制藥化工原理換熱器的設(shè)計

1、 化工原理課程設(shè)計 題 目： 冷卻器的設(shè)計 學(xué)生姓名：劉燦 雷立 學(xué)號： 1011403009 1011403010 系別：化學(xué)化工系 專業(yè)：制藥工程 指導(dǎo)教師：劉 艷 起止日期： 2012年 月 日設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目；熱水冷卻器的設(shè)計設(shè)計參數(shù)：（1）處理能力：1.8×104t/a熱水； （2）設(shè)備形式：列管式換熱器。1、 操作條件熱水：入口溫度75，出口溫度60；冷卻介質(zhì)：循環(huán)水，入口溫度32，出口溫度40； 允許壓降：不大于105Pa； 每天按330天，每天按24小時連續(xù)運行。建廠地址：湖南地區(qū)2、 設(shè)計內(nèi)容及要求（1）計算熱負荷（2）計算平均溫差（3）初估換熱面積（4）核算總傳

2、熱系數(shù)K（5）計算傳熱面積S（6）換熱器規(guī)格選型（7）附屬設(shè)備的選型（8）換熱工藝流程圖，主體設(shè)備工藝條件圖。目 錄設(shè)計任務(wù)書21、 概述1 1.1 列式管換熱器簡介12、 列式管換熱器選型52.1換熱器類型選擇52.2流徑的選擇52.3材質(zhì)的選擇62.4流速的選擇62.5管程結(jié)構(gòu)72.6殼程結(jié)構(gòu)83、 設(shè)計方案確定93.1設(shè)計流程圖：104、工藝設(shè)計計算114.1確定物性數(shù)據(jù)114.2計算熱負荷114.3計算平均傳熱溫差124.4估算總傳熱系數(shù)124.5初估換熱面積及初選版型134.6選取附屬設(shè)備144.7換熱器核算154.8計算壓降175、換熱器主要技術(shù)參數(shù)195.1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計

3、算結(jié)果19工藝流程圖20主體設(shè)備圖205.2 設(shè)計評述206、 附錄216.2公式符號說明216.2參考文獻221 / 27文檔可自由編輯打印1、 概述 1.1 列式管換熱器簡介列式管換熱器又稱為管殼式換熱器，是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。 列管式換熱器主要由管箱、換熱管、殼體、管束、折流板、管板和封頭等部件組成。管殼式換熱器的核心，安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在管板上。換熱管作為導(dǎo)熱元件，與折流板一起決定換熱器的傳熱性能。管箱與殼體則決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運行的安全可靠性。管殼式換熱器屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道和稱為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱為殼程。管程和殼程

4、分別通過兩種不同溫度的流體時，溫度較高的流體通過換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進而實現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。封頭用螺栓與殼體兩端的法蘭相連。其優(yōu)點是單位體積內(nèi)所具有的傳熱面積較大，結(jié)構(gòu)簡單堅固，選材廣泛，制作容易，傳熱效果好，并具有較大的操作彈性，因而在制藥化工生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。1.2列式管換熱器常見類型1、固定管板式固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng)兩流體的溫度差較大時，在外殼的適當(dāng)位置上焊上一個補償圈，（或膨脹節(jié)）。當(dāng)殼體和管束熱膨脹不同時，補償圈發(fā)生緩慢的彈性變形來補償因溫差應(yīng)力引起的熱膨脹。特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗

5、和檢修困難，殼程必須是潔凈不易結(jié)垢的物料。2、U形管式U形管式換熱器每根管子均彎成U形，流體進、出口分別安裝在同一端的兩側(cè)，封頭內(nèi)用隔板分成兩室，每根管子可自由伸縮,來解決熱補償問題。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。3、浮頭式 換熱器兩端的管板，一端不與殼體相連，該端稱浮頭。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。 特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。2、 列式管換熱器選型2.1換熱器類型選擇 根據(jù)固定管板式的特點：結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，殼程清洗和檢修困難，殼程必須是潔凈不

