孙兰义教授新作《换热器工艺设计》 第2章 流体物性

2019年第38卷增刊1 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS收稿日期：2019-04-28；修改稿日期：2019-05-13。

第一作者及通信作者：孟雪（1988—），女，硕士，工程师，研究方向为化工设计。

E-mail ：mengxuenanjing@ 。

引用本文：孟雪, 荆恒铸, 曹真真, 等. 基于Aspen EDR 的管壳式换热器的设计[J]. 化工进展, 2019, 38(s1): 275–277.Citation: MEGN Xue, JING Hengzhu, CAO Zhenzhen, et al. Design of shell and tube heat exchanger based on Aspen EDR[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(s1): 275–277.·275·化 工 进展DOI ：10.16085/j.issn.1000–6613.2019–0680基于Aspen EDR 的管壳式换热器的设计孟雪，荆恒铸，曹真真，李红明（河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南 新乡 453731）摘要：管壳式换热器作为一种高效换热装置在石化领域得到广泛应用，但传统计算方法非常复杂，因此软件设计已逐步代替传统手算方法成为工程设计人员的主要设计手段。

本文通过对含氢气、一氧化碳、氮气等气体的合成气冷却器进行设计，探讨了管壳式换热器的选型原则，介绍了Aspen EDR 设计软件使用要点，详细阐述了Aspen EDR 软件设计和校核管壳式换热器的步骤，着重介绍了气体冷却器设计过程中换热器的参数选取及要点，并对设计过程中碰到的问题及调整优化方法进行了简单介绍。

设计结果表明，Aspen EDR 软件设计的结果不仅能达到工艺要求，而且计算过程快捷明了，极大简化了手工计算的过程，提高了设计效率。

目录一．任务书 (2)1.1.题目1.2.任务及操作条件1.3.列管式换热器的选择与核算1.4．换热器装配图二．概述 (2)2.1.换热器概述2.2.列管式换热器的分类2.3.设计背景及设计要求三．热量设计 (5)3.1.初选换热器的类型3.2.管程安排（流动空间的选择）及流速确定3.3.确定物性数据3.4.计算总传热系数3.5.计算传热面积四. 机械结构设计 (8)4.1.管径和管内流速4.2.管程数和传热管数4.3.平均传热温差校正及壳程数4.4．管程内径4.5.折流板4.6.接管4.7.管板4.8.换热管4.9.换热管与管板的连接五.换热器核算 (14)5.1.热量核算5.2.压力降核算六. 辅助设备的计算 (19)七．设计结果表汇 (21)八．参考文献 (21)一.化工原理课程设计任务书1.1.题目煤油冷却器的设计1.2.任务及操作条件1.2.1处理能力：12.8×104吨/年煤油1.2.2.设备形式：列管式换热器1.2.3.操作条件(1).煤油：入口温度140℃，出口温度40℃(2).冷却介质：工业硬水，入口温度20℃，出口温度40℃(3).允许压强降：不大于100kPa(4).煤油定性温度下的物性数据：密度825kg/m3，黏度7.15×10-4Pa.s，比热容2.22kJ/(kg.℃)，导热系数0.14W/(m.℃)(5).每年按330天计，每天24小时连续运行1.3.列管式换热器的选择与核算1.3.1.传热计算1.3.2.管、壳程流体阻力计算1.3.3.管板厚度计算1.3.4.管壳式换热器零部件结构1.4.换热器装配图（见附图）二.概述2.1.换热器概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。

换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。

摘要本文对丙烯冷却器进行了设计，丙烯冷却器属于管壳式换热器。

由于浮头式换热器的管束膨胀不受壳体的约束，壳体与管束之间不会由于膨胀量的不同而产生热应力。

而且在清洗和检修时，仅需将管束从固定端抽出即可，能适应管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合。

所以本文选的是浮头式换热器的设计。

本文先介绍了换热器的工程背景、研究设计现状、结构形式等，接着主要对所选换热器进行了工艺设计，计算浮头换热器的传热面积、传热量、总传热系数、管、壳程压力降等热力参数，使其满足使用要求，并进行简单的结构设计；然后根据GB150-98《钢制压力容器》和GB151-89《钢制管壳式换热器》对换热器的主要零部件——特别是受压部件如筒体，管箱，管板，封头，法兰等作应力计算，并校核其强度。

