制药工程-管壳式换热器设计.doc

中国药科大学化工原理课程设计管壳式换热器设计学生姓名 孙国良 学生学号 1343114 学科专业 制药工程 院部名称 工学院 设计时间 2016.05.15至2016.06.14 二零一六 年 六 月目录引 言3一、 传热原理及用途3二、 换热器的分类与特点3三、 结构设计的重要性3四、 设计的普遍标准与要求4设计任务4设计步骤与基本原则5一、设计步骤5二、列管式换热器种类选取5三、管程与壳程的选取5三、流体流速的选择5四、管程结构的选择6五、管程和管壳数的确定7六、 折流挡板7七、 其他主要部件7设计方案的确定8一、 设计方案的确定81.选择换热器类型82.选定流体流动空间及流速8流程草图及说明8设计计算8一、物性数据的确定8二、计算逆流的平均温度差9三、初选总传热系数K9标准化的管壳式换热器设计方案10一、换热器初步选型10二、换热器核算10非标准化管壳式换热器的设计方案14一、工艺结构尺寸14二、 换热器核算16其他零部件的设计20一、壁厚的确定20二、 封头的确定21换热器装配图21设计评述21一、 设计总结21二、 设计感想21参考资料22致谢22第 22 页 共 22 页中国药科大学引 言1、 传热原理及用途换热器是一种在两种或两种以上不同温度的流体间实现物料之间热量传递的设备，其功能是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。在换热器中要实现热交换至少要有两种不同温度的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。根据具体的换热要求，换热器中有时也会有两种以上流体参与换热，但其基本原理与两种流体是一致的。 自然界存在三种基本传热方式，即热传导、对流传热、及热辐射。在管壳式换热器中，实现高、低温流体的热量交换至少包括三个基本步骤，即对流传热热传导对流传热。若传热壁面两侧存在污垢层，还应加上通过两壁面污垢层的热传导过程。目前，换热器已成为化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用的通用设备，占有十分重要的地位。其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。2、 换热器的分类与特点1.按用途划分按照其用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。加热器是把流体加热到必要的温度而使用的热交换器，被加热的流体没有相变化；冷却器是用于把流体冷却到必要的温度的热交换器；冷凝器是用于冷却凝结性气体，并使其凝结液化的热交换器，若使气体全部冷凝，则称为全凝器，否则称为分凝器；再沸器是用于再加热装置中冷凝了的液体使其蒸发的热交换器；深冷器是用于把流体冷却到0以下的很低温度的热交换器；过热器是将流体（一般是气体）加热到过热状态的热交换器。2. 按热量交换原理和方式划分按照冷、热流体热量交换的原理和方式不同，换热器可分为3大类：（1） 混合式换热器：冷、热流体直接接触和混合进行换热。这类换热器结构简单，价格便宜，常做成塔状。（2） 蓄热式换热器：冷热流体交替通过格子砖或填料等蓄热体以实现换热。这类换热器由于少量流体相互掺和，易造成流体间的“污染”。（3） 间壁式换热器：冷热流体通过隔开它们的固体壁面进行换热，这是工业上应用最为广泛的一类换热器。按照传热面的形状及结构特点又可将其分为：1 管式换热器，如管壳式、套管式、螺旋管式、热管式等；2 板面式换热器，如板式、螺旋板式等；3 扩展表面式换热器，如板翅式、管翅式等。3、 结构设计的重要性 换热器是制药生产、化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用的通用设备，在生产过程中起着重要作用，一个合适的换热器可以更好的达到生产要求。在化工厂的建设中，换热器约占工程总投资的11%；通常换热器约占炼油及化工设备总投资的40%。再者，在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高其换热效率，可以减少能源的消耗；用换热器来回收工业余热，也可以显著的提高流程整体的热效率。随着工业的迅速发展，能源消耗量量不断增加，能源紧张已成为一个全球性问题，为缓解生产和人民生活的方方面面。因此，换热器的设计、制造、结构改进及传热机理研究，在节省投资、降低能耗等方面发挥着日益重要的作用4、 设计的普遍标准与要求1、设计的普遍标准 工程设计是一项政策性很强的工作，要求设计人员必须严格遵循国家的有关方针政策和法律法规以及有关的行业规范，特别是国家的工业经济法规、环境保护法规和安全法规。