毕业设计论文-水冷却异丙苯换热器的设计论文化工原理课程设计论文.doc

成绩

东南大学成贤学院
课 程 设 计 报 告

题 目 水冷却异丙苯换热器的设计
课 程 名 称 化工原理课程设计
专 业 制药工程
班 级 11制药二班
设 计 地 点 东南大学成贤学院

设计起止时间：2013年9月2日至2013年 9月13日

课程设计任务书

设计题目： 水冷却异丙苯换热器的设计
一、 设计条件
1、 处理能力 61万吨/年
2、 设备型式 列管式换热器
3、 操作条件
a． 异丙苯：入口温度120℃，出口温度为51℃
b． 冷却介质：自来水，入口温度20℃，出口温度40℃
c． 允许压强降：不大于1×105Pa
d． 每年按330天计，每天24小时连续运行
4、 设计项目
a． 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。
b． 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。
c． 换热器的主要结构尺寸设计。
d． 主要辅助设备选型。
e． 绘制换热器总装配图。

二、设计说明书的内容
1、 目录；
2、 设计题目及原始数据(任务书)；
3、 论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择；
4、 换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)；
5、 设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)；
6、 主体设备设计计算及说明；

目录
一.绪论 4
1.概论 4
2.换热器选型 4
（1）.固定管板式换热器 4
（2）.浮头式换热器 5
（3）.U型管式换热器 5
（4）.填料函式换热器 6
二.确定设计方案 7
三.确定物性参数 7
1.定性温度及物理特性 7
四.估算传热面积 8
1.热流量 8
2.冷却水流量 8
3.计算平均传热温差 9
4.估算总传热系数K 10
五.工艺结构尺寸 10
1.管径和管内流速 10
2.单程传热管数及总管数 11
3.管的排列及分程 11
4.壳体内径 12
5.折流挡板 12
六.核算总对流传热系数 12
1.核算管程对流传热数 12
2.核算壳程对流传热数 13
3.污垢热阻 14
4.总传热系数 15
5.传热面积 15
6.换热器内流体的流动阻力 15
(1).管程压降 15
(2).壳程压降 16
七.附件 17
1.接管 17
2.拉杆 17
八.数据汇总 18
1.换热器主要结构尺寸和计算结果 18
九.附图 21
1.chem CAD 运行图 21
2.Audo CAD 排管图 23
3.换热器规格图 24
十.参考文献 24
十一.总结致谢 25

化工原理课程设计 沈xx 06211xxx
一.绪论
1.概论
换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中首先应该根据工艺要求选择适合的类型，然后计算换热器所需传热面积，并确定换热管的结构尺寸。
2.换热器选型
在化工生产中，经常要求在各种不同的条件下进行热交换，因此对各种换热器的要求必然是多种多样的。而每种类型的换热器都有其优缺点，选择时考虑的因素很多，例如材料、压强、温度、温度差、压强降、流动状态、传热效果、结垢腐蚀情况、检修和操作等。
（1）.固定管板式换热器
管壳式换热器主要是由壳体、管束、管板、管箱及折流板等组成，管束和管板是刚性连接在一起的。所谓“固定管板”是指管板和壳体之间也是刚性连接在一起，相互之间无相对移动，具体结构如图所示。这种换热器结构简单、制造方便、造价较低；在相同直径的壳体内可排列较多的换热管，而且每根换热管都可单独进行更换和管内清洗；但管外壁清洗较困难。当两种流体的温差较大时，会在壳壁和管壁中产生温差应力，一般当温差大于50℃时就应考虑在壳体上设置膨胀节以减小或消除温差应力。
    固定管板式换热器适用于壳程流体清洁，不易结垢，管程常要清洗，冷热流体温差不太大的场合。

（2）. 浮头式换热器
浮头式换热器的一端管板是固定的，与壳体刚性连接，另一端管板是活动的，与壳体之间并不相连，其结构如图所示。活动管板一侧总称为浮头，浮头的具体结构如图5-3所示。浮头式换热器的管束可从壳体中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在壳体中自由伸缩，所以无温差应力；但结构复杂、造价高，浮头处若密封不严会造成两种流体混合且不易察觉。
浮头式换热器适用于冷热流体温差较大，介质易结垢常需要清洗的场合。在化工生产中使用的各类管壳式换热器中浮头式最多。

