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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1105Pad 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
2、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7三.确定物性参数
3、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94.估算总传热系数K10五.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113.管的排列及分程114.壳体内径125.折流挡板12六.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155.传热面积156.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171.接管172.拉杆17八.数据汇总181.换热器主要结构尺寸和计算结果18九.附图211.chem CAD 运行图212.Audo CAD 排管图
4、233.换热器规格图24十.参考文献24十一.总结致谢25一.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
5、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
6、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
7、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
8、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：192，252.5，383。在此项目设计中选择换热管的规格为252.5
9、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85.5806.551.990.110560.0003877冷却水30995.74.174四估算传热面积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12051冷却水2040温差10011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 252.5 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
10、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
11、热系数 （1.151.25）（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200mm2. 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/20120出口温度/4051压力/MPa0.10.1物性参数定性温度/3085.5密度/（kg/m3
12、）995.7806.55定压比热容/kJ/（kg）4.1741.99粘度/（mPas）0. 80150. 3877热导率（W/m） 0.6180.11056普朗特数5.416.98设备结构参数形式浮头式壳程数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/m2108.2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
13、阻/（m2/W）0.000056阻力/ kPa86.719922.6813热流量/KW2938.9温度校正系数09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
14、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
15、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 Coef. W/m2-K 978.55 Reynolds No. 30468 Allow Press. Drop kPa 34.47 Calc. Press. Drop kPa 5040.3
16、1 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 8568.53Stream Analysis: SA Factors: A 21.55 B 66.09 C 0.84 E 11.51 F 0.00 Ideal Cross Vel. m/sec 1.
17、56 Ideal Window Vel. m/sec 0.39Tubeside Data: Film Coef. W/m2-K 6708.60 Reynolds 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 T
18、emperature 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 0.0000 Pass Part Clear. m 0.0000 Bundle Btm Space m 0.0000Baffle Parameters: Number of Baffles 166 Baffle Ty
19、pe 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 Shel
20、l 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. Fl Area m2 0.00 Tube O.D. m 0.025 Fin Efficiency 0.000Sssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss
21、sssssssssssssssssssTube 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 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 0.000
22、15 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 0.0161 Impingement kPa 2295.2066 Tube kPa 0.3811 Bundle kPa 326.9370 Tube Exit kPa 0.0363 Outlet Nozzle k
23、Pa 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
24、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，2008.53.化工原理课程设计，王许云，王晓红等，化学工业出版社，2012.74.化工原理课程设计，申迎华，郝晓刚，化学工业出版社，2009.55.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，2009.26.化工设备设计手册, 潘国昌，郭庆丰，清华大学出版社,19887. AutoCAD2002应用教程，刘苏，科学出版社,20038.化工原理（上.下册）， 大连理工大学编著，高等教育出版社, 20029.化工工艺设计手册（上.下），上海设计院，化学工业出版社,198610.化工原理课程设计，
25、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。
