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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 操作压力
三、设备型式
列管式换热器
四、设计工程 (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
〔〕MPa 〔〕MPa
水： 入口温度 30℃，出口温度 50℃
允许压降不大于 0.1 Mpa，厂址：宁波地区。
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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目 录
1 设计方案简介 1
工艺流程概述 ..................................................................................... 选择列管式换热器的类型 .................................................................
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4 3 5
列管式换热器的分类 .............................................................................................. 类型确实定 ..............................................................................................................
流动路径的选择 .................................................................................................................
2 换热器的工艺计算及选型
确定物性数据 ..................................................................................................................... 初算换热器的传热面积 ..................................................................................................... 初选换热器规格 .................................................................................................................
5
5 6 6
3 换热器核算 7
压力降的核算 .....................................................................................................................
7 8 8 9
管程压力降 .............................................................................................................. 壳程压力降 ..............................................................................................................
总传热系数的核算 .............................................................................................................
4 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计
9
9 9
壳体壁厚确实定 管子拉脱力计算
.................................................................................................................
................................................................................................................. 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
12 12
12
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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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；冷却水那么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；循环冷却水那么从 30℃升至 50℃，由接管D流出。
A
H2O
C7H8
HEATX
B C
PUMP
PUMP2
D
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，结构比拟简单，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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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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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。
⑷ U 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 类型确实定
所设计的换热器用于冷却甲苯，甲苯：入口温度
入口温度
30℃，出口温度
90℃，出口温度 60℃；水：
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，应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
水的定性温度 t
30
50 2
40 ℃，甲苯定性温度 T
90 60
75 ℃，查得水、甲
苯在各自定性温度下的物性数据：
2
表 1 定性温度下各流体物性 [1] 密度 /(kg/m3)
比热容
黏度 /(Pa· s) 导热系数
/(kJ/( kg·℃ ))
/(w/m ·℃ )
水 甲苯
0.656 ×10-3 0.350 ×10
-3
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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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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Wh
110000 10
3
13750 kg / h
8000
Q=Whcph(T1-T2)=13750 ×1.867 ×103×(90-60)/3600=213930W
Q
c pc (t 2 t1 )
213930 3600 4.174 103 (50 30)
Wc
9226kg / h
⑵计算两流体的平均温度差。先按单壳程单管程进行计算，逆流时的平均温度差为
t m '
t2t1 40
ln
30
t2
ln
40
℃
t1
有关参数 R
30
T1 T2 t2 t1
90 60 50 30
[1]
30 20
， P
t 2 t1 T1 t1
50 30 90 30
根据 R，P 值，查?化工原理? P-280 图 4-19 可读得，温度校正系数 φΔt，那么
平均温度差 Δtm=Δtm’φΔt ×℃
⑶按经验数值初选总传热系数 选取 K 0(估 ) =450W/(m·℃ )
2
K0(估)
⑷初算出所需传热面积 S
Q K t m
213930
2
2.3 初选换热器规格
对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为 Φ25mm的管子。由于 Tm m
-t =35
℃，
因此不需考虑热补偿。再由换热面积，查?换热器设计手册? 选定 G273Ⅰ-2-2.5-11.1 型换热器，有关参数见下表 2。
表 2 所选换热器结构根本参数 公称直径 /mm： 公称压强 /MPa： 公称面积 /m2： 管程数：
[2]
P-17 表 1-2-1，
300 管子尺寸 /mm： 管长 /m： 管子总数： 管子排列方法：
[3]
Φ25× 6 37
2 正三角形排列
查?化工设备机械根底? 4 个。
p-215 表 7-10，壳体直径为 159~325 时，拉杆数量为
由?换热器设计手册? [2] P-18 式 1-2-1，计算实际传热面积：
So=nπd(L-2 δ-0.006)=〔37-4〕 ×3.14 ×0.025 ×(6-2 ×2 假设选该型号的换热器，那么要求过程的总传热系数为
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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K o
Q
213930
438
So t m
W/(m 2 ·℃ )
3 换热器核算
3.1 压力降的核算
3.1.1 管程压力降
∑Δpi
1
2
t p
2
其中，
t
，
2
p
。
2
=( p + p )F N
4
F =1.4 N =2
0.02 4
管程流通面积 Ai
di
n N p
n N p
33
2
2
4
ui
Vs
9226
0.51m / s
Ai 3600
di ui
Re i
10 3
15430 4000(湍流 )
设管壁粗糙度 ε，ε/di，查?化工原理? P-54 图 1-27 第一章中 λ-Re 关系图中查得： λ，所以
[1]
p1
l d
u 2
6
2
1393Pa
2 2
p2
3 u2
2
3
2
387 Pa
2
那么∑Δpi =〔 1393+387〕×× 2=4984Pa
3.1.2 壳程压力降
2
∑Δpo
=( p
1’2’ s s
+ p )F N
其中， F
s
， N =1， p1
s
' Ff o nc (N B
1)
uo
2
查?化工原理? [1] P-284：管子为正三角形排列，
[2]
。
6
查?换热器设计手册? P-14 表 1-2-3，取折流挡板间距， NB1 129
h
壳程流通面积 Ao=h(D-n cdo×〔 0. 3-7×〕2
L
uo
13750
0.19m / s
3
d ouo
Re o
10
9082 500
.
