1、根据给定的原始条件，确定各股物料的进出口温度，计算换热器所需的传热面积，设计换热器的结构和尺寸，并要求核对换热器压强降是否符合小于30 kPa的要求。各项设计均可参照国家标准或是行业标准来完成。具体项目如下：设计要求：1. 某工厂的苯车间，需将苯从其正常沸点被冷却到40；使用的冷却剂为冷却水，其进口温度为 30，出口温度自定。2. 物料（苯）的处理量为1000 吨/日。3. 要求管程、壳程的压力降均小于30 kPa。1、换热器类型的选择。列管式换热器2、管程、壳程流体的安排。水走管程，苯走壳程，原因有以下几点：1.苯的温度比较高，水的温度比较低，高温的适合走管程，低温适合走壳程2.传热系数比较

　　2、大的适合走壳程，水传热系数比苯大3.干净的物流宜走壳程。而易产生堵、结垢的物流宜走管程。3、热负荷及冷却剂的消耗量。冷却介质的选用及其物性。按已知条件给出，冷却介质为水，根进口温度t1=30，冷却水出口温度设计为t2=38，因此平均温度下冷却水物性如下：密度=994kg/m3 粘度2=0.-3Pa.s导热系数=62.610-2 W/(m.K) 比热容Cpc=4.184 kJ/(kg.K)苯的物性如下：进口温度：80.1 出口温度：40密度=880kg/m3 粘度2=1.1510-3Pa.s导热系数=14.810-2 W/(m.K) 比热容Cpc=1.6 kJ/(kg.K)苯处理量：1

　　3、000t/day=kg/h=11.57kg/s热负荷：Q=WhCph（T2-T1）=11.57×1.6×1000×(80.1-40)=7.4×105W冷却水用量：Wc=Q/cpc(t2-t1)=7.4×105/4.184×1000×(38-30)=22.1kg/s4、传热面积的计算。平均温度差t'm=t2-t1lnt2t1=80.1-38-（40-30）ln80.1-3840-30=27.2确定R和P值R=T1-T2t2-t2=80.1-4038-30=5.01 P=t2-t1T1-t1=38-3080.1

　　4、-30=0.16查阅化工原理上册203页得出温度校正系数为0.8，适合单壳程换热器，平均温度差为tm=tm×0.9=27.2×0.9=24.5由化工原理上册表4-1估算总传热系数K（估计）为400W/（m2·）估算所需要的传热面积：S0=QK估计tm=×24.5=75m25、换热器结构尺寸的确定，包括：（1）传热管的直径、管长及管子根数；由于苯属于不易结垢的流体，采用常用的管子规格19mm×2mm管内流体流速暂定为0.7m/s所需要的管子数目：n=4Vdiui=4×(11.57/880)3.14&

　　5、#215;0.7×0.0152=122.1，取n为123管长：l'=S0nd0=×3.14×0.015=12.9m按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，选用三管程管子的排列方式及管子与管板的连接方式:管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。（2）壳体直径；e取1.5d0，即e=28.5mmDi=t(nc1)+2e=1.25×19×(1.13×1231)+2×28.5=537.0mm，按照标准尺寸进行整圆，壳体直径为600mm。此时长径比为7.5，符合6-10的范围。壳体壁厚的计算选

　　6、取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以排管方式：横过中心的管子数目：nc=1.13×123=21.1，取整21根有排管图得出，中心有21根管道时，按照正三角形排列，可排331根，每边各加8根，总共可以排列379根，除去6根拉杆，总共可以排出373，与上述计算相差不大，所以实际管子数目为373根。实际传热面积S0=Ndo（L-0.1）=373×3.14×0.019×（4.5-0.1）=97.9m2实际传热系数K=QtmS0=.5×97.9=308.5W/(m

　　7、2·K)（3）折流板尺寸和板间距；选取折流板与壳体间的间隙为3.5mm，因此，折流板直径 Dc=600-23.5=593mm切去弓形高度 h=0.25D=0.=150mm取折流板间距ho=300mm那么NB=（4.5-0.1）/0.3=14.6 ,取整得NB=15块实际折流板间距 h=（L-0.1）/(N+1)=（4500-100）/（15+1）=275mm拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即19mm2mm钢管。温度补偿圈的选用。由于（80.1+40）/2-(30+38)/2=26.0550，故需不虑设置温

　　8、度补偿圈。（4）流体进出口接管直径等。苯的进出口管道直径：d=4VSu=4×0..14×0.7=0.15m经圆整采用159mm×10mm热轧无缝钢管，实际苯的进出口管内流速为u=4Vsd2=4×0..14×0.1392=0.867m2水的进出口管道直径：d=4VSu=4×0..14×2.5=0.106m经圆整采用108mm×5mm热轧无缝钢管，实际水的进出口管内流速为u=4Vsd2=4×0..14×0.1062=2.5m6、管、壳程流体的压力

