水冷却异丙苯换热器的设计_化工原理课程设计

1、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地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地设计一、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 51b 冷却介质：自来水，入口温度20，出口温度 40c 允许压强降：不大于 1×105Pad 每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行4、设计工程a 设计方案简介：对确定地工艺流程及换热器型式进

2、行简要论述.b 换热器地工艺计算：确定换热器地传热面积.c 换热器地主要结构尺寸设计.d 主要辅助设备选型.e 绘制换热器总装配图.二、设计说明书地内容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)地选择；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41.概论42.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6三.确定物

3、性参数71.定性温度及物理特性7四.估算传热面积81.热流量82.冷却水流量83.计算平均传热温差84.估算总传热系数K9五.工艺结构尺寸101.管径和管内流速102.单程传热管数及总管数103.管地排列及分程104.壳体内径115.折流挡板11六.核算总对流传热系数121.核算管程对流传热数122.核算壳程对流传热数133.污垢热阻144.总传热系数145.传热面积156.换热器内流体地流动阻力15(1).管程压降15(2).壳程压降16七.附件161.接管162.拉杆17八.数据汇总171.换热器主要结构尺寸和计算结果17九.附图201.chem CAD 运行图202.Audo CAD 排

4、管图223.换热器规格图23十.参考文献23十一 .总结致谢24一.绪论1.概论换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门地通用设备，在生产中占有重要地位.由于生产规模、物料地性质、传热地要求等各不相同，故换热器地类型也是多种多样.不同类型地换热器各有优缺点，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地类型，然后计算换热器所需传热面积，并确定换热管地结构尺寸.2.换热器选型在化工生产中，经常要求在各种不同地条件下进行热交换，因此对各种换热器地要求必然是多种多样地 .而每种类型地换热器都有其优缺点，选择时考虑地因素很多，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

5、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地 .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；在相同直径地壳体内可排列较多地换热管，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.当两种流体地温差较大时，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地场合 .（ 2）. 浮头

6、式换热器浮头式换热器地一端管板是固定地，与壳体刚性连接，另一端管板是活动地，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，浮头地具体结构如图5-3 所示 .浮头式换热器地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地场合.在化工生产中使用地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

7、，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、管内走清洁不结垢地高温、高压、腐蚀性较大地流体地场合 .（ 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，具有浮头式地优点且结构简单、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地冷却器，采用填料函式比

8、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、易爆及有毒地情况 .目前所使用地填料函式换热器直径大多在700mm 以下，大直径地用得很少，尤其在操作压力及温度较高地条件下采用更少.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.选用较小直径地管子，可以提高流体地对流给热系数，并使单位体积设备中地传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积地金属耗量少，但小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体.大管径地管子用于粘性较大或易结垢地流体.我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用地换热管地规格：19

9、15;2， 25× 2，.5 38× 3.在此工程设计中选择换热管地规格为25×2.碳5钢管三确定物性参数1.定性温度异丙苯：120 51285.5c冷却水：2040230 c2.物性参数温度密度比热容 Cp导热系数黏度C3（）（）Pa skg / mkJ / kg CW / m C异丙苯85.5806.551.990.110560.0003877冷却水30995.74.17461.810 2801.510 6四估算传热面积1.热流量Q WnC ph (T161107T2 )1.99 (120 51)330241.058 107 kJ / h2938.9kW2.冷

10、却水流量WQ1.058 1071.27 105 kg / hcCpc (t2 t1 )4.174 (40 20)3.计算平均传热温差tm （以逆流计算）入口出口异丙苯12051冷却水2040温差10011t m逆t 2t1(T2 t 2 )(T1t1 )t2T2t 2lnlnt1t1T1(12040)(5120)Cln 1204051.695120修正：T1T212051Rt13.45t24020t2t14020pt10.2T112020查表得温度校正系数为0.9 0.8校正后地温度为 tm'tm 0.9 51.69 46.52 C选用单壳程地列管式换热器4.估算总传热系数K假设 K=

11、500假设 u=1.0m/s传热面积A估Q2938.9 103126.3m2Ktm500 46.52五工艺结构尺寸1.管径和管内流速假设为u=1.0m/s选用 25×2.5 mm冷拔传热管（碳钢）2.单程传热管数qv61 107 /(33024 995.7 3600)ns0.7850.02269d2u1.043.按单程换热计算管束长度S126.3L24mns do69 3.14 0.025按单管程设计，传热管过长，现取传热管长l6m ，则该换热器地管程数为：N p = L = 24 =4l64.传热管总根数为NT6942765.管地排列按正三角形排列取管心距t1.25dot1.252

12、532mm6.横过管束中心线地管数nm1.1NT1.1 27618.2719(根 )7.壳体内径取管板利用率0.7n276D1.05 t 1.05 32 667.1 700mm 0.7l60008.57 所以换热器平放D7008.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地25% ，则切去地圆缺高度为h0.25 700200mm取折流板间距B0.3DB0.3700300mm折流板数 N B传热管长16000折流板间距1 19300六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Sid2 n 0.785 0.0202 2760.022m2442.流速1.

