化工原理課程設計水冷卻異丙苯換熱器的設計

1、成績東南大學成賢學院課 程 設 計 報 告題 目 水冷卻異丙苯換熱器的設計 課 程 名 稱 化工原理課程設計 專 業(yè) 制藥工程 班 級 11制藥二班 學 生 姓 名 沈xx 學 號 06211xxx 設 計 地 點 東南大學成賢學院 指 導 教 師 傅志賢 設計起止時間：2013年9月2日至2013年 9月13日課程設計任務書設計題目： 水冷卻異丙苯換熱器的設計 一、 設計條件1、 處理能力 61萬噸/年2、 設備型式 列管式換熱器3、 操作條件a 異丙苯：入口溫度120，出口溫度為51b 冷卻介質：自來水，入口溫度20，出口溫度40c 允許壓強降：不大于1×105Pad 每年按33

2、0天計，每天24小時連續(xù)運行4、 設計項目a 設計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。b 換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。c 換熱器的主要結構尺寸設計。d 主要輔助設備選型。e 繪制換熱器總裝配圖。 二、設計說明書的內容1、 目錄；2、 設計題目及原始數(shù)據(jù)(任務書)；3、 論述換熱器總體結構(換熱器型式、主要結構)的選擇；4、 換熱器加熱過程有關計算(物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱管型號、殼體直徑等)；5、 設計結果概要(主要設備尺寸、衡算結果等)；6、 主體設備設計計算及說明；目錄一.緒論41.概論42.換熱器選型4（1）.固定管板式換熱器4（2）.浮頭式換熱器5

3、（3）.U型管式換熱器5（4）.填料函式換熱器6二.確定設計方案7三.確定物性參數(shù)71.定性溫度及物理特性7四.估算傳熱面積81.熱流量82.冷卻水流量83.計算平均傳熱溫差94.估算總傳熱系數(shù)K10五.工藝結構尺寸101.管徑和管內流速102.單程傳熱管數(shù)及總管數(shù)113.管的排列及分程114.殼體內徑125.折流擋板12六.核算總對流傳熱系數(shù)121.核算管程對流傳熱數(shù)122.核算殼程對流傳熱數(shù)133.污垢熱阻144.總傳熱系數(shù)155.傳熱面積156.換熱器內流體的流動阻力15(1).管程壓降15(2).殼程壓降16七.附件171.接管172.拉桿17八.數(shù)據(jù)匯總181.換熱器主要結構尺寸和計

4、算結果18九.附圖211.chem CAD 運行圖212.Audo CAD 排管圖233.換熱器規(guī)格圖24十.參考文獻24十一.總結致謝25一.緒論1.概論換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中首先應該根據(jù)工藝要求選擇適合的類型，然后計算換熱器所需傳熱面積，并確定換熱管的結構尺寸。2.換熱器選型在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常要求在各種不同的條件下進行熱交換，因此對各種換熱器的要求必然是多種多樣的。而每種類型的換熱器都有其優(yōu)缺點，選擇時考慮的因

5、素很多，例如材料、壓強、溫度、溫度差、壓強降、流動狀態(tài)、傳熱效果、結垢腐蝕情況、檢修和操作等。（1）.固定管板式換熱器管殼式換熱器主要是由殼體、管束、管板、管箱及折流板等組成，管束和管板是剛性連接在一起的。所謂“固定管板”是指管板和殼體之間也是剛性連接在一起，相互之間無相對移動，具體結構如圖所示。這種換熱器結構簡單、制造方便、造價較低；在相同直徑的殼體內可排列較多的換熱管，而且每根換熱管都可單獨進行更換和管內清洗；但管外壁清洗較困難。當兩種流體的溫差較大時，會在殼壁和管壁中產(chǎn)生溫差應力，一般當溫差大于50時就應考慮在殼體上設置膨脹節(jié)以減小或消除溫差應力。    固

6、定管板式換熱器適用于殼程流體清潔，不易結垢，管程常要清洗，冷熱流體溫差不太大的場合。（2）. 浮頭式換熱器浮頭式換熱器的一端管板是固定的，與殼體剛性連接，另一端管板是活動的，與殼體之間并不相連，其結構如圖所示?；顒庸馨逡粋瓤偡Q為浮頭，浮頭的具體結構如圖5-3所示。浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在殼體中自由伸縮，所以無溫差應力；但結構復雜、造價高，浮頭處若密封不嚴會造成兩種流體混合且不易察覺。浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差較大，介質易結垢常需要清洗的場合。在化工生產(chǎn)中使用的各類管殼式換熱器中浮頭式最多。（3）.U型管式換熱器U形管式換熱器不同于固定管板式和浮頭式，只有