（3）.U型管式换热器
U形管式换热器不同于固定管板式和浮头式，只有一块管板，换热管作成U字形、两端都固定在同一块管板上；管板和壳体之间通过螺栓固定在一起，其结构如图所示。这种换热器结构简单、造价低，管束可在壳体内自由伸缩，无温差应力，也可将管束抽出清洗且还节省了一块管板；但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便，由于U形弯管半径不能太小，故与其他管壳式换热器相比布管较少，结构不够紧凑。
U形管式换热器适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不结垢的高温、高压、腐蚀性较大的流体的场合。

（4）. 填料函式换热器
填料函式换热器与浮头式很相似，只是浮动管板一端与壳体之间采用填料函密封，如图所示。这种换热器管束也可自由伸缩、无温差应力，具有浮头式的优点且结构简单、制造方便、易于检修清洗，特别是对腐蚀严重、温差较大而经常要更换管束的冷却器，采用填料函式比浮头式和固定管板式更为优越；但由于填料密封性所限，不适用于壳程流体易挥发、易燃、易爆及有毒的情况。目前所使用的填料函式换热器直径大多在700mm以下，大直径的用得很少，尤其在操作压力及温度较高的条件下采用更少。

二. 确定设计方案
由于循环冷却水容易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，异丙苯走壳程。
选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。
我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。
在此项目设计中选择换热管的规格为φ25×2.5碳钢管

三．确定物性参数
1.定性温度
异丙苯：
冷却水：
2.物性参数

异丙苯
85.5
806.55
1.99
0.11056
0.0003877
冷却水
30
995.7
4.174

四．估算传热面积
1.热流量

2.冷却水流量

3.计算平均传热温差（以逆流计算）

入口
出口
异丙苯
120℃
51℃
冷却水
20℃
40℃
温差
100℃
11℃

修正：

查表得温度校正系数为
校正后的温度为
选用单壳程的列管式换热器
4.估算总传热系数K
假设K=500 假设u=1.0m/s
传热面积

五．工艺结构尺寸
1.管径和管内流速 假设为 u=1.0m/s
选用 Φ25×2.5 mm 冷拔传热管（碳钢）
2.单程传热管数

3.按单程换热计算管束长度

按单管程设计，传热管过长，现取传热管长，则该换热器的管程数为：

4.传热管总根数为

5.管的排列
按正三角形排列
取管心距

6.横过管束中心线的管数

7.壳体内径
取管板利用率

所以换热器平放
8.折流挡板
采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的，则切去的圆缺高度为

取折流板间距

折流板数

六．核算总对流传热系数
（1）.核算管程对流传热数
1.管程流通截面积

2.流速

3. Re值

4.管程普朗特系数

5.管程对流传热系数

（2）.核算壳程对流传热数
1.当量直径 由正三角形排列得

2.壳程流通截面积

3.流速

4. Re值

5.壳程普朗特系数

6.壳程对流传热系数

（3）.污垢热阻
根据化工原理附录，可取
管外侧自来水的污垢热阻
管内侧异丙苯的污垢热阻

（4）.总传热系数

（1.15~1.25）
（5）.传热面积

（6）. 换热器内流体的流动阻力
1.管程压降

取换热管的管壁粗糙度为0.1mm，则 Re=40001.9

对的管子有

2.壳程压降

七．附件
（1）.接管
1. 管程流体进出口接管：取接管内异丙苯流速为
接管内径为

取标准管径为200mm
2. 壳程流体进出口接管：取接管内循环水流速为
接管内径为

取标准管径为300mm

（2）.拉杆
查表得，拉杆直径12mm，最小拉杆数6根。

八.数据汇总
1.换热器主要结构尺寸和计算结果：
参数
管程
壳程
流率(kg/h)

77020.2
进口温度/℃
20
120
出口温度/℃
40
51
压力/MPa
0.1
0.1
物性参数
定性温度/℃
30
85.5
密度/（kg/m3）
995.7
806.55
定压比热容/[kJ/（kg•℃）]
4.174
1.99
粘度/（mPa•s）
0. 8015
0. 3877
热导率（W/m•℃）
0.618
0.11056
普朗特数
5.41
6.98
设备结构参数
形式
浮头式
壳程数
1
壳体内径/mm
700
台数
1
管径/mm
25
管心距mm
32
管长/mm
6000
管子排列
三角形
管数/根
276
折流板数/个
19
传热面积/m2
108.2
折流板间距mm
300
管程数
4
材质
碳钢
圆缺高度/mm
200
拉杆直径及数量

