制药化工原理换热器的设计.doc

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1、 化工原理课程设计 题 目： 冷却器的设计 学生姓名：刘灿 雷立 学号： 1011403009 1011403010 系别：化学化工系 专业：制药工程 指导教师：刘 艳 起止日期： 2012年 月 日设计任务书设计题目；热水冷却器的设计设计参数：（1）处理能力：1.8104t/a热水； （2）设备形式：列管式换热器。一、 操作条件热水：入口温度75，出口温度60；冷却介质：循环水，入口温度32，出口温度40； 允许压降：不大于105Pa； 每天按330天，每天按24小时连续运行。建厂地址：湖南地区二、 设计内容和要求（1）计算热负荷（2）计算平均温差（3）初估换热面积（4）核算总传热系数K（5

2、）计算传热面积S（6）换热器规格选型（7）附属设备的选型（8）换热工艺流程图，主体设备工艺条件图。目 录设计任务书21、 概述1 1.1 列式管换热器简介12、 列式管换热器选型52.1换热器类型选择52.2流径的选择52.3材质的选择62.4流速的选择62.5管程结构72.6壳程结构83、 设计方案确定93.1设计流程图：104、工艺设计计算114.1确定物性数据114.2计算热负荷114.3计算平均传热温差124.4估算总传热系数124.5初估换热面积和初选版型134.6选取附属设备144.7换热器核算154.8计算压降175、换热器主要技术参数195.1换热器主要结构尺寸和计算结果19工

3、艺流程图20主体设备图205.2 设计评述206、 附录216.2公式符号说明216.2参考文献221、 概述 1.1 列式管换热器简介列式管换热器又称为管壳式换热器，是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。 列管式换热器主要由管箱、换热管、壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。管壳式换热器的核心，安装在壳体内，两端固定在管板上。换热管作为导热元件，与折流板一起决定换热器的传热性能。管箱与壳体则决定管壳式换热器的承压能力和操作运行的安全可靠性。管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内构成的流体通道和称为管程，换热管外构成的流体通道称为壳程。管程和壳程分别通过两种不同温度的流体时，温度较高的流

4、体通过换热管壁将热量传递给温度较低的流体，温度较高的流体被冷却，温度较低的流体被加热，进而实现两流体换热工艺目的。封头用螺栓与壳体两端的法兰相连。其优点是单位体积内所具有的传热面积较大，结构简单坚固，选材广泛，制作容易，传热效果好，并具有较大的操作弹性，因而在制药化工生产中有着广泛的应用。1.2列式管换热器常见类型1、固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。

5、2、U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩,来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。3、浮头式 换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。2、 列式管换热器选型2.1换热器类型选择 根据固定管板式的特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。U形管式特点：结构简单，质量

6、轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料。浮头式特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，完全消除温差应力，应用普遍。我们设计的换热器的流体是冷热水，不易结垢，再根据造价低，经济的原则我们选用固定管板式换热器。2.2流径的选择 (1) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3)压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于和时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用增强冷却效果。(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内

7、，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。我们选择冷水走管程，热水走壳程。(8) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。2.3材质的选择 列管换热器的材料应根据操作压强、温度和流体的腐蚀性等来选用。在高温下一般材料的机械性能和耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度和耐腐蚀性的材料是很少的。目前 常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根据实际需要，可以选择使用碳钢

8、材料。2.4流速的选择 流体流速的选择：增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。在本次设计中，根据表换热器常用流速的范围，取管内流速表1 列管换热器内常用的流速范围流体种类

9、流速 m/s管程壳程一般液体宜结垢液体气 体0.51.315300.21.50.53152.5管程结构换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列（d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗。对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。2.6壳程结构介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。

10、壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板和缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装和保护列管而设置的支承板、管束的导轨以和缓冲板等。 壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，大于400mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用

11、复合金属板。 介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用最为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。 圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为2050。垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝

12、气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。 折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔最小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，最大值决定于支持管所必要的最大间隔。 壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。3、 设计方案确定1. 选择换热器类型：固定板式换热器2. 流经的选择：热流体走壳程，循环水走管程3.

