制药化工原理——换热器的设计11

列管式换热器课程设计

化工原理课程设计

题 目： 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

列管式换热器课程设计

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：1.8×104t/a热水； （2）设备形式：列管式换热器。 一、操作条件

①热水：入口温度75℃，出口温度60℃；

②冷却介质：循环水，入口温度32℃，出口温度40℃； ③允许压降：不大于105Pa；

④每天按330天，每天按24小时连续运行。 ⑤建厂地址：湖南地区 二、设计内容及要求 （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）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。

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目 录

设计任务书 ............................................... 2 1、 概述 ................................................. 1 1.1 列式管换热器简介 .................................. 1 2、 列式管换热器选型 ..................................... 5 2.1换热器类型选择 ..................................... 5 2.2流径的选择 ........................................ 5 2.3材质的选择 ........................................ 6 2.4流速的选择 ........................................ 6 2.5管程结构 .......................................... 7 2.6壳程结构 .......................................... 8 3、 设计方案确定 ......................................... 9 3.1设计流程图：...................................... 10 4、工艺设计计算 ......................................... 11 4.1确定物性数据...................................... 11 4.2计算热负荷 ....................................... 11 4.3计算平均传热温差 .................................. 12 4.4估算总传热系数 .................................... 12 4.5初估换热面积及初选版型 ............................ 13 4.6选取附属设备...................................... 14 4.7换热器核算 ....................................... 15 4.8计算压降 ......................................... 17

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5、换热器主要技术参数 ................................... 19 5.1换热器主要结构尺寸和计算结果 ...................... 19 工艺流程图 ........................................... 20 主体设备图 ........................................... 20 5.2 设计评述 ......................................... 20 6、 附录 ................................................ 21 6.2公式符号说明...................................... 21 6.2参考文献 ......................................... 22

列管式换热器课程设计

1、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。

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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及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。

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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。

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。

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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。

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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，以便于及时排除冷凝液，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，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

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Re(Re>100)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、温度及流体的腐蚀性等来选用。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。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ui=0.5m/s

表1 列管换热器内常用的流速范围

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2.5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。

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2.6壳程结构

介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。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及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。

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

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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20％~50％。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.管程循环水流速取0.5m/s 4.材质：碳钢 5.管径：φ25*2.5mm

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3.1设计流程图：

裕度过大或过小

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4、工艺设计计算 4.1确定物性数据

定性温度：可取流体进出口温度的平均值。

壳程热流体的定性温度为 T=75 602

=67.5(℃)

管程流体的定性温度为 t=

32 40

2

=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 0=977.8㎏〃m 3

定压比热容 C1p=4.185KJ kg K 10

导热系数 0=0.668W/(m〃℃) 粘度 0=0.0004061Pa s 循环冷却水在36℃下的物性数据如下： 密度 i=992.2㎏〃m 3 定压比热容 Cpi

=4.174KJ kg 1 K 1

导热系数 i=0.635W/(m〃℃) 粘度 i=0.0006533Pa s 4.2计算热负荷

1. 热流量

W0=2.5×

104t/a=2.5 104

103 (330 24)=3156.57kg/h

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Q0=W0Cp0(T1 T2)=3156.57×4.185×﹙75+273.15-60-273.15﹚

=1.98×105KJ/h=55.04KW 4.3计算平均传热温差

'

=( t2 t1)/㏑﹙ t2/ t1)=(35-28) ÷㏑(35÷28)=31.37℃ tm

3.冷却水用量

ti=t2-t1=40+273.15-（32+273.15）=8K

Wi=Q0／（Cpi ti）=1.585×105／（4.174×8）=5929.56kg/h

4.4估算总传热系数

管程传热系数

Re=diui i/ i=0.02×0.5×992.2÷0.0006533=1.52 10

3

Pr=

i

Cpi i/ i

3 4

1010=4.174××6.533×÷0.635=4.294

0.8

=0.023( i/di)Re

Pr0,4

=0.023×0.635÷0.02×

(1.52 103)0.8 (4.294)0.4=2.902 103 (W/(㎡〃℃))

壳程传热系数

假设壳程的传热系数 0=1000 W/(㎡〃℃) 污垢热阻

Rsi1.7197 10-4

=㎡〃℃/W Rs01.7197 10-4= ㎡〃℃/W

管壁的导热系数 λ=50.6 W/(m〃℃) K=1

÷

(

d0 ( idi) Rsid0 di bd0 ( di) Rs0 1 0

)=1÷

[0.025÷(2896.13×0.02)+1.7197×10-4×0.025÷0.02+0.0025×0.025÷(50.6×0.02)+1.7197 10-4 1 1200]=583.91 W/(㎡〃℃)