化工原理课程设计说明书

江西科技师范大学药学院课程设计说明书

专业：制药工程

班级： 10制药（1）班

姓名：乐凡

学号： 20103603 指导教师：程丹

设计时间：2012年9月3日——9月16日

要求与说明

一、学生采用本报告完成课程设计总结。

二、要求文字用钢笔或圆珠笔填写，工整、清晰。所附设备安装图用铅笔或计算机绘图画出。

三、本报告填写完成后，交指导老师批阅，并由学院统一存档。

目录

一、设计任务书 (1)

二、设计方案简介 (2)

1、选择换热器类型 (2)

2、流径的选择 (3)

3、流程安排 (4)

4、流速的选择 (4)

5、材质的选择 (4)

6、管程结构 (4)

7、壳程结构与相关公式 (5)

三、工艺计算及主要设备计算 (6)

1、确定物性参数 (6)

2、估算传热面积 (7)

3、工艺结构尺寸 (8)

4、换热器核算 (11)

四、设计结果汇总 (16)

五、参考资料 (17)

六、后记 (18)

七、设计说明书评定 (19)

八、答辩过程评定 (19)

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料物流换热后，用循环冷却水将其从 ℃进一步冷却至 ℃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227301㎏?h -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℃，出口温度为 ℃，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80～100℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）：

密度 31/90m kg =ρ

定压比热容 1p c =3.297 kJ/(kg ?℃)

热导率 1λ=0.0279 W/(m ?℃)

粘度 Pas 51

105.1-?=μ

生产过程流程图

1、选择换热器类型

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

这类换热器如图1-1所示。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。

2）.U型管换热器

U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右。

3）. 浮头式换热器

浮头式换热器的结构如下图1-3所示。其结构特点是两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

4）.填料函式换热器

填料函式换热器的结构如图1-4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

两流体温度变化情况：热流体混合气体入口温度120℃，出口温度70℃；冷流体入口

温度25℃，出口温度39℃。

22

1t

t t +

=

，t冷=（29+39）/2=32℃，t热=（120+70）/2=95℃，t热- t冷=95-32=63℃，温差较大，但是混合气体压力为6.9Mpa，冷却水压力为0.4 Mpa，压力偏高，浮头式换热器能在较高的压力下工作，适用于壳体壁温与管壁温差较大或壳程流体易结垢的场合。故可以选用浮头式换热器，采用逆流。

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，应尽量减少其冷量损失；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。

参考标准：

1、不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。

2、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，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。

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、被冷却的流体宜走壳程，便于散热，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，宜走壳程，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(Re>100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。

8、 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较

大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。

综合考虑以上标准，确定混合气体应走壳程，水走管程。

3.流程安排

从物流操作压力上来看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使传热器的传热能力下降，从总体上来看，应使循环水走管程，混合气体走壳程。

4、流速的选择

表2-2 换热器常用流速的范围

介

质

流速

循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s 1.0~2.0 0.8~1.5 0.5~3 >1.0 0.8~1.8 0.5~1.5 5~30 壳程流速，m/s 0.5~1.5 0.5~1.5 0.2~1.5 >0.5 0.4~1.0 0.3~0.8 2~15 由于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。故拟取循环水流速为1.5m/s 。

5、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。

6、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。

7、壳程结构与相关计算公式

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。

壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下：

单管程

D=t(n c-1)+(2~3)d0

式中t——管心距，mm；

d0——换热管外径，mm；

n c——横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。

正三角形排列：

正方形排列：

多管程

式中N——排列管子数目；

η——管板利用率。

正角形排列：2管程η=0.7~0.85

>4管程η=0.6~0.8

正方形排列：2管程η=0.55~0.7

>4管程η=0.45~0.65