运用AutoCAD 软件绘制装配图，手绘主要零件图。

经计算校核本次设计的浮头式换热器满足工程要求，条件合格。

在实际工程设计运用中，具有很好的价值。

关键词：管壳式换热器，浮头式换热器，工艺计算，结构计算，强度校核AbstractA propylene cooler is designed in this paper. Propylene cooler belongs to Tubular heat exchanger. Because the restrain expand of Internal floating head exchanger is not binded, it d oesn’t produce stress of heat between the shell and the restrain because of the difference of the expand quantity. When cleaning and checking, you just need to pull the restrain from the fixed one. This configuration can get used to the big difference of temperature between the tube and the shell and the place corroded easily. So Internal floating head exchanger is designed in the paper. First, background, research status quo and configurations are introduced in the paper. Second, technics are designed in order to meet the process requirement. The thermal performance parameters are rated .The next step is to calculate intensity of the main parts by the standard GB150 and GB151,for example: shell, channel, tube sheet, channel flange and head. And select a configuration. Lastly, the assembly draft is drawn by software AutoCAD. And the partly draft are drawn handly. The exchanger designed in this paper satisfies the requirements of engineering and has a good value in the practical project.Key words: Tubular heat exchanger, Internal floating head exchanger, Technics calculate, configuration calculate, Intensity calculate目录第一章绪论 (1)1.1 选题背景，研究意义及文献综述 (1)1.2 研究的内容 (15)1.3 研究步骤 (15)第二章工艺计算 (16)2.1 工艺条件 (16)2.2 丙烯物性参数 (16)2.3 水物性参数 (16)2.4 计算过程 (17)2.5 小结 (22)第三章结构计算和强度校核 (23)3.1 浮头式换热器筒体设计 (23)3.1.1 设计条件 (23)3.1.2 设计温度下厚度计算 (23)3.1.3 压力试验时应力校核 (24)3.1.4 压力及应力计算 (24)3.2 浮头式换热器前端封头管箱筒体设计 (24)3.2.1 设计条件 (24)3.2.2 设计温度下厚度计算 (25)3.2.3 压力试验时应力校核 (25)3.2.4 压力及应力计算 (25)3.3 平盖的设计 (26)3.3.1 平盖的设计条件 (26)3.4 壳体法兰 (28)3.4.1 设计条件 (28)3.4.2 垫片设计 (28)3.5 管箱法兰 (32)3.5.1 设计条件 (32)3.5.2 垫片设计 (32)3.6 外头盖筒体设计 (36)3.6.1 设计条件 (36)3.6.2 厚度计算 (36)3.6.3 压力试验时应力校核 (36)3.6.4 压力及应力计算 (37)3.7 外头盖碟形封头设计 (37)3.7.1 设计条件 (38)3.7.2 受内压（凹面受压）碟形封头的厚度计算 (38)3.7.3 压力计算 (38)3.8 浮头法兰及封头设计 (38)3.8.1 设计条件 (38)3.8.2 封头壁厚计算 (39)3.8.3 螺栓受力计算 (39)3.9 浮头式换热器管板设计 (41)3.9.1 设计条件 (41)3.9.2 结构尺寸参数 (42)3.9.3 各元件材料及其设计数据 (42)3.9.4 计算 (42)3.10 钩圈设计 (46)3.11 补强设计 (46)3.11.1 设计条件 (46)3.11.2 补强计算 (46)3.12 接管的设计 (47)3.12.1 壳程流体进出口接管 (47)3.12.2 管程流体进出口接管 (47)3.13 拉杆，定距管的设计 (47)3.13.1 拉杆设计，拉杆的结构形式 (47)3.13.2 拉杆的直径和数量 (48)3.13.3 拉杆的尺寸 (48)3.13.4 拉杆垫圈 (48)3.13.5 拉杆螺母 (48)3.14 折流板的设计 (48)3.15 鞍座的设计 (49)3.16 滑道 (49)第四章制造、检验和验收 (50)4.1 换热器受压部分的焊缝 (50)4.2 壳体 (50)4.3 换热管 (50)4.4 管板 (50)4.5 热管与管板的连接 (51)4.6 折流板 (51)4.7 管束的组装 (51)4.8 密封面 (51)4.9 密封垫片 (51)4.10 补强圈 (51)4.11 焊缝 (52)4.12 无损探伤 (52)4.13 压力实验 (52)第五章安装、试车和维护 (53)5.1 安装 (53)5.2 试车 (53)5.3 维护 (53)第六章结论 (54)6.1 结论 (54)6.2 发展趋势 (54)参考文献 (55)致谢 (56)附录 (57)声明 (61)毕业设计小结 (62)第一章绪论1.1 选题背景、研究意义及文献综述1.1.1 选题背景在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。

