化工原理课程设计列管式换热器的设计

1、 课程设计说明书 专 业： 制药工程 班 级： 制药二班 姓 名： 组 号： 第十组 指导教师： 设计时间：2011年9月1日2011年9月14日 目录1. 设计任务书.1 2. 设计方案简介.2 2.1换热器类型的选择.2 2.2流径的选择.3 2.3流速的选择.3 2.4材质的选择.3 2.5管程结构.33. 工艺计算及主要设备计算.4 3.1确定物性数据.4 3.2估算传热面积.4 3.3工艺结构尺寸.5 3.4换热器核算.64. 设计结果汇总表.105. 参考资料.116. 后记.121. 设计任务书设计题目：列管式换热器的设计设计条件：某生产过程的流程如图所示，反应器的混合气体经与进

2、料物流换热后，用循环冷却水将其从135进一步冷却至60之后，进入吸收塔吸收其中的可溶组分。已知混和气体的流量为227301h-1，压力为6.9mpa，循环冷却水的压力为0.4mpa，循环水的入口温度为29，出口温度为40，要求设计一台列管式换热器，完成该生产任务。已知该混和气体在80100下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度 定压比热容 =3.297 kj/(kg) 热导率 =0.0279 w/(m)粘度 生产过程流程图二.设计方案简介1. 换热器类型的选择根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要 求，介绍几种常见的列管式换热器。（1） 固定管板式换热器

3、（如图1-1所示） 优点：结构比较简单、紧凑，造价便宜。 缺点：管外不能机械清洗，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差压力，以至于管子扭弯或是管子从管板上松脱，甚至会坏换热器。为了克服温差压力，必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁。温差相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但是，补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过0.6mpa时，由于补偿圈较厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。（2）.u型管换热器（如图1-2所示） 优点：u型管换热器每根管子都弯成u型，两端固定在同一块管板上，每

4、根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。缺点：管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列管子少。（3）.浮头式换热器（如图1-3所示）优点：管束可以拉伸，以便清洗。管束的膨胀节不受壳体的约束，因而，当两种换热器介质的温差较大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同儿产生温差压力。缺点：结构复杂，造价高。（4） .填料函式换热器（如图1-4所示）1优点：这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。缺点：壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。 综上所述：混合气体温差为75摄氏度，初步排除固定管板

5、式换热器；混合气体压力为6.9mpa，排除浮头式换热器；循环冷却水易结垢，不便清洗，排除u形管式换热器和填料函式换热器；所以初步确定选用浮头式换热器。2. 流径的选择在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面积两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷凉损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性，所以，从总体上考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。3. 流速的选择由于增加流体的换热器中的流速，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，从而减小换热器的传

6、热面积，但是流速增加又使流体阻力增大，动力消耗就增多，故拟取循环水的流速为2m/s。下表列出工业一般采用的流体流速范围。2液体的种类一般液体易结垢液体气体流速ms管程0.531530壳程0.21.50.53154. 材质的选择 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性来选用。在高温下，一般材料的机械性能及耐腐蚀性能要下降，同时具有耐热性。高强度及耐腐蚀性的材料是很少的。综合目前金属材料，选择使用碳钢材料。5. 管程结构换热器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。【1】 (a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三

7、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理，对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程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。三.工艺计算及主要设备计算一.确定物性数据壳程流体的定性温度：t=97.5管程流体的定性温度：t=34.5根据定性温度分别查取壳程和管程流体的有关物性数据，如下表【2】密度/kg/m3定压比热容cp/kj/(kg)热导率w/(m)黏度/pas混合气体 90 3.297 0.0279 0.000015循环水 994.3 4.178 0.624 0.0007421. 估算传热面积 1.热流量 q1=m1cp1t1=2

8、273013.297（135-60）=15600kw 2.平均传热温差 先按纯逆流计算得 t1=135-40=95，t2=60-29=31 所以，tm=(95-31)/ln(95/31)=57 温度校正系数 r=6.8 p=0.1038 按单壳程双管程结构，温差校正系数差数为 所以： tm=0.9757=54.7 3.传热面积 由于壳程气体压力较高 故可选取较大的k值 假设 k=570 则估算的传热面积为 a=500m 冷却水用量： m=12219852. 工艺结构尺寸 1.管径和管内流速 选用传热碳钢管 取管内流速 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 根 【3】 单

9、程管长 按单程设计 传热管过长 宜采用多管程结构 取传热管长l=6m 则该换热器的管程数为 传热管总根数 3.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 隔板中心到离其最近一排管中心距离按公式计算 各管程相邻管的管心距为44mm 管数的分程方法 每程各有传热管540根 4.壳体内径 采用多管程结构 壳体内径可按公式估算 取管板数利用率 则壳体内径为 按卷制壳体的进级档 取d=1300mm 5.折流板 采用方型折流板 去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b=0.2d 则b= 故取b=300mm 折流板数目

