1. 确定设计方案
1.1 确定冷流体出口温度
根据 ， ，查温差校正系数图三[1]得到 的值。一般要求 的值不低于0.8，若低于此值，当换热器的条件略有变化时， 的变化较大，使得操作极不稳定。故选取冷流体（水）的出口温度 =41℃。此时 =0.91（按单壳程，双管程结构查图）。
1.2 选择换热器的类型
两流体温度变化情况：热流体进口温度为400℃，出口温度80℃；冷流体进口温度25℃，出口温度41℃。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和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。
1.3 流程安排
由于循环冷却水冷却易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的传热能力下降，又加之气体温度太高，气体走壳程还可以向外环境散热，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。
2. 确定物性数据
2.1 定性温度
壳程混合气体的定性温度为
T=(400+80)/2=240℃=513.15（K）
管程流体的定性温度为
t =(25+41)/2=33℃=306.15（K）
2.2 各组分物性数据
在240℃下查[2]得混合气体中各组分的有关物性数据见表1。
项目 密度
ρ ∕(kg/m3) 定压比热容
Cp∕〔J/(mol•K)〕 热导率
λ/×10-3W/(m•K) 黏度
η/×10-5Pa•s 摩尔质量M∕×10-3kg/mol
丁二烯 1.278 116.34 38.608 1.295 54
丙烯 0.99 96.46 45.252 1.381 42
丁烯 1.325 131.766 38.824 1.330 56
丁烷 1.37 160.88 45.096 1.263 58
表1 混合气体各组分的相关物性
2.3混合气体物性数据
混合气体组分组成为40%丁二烯，20%丙烯，10%丁烯和30%丁烷，按各组分的物性数据与各组分在混合气体中所占百分比计算混合气体的相关物性数据。
壳程混合气体在240 ℃下的有关物性数据如下：
密度
定压比热容
热导率
黏度
循环冷却水在33℃下的物性数据：
密度
定压比热容
热导率
黏度
3. 估算传热面积
3.1 热流量
由于热流体不仅把热量传给冷流体，而且向外环境散热所以取热损失占总热流量的5%，即
故由热流体传给冷流体的热流量
3.2 平均传热温差
先按纯逆流计算，得
3.3 传热面积
由于壳程气体的压力不高，故可选取较小K值，假设 ，则估算的传热面积为
3.4 冷却水用量
4.工艺结构尺寸
4.1管径及管内流速
选用 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 。
4.2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
按单程管计算，所需的传热管长度为
按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=3.0m，则该换热器的管程数为
4.3 平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数有
温差校正系数
=0.91
平均传热温差
由于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。
4.4 传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。见图1。
图1
取管心距 ，则
隔板中心到离其最近一排管中心距离
各程相邻管的管心距为36mm。
每程各有传热管55根，其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序见图2。
图 2
4.5 壳体内径
采用多管程结构，壳体内径壳按 估算。取管板利用率 =0.7，则壳体内径为
按卷制壳体的进级档，可取D=400mm。
4.6 折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 。
取折流板间距 ，则
对于无相变传热，折流板间距一般不能大于壳体内径，故可取 。
折流板数
4.7 其他附件
拉杆数量与直径查表[1]按规定选取，本换热器传热管外径为19mm，其拉杆直径为12mm，共有4根拉杆。
4.8 接管
壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为 ，则接管内径为
管程流体进出口接管：取接管内液体流速 ，则接管内径为
圆整后取管内径为60mm。
5.换热器核算
5.1 热流量核算
