化工原理课程设计列管式换热器的设计.doc

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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 目录一. 设计任务书.1 二. 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.3三. 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.6四. 设计结果汇总表.10五. 参考资料.11六. 后记.12一. 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 0.000742一. 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=1221985二. 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250mm四. 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

11、19.8% 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）994.39

12、0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

13、温差(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

14、和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

15、起查阅资料，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：一、 实践源于理念，又高于理论通过

16、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。二、 CAD制图一丝不苟各成员分工合作，CAD部分由王锐负责，其中所需的专业知识，精细、认真的态度是必不可少的，在此，对王锐同学提出表扬，王锐同学辛苦咯！三、 图书馆功不可没是那些书改变了我们迷茫而不知所粗的想法，“书中自有颜如玉，书中自有黄金屋”图书馆的作用之大，在知识的海洋中我们找到了前进的方向课程设计是我们必须经历的一个过程，我们五个人齐心协力，各方面都得到了一定的锻炼，在此，希望我们在以后的学习旅程中越走越远。七、 设计说明书评定指导教师签字：年 月 日八、 答辩过程评定指导教师签字：年 月 日