换热器课程设计

1、成绩东南大学成贤学院课程设计报告题目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 XX 制药XX班学生姓名 XXX学号XXXX设计地点XXX指导教师XXX设计起止时间： 2018年8月27日至2018年9月14日目录课程设计任务书1一、设计条件1二、设计说明书的内容 21. 前言32. 设计方案简介 52.1换热器的选择 52.2流程的选择52.3物性数据53. 工艺计算63.1试算及换热器选型 63.1.1计算传热量 63.1.3计算两流体的平均传热温度 73.1.4 计算 P、R 值73.1.5假设K值73.1.6估算面积93.1.7管径、管内流速 93.1.8单程管数9

2、3.1.9总管数93.1.10管子的排列103.1.11折流板103.2核算传热系数错误！未定义书签。3.2.1管程传热系数 103.2.2壳程传热系数 113.2.3污垢热阻113.2.4总传热系数 123.2.5 计算传热面积 123 .2.6 实际传热面积 123.3 压降计算 121. 管程压降 122. 壳程压降 133.4 核算壁温 133.5 附件 143.5.1 接管 143.5.2 拉杆 144. 换热器结果一览总表 155. 附图 175.1 符号表含义及单位 175.2 管子排列方式 195.3 换热器装置图 206. 参考文献： 207. 设计结果概要及致谢 217.1

3、 结果 217.2 致谢 22课程设计任务书设计题目 ： 冷却异丙苯换热器的设计一、 设计条件1、处理能力： 87 万吨/ 年2、设备型式： 自选3、操作条件：a. 异丙苯：入口温度120C,出口温度为（学号末两位+40） °C, 操作压力0.3MPa （绝）b. 冷却介质：自来水，操作压力 0.4MPa（绝）c. 允许压强降：不大于lxiO5Pad. 每年按 300天计，每天 24小时连续运行4. 设计项目e. 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。f . 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。g.换热器的主要结构尺寸设计。h.主要辅助设备选型i 绘制换热器总

4、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；1. 前言 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器， 简称为换热 器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高， 放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。35%40%。随着我 国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而 对换热器的要求也日益加强。换

5、热器的设计、制造、结构改进及传热 机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同， 换热器的类型也多 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， 首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积， 并确定换热器的结构尺寸。换热器是化工、 炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。 在化工 厂，换热器的费用约占总费用的10% 20%，在炼油厂约占总费用35% 40%。换热器在其他部门如动力、原子能、冶金、食品、交通、 环保、家电等也有着广泛的应用。因此，设计和选择得到使用、高效 的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用

6、。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再 沸器、深冷器、过热器等。换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其 中间壁式换热器应用最广泛， 按照传热面的形状和结构特点又可分为 管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器。换热器类型很多， 性能各异， 从早期发展起来的列管式换热器到 今年来不断出现的新型高效换热设备， 各具特点。进行换热器的设计， 首先是根据工业要求选用适当的换热器类型， 同时计算完成给定生产 任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。换热器的类型虽然很多， 但计算传热面积所依据的传热基本原理 相同，不同之处仅在结构设计上根据设备的特点采用不同的

7、计算方法 而已。列管式换热器是目前应用最广泛的一种换热设备， 设计资料和数 据比较完善， 目前在许多国家已有系列化标准。 列管式换热器在换热 效率、紧凑型和金属消耗量等方面不及其他新型的换热器， 但由于它 有结构牢固、适应性大、材料范围广等独特的优点，因而在各种换热 器的竞争发展中仍占有绝对的优势。列管式换热器种类很多， 目前广泛使用的按其温度差补偿结构来 分，主要有固定板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器和 U 形管式换热器。 对于列管式换热器， 一般要根据换热器流体的腐蚀性 及其他特性来选择结构与材料， 根据材料的加工性能、 流体的压力和 温度、换热管程与壳程的温度差、换热器的热负荷、