7、一塊管板，換熱管作成U字形、兩端都固定在同一塊管板上；管板和殼體之間通過螺栓固定在一起，其結構如圖所示。這種換熱器結構簡單、造價低，管束可在殼體內自由伸縮，無溫差應力，也可將管束抽出清洗且還節(jié)省了一塊管板；但U形管管內清洗困難且管子更換也不方便，由于U形彎管半徑不能太小，故與其他管殼式換熱器相比布管較少，結構不夠緊湊。U形管式換熱器適用于冷熱流體溫差較大、管內走清潔不結垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。（4）. 填料函式換熱器填料函式換熱器與浮頭式很相似，只是浮動管板一端與殼體之間采用填料函密封，如圖所示。這種換熱器管束也可自由伸縮、無溫差應力，具有浮頭式的優(yōu)點且結構簡單、制造方便、易于

8、檢修清洗，特別是對腐蝕嚴重、溫差較大而經(jīng)常要更換管束的冷卻器，采用填料函式比浮頭式和固定管板式更為優(yōu)越；但由于填料密封性所限，不適用于殼程流體易揮發(fā)、易燃、易爆及有毒的情況。目前所使用的填料函式換熱器直徑大多在700mm以下，大直徑的用得很少，尤其在操作壓力及溫度較高的條件下采用更少。二. 確定設計方案由于循環(huán)冷卻水容易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，異丙苯走殼程。選用較小直徑的管子，可以提高流體的對流給熱系數(shù)，并使單位體積設備中的傳熱面積增大，設備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但小管子易結垢，不易清洗，可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結垢的流體。我國列管式換熱器常采

9、用無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：19×2，25×2.5，38×3。在此項目設計中選擇換熱管的規(guī)格為25×2.5碳鋼管三確定物性參數(shù)1.定性溫度異丙苯：冷卻水：2.物性參數(shù)異丙苯85.5806.551.990.110560.0003877冷卻水30995.74.174四估算傳熱面積1.熱流量2.冷卻水流量3.計算平均傳熱溫差（以逆流計算）入口出口異丙苯12051冷卻水2040溫差10011修正：查表得溫度校正系數(shù)為 校正后的溫度為 選用單殼程的列管式換熱器4.估算總傳熱系數(shù)K假設K=500 假設u=1.0m/s傳熱面積五工藝結構

10、尺寸1.管徑和管內流速 假設為 u=1.0m/s選用 25×2.5 mm 冷拔傳熱管（碳鋼）2.單程傳熱管數(shù)3.按單程換熱計算管束長度按單管程設計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長，則該換熱器的管程數(shù)為：4.傳熱管總根數(shù)為5.管的排列按正三角形排列取管心距 6.橫過管束中心線的管數(shù)7.殼體內徑取管板利用率 所以換熱器平放8.折流擋板采用弓形折流板（水平圓缺），取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的，則切去的圓缺高度為 取折流板間距 折流板數(shù) 六核算總對流傳熱系數(shù)（1）.核算管程對流傳熱數(shù)1.管程流通截面積2.流速3. Re值4.管程普朗特系數(shù)5.管程對流傳熱系數(shù)（2）.核算殼程對流傳熱數(shù)1.當量直

11、徑 由正三角形排列得2.殼程流通截面積3.流速4. Re值5.殼程普朗特系數(shù)6.殼程對流傳熱系數(shù)（3）.污垢熱阻根據(jù)化工原理附錄，可取管外側自來水的污垢熱阻管內側異丙苯的污垢熱阻（4）.總傳熱系數(shù) （1.151.25）（5）.傳熱面積（6）. 換熱器內流體的流動阻力1.管程壓降取換熱管的管壁粗糙度為0.1mm，則 Re=40001.9對的管子有2.殼程壓降七附件（1）.接管1. 管程流體進出口接管：取接管內異丙苯流速為 接管內徑為取標準管徑為200mm2. 殼程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速為 接管內徑為取標準管徑為300mm（2）.拉桿查表得，拉桿直徑12mm，最小拉桿數(shù)6根。八.數(shù)據(jù)匯

12、總1.換熱器主要結構尺寸和計算結果：參數(shù)管程殼程流率(kg/h)77020.2進口溫度/20120出口溫度/4051壓力/MPa0.10.1物性參數(shù)定性溫度/3085.5密度/（kg/m3）995.7806.55定壓比熱容/kJ/（kg）4.1741.99粘度/（mPas）0. 80150. 3877熱導率（W/m） 0.6180.11056普朗特數(shù)5.416.98設備結構參數(shù)形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內徑/mm700臺數(shù)1管徑/mm25管心距mm32管長/mm6000管子排列三角形管數(shù)/根276折流板數(shù)/個19傳熱面積/m2108.2折流板間距mm300管程數(shù)4材質碳鋼圓缺高度/mm200拉桿直

13、徑及數(shù)量接管/mm200250主要計算結果管程殼程流速/（m/s）1.610.58表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/（m2）6708.6978.55污垢熱阻/（m2/W）0.000210.00018管壁熱阻/（m2/W）0.000056阻力/ kPa86.719922.6813熱流量/KW2938.9溫度校正系數(shù)09傳熱溫差/46.52總傳熱系數(shù)ko/W/（m2）5842.報告中符號及意義字母意義單位熱流體進口溫度熱流體出口溫度冷流體進口溫度冷流體出口溫度密度定壓比熱容粘度導熱系數(shù)熱流量或熱流體的質量流量冷流體的質量流量按逆流情況求得的對數(shù)平均溫差溫度校正系數(shù)平均傳熱溫差傳熱面積流體的流量管子內徑管程數(shù)按單程