此外，由于设计本身是一个多目标优化问题，对于同一个问题，常会有多种不同的解决方案，设计者常常要在相互矛盾的选项中进行判断和选择，作出科学合理的决策，为此一般应遵循如下一些普遍标准：技术的先进性和可靠性；过程的经济性；过程的安全性；清洁生产；过程的可操作性和可控制性；尽可能采用标准系列。 2、设计的基本要求 、查阅文献资料，了解换热设备的相关知识，熟悉换热器设计的方法和步骤； 、根据设计任务书给定的生产任务和操作条件，进行换热器工艺设计及计算； 、根据换热器工艺设计及计算的结果，进行换热器结构设计； 、以换热器工艺设计及计算为基础，结合换热器结构设计的结果，绘制换热器装配图；、编写设计说明书对整个设计工作的进行书面总结，设计说明书应当用简洁的文字和清晰的图表表达设计思想、计算过程和设计结果。设计任务以某工段C9产品冷却器设计为例。该冷却器利用公用工程冷却水使C9产品降温，达到工艺要求。其设计条件如表1所列。表1 冷却器设计条件参数热流体冷流体介质C9产品公用工程冷却水进出温度/ 188/5030/40压力/ MPa0.690.45物料质量流量/ (kgh-1)8500设计步骤与基本原则一、设计步骤根据任务书给定的冷热流体的温度，选择设计列管式换热器中的浮头式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。在这里，由于冷却水易结垢，若流速太低会加快污垢增长的速度，使换热器的热流量下降，总体考虑，冷却水走管程，C9产品走壳程。从手册中查得冷热流体的物性数据，如密度，比热容，导热系数，黏度。计算出总传热系数，再计算出传热面积。根据管径管内流速，确定传热管数，标准传热管长，算出传热管程，传热管总根数等等。随后校正传热温差以及壳程数。确定传热管排列方式和分程方法。根据设计步骤，计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。分别对换热器的热量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再算出面积裕度。最后，对传热流体的流动阻力进行计算，如果在设计范围内就能完成任务。最后，根据设计好的换热器类型选择合适的相关零部件即可。二、列管式换热器种类选取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。根据设计任务，两流体温度变化情况如下：热流体进口温度188，出口温度52；冷流体进口温度30，出口温度40；温差较大。我们设计的换热器中流体有冷却水易结垢，再根据可以完全消除热应力原则我们选用浮头式换热器。三、管程与壳程的选取 根据以下原则：1) .不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。2) .腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，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，以增强冷却效果。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 又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(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数，且冷却水易结垢，污垢会影响传热效率，所以选择冷却水走管程，C9产品走壳程。三、流体流速的选择当流体不发生相变时，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，使换热器结构紧凑，降低制造成本。但是流速过大也会带来一些不利的影响，如压降增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。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，而管子太长不易清洗，一般管长都有一定的标准；单程变为多程又会使平均温度差下降。因此需要选择适当的流速范围，已达到较好的传热效果。同时也要考虑流体本身的特性，如易燃易爆液体或气体应控制其流速不能过大等。 换热器常见流体及不同黏度液体的流速范围如下表：表2-换热器中常见流体的流速范围流速流体循环水新鲜水一般液体易结垢液体低黏度油高粘度油气体管程流速m/s1.0 2.00.8 1.50.5 31.00.8 1.80.5 1.55 30壳程流速m/s0.5 1.50.5 1.50.2 1.50.50.4 1.00.3 0.82 15表3-不同黏度液体的流速（以普通钢壁为例）液体黏度（）最大流速 u（m/s） 15000.61500 5000.75500 1001.1100 351.535 11.8 1 2.4四、管程结构的选择 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过前面介绍的流速范围。