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
o×9082
所以
2
p1 ' Ff o nc ( N B
1) uo
7
(29 1)
2
970Pa
2
2
2h
p ' )u2
o
2
2
2 N B
29
)
922Pa
∑Δp
D〕×
2
2
o 〔
= 970+922 1.15=1088Pa 计算说明，管程和壳程压强都能满足题设〔不大于
0.1 MPa〕的要求。
3.2 总传热系数的核算
⑴管程对流传热系数 αi Rei=15430〔湍流〕
cp
10 3
10 3
Pri
i
Rei
Pri
0.6338 (15430) ( 4.32)0 .4 2935 W/(m 2·℃ )
d i
⑵壳程对流传热系数
αo
由?化工原理? [1] P-253 式 4-77a 计算，即
d euo
o
(
)
c
(p
)1/ 3
(
)
d e
w
查?化工设备机械根底?
[3]
t=32mm，那 p-208 表 7-5，取换热器列管之中心距 么
流体通过管间最大截面积为do
A。 =hD(1- ×0. 3×(1- )
0.013m 2
t
uoVs
13750
0.36m / s
3600
A
4(t 2
do 2 )
2
2
)
d e
4
4
d o
R
d euo
eo
3
22567
10
P
cp
103
10
3
ro
.
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.
用水冷却甲苯的列管式换热器设计
.
壳程中甲苯被冷却，取 (
w
)
0.95 ，所以
20 .551/ 3
0.36 ( 22567) (4.51) 0.95 752 W/(m ·℃ ) o
⑶污垢热阻
参考?化工原理? [1] 附录 p-355 表 22，污垢系数取为 管壁热阻可忽略时，总传热系数
Ko '
1
1
o
·K/kW ，那么
管、内外侧污垢热阻分别为 Rsi2 ·℃/W ，Rso2·℃ /W ⑷总传热系数 K o
K o 为
1
1
Rso Rsi
d o d i
do
i i
25 20
25
d752 2935 20
=513W/(m2·℃ )
由上面计算可知，选用该型号的换热器时要求过程的总传热系数为
438W/(m2·℃〕，在规定的流动条件下，计算出的 K o’为 513W/(m 2·℃〕，有
K O '
513 438
1.17 (1.15 ~ 1.25)
K O
故所选的换热器是适宜的，其平安系数为
513438
100%=17.1%。
438
4 固定管板式换热器的主要结构尺寸设计
固定管板式换热器的主要构件有封头、筒体法兰、管板、筒体、折流板〔或支撑板〕、接管、支座等。
4.1 壳体壁厚确实定
选取设计压力 pc，壳体材料为 Q-235B，查?化工设备机械根底?