8、检修清洗的要求 等因素决定采用哪一类型的列管式换热器。确定列管式换热器以后， 对其各项参数进行总结说明。由于设计者水平有限， 方案中难免有不妥和错误之处， 希望老师 给予指正。2. 设计方案简介2.1换热器的选择在水冷却异丙苯换热器设计中，由于水和异丙苯的温差较大和便 于清洗壳程污垢，采用浮头式列管式换热器为宜。浮头式换热器的优 点为：管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体的约束，因而 当两种换热流体的温差相差较大时，不会因管束与壳体的热膨胀量不 同而产生温差应力。2.2流程的选择在列管换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，关系 到设备的使用是否合理。考虑到冷却水常用江河水或井水，

9、比较脏， 硬度较高，受热后容易结垢，在管内流体易于维持高速，可避免悬浮 颗粒沉积。所以冷却水应该走管程。异丙苯冷物料一般走壳程，便于 散热。2.3物性数据a.定性温度：可取流体进出口的平均值壳程间异丙苯定性温度为：T二1202 72 =96 (C)管程冷却水定性温度为：t二20于0 = 25 (C)b.根据定性温度分别取壳程和管程流体的有关物性参数。异丙苯在96C的有关物性参数如下：密度：、0 =796.96 kg/ m3定压比热容Cp0 =2.0332kJ / (kg C)导热系数0.14264W/(m K)粘度% =0.3563mPa S冷却水在25 C下相关悟性参数:密度几=995.6k

10、g/m3定压比热容Cpj =4.202kJ /(kg )导热系数0.613W/(mK)粘度讥=0.8937 mPa S3.工艺计算3.1试算及换热器选型3.1.1计算传热量870000 汇103 x 2.0332 x (120 72)Q 二W°Cp°(T1 -T2)：11792560 kg / h 二 3275.71 KW300243.1.2计算冷却水流量Q3275砂0sW377.9&g/s =280641 冋巾Cp t 4.20210s 10讥1 -讥2Lt2100-42,100 In42= 66.859 C3.1.4计算P、R值t2 - b 30-20- b 一

11、 120-20=0.1120-7230-20= 4.8R -1上P/ln1 PR2 二p(1_R 二 R2_1)2 - p(1 R ” R2 T)二 0.983平均传热温度矫正LtmR2 1(t2 -t1)_ ln 2_P(1 + R_Jr2 +1) 2 -P(1 R . R2 1)= 66.097 C3.1.5假设K值由异丙苯走壳程，冷却水走管程且异丙苯卩=0.5中有机物，查K值大致1mPa-为范围表，取 K=500W/(m2LK)。3.1.3计算两流体的平均传热温度异丙苯120T 72 °C冷却水2030 C温差10042C在这里我选取逆流的方式,管程壳程总传热系数/W/ （ m

12、3 C）水（流速为0.91.5m/s ）水冷水冷水冷水盐水有机溶剂轻有机物 g< 0.5mPa s中有机物 卩=0.51mPa-s重有机物 g> 1mPa-s水（流速为1m/s ）水水溶液g< 2mPa-s水溶液g> 2mPas有机物 g< 0.5mPa s有机物 卩=0.51mPa-s有机物g> 1mPa-s水水水水（流速为 0.91.5m/s ）水（流速较高时）轻有机物g<0.5mPa s 中有机物 卩=0.51mPa-s重有机物g> 1mPa-s轻有机物 g< 0.5mPa s有机溶剂 卩=0.3 0.55mPa s轻有机物 g<

13、; 0.5mPa s 中有机物 卩=0.51mPa-s重有机物g> 1mPa-s 水蒸气（有压力）冷凝 水蒸气（常压或负压）冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝 水蒸气冷凝有机物蒸气及水蒸气冷凝 重有机物蒸气（常压）冷凝 重有机物蒸气（负压）冷凝582 6988141163467 814290 698116 467233 582198 233233 465116 34958 2332326 46521745 34891163 1071582 29085821193291 582114 3495821163116 34958 174水饱和有机溶剂蒸气（常压）冷凝582 -1