常用的列管式换热管规格有19mm2mm、252.5mm及252mm。在选择管径规格时，通常选用外径为19mm的管子；在这里，冷却水易结垢，为了方便清洗，选择 252.5mm管子。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。一般出厂的标准钢管长为6m，则合理的换热器管长应为1.5、2、3或6m。此外，管长和壳径应相适应，一般取L/D为46(对直径小的换热器可大些)。管子在管板上的排列方法有等边三角形、正方形直列和正方形错列等，等边三角形排列的优点有:管板的强度高；流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子。正方形直列排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但其对流传热系数较正三角排列时为低。正方形错列排列则介于上述两者之间，即对流传热系数(较直列排列的)可以适当地提高。管子在管板上排列的间距 (指相邻两根管子的中心距)，随管子与管板的连接方法不同而异。通常，胀管法取t=(1.31.5)d，且相邻两管外壁间距不应小于6mm，即t(d+6)。焊接法取t=1.25d换热管管心距通常按表4选取。表4-换热管管心距换热管外径/mm19253238换热管管心距/mm25324048分程隔板槽两侧相邻管的管心距/mm38445260五、管程和管壳数的确定当流体的流量较小或传热面积较大而需管数很多时，有时会使管内流速较低，因而对流传热系数较小。为了提高管内流速，可采用多管程。但是程数过多，导致管程流体阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少，设计时应考虑这些问题。列管式换热器的系列标准中管程数有1、2、4和6程等四种。采用多程时，通常应使每程的管子数大致相等。6、 折流挡板 安装折流挡板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的1040，一般取2025，过高或过低都不利于传热。两相邻挡板的距离(板间距)B为外壳内径D的(0.21)倍。系列标准中采用的B值为:固定管板式的有150、300和600mm三种，板间距过小，不便于制造和检修，阻力也较大。板间距过大，流体就难于垂直地流过管束，使对流传热系数下降。这次设计选用圆缺形挡板。换热器壳体的内径应等于或稍大于(对浮头式换热器而言)管板的直径。初步设计时，可先分别选定两流体的流速，然后计算所需的管程和壳程的流通截面积，于系列标准中查出外壳的直径。7、 其他主要部件1. 缓冲板与导流筒 在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。它可防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束两端放置导流筒，不仅起防冲板的作用，还可改善两端流体的分布，提高传热效率。2. 拉杆和定距管 折流板用拉杆和定距管连接在一起。拉杆的数量取决于壳体的直径，从4根到10根，直径10 12mm。定距管直径一般与换热管相同。又是也可将折流板与拉杆焊在一起而不用定距管。3. 旁流挡板与假管 当管束与壳体之间的间隙较大时，会形成旁流，影响传热，其间应设置旁流挡板，或称密封条。当管束中间由于管程分程隔板而引起较大的空隙时，可装一些假管，以减少旁流。假管是一些不穿过管板的管子，他们的一端或两段都是封闭的，没有流体通过，不起换热作用。设计方案的确定1、 设计方案的确定 1.选择换热器类型 根据设计任务，两流体温度变化情况如下：热流体进口温度188，出口温度52；冷流体进口温度30，出口温度40；因考虑冷、热流体温度差较大，初步确定选用浮头式换热器。 2.选定流体流动空间及流速由于循环冷却水易结垢，若流速太快会加速污垢增长速度，式换热器的热流量下降，总体考虑，冷却水走管程，C9产品走壳程。同时选用25mm2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速。流程草图及说明标准换热器流程草图如下：其中，循环冷却水走管程，其进口温度为30，出口温度为40；C9产品走壳程，其进口温度为188，出口温度为50；从整体上分析两流体处于逆流状态。设计计算一、物性数据的确定 1.定性温度可取流体进口温度的平均值，则壳程流体的定性温度为：管程流体的定性温度为2.根据定性温度，由Aspen Exchanger Design and Rating 中自带的物性数据库可查得操作条件下管程即壳程的物性数据如表4所示。 