制药化工原理课程设计举例

1、一设计题目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患热后，用循环冷却水将其从130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51500/h，压力为2MPa ,循环冷却水的压力为0.4MPa ，循环水的入口温度为37，出口温度为40 ，试设计一台列管式换热器，完成该生产任务。二.确定设计方案1 选择换热器的类型两流体温的变化情况：热流体进口温度130 出口温度60；冷流体进口温度37，出口温度为40，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2 管程安

2、排 从两物流的操作压力看，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，使换热器的热流量下贱，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混和气体走壳程。 三 .确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程混和气体的定性温度为 T= =95 管程流体的定性温度为t= 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的无形数据是实测值。若不具备此条件，则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据，然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据。混和气体在95下的有关物性数据如下（来

3、自生产中的实测值）： 密度 /m3 定压比热容 =1.4kJ/kg 热导率 =0.0317w/m粘度 循环水在38.5 下的物性数据： 密度=992.725/m3定压比热容=4.18kj/kg 热导率 =0.63245w/m粘度 四.估算传热面积1 热流量 Q1=515001.4(130-60)=1401.94kw2.平均传热温差 先按照纯逆流计算，得 =3.传热面积 由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K值。假设K=280W/(k)（参照表5-4,p142）则估算的传热面积为 Ap=4.冷却水用量 m=五.工艺结构尺寸1管径和管内流速 一般1.0-1.5ms（p406参照附录20）。选用2

4、52.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u1=1.1m/s2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 Ns=按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 3.平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数按式（5-97）和式（5-98）有 R= P=按单程结构，查附录22（p409）得 平均传热温差 （公式5-95p145）4.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。见图5-13（p130）。 取管心距t=1.25d0，则 t=1.2525=31.2532隔板中心到离其最.近一排管中心距离按下列公式计算S=t/2+6=32/2+6=22

5、（6为隔板厚度）.各程相邻管的管心距为22。管数的分成方法，每程各有传热管326根，其前后关于隔板设置和介质的流通顺序按图3-14选取。5壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按式（3-19）估算。取管板利用率=0.75 ，则壳体内径为 D=1.05t按卷制壳体的进级档，可取D=750mm解释：壳截面积乘以修正系数1.05.6折流板 采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 H=0.25750=187.5m，故可取h=200mm取折流板间距B=0.3D，则 B=0.3750=225mm，可取B为250mm。折流板数目NB=7接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流

6、速为u1=10m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为310mm。管程流体进出口接管：取接管内液体流速u2=2.5m/s，则接管内径为圆整后去管内径为240mm六.换热器核算1 热流量核算Nu=f(Re,Pr,Gr) 5-38（具体见p126）（1）壳程表面传热系数 用克恩法计算，见p131 有折流板式5-54 无折流板式5-52 当量直径正三角形排列 公式5-56 =正方形排列 公式5-55 =壳程流体流过管间最大截面积，依式5-57（p131） 得 （1-d/t）总截面中空隙的比例壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数 粘度校正 （2）管内表面传热系数 按式5-42至式5-51（p127）计

7、算 低粘度流体在圆形直管内作强制湍流有 管程流体流通截面积管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 按附录24查壁面污垢热阻（p412），可取管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻管壁热阻按式3-34计算，依表3-14，碳钢在该条件下的热导率为50w/(mK)。所以（4） 传热系数依式5-86有 （5）传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积Ac为该换热器的实际传热面积为Ap该换热器的面积裕度为传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2 壁温计算 因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式3-42计算。由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保可靠，取循

8、环冷却水进口温度为19，出口温度为40计算传热管壁温。另外，由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应该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。于是，按式4-42有 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别计算为 0.440+0.619=27.4 (130+60)/2=95 5360w/k 651.1w/k传热管平均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=95。壳体壁温和传热管壁温之差为 。 该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，需选

9、用浮头式换热器较为适宜。3换热器内流体的流动阻力（1）管程流体阻力 壳程数, 管程数 , Fs=1.5管程结垢校正系数（正三角形排列）, 由Re=32330，传热管相对粗糙度0.01，查图1-29（p29）得，流速u=1.100m/s,所以， 换热管直管内阻力 换热接着拐弯处阻力 管程流体阻力在允许范围之内。（3）换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：参数管程壳程流率402470.8151500进/出口温度/37/40130/60压力/MPa0.42物性定性温度/38.595密度/（kg/m3）992.72518.94定压比热容/kj/（kgk）4.181.4粘度/（Pas）0.675532.1

10、7热导率（W/mk） 0.632450.0317普朗特数4.460.6625设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径/750台数1管径/252.5管心距/32管长/4000管子排列管数目/根326折流板数/个15传热面积/102.36折流板间距/250管程数1材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.10018.4表面传热系数/W/（k）5360651.1污垢热阻/（k/W）0.00060.0004阻力/ MPa0.009910.00480热流量/KW1401.94传热温差/K 49.1传热系数/W/（K）336裕度/% 20.45%七参考文献1 刘积文主编，石油化工设备及制造概论，哈尔滨；哈尔滨船舶工程学院出版