14、163水含饱和水蒸气的氯气（V50 °C）174，749水SO2冷凝814 -1163水NH3冷凝698，930水氟里昂冷凝7563.1.6估算面积3275.7110500 66.859二 97.993.1.7管径、管内流速管径选择：选用25 2.5传热管（碳钢）估算管内流速：取管内流速u估二1.10m/s3.1.8单程管数单程管数n兀20.02 u477.96 / 7960.96兀20.022 1.104283.2284（根）3.1.9总管数管长:net97.993.14 284 0.025=4.39 4.5m确定管程按单程设计3.1.10管子的排列确定管子排列方法：采用正三角形排

15、列 管心距： t=1.25d0=1.25 25=32mm穿过中心线管数：Ni =1.仁284 “9（根）壳体内径:D =1.05t284.0.7二 676.7 ： 680mm则D需产62在610之内符合要求3.1.11折流板折流板高度：h = 0.25 680 = 170mm折流板间距：B=0.5D =0.345 680、235mm板数：N4500-2t2723.2核算传热系数3.2.1管程传热系数流通截面积2 2S =d".。几 284= 0.0892m244流速Wi77.96 / 995.6M/ui0.142640.88 m / sSi0.0892雷诺系数mdiUR 0.02 沃

16、 0.88汉 995.6“卄Rei!419606.7678.937 10-普朗特数c Cp”4.202X0“ 0.8937 勺0-3 一门Pri i6.13人0.613/尹4传热系数m =O.O234Re0.8Pri0.4 d叫丿= 0.023 30.65 19606.760.8 6.130.4 1 = 3954.28w/(m* =0.036 - 0 c)3.2.2壳程传热系数当量直径:4 (仝 t2de= 2二 d°流通截面积4 (乜 0.032 2 _0.785 0.0252)20.020m3.14 0.025So 二 BD(1 一虫)=0.235 0.68 (1 一025) =

17、 0.031m2t0.032流速:W 120833.33 / (796.96 3600)u01.2m / sS00.035雷诺系数:Re°d °U 0 “ 0J00.。201.2 796.96 ,0420.08.93710 *传热系数:Pr。203321033 * * * *56310-I 5.080.1426：0- 1o 0.553=0.036一Re0 PrO3do0.14巴丿普朗特数:130420.00.55 5.08' 1324总传热系数Kodo冷diRS如处di ' dmRs01：'00.0253954.280.020.000210.0250

18、.0200.0025 0.025+45 0.02250.00017211282.55= 619KoK619500= 1.2383.2.5计算传热面积33275.7110619 66.097-83.04 m23 .2.6实际传热面积AFaiNd0.025 4.5 284= 100.323n2则十嚼許21在1.15-1.25的范围之内3.3压降计算1.管程压降迟 3 =（邛 +邙）FtNpNsl u245 0 882:R = i 1 j = 0.04995.6 = 3469.5Pad 20.022995.6=2150.496Ft =1.4对25 2.5mm的管子有Ns"Np =1'

19、;44802 1493.4 1.4 1 1 = 7867.99 105 Pa2.壳程压降P。=( RP2)FsNsP1=Ff°nc Nb1 -Uo2F =0.5FS =1.15Ns =1n c = 1.1 284 = 18.53Nb =21c ooq0 228f0 =5Re -=530420.0 一.= 0.25575 ：R=0.5 0.25575 18.53 21 796.96 1.2 = 28552.84P2 =Nb 3.5 _2B22 3.5 -35D 20.68796.96二 35458.2FO 二 28552.84 35458.2 1.15 1 二 73612.69ffa

20、105 Pa3.4核算壁温= 96°Ch+T2120+72Tm =-2 2tm =0.4t2 0.6t1 =0.4 30 0.6 20 =24°CTm /c tm /h1/ ： c 1/ ：- h96/3954.2824/1788.01= 46.421/3954028 1/1788.01壳体平均温度壁温与传热管平均壁温之差：96-46.42=49.58 °C3.5附件3.5.1接管a. 壳程流体进出口接管异丙苯流速uo =1.2m/s内径 d =4 120833.33/(995.6 36oo).i89mY 兀 Uo YH x1.2取 d = 200mmb. 管程流