　　9、降计算。管程压降：pi=（p1+p2）FtNsNp管程数Np=3，串联壳程数Ns=1，对于19mm2mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.5。Re=du=0.015×0.7×8800.0015=5749.33,取=0.2mm，即/di=0.2/14=0.015查表，得到=0.044p1=ld+c+eu22=0.044×7.50.015+1.5×880×0.722=5066.6Pap2=3ui2/2=3X880X0.72/2=58.8Papi=5066.6×3×1.5+58.8=.7Pa30Kpa，满足条件壳程压降：

　　10、p=（p1+p2）FsNs,由于管子排列方式对压强降的校正因子：F=0.5（正三角形排列）de=4(32t2-4d02)do=4×32×0.-4×0..14×0.019=0.0136mu=0..275×(0.6-21×0.019)=0.401m/sRe=du=0.0136×0.401×9940.=7456.5, fo=5×Re-0.228=0.13p1=FfoNc(NB+1)=0.5×0.128×21X（15+1）×994×

　　11、0.4012/2=1718.5Pap2=NB（3.5-）=15×(3.5-2×0.275/0.6)×994×0.4012/2=3096.8Papi=（p1+p2）FtNs=(1718.5+3096.8)×1.15=5537.6Pa30Kpa传热系数校正总传热系数由下式计算：=+R+其中，管内苯的传热系数的计算=0.023R=0.023×0.1480.015×5749.30.8×（0.0015×1.6×.148）0.3=570.8W/( m.K)管间水的传热系数的计算 =0.36由于水被

　　12、加热，取粘度校正系数w=1.05=0.36×0.6260.0136×7456.50.55×(4.9)0.33×1.05=4147.5( m.K)取水与苯的污垢热阻均为1.( m.K)/W，钢管导热系数=51 W/( m.K)。故=.5+1.72×10-4+0.×16.5+14×1.72×10-419+.8×14=2.89×10-3Ko（计）=346 W/(m.K)所以， K（计算）K（选取）==1.15,一般Ko（计）/ Ko（选）应在1.

　　13、15-1.25之间。本设计的换热器可适用7、设计过程的评价及自我体会。一、设计题目： 列管式换热器设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务? 处理能力： 3000吨/日 设备型式： 固定管板式换热器 2、操作条件（1）苯：入口温度 80.1 出口温度 40 （2）冷却介质：循环水入口温度 25 出口温度 35 （3）允许压降：管程不大于30kPa 壳程不大于30kPa三、设计内容（一）、概述目前（二）.设计参数苯的定性温度：，该温度下的物性如下：质量流量Ws1=3000t/day相对分子质量Mr=78密度1=838kg/m3粘度=0.39×10-3Pa.s导热

　　14、系数1=0.136W/(m.K)比热容Cph=1.82kJ/(kg.K)进口温度T1=80.1出口温度T2=40允许压强降 p=30kpa 水的定性温度：，该温度下的物性如下：密度2=838kg/m3粘度2=0.39×10-3Pa.s导热系数2=0.136W/(m.K)比热容Cpc=1.82kJ/(kg.K)进口温度t1=25出口温度t2=35允许压强降 p=30kpa（三）、根据任务要求，确定设计方案(1)类型的选择。 根据设计要求，采用固定管板式换热器(2)流动路径的选择。 由于变换气被冷却且要求压力降不允许超过30kpa，按变换气走管内考虑；而冷却水为处理过的软水，结垢不严重，

　　15、安排走管间（即壳程）(3)流速的选择。 变换气在管内的流速取ui=0.75m/s（四）、初算换热器的传热面积So(1)热负荷及冷却介质消耗量的计算标准状况下变换气的质量流量Ws1=3000t/day=kg/h热负荷 Q=WhCph(T1-T2)=×1.82×(80.1-40)=kJ/h=2534KW冷却水的消耗量 Ws2=218.561t/h(2) 计算平均温度差tm，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差tm：tm=27.3有关参数 R=4.01 ，P=0.18根据R,P值，查化工原理上册P233图4-19

　　16、可读得，温度校正系数w=0.99>0.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差tm=tm×0.99=27(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需传热面积So'：So'=187.7m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm×2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定 管数 n=176根 管长 l=13.6m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，Np =3.02 选用四管程。(3)管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管

　　17、板的连接，采用焊接法。(4)计算外壳内直径Di Di=t(nc-1)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心线上*外层管的中心至壳体内壁的距离 b=1.5do=1.5×0.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=1000mm。因为L/D=4500/1000=4.5，管长径比在425之间，合适。(5)排管：根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排2

　　18、9根管时，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每边各加14根(12+2,两层)，共排715根，除去6根拉杆位置，实际排出709根。因此，实际管子数N=n=709根。(6)计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）So=Ndo(L-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2Ko(选)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.5mm，因此，折流板直径 Dc=1000-2×4.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25×1000=250mm折

　　19、流板数量 NB=-1取折流板间距ho=600mm，那么 NB=-1=-1=6.3取整得NB=7块实际折流板间距 h=550mm(8)拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即25mm×2.5mm钢管。(9)温度补偿圈的选用。由于 < 50，故无需考虑设置温度补偿圈。(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径： Di=1000mm换热面积： So=245.23mm换热管数量： N=709根管长： L=4500mm管子规格： 25mm×2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 4壳

