计。

6、绘制水冷却甲苯的列管式换热器设计的换热器装配简图。 7、对本设计进行评述。 8、参考文献

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目 录

1 设计方案简介 1

1.1工艺流程概述 ................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2选择列管式换热器的类型 ............................................................... 错误！未定义书签。

1.2.1列管式换热器的分类 .............................................................................................. 4 1.2.2类型的确定 .............................................................................................................. 3 1.3流动路径的选择 ................................................................................................................. 5

2 换热器的工艺计算及选型 5

2.1确定物性数据 ..................................................................................................................... 5 2.2初算换热器的传热面积 ..................................................................................................... 6 2.3初选换热器规格 ................................................................................................................. 6

3 换热器核算 7

3.1压力降的核算 ..................................................................................................................... 7

3.1.1管程压力降 .............................................................................................................. 8 3.1.2壳程压力降 .............................................................................................................. 8 3.2总传热系数的核算 ............................................................................................................. 9

4 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计 9

4.1壳体壁厚的确定 ................................................................................................................. 9 4.2管子拉脱力计算 ................................................................................................................. 9 4.3换热器的主要结构尺寸设计参数 ................................................................................... 10

5 换热器装配简图 6 设计评述 7 参考文献

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1 设计方案简介

1.1工艺流程概述

由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图1，甲苯经泵抽上来，经管道从接管A进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管C进入换热器管程。两物质在换热器中进行交换，甲苯从90℃被冷却至60℃之后，由接管B流出；循环冷却水则从30℃升至50℃，由接管D流出。

DAHEATXCPUMPC7H8BPUMP2H2O

图1 工艺流程草图

1.2选择列管式换热器的类型

列管式换热器，又称管壳式换热器，是目前化工生产中应用最广泛的传热设备。其主要优点是：单位体积所具有的传热面积大以及窜热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围广，操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列壳式换热器。

1.2.1列管式换热器的分类

根据列管式换热器结构特点的不同，主要分为以下几种： ⑴固定管板式换热器

固定管板式换热器，结构比较简单，造价较低。两管板由管子互相支承，因而在各种列管式换热器中，其管板最薄。其缺点是管外清洗困难，管壳间有温差应力存在，当两种介质温差较大时，必须设置膨胀节。

固定管板式换热器适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。 ⑵浮头式换热器

浮头式换热器，一端管板式固定的，另一端管板可在壳体内移动，因而管、

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壳间不产生温差应力。管束可以抽出，便于清洗。但这类换热器结构较复杂，金属耗量较大；浮头处发生内漏时不便检查；管束与壳体间隙较大，影响传热。 浮头式换热器适用于管、壳温差较大及介质易结垢的场合。 ⑶填函式换热器

填函式换热器，管束一端可以自由膨胀，造价也比浮头式换热器低，检修、清洗容易，填函处泄漏能及时发现。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。 ⑷U形管式换热器

U形管式换热器，只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管内不便清洗，管板上布管少，结垢不紧凑，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换。

U形管式换热器适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁，不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。

1.2.2类型的确定

所设计的换热器用于冷却甲苯，甲苯：入口温度90℃，出口温度60℃；水：入口温度30℃，出口温度50℃；该换热器的管壁温和壳体壁温之差满足Tm-tm=75-40=35℃﹤50℃，两流体温度差不大。加上固定管板式换热器结构简单、造价低廉，所以本设计选用固定管板式换热器，且不需考虑热补偿。

1.3流动路径的选择

本设计为两流体均不发生相变的传热过程，因水的对流传热系数一般较大，且易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，甲苯走壳程。

2 换热器的工艺计算及选型

2.1确定物性数据

90?6030?50?75℃，查得水、甲?40℃，甲苯定性温度T?22苯在各自定性温度下的物性数据：

表1 定性温度下各流体物性[1] 水的定性温度t? 密度/(kg/m3) 比热容/(kJ/( kg·℃)) 黏度/(Pa·s) 导热系数/(w/m·℃) 水 甲苯 992.2 812.6 4.174 1.867 0.656×10-3 0.350×10-3 0.6338 0.145 2.2初算换热器的传热面积

⑴计算热负荷和冷却水流量

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