表4 管程与壳程的定性温度及相关物性数据参数壳程管程定性温度()11935密度（kg/m）931.7994.3比定压热容kJ/(kg）1.374.174热导率W/(m)0.2080.624黏度（mPas）0.850.742 3.换热器的热负荷 换热器的热负荷可根据热流体的流量及温度变化情况计算： 4.冷流体质量流量： 二、计算逆流的平均温度差设C9产品冷却器壳程物料进出口温度分别为,管程冷却水进出口温度分别为，则逆流的平均温度差为三、初选总传热系数K 根据物系、操作条件及传热手册，初步假设传热系数K=350 W/()。 5.估计总传热面积 总传热方程为，则 考虑非标准换热器设计需要留有裕度，则 标准化的管壳式换热器设计方案一、换热器初步选型换热器形式的确定有两种，一种将换热器作为标准化的管壳式换热器进行选型，另一种是自行设计非标准化的换热器。这里将换热器做为标准化换热器通过选型完成设计任务。根据壳程及管程流体温度的变化和传热面积，并考虑一定的裕度，在浮头式换热器系列中选择型号为BES 500-0.6-28.3-3/25-1 I 的内导流浮头式换热器，根据JB/T 4714-92，该换热器的基本参数如下：外壳直径500mm管/壳程设计压力0.6MPa公称传热面积28.3m管子尺寸25mm2.5mm管子数206管长3m管心距32mm管程数2管子排列方式正三角形管程流通面积0.0215m 采用双弓折流板，圆缺高度为壳径的25%,折流板间距0.3m。二、换热器核算 1.传热能力的核算 （1）.壳程流体传热系数 根据克恩公式有其中当量直径由于正三角形排列，则壳程流通面积，由于D=500mm,B=0.33D=165mm,则壳程流速雷诺数普朗特数黏度校正 所以， （2）.管程流体传热系数 根据迪特斯-贝尔特公式有其中，管程流通面积管程流速雷诺数普朗特数所以 （3）.污垢热阻和管壁热阻查阅化工工艺物性手册得： 管内侧污垢热阻 0.000344 m/W 管外侧污垢热阻 0.000200 m/W 管壁导热系数 50 m/W （4）.总传热系数 （5）.传热面积裕度换热所需传热面积实际传热面积 则裕度所以该换热器能完成任务 2.壁温核算由于管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温降低，降低了壳体与传热管壁之间的温度差，但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温度差会较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。所以，传热管平均壁温壳体因有良好的保温层，可近似取壳程流体的平均温度，即t=105.2。所以， ，温差较大，且任务要求中壳程流体压力较高，因此，选用浮头式换热器是可行的 3.换热器的阻力损失 （1）.管程阻力损失其中，对25mm2.5mm的管子有由Re=13740.61，传热管相对粗糙取 ，查莫迪摩擦系数图得 管程流速 ，管程流体密度 则则， 因此，管程流体阻力损失在允许范围之内。 （2）.壳程阻力损失流体流经管束的阻力其中，F=0.5，则，流体流过挡板缺口的阻力因此壳程总阻力因此，壳程流体阻力损失也在允许范围之内初选的标准化换热器能满足工艺要求。非标准化管壳式换热器的设计方案一、工艺结构尺寸 （1）.管径和管内流速 已选定，管径为25mm2.5mm，管内流速为。 （2）.管程数和传热管数 根据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算所需换热管的长度L 按单程管设计，传热管过长，根据本任务的实际情况，取传热管长L=4.5m，则该换热器的管程数为 传热管总根数 （3）.平均传热温差校正及壳程数 首先计算P和R的参数： 按公式获取并求取 单壳程双管程属于1-2折流，现用1-2折流的公式计算温差校正系数和传热平均温差。由于温度校正系数大于0.8，同时壳程流量亦较大，故取单壳程较合适。 （4）.传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距，则隔板中心到其最近一排管中心的距离C：按净空不小于6mm的原则确定，亦可按下式来求取： 分程隔板两侧相邻排管之间的管心距 管中心距t与分隔板槽两侧相邻管排中心距的计算结果与表4给出的数据完全一致，证明可用。 （5).壳体内径 采用两管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径圆整取D=400mm。 (6).折流板 采用弓形折流板，取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h=100mm。 取折流板间距为B=0.33D=0.33400=132mm，则折流板数 折流板圆缺水平面安装。 （7）.