10、 折流板圆缺面水平装备。6. 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 【4】 圆整后取壳程接管内径为300mm 管程流体进出口接管： 取接管内液体流速 则接管内径为 圆整后取管程接管内径为250mm4. 换热器核算1.热流量核算 1）壳程表面传热系数 用克恩公式计算 得 当量直径 依式得 壳程流通截面积 依式得 壳程流体流速及其雷诺数为 普朗特数 黏度校正 2）管程传热系数 【5】 管程流通截面积 管程流体流速 3）污垢热阻和管壁热阻 取 管外侧污垢热阻 管内测污垢热阻 管壁热阻按式计算 碳钢在该条件下热阻率为50 所以 4)传热系数ke 得 【6】 5)传热面积裕度 1

11、9.8% 传热面积裕度在15%20%范围内 该换热器能完成生产任务。 2.换热器内流体流动阻力 1）管程流动阻力 由re=54200 传热管相对粗糙度 0.01/20=0.005 得 流速 得 2)壳程阻力 流体流经管束的阻力 f=0.5 uo=8.2 流体流经折流挡板缺口的阻力： 【7】 b=300mm d=1300mm 总阻力 壳程流动阻力也比较适宜。 四.设计结果汇总1.换热器主要结构尺寸和计算结果汇总表参 数管 程壳 程流量（h-1）1221985227301进/出口温度（）29/40135/60压力（mpa）0.46.9物性定性温度（）34.597.5密度（kgm-3）994.390

12、定压比热容kj/(kg)4.1783.297粘度（pas）0.0007420.000015热导率w/(m)0.6240.0279普朗特数4.961.773设备结构参数形 式浮头式壳程数1壳体内径（mm）1300台 数1管径（mm）20管心距（mm）32管长（mm）6000管子排列方式正三角形管 数1080折流板数19传热面积（m2）599折流板间距（mm）300管程数2材 质碳钢主 要 计 算 结 果管 程壳 程流速（m/s）2.08.2表面传热系数w/(m2 k)8261.81201.3污垢热阻(m2 k /w)0.00060.0004阻力（mpa）0.06850.237热流量(kw)传热温

13、差(k)54.7传热系数w/(m2 k)476裕 度19.8%2.设备工艺条件图见附图五.参考资料主要参考书目【1】化工原理（第四版） 王志魁 刘丽英 刘伟 编化学工业出版社 2010【2】化工原理课程设计大连理工大学化工原理教研室 编【3】化工原理课程设计柴诚敬 编【4】化工工艺设计手册 上海医药设计院 编【5】化工单元过程及设备课程设计 【6】化工制图 魏崇光 郑晓梅 编化学工业出版社【7】石油化工基础数据手册 卢焕章 编【8】化学工程手册 化学工程手册编委会 编六、后记 课程设计这个名词是我们第一次接触与听说，所以，开始的时候，它的一切对于我们而言都是那么的陌生和神秘。在老师的循循善诱和

14、悉心指导下我们第一次掀起了它的面纱，并且，和它开始了相依为命的两周的课程设计之旅。在本次旅行中，我们分为10组，设计的题目是“化工原理列管换热器的设计”，但是每组同学都因进出口温度的不同而不同，我们组由五人组成，对于课程设计，我们都很茫然，不知从何下手，而且，问题不断出现，我们屡屡碰壁，但是我们没有退缩，因为我们清楚的知道，在课程设计开始的第一天，我们没有做出什么行动，相反的是，我们组的五个人都回到了起点，把之前化工原理课上学到的关于列管换热器的相关知识，从而使我们在之后的两周时间内做起事来可以更轻松些。在那过程中，我们在一种山重水复疑无路的状态里摸索，为了找到一个正确高效的设计途径，我们一起

15、查阅资料，在图书馆里或者利用网络，亦或者主动去咨询认识的学长、学姐，利用一切可以利用的渠道，遇到实在难以解决的问题我们就和其他组的成员一起讨论，看他们有没有什么好的意见或建议。在这次特殊的旅程中，我们前一周好比在走夜路，后一周却想在阳光下紧张地进行。经过前一周的准备和摸索，后一周就会有柳暗花明又一村的势头。反复的计算，虽然有时我们的设计理念不谋而合，但是在很多细节中我们每个人都有自己的独特见解。这次的旅程给我们提供了一次锻炼自己独立思考问题的机会，是我们学会了设计计算的基本过程，为以后从事本专业代打下了基础。在此过程中，我们感受颇深，总结起来大致有以下几点：1、 实践源于理念，又高于理论通过此次的实践，我们看到了自己的诸多不足对知识的掌握、理解不够，缺乏创造性的思维和实践能力，换热器的设计，从课本上简单的理论计算到满足一定需求的切实的设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还根据具体的要求选择区分和确定换热器的每个细节。此外，不得不提的是，在郭老师中秋前夕来访女生寝室的时候得知，我们所计算的管数高达两千根，因此又展开了新一轮的计算，工作量之大，但我们每个人都为那种追求真知的态度、组员之间团结协作的精神所打动。2、 cad制图