6、易結(jié)垢的物料。U形管式特點：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，適用于高溫和高壓的場合。管程清洗困難，管程流體必須是潔凈和不易結(jié)垢的物料。浮頭式特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，便于清洗和檢修，完全消除溫差應(yīng)力，應(yīng)用普遍。我們設(shè)計的換熱器的流體是冷熱水，不易結(jié)垢，再根據(jù)造價低，經(jīng)濟的原則我們選用固定管板式換熱器。2.2流徑的選擇 (1)  腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 (3) 壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4)  飽和蒸氣宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外

7、的散熱作用增強冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。我們選擇冷水走管程，熱水走殼程。(8) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清洗管子。2.3材質(zhì)的選擇 列管換熱器的材料應(yīng)根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低

8、合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實際需要，可以選擇使用碳鋼材料。2.4流速的選擇 流體流速的選擇：增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算才能定出。此外，在選擇流速時，還需考慮結(jié)構(gòu)上的要求。例如，選擇高的流速，使管子的數(shù)目減少，對一定的傳熱面積，不得不采用較長的管子或增加程數(shù)。管子太長不易清洗，且一般管長都有一定的標準；單程變?yōu)槎喑淌蛊骄鶞囟炔钕陆?。這些也是選擇流速時應(yīng)予考慮的問題。在本次

9、設(shè)計中，根據(jù)表換熱器常用流速的范圍，取管內(nèi)流速表1 列管換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類流速 m/s管程殼程一般液體宜結(jié)垢液體氣 體0.51.3>15300.21.5>0.53152.5管程結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列    （b）正方形錯列    (c) 三角形直列  （d）三角形錯列  （e）同心圓排列 正三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊；正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都采用正三角形排列

10、，而在各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。2.6殼程結(jié)構(gòu)介質(zhì)流經(jīng)傳熱管外面的通道部分稱為殼程。 殼程內(nèi)的結(jié)構(gòu)，主要由折流板、支承板、縱向隔板、旁路擋板及緩沖板等元件組成。由于各種換熱器的工藝性能、使用的場合不同，殼程內(nèi)對各種元件的設(shè)置形式亦不同，以此來滿足設(shè)計的要求。各元件在殼程的設(shè)置，按其不同的作用可分為兩類：一類是為了殼側(cè)介質(zhì)對傳熱管最有效的流動，來提高換熱設(shè)備的傳熱效果而設(shè)置的各種擋板，如折流板、縱向擋板。旁路擋板等；另一類是為了管束的安裝及保護列管而設(shè)置的支承板、管束的導(dǎo)軌以及緩沖

11、板等。 殼體是一個圓筒形的容器，殼壁上焊有接管，供殼程流體進人和排出之用。直徑小于400mm的殼體通常用鋼管制成，大于400mrn的可用鋼板卷焊而成。殼體材料根據(jù)工作溫度選擇，有防腐要求時，大多考慮使用復(fù)合金屬板。 介質(zhì)在殼程的流動方式有多種型式，單殼程型式應(yīng)用最為普遍。如殼側(cè)傳熱膜系數(shù)遠小于管側(cè)，則可用縱向擋板分隔成雙殼程型式。用兩個換熱器串聯(lián)也可得到同樣的效果。為降低殼程壓降，可采用分流或錯流等型式。 在殼程管束中，一般都裝有橫向折流板，用以引導(dǎo)流體橫向流過管束，增加流體速度，以增強傳熱；同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。 折流板的型式有圓缺型、環(huán)盤型和孔流型等。 圓缺形折流板

12、又稱弓形折流板，是常用的折流板，有水平圓缺和垂直圓缺兩種。切缺率(切掉圓弧的高度與殼內(nèi)徑之比)通常為2050。垂直圓缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有懸浮固體粒子流體用的水平熱交換器等。垂直圓缺時，不凝氣不能在折流板頂部積存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部積存。弓形折流板有單弓形和雙弓形，雙弓形折流板多用于大直徑的換熱器中。 折流板的間隔，在允許的壓力損失范圍內(nèi)希望盡可能小。一般推薦折流板間隔最小值為殼內(nèi)徑的1/5或者不小于50 mm，最大值決定于支持管所必要的最大間隔。 殼程流體進出口的設(shè)計直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。當(dāng)加熱蒸汽或高速流體流入殼程時，對換熱管會造成很大的沖刷