接管/mm
200
250
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
1.61
0.58
表面传热系数/[W/（m2•℃）]
6708.6
978.55
污垢热阻/（m2•℃/W）
0.00021
0.00018
管壁热阻/（m2•℃/W）
0.000056
阻力/ kPa
86.7199
22.6813
热流量/KW
2938.9
温度校正系数
0．9
传热温差/℃
46.52
总传热系数ko/[W/（m2•℃）]
584

2.报告中符号及意义
字母
意义
单位

热流体进口温度
℃

热流体出口温度
℃

冷流体进口温度
℃

冷流体出口温度
℃

密度

定压比热容

粘度

导热系数

热流量
或

热流体的质量流量

冷流体的质量流量

按逆流情况求得的对数平均温差
℃

温度校正系数

平均传热温差
℃

传热面积

流体的流量

管子内径

管程数

按单程计算的管长

选定的每程管长

换热器的总根数

壳体内径

管心距

壳程数

折流板数

折流板间距

当量直径

壳体流通截面积

管程流通截面积

壳体流体流速

管程流体流速

雷诺系数

普朗特数

壳程对流传热系数

管程对流传热系数

冷却水的污垢热阻

异丙苯的污垢热阻

管壁的热导率

管壁的厚度

管程总压力降

单程直管阻力

单程局部阻力

污垢校正系数

壳程总压力降

流体流过管束的压力降

流体流过折流板缺口的压力降

结垢校正系数

管子排列方式对压力降的校正因数

壳程流体的摩擦系数

横过管束中心线管子数

九.附图
1.chem CAD 运行图
TABULATED ANALYSIS
------------------
Overall Data:
Area Total m2 130.06 % Excess 25.83
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 51.69

Shellside Data:
Crossflow Vel. m/sec 1.0E+000 EndZone Vel. 7.4E-001 Window Vel. 2.6E-001
Film Coef. 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 8568.53

Stream 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 0.39

Tubeside 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 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 70.60

Clearance 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 0.0000 Pass Part Clear. m 0.0000
Bundle Btm Space m 0.0000

Baffle 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 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 5

Tubes:
Number 276 Tube Type Bare
Length m 6.00 Free Int. Fl Area m2 0.00
Tube O.D. m 0.025 Fin Efficiency 0.000

Ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss

Tube 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 0.0000560

Resistances:
Shellside Film m2-K/W 0.00102
Shellside Fouling 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) 1.250

Pressure Drop Distribution:
Tube Side Shell Side
Inlet Nozzle kPa 956.8546 Inlet Nozzle kPa 4017.2167
Tube Entrance kPa 0.0161 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 排管图

3.换热器规格图

十.参考文献
1.《制药化工原理》，王志祥，化学工业出版社，2005.5
2.《化工原理课程设计（化学传递与单元操作课程设计）》，贾绍义，柴诚敬，天津大学出版社，2008.5
3.《化工原理课程设计》，王许云，王晓红等，化学工业出版社，2012.7
4.《化工原理课程设计》，申迎华，郝晓刚，化学工业出版社，2009.5
5.《化工原理课程设计指导》，任晓光，宋永吉，李翠清，化学工业出版社，2009.2
6.《化工设备设计手册》, 潘国昌，郭庆丰，清华大学出版社,1988
7.《 AutoCAD2002应用教程》，刘苏，科学出版社,2003
8.《化工原理（上.下册）》， 大连理工大学编著，高等教育出版社, 2002
9.《化工工艺设计手册（上.下）》，上海设计院，化学工业出版社,1986
10.《化工原理课程设计》，柴诚敬、刘国维、李阿娜，天津科学技术出版社 ,1995

十一.总结致谢
1.总结
本次化工课程设计差不多花了两周时间，我开始的时候没有抓紧进度，脑袋里全是浆糊，根本不知道如何着手去做，可随着时间的推进设计开始有了眉目，到现在即将完成此次设计，自己也有一些感触。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计换热器的能力以及综合运用化工原理知识的能力，在设计中的每一项数据，都经过反复的估算演算验算，体会到了化工工艺的博大精深。在设计中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性。
2.致谢
首先我要感谢我的指导老师傅志贤，他教学严谨细致、一丝不苟，傅老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
这次课程设计的每个细节和每个数据，都离不开老师的细心指导，这些帮助我能够迈过课程设计中的一道道坎，学到了很多知识。
同时感谢帮助过我的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我顺利完成了此次设计，让我在课程设计时多了些轻松。
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