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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date制药化工原理课程设计举例化工原理课程设计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
2、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=
3、 =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
4、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252.5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5-95p1
5、45）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（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
6、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
7、 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
8、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
9、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
10、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）0.675532.17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
11、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社，1989年。2 GB4557.184机械制图图纸幅面及格式3 GB15098钢制压力容器4 机械工程学会焊接学会编，焊接手册，第3卷，焊接结构，北京；机械工业出版社 1992年。5 杜礼辰等编，工程焊接手册，北京，原子能出版社，19806 化工部六院编，化工设备技术图样要求，化学工业设备设计中心站，1991年。-