　　20、程数： 1折流板数量： NB=7(块)折流板间距： h=600mm拉杆数量： 6根拉杆直径： 12mm定距管： 与换热管相同规格通过管板中心的管子数： nc=29根（六）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。(1)筒体壁厚的确定选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以(2)封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。(3)流体进、出口接管直径计算。变换器进出口接管d1,取u1=2m/s那么经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出

　　21、口管内流速为水进出口接管d2,取u2=2m/s，那么 经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际水流速（七）、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：pi=（p1+p2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于25mm×2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。流体流经直管段的压力降为p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041×+1.5）×=2527.7 N/m2流体流经回弯管的压力降为p2=3（）=3（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707.06）×1.4×1×4=.66 N/m2 500 f=5（9294.2）=0.623p1=0.50.623×29×（7+1）×=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7×（3.5-）×=1097.31 N/ mNs=1(单壳程) Fs=1.15（液体）所以p=1.15×（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 0.8，可见用单壳程合适，

　　31、因此平均温度差tm=tm×0.99=27(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=500W/(m2.K)(4)所需传热面积So'：So'=187.7m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm×2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定 管数 n=176根 管长 l=13.6m 按商品管长系列规格，取管长L=4.5m，Np =3.02 选用四管程。(3)管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定。管子的排列方式，采用正三角形排列；管子与管板的连接，采用焊接法。(4)计算外壳内直径Di Di=t(nc-1

　　32、)+2b由于管中心距 t=1.25do=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 nc=1.1=1.1=29.1 取整nc=29根管束中心线上*外层管的中心至壳体内壁的距离 b=1.5do=1.5×0.025=0.038m所以Di=0.032（29-1）+2×0.038=0.972m,按壳体直径标准系列尺寸圆整，取D=1000mm。因为L/D=4500/1000=4.5，管长径比在425之间，合适。(5)排管：根据壳体直径Di、管中心距t、横过管束中心线的管数nc及其排列方式，绘出排管图。由图可知，中心排29根管时，按正三角形排列，可排631根，若在六角形每边各加14根(

　　33、12+2,两层)，共排715根，除去6根拉杆位置，实际排出709根。因此，实际管子数N=n=709根。(6)计算实际传热面积So及过程的总传热系数Ko（选）So=Ndo(L-0.1)=406×3.14×0.025×(9-0.1)=284m2Ko(选)= =382.7W/(m2.K)(7)折流板直径Dc、数量及其有关尺寸的确定。选取折流板与壳体间的间隙为4.5mm，因此，折流板直径 Dc=1000-2×4.5=991mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25×1000=250mm折流板数量 NB=-1取折流板间距ho=600mm，那么 NB=-1

　　34、=-1=6.3取整得NB=7块实际折流板间距 h=550mm(8)拉杆的直径和数量与定距管的选定。选用12mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热管相同的管子，即25mm×2.5mm钢管。(9)温度补偿圈的选用。由于 < 50，故无需考虑设置温度补偿圈。(10)列出所设计换热器的结构基本参数。外壳直径： Di=1000mm换热面积： So=245.23mm换热管数量： N=709根管长： L=4500mm管子规格： 25mm×2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 4壳程数： 1折流板数量： NB=7(块)折流板间距： h=600mm

　　35、拉杆数量： 6根拉杆直径： 12mm定距管： 与换热管相同规格通过管板中心的管子数： nc=29根（六）、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板、支座。主要接管有：流体进出口接管，排液管等。(1)筒体壁厚的确定选取设计压力p=0.6MPa，壳体材料为Q235，查的相应的许用应力；焊接系数（单面焊），腐蚀裕度，所以(2)封头、筒体法兰、管板、支座选取标准件。(3)流体进、出口接管直径计算。变换器进出口接管d1,取u1=2m/s那么经圆整采用热轧无缝钢管（GB8163-87）实际苯的进出口管内流速为水进出口接管d2,取u2=2m/s，那么 经圆整采用热

　　36、轧无缝钢管（GB8163-87）实际水流速（七）、管、壳程压强降的校验(1)管程压强降：pi=（p1+p2）FtNsNp据上述结果可知：管程数Np=4，串联壳程数Ns=1，对于25mm×2.5mm的换热管，结构校正系数为Ft=1.4。流体流经直管段的压力降为p1=（+e+c）=（+1.5）由于 Gi=624 Rei=取=0.2mm,那么/di=0.2/20=0.01,可查得=0.041，故p1=（0.041×+1.5）×=2527.7 N/m2流体流经回弯管的压力降为p2=3（）=3×（）=707.06 N/m2所以pi=（2527.7+707

　　37、06）×1.4×1×4=.66 N/m2 500 f=5（9294.2）=0.623p1=0.5×0.623×29×（7+1）×=4925.5 N/mp2=NB（3.5-）=7×（3.5-）×=1097.31 N/ mNs=1(单壳程) Fs=1.15（液体）所以p=1.15×（4925.5+1097.31）=6926 N/m2 < 30kpa，壳程压强降满足题给要求。（八）、总传热系数的校验总传热系数由下式计算：=+R+其中，管内变换气的传热系数的计算=0.023R=0.023=1031.9 W/( m.K)

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