5.1.1 壳程表面传热系数
用克恩法计算
当量直径
壳程流体流通截面积
壳程流体流速及其雷诺数分别为
普朗特数
黏度校正
5.1.2 管内表面传热系数
管程流体流通截面积
管程流体流速
普朗特数
5.1.3 污垢热阻和管壁热阻
根据常见物料的污垢热阻大致范围，可取
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
管壁热阻按 计算，查表[1]，碳钢在该条件下的热导率为43W/(m•K)，所以
5.1.4 传热系数
5.1.5 传热面积裕度
该换热器实际传热面积
该换热器的面积裕度
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
5.2 壁温核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按公式(1)计算
(1)
由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循环冷却水进口温度为15℃，出口温度为41℃计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期。污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是，有
式中液体的平均温度 和气体的平均温度为
传热管平均壁温
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=240℃。
壳体壁温和传热管壁温之差为
该温差较大，故需设补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。
5.3 换热器内流体的流动阻力
5.3.1 管程流体阻力
，
由Re=12500，传热管相对粗糙度0.1/14=0.007，查莫狄图[2]得 ，流速 ， ，所以
管程流体阻力在允许范围之内。
5.3.2 壳程阻力
，
流体流经管束的阻力
，
，
流体流过折流板缺口的阻力
，
总阻力
壳程流体阻力在允许范围之内。
5.3.3 换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器主要结构尺寸和计算结果见表2
表2 换热器主要尺寸和计算结果
参数 管程 壳程
流率/(kg/h) 20556 1879
进/出口温度/℃ 25/41 400/80
定性温度/℃ 33 240
物 密度/(kg/m3) 994.725 1.253
性 cp/[kJ/(kg•K)] 4.174 2.401
数 黏度/Pa•s 0.752×10-3 1.306×10-5
据 热导率/[W/(m•K)] 0.614 0.0413
普朗特数 5.11 0.759
形式 浮头式 台数 1
设 壳体内径/mm 400 壳程数 1
备 管径/mm 19×2
管心距/mm 24
结 管长/mm 3000 管子排列 △
构 管数目/根 110 折流板数/个 6
参 传热面积/m 19.6 折流板间距/mm 400
数 管程数 2 材质 碳钢
主要计算结果 管程 壳程
流速/(m/s) 0.675 12.5
表面传热系数/[W/(m2•K)] 3425 204.2
污垢热阻/(m2•K/W)
0.00058 0.0004
阻力/Pa 6866.1 3897
热流量/kW 381.04
传热温差/K 147.47
传热系数/[W/(m2•K)] 154.95
裕度/% 22.9
6.机械结构设计
6.1 详细结构设计
6.1.1 筒体内径的确定
由工艺设计给定筒体内径为400mm，考虑原取管板利用率 =0.7，且实际计算值为315.9mm，决定按筒体内径为500mm做排管图，认定取Di=500mm是合适的。同时工艺设计的有关参数计算应重新做修正。
6.1.2 浮头管板及钩圈法兰结构设计
由于换热器内径已确定，采用标准内径决定浮头管板外径及结构尺寸，结构尺寸为：
浮头管板外径 D0=D -2b1=500-2×3=494 (mm)
浮头管板外径与壳体内径间隙 b1=3 (mm)
垫片宽度 bn=12 (mm)
浮头管板密封面宽度 b2=bn+1.5=13.5 (mm)
浮头法兰和钩圈内直径 Dfi=Di-2(b1+bn)=470 (mm)
浮头法兰和钩圈外直径 Df0=Di+80=580 (mm)
外头盖内径 D=Di+100=600 (mm)
螺栓中心圈直径 Db=(D0+D)/2=487 (mm)
其余尺寸见附图。
6.1.3 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计
依工艺条件，管侧压力和壳侧压力中的高值以及设计温度和公称直径( 600)按JB/T-4703长颈对焊法标准选取。并确定各结构尺寸。
6.1.4 管箱结构设计