13、27105 /(3600995.7)ui0.0221.61m/s3. Re 值0.0201.61995.740001.9Rei10-6801.54.管程普朗特系数Pri4174801.510661.81025.415.管程对流传热系数i 0.023iRe0.8 Pr0.40.023di40001.95.410.6180.80.40.026708.6（ 2）.核算壳程对流传热数1.当量直径由正三角形排列得43 t 2d 2430.03220.0252de24 o240.020 mdo3.14 0.0252.壳程流通截面积SoBD 1 do0.3 0.7 1 0.0250.0459375 m2t0

14、.0323.流速61107 /(330243600825)uo0.04593750.58m/s4. Re 值0.020.58806.55Reo24132.00.00038775.壳程普朗特系数c1.991030.0003877Pro6.980.110566.壳程对流传热系数0.551o 0.36Repr3de0.360.1105624132.00.556.981/30.02978.55（ 3）.污垢热阻根据化工原理附录，可取管外侧自来水地污垢热阻Rsi0.00021m2C / W管内侧异丙苯地污垢热阻Rso0.00018m2C / W（ 4）.总传热系数K1dobdo1doi diRsi di

15、dmRsoo10.0250.000210.0250.00250.0250.0001816708.60.0200.02450.0225978.55584K 计=584K 估=1.168（1.151.25 ）500（ 5）.传热面积A计Q2938.9 103108.2m2Ktm58446.52A实 ndo l3.140.025276 6 130m2A实 = 130 =1.19A计108.2（ 6）. 换热器内流体地流动阻力1.管程压降pip1p2 Ft N p Ns取换热管地管壁粗糙度为0.1mm，则 / d0.005 Re=40001.9= 0.3164 0.022Re0.25Lui26995.

16、7 1.612p1idi20.022 0.0228517Pap23ui23995.7 1.6123871.4 Pa22对252.5mm地管子有 Ft1.4 ，且N p4 ，Ns 1pip1p2 Ft N p Ns85173871.4 1.4 4169375 Pa105 Pa2.壳程压降Po( p1p2 )FsNsFs1.15, Ns1 Reo24132.0f o50.22850.2280.5009Reo24132.0P1Ff 0 nc ( NB1) uo220.50.500919(191)806.550.58212910.7Pa2P2N B (3.52B)uo2D21920.3806.550.

17、5826812.2Pa(3.5)20.7Po( p1p2 ) FsNs(12910.76812.2) 1.15 122681.3Pa105 Pa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u1.61m / s接管内径为4v41.27105 /(3600995.7)d3.14 1.610.167mmu取标准管径为 200mm2. 壳程流体进出口接管：取接管内循环水流速为u 0.58m / s接管内径为4v461107 /(330243600806.55)d3.140.580.241mmu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 .

18、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)1.27 10 577020.2进口温度 /20120出口温度 /4051压力 /MPa0.10.1物定性温度 /3085.5性密度 /（ kg/m3 ）995.7806.55参数定压比热容 /kJ/ （kg?） 4.1741.99粘度 /（ mPa?s）0. 80150. 3877热导率（ W/m?）0.6180.11056普朗特数5.416.98结 备 设形式浮头式壳程数1壳体内径 /mm700台数1管径 /mm25管心距 mm32管长 /mm6000管子排列三角形管数 /根276折流板数 /个19传热面积 /m210

19、8.2折流板间距 mm300管程数4材质碳钢圆缺高度 /mm200拉杆直径及数量接管 /mm200250主要计算结果管程壳程流速 /（ m/s）1.610.58表面传热系数 /W/ （m2?） 6708.6978.55污垢热阻 /（m2? /W ）0.000210.00018管壁热阻 /（m2? /W ）0.000056阻力 / kPa86.719922.6813热流量 /KW2938.9温度校正系数0 9传热温差 /46.52总传热系数 ko/W/ （m2?） 5842.报告中符号及意义字母T1T2t1t2cpQwhwctmtmA意义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