21、体进出口接管水流速u = 0.88m/ s内径d二4 280641.5/(995.6 3600): 0.88=0.3367 m取 d = 340mm3.5.2拉杆壳体直径D =0.68m壳拉最壳拉最体直径杆直径少拉杆体直径杆直径少拉杆/mm/mm数/mm/mm数2002501041100128查上表可得：拉杆直径12mm 最少拉杆数64.换热器结果一览总表参数管程壳程流率(kg/h)280641.5120833.33进口温度/ r20120出口温度/ r3072压力/MPa0.40.3物性参数定性温度/K2596密度 / (kg/m3)995.6796.96定压比热容/kJ/ (kg?E)4.

22、2022.0332粘度/ (mPa?s)0.35630.8937热导率(W/mE)0.142640.613设么形式浮头式壳程数1壳体内径/mm680台数1管径/mm25管心距mm320管长/mm4500管子排列正三角形管数/根284折流板数/个21传热面积/m2100.323折流板间距mm235管程数1材质碳钢圆缺高度/mm150拉杆直径及数量12mm , 6接管/mm340200主要计算结果管程壳程流速/ (m/s)0.881.2表面传热系数/W/（m2?C）3653.0281129.223污垢热阻/ (m2?C /W)0.000210.000176管壁热阻/ (m2?C /W)45阻力/

23、Pa3954.281282.55热流量/KW3275.71温度校正系数0.983传热温差/c66.097总传热系数ko/W/ (m2?C)6195.附图5.1符号表含义及单位字母意义单位Ti热流体进口温度T2热流体出口温度Cti冷流体进口温度Ct2冷流体出口温度CP密度kg/ m3Cp定压比热容kJ kg kA粘度N S m2z导热系数W m kQ热流量kJ h 或 kWWh热流体的质量流量kg/hWc冷流体的质量流量kg/hAtm，按逆流情况求得的对数平均温差Cg温度校正系数比平均传热温差CA传热面积2 mV流体的流量m3/ hdi管子内径mNp管程数L按单程计算的管长ml选定的每程管长mN

24、t换热器的总根数D壳体内径mmt管心距mmNs壳程数Nb折流板数B折流板间距mmde当量直径mSo壳体流通截面积2 mSi管程流通截面积2 mUo壳体流体流速m sUi管程流体流速m sRe雷诺系数Pr普朗特数%壳程对流传热系数W m ;C«i管程对流传热系数W'm CRs冷却水的污垢热阻m2 C wRso间二氯苯的污垢热阻m2 C w管壁的热导率w m -Cb管壁的厚度mZ g管程总压力降Pa心Pi单程直管阻力Paap2单程局部阻力PaFt污垢校正系数Z Apo壳程总压力降PaFKpi流体流过管束的压力降PaFP2流体流过折流板缺口的压力降PaFs结垢校正系数F管子排列方式

25、对压力降的校正因数fo壳程流体的摩擦系数Nc横过管束中心线管子数5.2管子排列方式5.3换热器装置图6. 参考文献:1. 任晓光，化工原理课程设计及指导，天津大学出版社2009年1月2. 王志祥，制药化工原理，化学工业出版社，2005年5月3. 马江权，冷一欣化工原理课程设计（第二版），中国石化出版社2011年1月4. 付家新，王卫国化工原理课程设计化学工业出版社2010年11 月5. 申迎华，郝小刚，化工原理课程设计化学工业出版社2009年5月6. 贾绍义，柴诚敬，化工原理课程设计(化学传递与单元操作课程 设计)，天津大学出版社，2008年5月7. 王许云，王小红，田景红等化工原理课程设计，化学工业出版 社，2012年7月7. 设计结果概要及致谢7