选用B型封头管箱，取管箱长度L"g min≥560mm,管箱分程隔板厚度取8mm。
6.1.5 固定端管板结构设计
依据所用管箱法兰、管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大直径为D=550 mm。
6.1.6 外头盖法兰、外头盖侧法兰
设计依工艺条件，壳侧压力、温度及公称直径DN＝600 mm。按JB/T-4703《长颈对焊法兰》标准选取，并确定各部分尺寸。
6.1.7 外头盖结构设计
外头盖轴向尺寸由浮动管板、钩圈法兰、钩圈强度计算确定厚度后决定。
6.1.8 垫片选择
①管箱垫片 根据管箱操作条件（循环水压力0.4MPa，温度33℃），选用石棉橡胶垫，D=555mm，d=500mm。
②外头盖垫片 根据壳程操作条件（混合气体，压力2MPa，温度240℃）选缠绕式垫片，垫片400mm×500mm缠绕垫片。
③浮头垫片 根据管壳程压差，混合气体温度确定垫片为金属包石棉垫，以及浮头管板结构确定垫片结构尺寸为 600，厚度为3mm，JB/T-4706金属包垫片。
6.1.9 鞍座选用及安装位置确定
鞍座选用JB/T 4712鞍座BI500 F/S。安装尺寸见附图，其中L=3000mm，LB=0.6L=1800mm，取LB=1800mm ,LC’ LC=600mm。
6.1.10 折流板布置
折流板结构尺寸:外径D=DN-8=592mm，厚度取8mm，圆缺尺寸在排管图上取。
壳体接管中心距管板内侧的距离L2≥250mm。
前端折流板距管板的距离至少为250+100=350mm。
后端折流板距浮头管板距离至少为400mm。
折流间距按400mm计算，则需折流板数量(换热管长-两管板厚度-前后端折流板的距离)/400 =（3000-350-400-38-36）/400=5.44，取折流板6块。
拉杆直径取 12；数量取4根，其中长度1600mm的二根，长度1100mm的二根。
6.2 强度计算
6.2.1 筒体壁厚计算
由工艺设计给定设计温度为240℃，设计压力pc=2MPa，选低合金结构钢板Q235-B卷制，材料240℃的许用压力 =94MPa，取焊缝系数 =1，腐蚀裕度C2=1mm。
计算厚度 (mm)
设计厚度 (mm)
名义厚度 Sn=Sd+C1+圆整=6.4+1.0=7.4 (mm)，取Sn=8mm
有效厚度 Se=Sn-C1-C2=8-1-1=6mm
水压试验压力 (MPa)
所选材料的屈服应力 =235MPa
水压试验应力校核 (MPa)
105.4MPa<0.9 =0. 9×235×1=211.5MPa，水压强度满足要求。
气密试验压力 Pt=Pc=2MPa。
6.2.2 外头盖短节、封头厚度计算
外头盖内径 =600mm，其余条件、参数同筒体。
短节计算壁厚 (mm)
短节设计厚度 Sd=S+S2=6. 5+1=7.5 (mm)
短节名义厚度 Sn=Sd+C1+圆整=6.5+1+圆整=7.5+圆整
取Sn=8mm，C1=1mm
有效厚度 Se=Sn-C1-C2=8-1-1=6 (mm)
压力试验应力校核 (mm)
126MPa<0.9 =0.9×235×1=211.5MPa,应力试验满足强度要求。
外头盖封头选用标准椭圆封头
封头计算壁厚 (mm)
封头名义壁厚 Sn=S+C1+C2+圆整=6.4+1+1+圆整
取名义厚度与短节厚度Sn=8mm。
6.2.3 管箱短节、封头厚度设计
由工艺设计给定设计参数为：设计温度为33℃，设计压力0.4MPa，选用Q235-B,材料许用应力 =113MPa，屈服强度 =235MPa，取焊缝系数 =0.85，腐蚀裕度C2=2。
计算厚度 (mm)
设计厚度 Sd=S+C =1.1+2=3.1 (mm)
名义厚度 Sn=Sd+C1+圆整=3.1+0.8+圆整=3.9+圆整
结合考虑开孔补强及结构需要取Sn=6mm
有效厚度 Se= Sn- C1- C2=6-2-0.8=3.2 (mm)
压力试验强度在这种条件下一定满足
管箱封头取用厚度，取Sn=6 mm。
6.2.4 管箱短节开孔补强的校核
开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管尺寸为 133×4，考虑实际情况选20号热轧碳素钢管 =130MPa， 133×4，C2=1。
接管计算壁厚 (mm)
接管有效壁厚 Set=Snt-C2-C1=4-1-4×0.15=2.4 (mm)
开孔直径 d=di+2C=133-2×4+2×2.35=129.7 (mm)
接管有效补强宽度 B=2d=2×129.7=259.4(mm)
接管外侧有效补强高度 (mm)
需要补强面积 A=dS=129.7×1.94=251.6 (mm)
可以作为补强的面积为
A1=（B-d）（Se-S）=(259.4-129.7)×(5.2-1.94)=422.8 (mm2)