13、，所以常將殼程接管在入口處加以擴大，即將接管做成喇叭形，以起緩沖的作用；或者在換熱器進口處設(shè)置擋板。3、 設(shè)計方案確定1. 選擇換熱器類型：固定板式換熱器2. 流經(jīng)的選擇：熱流體走殼程，循環(huán)水走管程3. 管程循環(huán)水流速取0.5m/s4. 材質(zhì)：碳鋼5. 管徑：25*2.5mm3.1設(shè)計流程圖：確定物性常數(shù)，熱負荷、冷卻劑用量及平均溫差，確定換熱器類型及流體流動空間估計傳熱總數(shù)，計算傳熱面積初值計算選擇傳熱管參數(shù)，并計算管程相應(yīng)參數(shù)計算值與假定值相差較大估計冷凝給熱系數(shù)計算值與假定值相差較大壓降大于設(shè)計壓力裕度過大或過小核算冷凝給熱系數(shù)計算管內(nèi)給熱系數(shù)總傳熱系數(shù)核算計算值與假定值相差不大折流板計

14、算殼側(cè)壓降和管側(cè)壓降計算，并與設(shè)計壓力比較壓降小于設(shè)計壓力裕度系數(shù)校驗考慮夏冬季的溫度差異，改變冷流體進口溫度裕度合適計算換熱器其余零件確定換熱器基本尺寸4、工藝設(shè)計計算4.1確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進出口溫度的平均值。殼程熱流體的定性溫度為T=67.5()管程流體的定性溫度為t=36()根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。水在67.5的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 =977.8·定壓比熱容 =4.185導(dǎo)熱系數(shù) =0.668W/(m·)粘度 =0.0004061循環(huán)冷卻水在36下的物性數(shù)據(jù)如下：密度 =992.2·定壓比熱容 =4.174導(dǎo)熱系數(shù)

15、 =0.635W/(m·)粘度 =0.00065334.2計算熱負荷1. 熱流量=t/a=3156.57kg/h=()=3156.57×4.185×75+273.15-60-273.15=1.98×/h=55.04KW4.3計算平均傳熱溫差=/)=(35-28) ÷(35÷28)=31.373.冷卻水用量=-=40+273.15-（32+273.15）=8K=（）=1.585×（4.174×8）=5929.56kg/h4.4估算總傳熱系數(shù) 管程傳熱系數(shù)Re=0.02×0.5×992.2÷

16、;0.0006533=1.52Pr=4.174××6.533×÷0.635=4.294=0.023()=0.023×0.635÷0.02×= (W/(·)殼程傳熱系數(shù)假設(shè)殼程的傳熱系數(shù)=1000 W/(·)污垢熱阻=·/W= ·/W管壁的導(dǎo)熱系數(shù) =50.6 W/(m·)K=1÷()=1÷=583.91 W/(·)4.5初估換熱面積及初選版型=55.04×÷（584.8×31.37）=3.0 考慮15%的面積裕度，S

17、=1.15×=1.15×3.0=3.45 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速=0.5 m/s2. 管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)=5929.56÷992.2÷3600÷0.785÷0.002÷0.002÷0.5=10.4511（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為=3.45÷(3.14×0.025×11)=3.995 (m)按單管程設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取傳熱管長L=2m，則該換熱器的管程數(shù)為Np=L

18、l=3.995÷22(管程)傳熱管總根數(shù)N=2×11=22(根)3. 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)R=(75-60) ÷(40-32)=1.875P=(40-32) ÷(75-32)=0.186按單殼程雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)經(jīng)查表得：=0.99平均傳熱溫差 =×=0.99×31.37=31.056（）4. 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距t=1.25則t=1.25×25=31.2532()橫過管束中心線的管數(shù)=1.19（根）5. 殼體內(nèi)徑D=()整圓可取D=1904