[3]
p-311 附录 9 得，其相应的许用应力 [ σ]t =113 Mpa；查?化工设备机械根底? [3] p-96
表 4-8，焊缝系数 取为，Di=300mm，故
计算厚度：
2
pc Di
t
300
根据?化工设备机械根底? p-97，取 C2
pc
2 113
，负偏差
2 取
。
圆整后， δn=4mm，即壳体壁厚为 4mm。
C 0.25 mm
4.2 管子拉脱力计算
根据?化工设备机械根底?
p-205，取胀接长度 l=50mm；
1-1 ， 查 地 碳 钢 线 膨 胀 系 数
根 据 ? 化 工 设 备 机 械 基 础 ? p-295 附 表
.
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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αl ×10-6mm/(mm·℃ )，弹性模量 根据?化工设备机械根底?
pf
E 取为 200×103 Mpa；
p-218,表 7-11，许用拉脱力取为 4 Mpa。
① 在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力
q p
do l
2
其中， f
0.866t 2
do 4
32 2
252 396 mm4
2
，l=50mm，
q p
396 25
50
2
② 温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
2
qt
t( do di ) 4dol
其中，
t
E(t t t s
1
)
， As=πD 中 δn=π×308×4=3868mm2
At
As
(do 2 di 2 ) n 4
At
(252 4
202 ) 37 6535mm2
那么 t
10 6
1
10 6 35
6535
3868
202 )
29.15 (252
qt
4 25 50
又因 qp 与 qt 作用方向相同，都使管子受压，那么管子的拉脱力： Q=qp+qt＜[q]=4.0 Mpa
因此，拉脱力在许用范围内。
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用水冷却甲苯的列管式换热器设计
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4.3 换热器的主要结构尺寸设计参数
表 2 主要结构尺寸设计参数
换热器型式：固定管板式
换热器面积 /m2：
工艺参数 名称 物料名称
操作压力 /MPa 操作温度 /℃ 流量 /kg/h
流体密度 /kg/ m3 流速 /m/s 传热量 /W
总传热系数 W/(m 2·℃〕
壳程 甲苯
管程 水
90〔进口〕 /60〔出口〕 13750
30〔进口〕 /50〔出口〕 9226
213930 513
对流传热系数 W/(m 2·℃〕 752
污垢系数 /W/(m 2·℃〕 压力降 /Pa 1088 推荐使用材料 碳钢 壳径 D(DN) 管尺寸 300mm 管程数 Np 管长 L 2
37〔拉杆 4〕 管排列方式 管子总根数
中心排管数 nc 管心距 7
2935
4984
碳钢
Φ25× 6m
正三角形排列 32mm
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5 换热器装配简图
详见附图。
6 设计评述
本次化工原理课程设计是对列管式换热器的设计，经过查阅有关文献资料，对换热器参数进行了设计及反复核算， 以确保设计的准确性。 以下是对本设计的一些评述。
从工艺要求和经济性出发， 选用了固定管板式换热器作为设计对象。 根据条件选定换热器规格后， 经过很屡次核算，K ’/K 值始终达不到要求的 1.15~1.25 范围。然后，通过查阅更多资料、反复再次核算，加上和同学的剧烈讨论，终于取得了阶段性的胜利，根本上完成了换热器设计这块。
绘制换热器的装配图， 需要对换热器有全面的认识， 许多细节问题必须注意到，主视图、剖视图、局部放大图等才能较好的完成。整个流程下来，对固定管板式换热器结构及其内部结构的选型有了更理性的认知。
通过本次设计，真的学到了很多。首先，熟悉了化工原理课程设计的流程，
学会了如何根据工艺要求查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，
继而对换热器进行准确设计； 其次，稳固了以前学习的化工知识， 理解得相对更
深入、透彻了些；此外，学习时要跟同学探讨，一个思想加一个思想，或许会碰
撞出更多思维的火花。
第一次做本次课程设计， 我们大都是在摸索中前进， 走了不少曲折的路。 加上可利用文献资源有限、 时间有限，这次设计仍存在许多地方需要去改良与完善。
7 参考文献
[1] 夏清，陈长贵．化工原理 [M] ．天津：天津大学出版社， 2021． [2] 钱颂文．二换热器设计手册 [M] ．化学工业出版社， 2002 ． [3] 刁玉玮，王立业，喻键良．化工设备机械根底
[M] ．大连：大连理工大学出版社，
2021．
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