化工原理课程设计2-1说明书题目：芳烃冷却器设计学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2015年7月10日化工原理课程设计（2-1）任务书题目芳烃冷却器的设计设计任务及操作条件选择合适的列管式换热器并进行核算1 选择合适的换热器；2 计算热负荷；3 计算温差和估计传热系数；4 估算换热面积；5 计算管程压降和给热系数；6 计算壳程压降和给热系数；7 计算传热系数；8 校核传热面积。

设计要求1. 手工计算完成换热器设计与校核；2. 用EDR软件完成换热器的设计、校核；3. 提交电子版及纸板：设计说明书、计算源程序。

目录第1章前言 (2)第2章设计计算 (4)第3章校核计算 (8)第4章换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表 (9)第5章EDR设计与校核 (10)致谢 (16)参考文献 (17)第1章前言化工原理课程设计是培养我们化工设计能力的重要的环节，是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是侦查工程实际问题复杂性的初次尝试。

通过化工原理课程设计，要学会应用相关课程设计基础只是，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的换热器任务，得到化工工程设计的初步训练。

在此之前，我们对化工这个专业的理解是抽象的，不具体的，局限于书本上的。

通过化工原理课程设计，使我们初步掌握化工设计基础知识，设计原则及方法，学会各种标准的使用以及物质物理性质的查找方法，掌握了校核方法，包括笔算校核以及EDR校核，考虑的因素会很多，极大的调动我们的动手能力，会使我们能力得到提高。

课程设计将训练分析问题和独立工作的能力，综合运用所学知识进行化工工艺设计的能力，培养实事求是的科学态度和严谨认真的工作作风，还能提高工程绘图及写作能力。

换热器是石油化工中最基本的设备，它掌控着热量在化工当中的使用，在能源利用方面也起着至关重要的作用。

换热设备在石油化工各个设置中的投资以及钢材消耗所占比重中不断上升，其在降低能耗与生产成本中的作用也日益显著。

189在乙烯装置中，部分换热器会采用单工质冷剂作为冷源提供冷量，并且多采用热虹吸换热器的形式，热虹吸换热器通常包括罐内置热虹吸换热器和外置式热虹吸换热器。

常见的热虹吸系统如图一所示。

图一　典型的热虹吸换热系统一、热虹吸工作原理热虹吸的驱动力是冷热流体之间的热量传递。

冷剂在换热器内部被热流体加热部分蒸发，使得蒸发区域的流体密度明显小于入口处的流体密度，因此蒸发区域和冷剂入口处之间产生压差，驱动冷剂液体不断进入换热器内部，加热汽化后的气液混合物自动返回容器内，因而不需要额外的动力驱动即可实现循环流动，循环速率取决于驱动压差的大小。

驱动力越大，循环量越大。

液体的汽化量则取决于冷热流体之间交换的热负荷。

二、不同布置形式热虹吸的设备结构尺寸1.工艺参数国外某乙烯项目中乙烯产品过冷器的工艺参数如表一表一　乙烯产品过冷器的工艺参数热流体A（乙烯）冷流体B（乙烯）总流量kg/h8838314018进出进出气相流量kg/h 204814018液相流量kg/h 883838838311970压力bara 11.311.1 4.78 4.68温度℃-48-69-72-722.乙烯产品过冷器的设计从表一的参数中可以看出，是用-72℃乙烯冷却-48℃的乙烯产品，是热虹吸的换热器，用此参数分别做内虹吸和外虹吸的换热器和虹吸罐的设计。