其他附件 拉杆直径为12mm，其数量不少于4根。壳程入口应设置防冲挡板。 （8）.接管1 壳程流体（C9产品）进出口接管 取接管内流体流速为4m/s,则接管内径取标准管径为2 管程流体（循环水）进出口接管 取接管内循环水的流速2.5m/s,则接管内径取标准管径为2、 换热器核算 （1）.传热能力核算1 壳程对流给热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式当量直径由正三角形排列得由于D=400mm,B=132mm，壳程流通截面积壳程流体流速、雷诺数及普朗特常数分别为2 管程给热系数 根据迪特斯-贝尔特公式有 管程流通面积管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为故，管程给热系3 污垢热阻与管壁热阻查阅化工工艺物性手册得： 管内侧污垢热阻 0.000344 m/W 管外侧污垢热阻 0.000200 m/W 管壁导热系数 碳钢的热导率：45 m/W4 总传热系数 所以5 传热面积理论传热面积该换热器的实际换热面积 面积裕度为 换热面积裕度合适，能够满足设计要求。（2） 核算壁温因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁壁温按下式计算：取两侧污垢与热阻为零计算壁温，得传热管平均壁温:壳体平均壁温，近似取壳程流体的平均温度，即105.2壳体平均温度与传热管平均壁温之差：105.2-42.4=62.8该温差较大，故需设置温度补偿装置。由于换热器壳程流体压力较高，因此，选用浮头式换热器是可行的。（3） 换热器内流体的流动阻力1 管程流动阻力取换热管粗糙度为0.01mm,则/d=0.005，而所以，2 壳程流动阻力流体流经管束的阻力式中：F为管子排列方式对压力降的校正系数，正三角形排列F=0.5，正方形直列F=0.3，正方形错列F=0.4 流体流经管壳式换热器是由于流动阻力而产生一定的压力降，所以换热器的设计必须满足工艺要求的压力将。一般合理的压力降的范围见表5表5 合理压力降的选取操作情况减压操作低压操作中压操作较高压操作操作压力/Pa（绝）合理压力降/Pa0.1p0.5p参考上表可看出该换热器的压降在合理的范围之内，故设计的换热器合适。 其他零部件的设计一、壁厚的确定壳体、管程壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常是由管材或板材卷制而成的。当直径小于400mm时，通常采用管材和管箱壳体。当直径不小于400mm时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配，以便于法兰和封头的选型。一般情况下，当直径小于1000mm时，其直径相差100mm为一个系列：当直径大于1000mm时，直径相差200mm为一个系列，若采用旋压封头，其直径系列的间隔时间可取100mm。常用碳素钢或低合金钢圈圆筒的最小壁厚见表6。表6 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度公称直径（mm）400-700800-10001000-15001600-20002100-2600浮头式（mm）810121416U型管式（mm）810121416固定管板式（mm）68101214 由之前的计算可知，壳体和管箱壳体外径为500mm。选用Q235-A碳素钢板材制壳体和管箱壳体，在90时 。下面确定其壁厚。取工作压力等于设计压力，则，焊接接头系数=0.85。计算壁厚：设计壁厚：由于不知道C9产品的腐蚀性，取腐蚀裕度C=1mm，则 名义壁厚：，可取名义壁厚为3mm考虑到安全系数，以及开孔补强等措施，故按表6取壳体和箱管壳体壁厚为8mm。2、 封头的确定 椭圆形封头是由长短半轴分别为a、b的半椭圆和高度为的段圆筒（通称为直边）两部分构成。直边的作用是保证封头的制造质量，避免筒体与封头间的环向焊缝受到边缘应力的作用。 受内牙（凹面受压）的椭圆形封头的计算壁厚为：而对标准椭圆形封头，K=1.00，故 表7 标准椭圆形封头的直边高度 单位：mm封头材料碳素钢普通钢复合钢板不锈钢封头壁厚4-810-18203-910-1820直边高度254050254050 考虑到安全原因及设计标准，由表7，更具以上壳体和管箱壳体的尺寸结构，应选择的封头厚度为8mm，直边高度25mm。换热器装配图标准浮头式换热器装配图在设计数据及相关标准规定下，使用CAD制图可得。由于图片过大，在word中显示不清晰，故以附件展示，见文件夹中附件文件。设计评述1、 设计总结经过独立完成此次课程设计，对化工原理和机械设备有进一步的认识，提高了自身查阅文献，分析数据的能力。在设备装配图的绘制过程中也逐渐做到熟练使用CAD绘图软件。完成此次涉及也对化工生产过程设计的重要性有一定的认