A2=2h1（Se-St）fr=2×22.8×(2.4-0.21) ×130/170=76.4 (mm2)
A1+A2>A
该接管补强的强度足够，不需另设补强结构
6.2.5 壳体接管开孔补强校核
开孔补强采用等面积补强法。由工艺设计给定的接管尺寸为 325×8，考虑实际情况，选取20号热轧碳素钢管 325×8，钢管许用应力 =137MPa，C2=1。
接管设计壁厚 (mm)
接管有效厚度 Set=Snt-C2-C1=8-1-8×0.15=5.8 (mm)
开孔直径 d=di+2C =325-2×8+2×(1+8×0.15)=313.4 (mm)
接管有效补强宽度 B=2d=626.8 (mm)
接管外侧有效补强高度 (mm)
需补强面积 A=dS =313.4×30.7=9621.4 (mm2)
可以作为补强的面积为
A1=（B-d）（Se-S）=(626.8-313.40)×(8-7.5)=156.7 (mm2)
A2=2h1（Se-St）fr =2×50.1×(5.8-2.36) ×137/170=277.8 (mm2)
尚需另加的补强面积为
A4>A-A1-A2=9621.4-156.7-277.8=9186.9 (mm2)
补强圈厚度 (mm)
实际补强圈厚度取Sk=32mm，则需补强面积
(mm2)
A1+ A2+ A4=156.7+277.8+9657.6=10092.1(mm2) > A=9621.4(mm2)
同时计及焊缝面积A3之后，该开孔补强强度足够。
6.2.6 固定管板计算
固定管板厚度设计采用BS法。
假定管板厚度 b=30mm
总换热管数量 n=110（根）
一根管壁金属的横面积为
(mm2)
开孔强度削弱系数（双程）
两管板间换热管有效长度(除掉两管板厚)L估取3450mm
计算系数K
K=3.24
按管板简支考虑，依K=3.24值查图[1]，G1=2.6，G2=-0.5，G3=2.3
管板最大应力 (MPa)
管子最大应力
(MPa)
筒体内径截面积 (mm2)
管板上管孔所占的总截面积 (mm2)
系数 = = =0.841
系数
壳程压力 ps=2MPa，管程压力 pt=0.4MPa
当量压差 pa= ps- pt（1+ ）=2-0.4×（1+0.071）=1.57 (MPa)
管板采用16Mn锻 [ ] =150MPa
换热管采用10号碳素钢 [ ] =112MPa
管板，管子强度校核
=85.5< =113MPa
=35.5< =112MPa
管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取C2=4mm，隔板槽深取4mm，实际管板厚为38mm。
6.2.7 浮头管板及钩圈
浮头式换热器浮头管板不是由强度决定的，按结构取20mm，钩圈采用B型，材料与浮头管板相同，设计厚度按浮头管板厚加16mm，定为36mm。
6.2.8 无折边球封头计算
浮头盖上无折边球形封头计算按外压球壳计算，依据GB 151方法计算。选用16MnR板封头Ri=400mm。封头外侧为240℃气体，内侧为33℃循环水，取壁温80℃。
假设名义厚度Sn=20mm，双面腐蚀取C2=3，钢板负偏差C1=1.2mm，当量厚度Se=Sn-C=20-3-1.2=15.8mm，封头外半径R0=Ri+Sn=400+20=420mm，R0/Se=26.58，计算系数A
依据所选16MnR材料、温度、A系数查外压圆筒、球壳厚度计算图[3]得B=140MPa。
计算许用压力
(MPa)
>ps =2MPa,计算值可用。
6.2.9 浮头法兰计算
按GB 151相应规定，因此法兰处于受压状态，取法兰厚度150mm。
6.2.10 设计值汇总
见表3。
表3 换热器部分结构厚度与材料
名称 尺寸/mm 材料
筒体壁厚
筒体补强圈
外头盖短节厚
外头盖封头厚
管箱短节厚
管箱封头厚
管箱分程隔板厚
管箱接管
壳程接管
固定管板厚
浮头管板厚
钩圈总厚
无折边球封头厚
浮头法兰厚 8
32
8
8
6
6
8
38
20
36
20
150 Q235-B
Q235-B
Q235-B
Q235-B
Q235-B
Q235-B
Q235-B
20
20
16Mn锻
Q235-B
Q235-B
16MnR
Q235-B
7.附图(管壳式换热器)
8.参考文献
[1] 匡国柱、史启才主编. 化工单元过程及设备课程设计.[M].第二版.北京：化学工业出版社,2007.10.
[2] 刘光启等编著. 化学化工物性数据手册.[M].北京：化学工业出版社，2002.05.
[3] 潭天恩、窦梅、周明华等编著. 化工原理(上册).[M].第三版.北京：化学工业出版社,2006.04.
[4] 赵军、张有忱、段成红编著. 化工设备机械基础.[M].第二版.北京：化学工业出版社,2007.07.
参考资料：浮头换热器 数据