内虹吸选用换热器为卧式的结构，外虹吸采用冷箱的结构。

内置式热虹吸换热器，除了按常规换热器进行传热性能设计外，还需要对换热器按操作液位的高低进行核算，并且需要通过控制冷剂的液位来控制冷剂的气化率。

对于外置式热虹吸换热器，需要合理的布置外置容器（气液分离罐或塔器）和换热器的位置，并且合理控制容器内的液位高度。

对于冷剂流道，需要按实际配管进行换热器的核算，通过计算液位提供的压头、整个冷剂流路的阻力降以及换热器的传热性能来确认换热系统的设计是否可以满足工艺的性能要求。

采用hysys和EDR软件模拟计算得出两种形式换热器的尺寸，再结合外虹吸和内虹吸的特点计算出两种形式闪蒸罐的大小，对于内虹吸留出上部的蒸发空间，而外虹吸则需要核算出换热器与闪蒸罐之间的安装高度。

换热器工艺设计目次1 总则1.1 目的1.2 范围1.3 规范性引用文件2 设计总则2.1 设计标准2.2 安装方式2.3 管壳式换热器3 管壳式换热器的选型3.1 壳体的选择3.2 封头的选择4 管壳式换热器机械参数的确定4.1 设计压力4.2 设计温度4.3 管子及管束4.4 壳径4.5 折流板和支撑板4.6 防冲板4.7 接管5 管壳式换热器的传热计算5.1 设计余量5.2 压降5.3 流速5.4 管口流速5.5 KETTLE式换热器5.6 污垢系数5.7 腐蚀余量5.8 管束振动及噪声分析1 总则1.1 目的为规范各项目的换热器的流体力学及传热计算而编制。

1.2 范围1.2. 1本规定规定了管壳式换热器的选型和设计的工艺要求。

1.2.2本规定适用于各项目中传热面积大于0.5耐的管壳式换热器、板式换热器、套管式(Double pipe)和多管式套管(Hair-pin)换热器，但不适用于蒸汽表面冷凝器。

1.3 规范性引用文件下列文件中的条款通过本规定的引用而成为本规定的条款。

凡注日期的引用文件，其随后所有的修改单或修改版均不适用本规定。

凡是不注日期或修改号（版次）的引用文件，其最新版本适用于本规定。

1.3.1 GB151-2019(2019) 管壳式换热器（附加2019年第1号修改单）1.3.2 TEMA 管壳式换热器制造协会标准1.3.3 API660 Shell and Tube Heat Exchangers2 设计总则2.1 设计标准2.1.1 对于国内设计、加工或制造的管壳式换热器应严格依据GB151标准；国外设计、加工或制造的管壳式换热器应严格依据TEMA或API标准。

2.2.2 对于TEMA等级如无说明应采用“R”级。

2.1.3 对于立式换热器，制造商应在换热器上配备吊装用吊耳。

2.2 安装方式换热器通常应采用卧式，对于工艺上特殊要求、或清洗和维修、或安装空间限制的情况可采用立式安装。

化工原理课程设计作者：王书忍学号：201006853学院: 化学与生物工程学院专业：应用化学题目: 非标准系列管壳式气体冷却器的设计指导者：彩虹老师化工原理课程设计任务书一、设计题目：非标准系列管壳式气体冷却器的设计二、设计条件1. 生产能力：混合气体流量为6000/h，混合气的相对分子质量为17.2. 混合气进口温度为144.5 C,出口温度为57C，冷却水入口温度30C，出口温度36C3•已知混合气及冷却水在定性温度下的物性数据：4.两流体均无相变。

三、设计步骤及要求1. 确定设计方案(1)选择列管式换热器的类型(2)选择冷却剂的类型和进出口温度(3)查阅介质的物性参数(4)选择冷热流体流动的空间及流速2. 初步估算换热器的传热面积3. 初选换热器规格4. 校核(1) 核算换热器的传热面积，要求设计裕度不小于10%不大于20%(2) 核算管程和壳程的流体阻力损失。

如果不符合上述要求重新进行以上计算5•附属结构如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型四、设计成果1. 设计说明书(A4纸)(1)容包括封面、任务书、目录、正文、参考文献、附录(2)格式必须严格按照交通大学毕业设计的格式打印。