13、 管程循环水流速取0.5m/s4. 材质：碳钢5. 管径：25*2.5mm3.1设计流程图：确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间估计传热总数，计算传热面积初值计算选择传热管参数，并计算管程相应参数计算值与假定值相差较大估计冷凝给热系数计算值与假定值相差较大压降大于设计压力裕度过大或过小核算冷凝给热系数计算管内给热系数总传热系数核算计算值与假定值相差不大折流板计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较压降小于设计压力裕度系数校验考虑夏冬季的温度差异，改变冷流体进口温度裕度合适计算换热器其余零件确定换热器基本尺寸4、工艺设计计算4.1确定物性数据定性温度：可取

14、流体进出口温度的平均值。壳程热流体的定性温度为T=67.5()管程流体的定性温度为t=36()根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。水在67.5的有关物性数据如下：密度 =977.8定压比热容 =4.185导热系数 =0.668W/(m)粘度 =0.0004061循环冷却水在36下的物性数据如下：密度 =992.2定压比热容 =4.174导热系数 =0.635W/(m)粘度 =0.00065334.2计算热负荷1. 热流量=t/a=3156.57kg/h=()=3156.574.18575+273.15-60-273.15=1.98/h=55.04KW4.3计算平均传热温差=/)

15、=(35-28) (3528)=31.373.冷却水用量=-=40+273.15-（32+273.15）=8K=（）=1.585（4.1748）=5929.56kg/h4.4估算总传热系数 管程传热系数Re=0.020.5992.20.0006533=1.52Pr=4.1746.5330.635=4.294=0.023()=0.0230.6350.02= (W/()壳程传热系数假设壳程的传热系数=1000 W/()污垢热阻=/W= /W管壁的导热系数 =50.6 W/(m)K=1()=1=583.91 W/()4.5初估换热面积和初选版型=55.04（584.831.37）=3.0 考虑15%

16、的面积裕度，S=1.15=1.153.0=3.45 工艺结构尺寸1.管径和管内流速选用252.5传热管（碳钢），取管内流速=0.5 m/s2. 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数=5929.56992.236000.7850.0020.0020.5=10.4511（根）按单程管计算，所需的传热管长度为=3.45(3.140.02511)=3.995 (m)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长L=2m，则该换热器的管程数为Np=Ll=3.99522(管程)传热管总根数N=211=22(根)3. 平均传热温差校正和壳程数R=(75-60) (40-32)=1.

17、875P=(40-32) (75-32)=0.186按单壳程双管程结构，温差校正系数经查表得：=0.99平均传热温差 =0.9931.37=31.056（）4. 传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25则t=1.2525=31.2532()横过管束中心线的管数=1.19（根）5. 壳体内径D=()整圆可取D=1904.6选取附属设备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h=0.25190=47.5()故可取 h=45mm可取折流板间距B=0.3D，则B=0.3190=57(),可取

18、B为60折流板数传热管长/折流板间距-1=2000601=33(块)折流板圆缺面水平装配7. 接管壳程流体进出口接管：取接管内热流体流速为u=2.0m/s，则接管内径为（m）取标准管径为：30管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.7m/s，接管内径为：（m）取标准管径为:304.7换热器核算1.热量核算(1)壳程对流传热系数 对圆缺行折流板，可采用科恩公式当量直径，由正方形排列得： =0.02（m）壳程流通截面积=0.060.18(1-0.0250.032)=2.49(m)壳程流体流速和其雷诺数分别为：3156.573600977.8(2.49)=0.36(m/s)=0.020.369

19、77.80.0004061=17316.7普兰特准数 Pr=4.1580.00040610.668=2.554粘度校正=3242.48W/()(2)管程对流传热系数管程流通截面积：管程流体流速和雷诺数(m/s)Re=0.020.48992.20.0006533=14580普兰特准数Pr=4,1740.00065330.635=4.29(W/()(3)传热系数KK=1() =1(0.0252801.10.02)+(0.0001720.0250.02)+(0.00250.02550.60.02)+0.000172+(13242.48) =830.97(W/()(4)传热面积S=55.04(830.