20、度定压比热容粘度导热系数热流量热流体地质量流量冷流体地质量流量按逆流情况求得地对数平均温差温度校正系数平均传热温差传热面积单位kg m3kJ kg k2N s mkJ h 或 kWkg hkg hm2V流体地流量di管子内径N p管程数L按单程计算地管长l选定地每程管长N T换热器地总根数D壳体内径t管心距N s壳程数N B折流板数B折流板间距de当量直径s0壳体流通截面积si管程流通截面积u0壳体流体流速ui管程流体流速Re雷诺系数Pr普朗特数0壳程对流传热系数i管程对流传热系数Rsi冷却水地污垢热阻Rso异丙苯地污垢热阻管壁地热导率b管壁地厚度pi管程总压力降p1单程直管阻力P2单程局部阻

21、力Ft污垢校正系数p0壳程总压力降p1流体流过管束地压力降p2流体流过折流板缺口地压力降Fs结垢校正系数F管子排列方式对压力降地校正因数f0壳程流体地摩擦系数N c横过管束中心线管子数m3 hmmmmmmmmmm2mm s m sw m w m 2m w2m ww m mPaPaPaPaPaPa九.附图1.chem CAD运行图TABULATED ANAL YSISOverall Data:-Area Totalm2130.06 % Excess25.83Area Requiredm291.44 U Calc. W/m2-K586.37Area Effectivem2115.06 U Serv

22、ice W/m2-K466.02Area Per Shellm2115.06 Heat Duty MJ/h9.98E+003Weight LMTD C51.69LMTD CORR Factor 1.0000CORR LMTD C 51.69Shellside Data:Crossflow Vel. m/sec 1.0E+000 EndZone V el. 7.4E-001 Window Vel. 2.6E-001Film Coef. W/m2-K978.55 Reynold's No.30468Allow Press. DropkPa34.47 Calc. Press. DropkPa

23、5040.31Inlet Nozzle Sizem0.03Press. Drop/In NozzlekPa4017.22Outlet Nozzle Sizem0.03Press. Drop/Out Nozzle kPa733.06Mean TemperatureC30.00Rho V2 IN kg/m-sec23531071.19 Press. Drop (Dirty) kPa8568.53Stream Analysis:SA Factors:A 21.55B 66.09C 0.84E 11.51F 0.00Ideal Cross Vel. m/sec1.56Ideal Window Vel.

24、 m/sec0.39Tubeside Data:Film Coef. W/m2-K6708.60 Reynold's No.12410Allow Press. DropkPa34.47 Calc. Press. DropkPa1230.48Inlet Nozzle Sizem0.03Press. Drop/In NozzlekPa956.85Outlet Nozzle Sizem0.03Press. Drop/Out Nozzle kPa369.37Interm. Nozzle Size m0.00 Mean TemperatureC85.50Velocitym/sec0.31 Mea

25、n Metal Temperature C70.60Clearance Data:Bafflem0.0048 Outer Tube Limit m0.6850Tube Holem0.0008 Outer Tube Clear.m0.0150Bundle Top Space m0.0000 Pass Part Clear.m0.0000Bundle Btm Space m0.0000Baffle Parameters:Number of Baffles166Baffle TypeSingle SegmentalInlet Spacem0.044Center Spacem0.032Outlet S

26、pacem0.044Baffle Cutpercent25.000Baffle Overlapm0.050Baffle Cut DirectionHorizontalBaffle Cut BasisDiameterNumber of Int. Baffles0Baffle Thicknessm0.003Shell:Shell O.D.m0.73OrientationVShell I.D.m0.70Shell in Series1Bonnet I.D.m0.70Shell in Parallel1TypeAENMax. Heat Flux Btu/ft2-hr0.00Imping. PlateI

27、mpingement Plate Sealing Strip5Tubes:Number276Tube TypeBareLengthm6.00Free Int. Fl Area m20.00Tube O.D.m0.025 Fin Efficiency0.000SsssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssTube I.D.m0.020Tube PatternTRI60Tube Wall Thk. m0.003Tube Pitchm0.175No. TubePass1Inner Roughness m0.00

28、00560Resistances:Shellside Filmm2-K/W0.00102Shellside Foulingm2-K/W0.00018Tube Wallm2-K/W0.00005Tubeside Foulingm2-K/W0.00021Tubeside Filmm2-K/W0.00015Reference Factor (Total outside area/inside area based on tube ID)1.250Pressure Drop Distribution:Tube SideShell SideInlet NozzlekPa956.8546Inlet Nozzle kPa4017.2167Tube Entrance kPa0.0161ImpingementkPa2295.2066TubekPa0.3811BundlekPa326.9370Tube ExitkPa0.0363Outlet Nozzle kPa733.0634EndkPa0.0000Total Fric.kPa5077.2170Outlet