2. 换热器工艺条件图(2号图纸)(手绘)五、时间安排(1)第19周〜第20周，于7月17号下午3点本人亲自到指定地点交设计成果六、设计考核(1)设计是否独立完成；(2)设计说明书的编写是否规(3)工艺计算与图纸正确与否以及是否符合规(4)答辩七、参考资料1. 《化工原理课程设计》贾绍义柴诚敬天津科学技术2. 《换热器设计手册》化学工业3•《化工原理》夏清天津科学技术目录1. 摘要 (1)2. 文献综述 (2)2.1热量传递的概念与意义 (2)2.1.1热量传递的概念 (2)2.12 化学工业与热传递的关系 (2)2.1.3.传热的基本方式 (3)2.2换热器简介 (3)2.2.1固定管板式换热器 (4)2.2.2浮头式换热器 (4)2.2.3 U 形管式换热器 (4)2.3列管式换热器设计一般要求 (7)2.4流体流径的选择 (7)2.5管壳式换热器 (8)2.5.1工作原理 (8)2.5.2主要技术特性 (9)3. 工艺计算 (10)3.1确定设计方案 (10)3.1.1确定流体的定性温度 (10)3.1.2选择列管式换热器的形式 (11)3.1.3确定流体在换热器中的流动途径 (11)3.2设计参数 (11)3.3计算总传热系数 (11)3.3.1. .......................................................................... 热流量113.3.2冷却水用量 (12)3.3.3计算传热面积 (12)3.3.4工艺结构尺寸 (12)3.3.5传热计算 (14)3.3.6换热器流体的流动阻力 (16)4. 换热器主要结构尺寸和计算结果 (20)5. 参考文献 (21)6. 附录 (23)6.1英文字母 (23)6.2希腊字母 (24)6.3下标 (24)1. 摘要热量传递不仅是化工、能源、宇航、冶金、机械、石油、动力、食品、国防等各工业部门重要的单元操作之一，它还在农业、环境保护等其他部门中广泛涉及。

课程设计任务书设计（论文）题目：醋酸热交换器工艺及结构设计学院：环境学院专业：能源与环境系统工程班级：能环0801学号：081440110学生：指导教师：接受任务时间 2011年12月1．设计（论文）的主要内容及基本要求2．指定查阅的主要参考文献及说明GB150-98《钢制压力容器》及GB151-99《钢制管壳式换热器》，《换热器》，《化工原理》，《换热器设计手册》，CD130A20-86《化工设备设计文件编制》, HGJ34-90《化工设备，管道外防腐设计规定》醋酸热交换器工艺及结构设计目录第一章绪论 (5)1.1换热器基本概况 (5)1.2换热器的分类及特点 (6)1.2.1 直接接触式换热器 (8)1.2.2 蓄热式换热器 (8)1.2.3 间壁式换热器 (9)1.3换热器研究及发展 (13)1.3.1换热器的研究 (13)1.3.2换热器的发展 (14)第二章工艺设计 ........................... 错误！未定义书签。

2.1估算传热面积，初选换热器型号.......... 错误！未定义书签。

2.1.1 基本物性数据的查取................ 错误！未定义书签。

2.1.2计算热负荷和冷却水流量............. 错误！未定义书签。

2.1.3 确定流体的流径.................... 错误！未定义书签。

2.1.4 计算平均温度差 (20)2.1.5 选K值，估算传热面积 (20)2.1.6 初选换热器型号 (20)2.2校核总传热系数K (21)2.2.1 管程对流传热系数 (21)2.2.2壳程对流传热系数 (22)2.2.3污垢热阻管内、管外污垢热阻 (23)2.3核算压降 (24)2.3.1 管程压降 (24)2.3.2 壳程压降 (25)第三章换热器结构设计及附件选取 (27)3.1筒体.................................. 错误！未定义书签。

换热器的有效度及F—N—R—E关联
曲乃兵
【期刊名称】《大连轻工业学院学报》
【年(卷),期】1993(012)002
【摘要】本文依据传热单元的构想,建立了换热器有效度的概念,分析其相关因素后,绘制出F—N—R—E关联图,籍以评估分析换热器设计运行的经济特性;用经济单元和有效单元的概念来澄清换热理论中的某些模糊观点,充实了换热理论,简化了换热器的设计计算和运行分析。

【总页数】6页(P67-72)
【作者】曲乃兵
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TK172
【相关文献】
1.考虑压力(火用)时换热器的传(火用)有效度 [J], 吴双应;袁晓凤;李友荣
2.气-气热管换热器的传热有效度-传热单元数设计方法 [J], 杨肖曦;许康
3.换热器Yong传递有效度 [J], 吴双应;李友荣
4.换热器系统的能质传递有效度 [J], 吴双应;马瑞杰;李友荣
5.热管换热器传热校核计算的有效度─传热单元数(ε─NTU)法 [J], 冯踏青;屠传经因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。