20、9731.056)=2.132()该换热器的实际传热面积S=3.140.0252(22-5)=2.512()该换热器的面积裕度为：H=(2.512-2.132) 2.132100%=17.8%传热面积裕度合适，该换热器能够完成任务。4.8计算压降2.换热器内流体的流动阻力(1)管程流动阻力=1 由Re=14283.19，传热管相对粗糙度为0.120=0.005，查moody图得=0.037W/(m/) 流速=0.47m/s，=992.2kg/，所以=0,037(20.02) 992.20.480.482=422.91(Pa)3992.20.480.482=342.90(Pa)=(422.91+

21、342.90 1.52=2297.43Pa管程流动阻力在允许范围内(2)壳程流动阻力流体流经管束的阻力 F=0.5=0.5403m/s；(Pa)流体流过折流板缺口的阻力B=0.06m D=0.19m(Pa)总阻力PaPa壳程流动阻力也比较适宜。5、换热器主要技术参数5.1换热器主要结构尺寸和计算结果表3-9换热器形式：固定管板式换热面积（）：2.512工艺参数名称管程壳程物料名称循环水水操作压力,MPa1010定性温度，3667.5流量，kg/h5929.563156.57流体密度，kg/992.2977.8流速，m/s0.480.36传热量，kW55.04总传热系数，W/830.97对流传热

22、系数，W/2801.13242.48污垢系数，0.0001720.000172阻力降，Pa3491.85997.6程数21推荐使用材料碳钢碳钢管子规格25*2.5mm管数：22管长，mm2000管间距，mm32排列方式正三角形排列折流板型式弓形间距，mm60壳体内径，mm190工艺流程图主体设备图5.2 设计评述本设计所有参数经反复核算，保证各参数均在设计要求之内，准确可行。壳程流体流速=0.36m/s，流体雷诺数=17316.72。管程流体流速=0.48m/s，流体雷诺数Rei =1458010000。管程流体流动方式为湍流，能够较好的达到换热的要求。考虑到不锈钢和有色金属虽然抗腐蚀性能好，

23、但价格高且较稀缺，应尽量少用。这里选用的材料为碳钢。每程内都采用正三角形排列，而在各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。正三角形排列结构紧凑，正方形排列便于机械清洗。该换热器的面积裕度H=17.8在15-25之间，则所设计换热器能够完成生产任务。管程流动阻力为2.297Kpa，2.297Kpa 100 Kpa在允许范围之内；壳程流动阻力为10912.81pa，10912.81pa10 Kpa也允许范围之内，比较适宜。6、 附录6.2公式符号说明英文字母B-折流板间距，m；d-管径，m；D-壳体直径，m；f-壳程流体摩擦系数；F-管子排列方式对压力降 的校正系数；N-管数；NB-折流板数

24、；Nu-努塞尔特准数；P-压力，Pa ； h-圆缺高度，m； t-冷流体温度，；u-流速，m/s；W-质量流量，kg/s； Re-雷诺数；q-热通量，W/S-传热面积，；T-热流体温度，；C-系数，无量纲；L-管长，m；Pr-普兰特常数Q-传递效率，W；L-管长，m；n-指数；管数；程数；r-半径，m；m-程数；R-热阻，。希腊字母-对流传热系数，W/() -有限差值;-导热系数，W()； -校正系数；-密度，kg/； -粘度，Pa下标c-冷流体； m-平均；h-热流体； o-管外；i-管内； s-污垢。6.2参考文献1 刘光启.化工物性算图手册(第1版)M.北京:化学工业出版社,2002:16,28.2 贾绍义,柴诚敬.化工原理(第1版) M.天津:天津大学出版社,2005:366-367.3 匡国柱,史启材.化工单元过程和设备课程设计M.北京:化学工业出版社,2001:54.4 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计M.天津:天津大学出版社,2002:65.5 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计M.天津:天津大学出版社,2002:68.6刘国钧,王连成.图书馆史研究M.北京:高等教育出版社,1979：15-18,31