19、.6選取附屬設(shè)備6. 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×190=47.5()故可取 h=45mm可取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×190=57(),可取B為60折流板數(shù)傳熱管長/折流板間距-1=2000÷601=33(塊)折流板圓缺面水平裝配7. 接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)熱流體流速為u=2.0m/s，則接管內(nèi)徑為（m）取標準管徑為：30管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u=1.7m/s，接管內(nèi)徑為：（m）取標準管徑為:304.7換熱器核算1.熱量核算(1)殼程對流傳熱系數(shù) 對圓缺行折流

20、板，可采用科恩公式當(dāng)量直徑，由正方形排列得： =0.02（m）殼程流通截面積=0.06×0.18×(1-0.025÷0.032)=2.49×(m)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：3156.57÷3600÷977.8÷(2.49×)=0.36(m/s)=0.02×0.36×977.8÷0.0004061=17316.7普蘭特準數(shù) Pr=4.158××0.0004061÷0.668=2.554粘度校正=3242.48W/(·)(2)管程對流傳熱系數(shù)管程

21、流通截面積：()管程流體流速及雷諾數(shù)(m/s)Re=0.02×0.48×992.2÷0.0006533=14580普蘭特準數(shù)Pr=4,174××0.0006533÷0.635=4.29(W/(·)(3)傳熱系數(shù)KK=1÷() =1÷(0.025÷2801.1÷0.02)+(0.000172×0.025÷0.02)+(0.0025×0.025÷50.6÷0.02)+0.000172+(1÷3242.48) =830.97(W/(

22、·)(4)傳熱面積S=55.04×÷(830.97×31.056)=2.132()該換熱器的實際傳熱面積S=3.14×0.025×2×(22-5)=2.512()該換熱器的面積裕度為：H=(2.512-2.132) ÷2.132×100%=17.8%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成任務(wù)。4.8計算壓降2.換熱器內(nèi)流體的流動阻力(1)管程流動阻力=1 ，由Re=14283.19，傳熱管相對粗糙度為0.1÷20=0.005，查moody圖得=0.037W/(m/) 流速=0.47m/s，=992.

23、2kg/，所以=0,037×(2÷0.02) ×992.2×0.48×0.48÷2=422.91(Pa)3×992.2×0.48×0.48÷2=342.90(Pa)=(422.91+342.90 ×1.5×2=2297.43Pa管程流動阻力在允許范圍內(nèi)(2)殼程流動阻力，流體流經(jīng)管束的阻力 ； F=0.5=0.5403； ； m/s；(Pa)流體流過折流板缺口的阻力B=0.06m D=0.19m(Pa)總阻力PaPa殼程流動阻力也比較適宜。5、換熱器主要技術(shù)參數(shù)5.1換熱器主

24、要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表3-9換熱器形式：固定管板式換熱面積（）：2.512工藝參數(shù)名稱管程殼程物料名稱循環(huán)水水操作壓力,MPa1010定性溫度，3667.5流量，kg/h5929.563156.57流體密度，kg/992.2977.8流速，m/s0.480.36傳熱量，kW55.04總傳熱系數(shù)，W/830.97對流傳熱系數(shù)，W/2801.13242.48污垢系數(shù)，0.0001720.000172阻力降，Pa3491.85997.6程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格25*2.5mm管數(shù)：22管長，mm2000管間距，mm32排列方式正三角形排列折流板型式弓形間距，mm60殼體內(nèi)徑，mm190工藝流程圖主體設(shè)備圖5.2 設(shè)計評述本設(shè)計所有參數(shù)經(jīng)反復(fù)核算，保證各參數(shù)均在設(shè)計要求之內(nèi)，準確可行。殼程流體流速=0.36m/s，流體雷諾數(shù)=17316.72。管程流體流速=0.48m/s，流體雷諾數(shù)Rei =14580>10000。管程流體流動方式為湍流，能夠較好的達到換熱的要求?？紤]到不銹鋼和有色金屬雖然抗腐蝕性能好，但價格高