设计计算及温度-热负荷曲线图的压降计算

板壳式热交换器的设计计算基本方法和步骤与管壳式基本相同。大体上是，先根据已知的设计条件和经验初选传热系数及流速，通过选型和相应的结构计算初步确定其结构尺寸。在此基础上进行传热计算，只要求得所需要的传热面积略小于结构设计确定的面积，就可进行阻力计算。如不满足，则要返回重选和计算，反复进行，直至满足为止。同理，如阻力计算不满足，则也要返回重选和计算，直至满足为止。今以一例表明其过程。

[例3.3] 已知某热流体的进口温度为C及出口温度为100℃，进口压力为0.51MPa，流量为73068kg/h。某冷流体的进口温度为C及出口温度为493.3℃，进口压力为0.75 MPa，流量为72771kg/h。热负荷为26.8MW，试设计一台用于重整进料的板壳式热交换器。

[解]

（1）结构设计

先根据经验选定流速及传热系数。对于用于重整进料的热交换器，流速以10～15m/s为宜，传热系数的初始取值范围为400～700W/（m2·K）。再通过结构计算初步确定出板壳式热交换器的结构尺寸，其结果如下：

传热面积为2400m2，板片数316张，板片宽度1.0m，板片长度8.0m，流通面积0.6m2，设备直径2.0m。

（2）传热计算

①T-Q曲线图

根据工艺条件给出的工艺参数作出冷热、流体的“温度-热负荷曲线图”，如图3.31所示。分别找出冷、热流体T-Q曲线的拐点，分段进行热交换器的工艺计算。图中曲线最高温度与所给工艺条件略有不同，但拐点不变。原因是在装置开工的初期、中期及后期反应器要求的床层温度不同。

AB段两侧流体均无相变，为对流换热段。

BC段热侧流体继续冷却，无相变，冷侧流体沸腾。

CD段热侧流体出现少量冷凝，冷侧流体沸腾。

②AB段传热计算

温度条件：热侧（无相变）T1=52℃，T0=22℃

冷侧（无相变）t1=17℃，t0=493.3℃

对数平均温差：ΔT1≈41.3

本段热负荷：Q1=18.8MW

传热系数关联式：Nu=m·Ren·Pr0，4

式中，m，n为常数，其值取决于板片的几何形状参数。

通过计算，得到本段传热系数K1=469.36W/（m2·K）

本段所需传热面积：

③BC段传热计算

温度条件：热侧（无相变）T1=22℃，T0=10℃

冷侧（部分沸腾）t1=10℃，t0=170℃

对数平均温差：ΔT2≈18

本段热负荷：Q2=7MW

热侧传热系数按无相变计算，冷侧因有沸腾而按两相流计算。

通过计算，得到本段传热系数K2=597.49W/（m2·K）

本段所需传热面积：

④CD段传热计算

温度条件：热侧（部分冷凝）T1=10℃ T0=9℃

冷侧（部分沸腾）t1=87℃，t0=10℃

对数平均温差：ΔT3≈6.4

本段热负荷：Q3=1MW(www.xing528.com)

热侧传热系数按部分冷凝计算，冷侧按两相流计算。

通过计算，得到本段传热系数K3=511.42W/（m2·K）

本段所需传热面积：

⑤校核

加权平均温差：Δ≈33.9

平均传热系数：k≈411.36W/（m2·K）

所需总传热面积：Fc=F1+F2+F3=1926.23m2

因，面积余量为25%，故计算结果合理。

图3.31 温度-热负荷曲线图

（3）压降计算

压降主要产生在流体流过板束、进出口及进料混合器等处。

1）热侧（反应产物）压降

①热侧板束内压降

本例中，反应产物走壳程。由传热计算可见，热侧基本上是一个冷却过程，只有少量冷凝，冷凝量约占5%。由传热计算可以推导出冷凝段对应的板片长度约为1.27m，它仅占板片总长度的15.86%，故热侧板束内压降可按全气相无相变计算。今计算使用的单相压降关联式为

Δρh/L=k(G2/ρ)Rel

式中 G——宏观质量流速，kg/（m2·s）；

ρ——流体密度，kg/m3；

L——板片长度，m；

k——常数，取决于板片的几何形状参数。

②热侧进出口压降

Δ∝G2/ρ

2）冷侧（粗汽油/循环氢）压降

①冷侧无相变段（AB段）压降

AB段为气相升温过程。此段传热面积为969.48m2，对应板片长度约4.05m。其压降计算方法仍按单相压降计算即可。

②部分组分沸腾段（BD段）压降

BD段传热面积为947.82m2，对应板片长度约3.95m。其压降按两相流计算，但需引入马提内利参数，可在设计手册中找到。

③冷侧进出口压降

其计算方法与热侧相同。

④进料混合器局部压降

进料混合器局部压降主要为循环氢通过混合器筛板孔时的压降

Δpr∝G2/ρ

3）计算结果