14、計算的管長選定的每程管長換熱器的總根數(shù)殼體內徑管心距殼程數(shù)折流板數(shù)折流板間距當量直徑殼體流通截面積管程流通截面積殼體流體流速管程流體流速雷諾系數(shù)普朗特數(shù)殼程對流傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù)冷卻水的污垢熱阻異丙苯的污垢熱阻管壁的熱導率管壁的厚度管程總壓力降單程直管阻力單程局部阻力污垢校正系數(shù)殼程總壓力降流體流過管束的壓力降流體流過折流板缺口的壓力降結垢校正系數(shù)管子排列方式對壓力降的校正因數(shù)殼程流體的摩擦系數(shù)橫過管束中心線管子數(shù)九.附圖1.chem CAD 運行圖TABULATED ANALYSIS -Overall Data: Area Total m2 130.06 % Excess 25.83

15、Area Required m2 91.44 U Calc. W/m2-K 586.37 Area Effective m2 115.06 U Service W/m2-K 466.02 Area Per Shell m2 115.06 Heat Duty MJ/h 9.98E+003 Weight LMTD C 51.69 LMTD CORR Factor 1.0000 CORR LMTD C 51.69Shellside Data: Crossflow Vel. m/sec 1.0E+000 EndZone Vel. 7.4E-001 Window Vel. 2.6E-001 Film C

16、oef. W/m2-K 978.55 Reynold's No. 30468 Allow Press. Drop kPa 34.47 Calc. Press. Drop kPa 5040.31 Inlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/In Nozzle kPa 4017.22 Outlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/Out Nozzle kPa 733.06 Mean Temperature C 30.00 Rho V2 IN kg/m-sec2 3531071.19 Press. Drop (Dirty) kPa

17、8568.53Stream Analysis: SA Factors: A 21.55 B 66.09 C 0.84 E 11.51 F 0.00 Ideal Cross Vel. m/sec 1.56 Ideal Window Vel. m/sec 0.39Tubeside Data: Film Coef. W/m2-K 6708.60 Reynold's No. 12410 Allow Press. Drop kPa 34.47 Calc. Press. Drop kPa 1230.48 Inlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/In Nozzle

18、kPa 956.85 Outlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/Out Nozzle kPa 369.37 Interm. Nozzle Size m 0.00 Mean Temperature C 85.50 Velocity m/sec 0.31 Mean Metal Temperature C 70.60Clearance Data: Baffle m 0.0048 Outer Tube Limit m 0.6850 Tube Hole m 0.0008 Outer Tube Clear. m 0.0150 Bundle Top Space m 0.00

19、00 Pass Part Clear. m 0.0000 Bundle Btm Space m 0.0000Baffle Parameters: Number of Baffles 166 Baffle Type Single Segmental Inlet Space m 0.044 Center Space m 0.032 Outlet Space m 0.044 Baffle Cut percent 25.000 Baffle Overlap m 0.050 Baffle Cut Direction Horizontal Baffle Cut Basis Diameter Number

20、of Int. Baffles 0 Baffle Thickness m 0.003 Shell: Shell O.D. m 0.73 Orientation V Shell I.D. m 0.70 Shell in Series 1 Bonnet I.D. m 0.70 Shell in Parallel 1 Type AEN Max. Heat Flux Btu/ft2-hr 0.00 Imping. Plate Impingement Plate Sealing Strip 5Tubes: Number 276 Tube Type Bare Length m 6.00 Free Int.

21、 Fl Area m2 0.00 Tube O.D. m 0.025 Fin Efficiency 0.000SsssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssTube I.D. m 0.020 Tube Pattern TRI60 Tube Wall Thk. m 0.003 Tube Pitch m 0.175 No. Tube Pass 1 Inner Roughness m 0.0000560Resistances: Shellside Film m2-K/W 0.00102 Shellside Fo

22、uling m2-K/W 0.00018 Tube Wall m2-K/W 0.00005 Tubeside Fouling m2-K/W 0.00021 Tubeside Film m2-K/W 0.00015 Reference Factor (Total outside area/inside area based on tube ID) 1.250Pressure Drop Distribution: Tube Side Shell Side Inlet Nozzle kPa 956.8546 Inlet Nozzle kPa 4017.2167 Tube Entrance kPa 0

23、.0161 Impingement kPa 2295.2066 Tube kPa 0.3811 Bundle kPa 326.9370 Tube Exit kPa 0.0363 Outlet Nozzle kPa 733.0634 End kPa 0.0000 Total Fric. kPa 5077.2170 Outlet Nozzle kPa 369.3654 Total Grav. kPa -57.8470 Total Fric. kPa 1326.6534 Total Mome. kPa 20.9417 Total Grav. kPa 45.9890 Total kPa 5040.3117 Total Mome. kPa -142.1632 Total kPa 1230.4793 2.Audo CAD 排