换热器课程设计

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 (1)

1.前言 (3)

2.设计方案简介 (5)

2.1换热器的选择 (5)

2.2流程的选择 (5)

2.3物性数据 (5)

3.工艺计算 (6)

3.1试算及换热器选型 (6)

3.1.1计算传热量 (6)

3.1.3计算两流体的平均传热温度 (6)

3.1.4计算P、R值 (7)

3.1.5假设K值 (7)

3.1.6估算面积 (8)

3.1.7管径、管内流速 (8)

3.1.8单程管数 (9)

3.1.9总管数 (9)

3.1.10管子的排列 (9)

3.1.11折流板 (9)

3.2核算传热系数 (10)

3.2.1管程传热系数 (10)

3.2.2壳程传热系数 (10)

3.2.3污垢热阻 (11)

3.2.4总传热系数 (11)

3.2.5计算传热面积 (11)

3 .2.6实际传热面积 (11)

3.3压降计算 (12)

1.管程压降 (12)

2.壳程压降 (12)

3.4核算壁温 (12)

3.5附件 (13)

3.5.1接管 (13)

3.5.2拉杆 (13)

4.换热器结果一览总表 (14)

5.附图 (15)

5.1符号表含义及单位 (15)

5.2管子排列方式 (18)

5.3换热器装置图 (19)

6.参考文献： (19)

7.设计结果概要及致谢 (20)

7.1结果 (20)

7.2致谢 (21)

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120℃，出口温度为（学号末两位+40）℃，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1×105Pa

d．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。

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、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，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： 12072

962

T +==（℃）

管程冷却水定性温度为： 252

30

20=+=

t （℃） b.根据定性温度分别取壳程和管程流体的有关物性参数。 ①异丙苯在96℃的有关物性参数如下： 密度 30796.96 kg/m ρ=

定压比热容 0 2.0332/()Cp kJ kg C =?? 导热系数 00.14264/()W m K λ=? 粘度 00.3563 mPa S μ=? ②冷却水在25℃下相关悟性参数： 密度 3/6.995m kg i =ρ

定压比热容 )·/(202.4K kg kJ Cp i = 导热系数 )·

/(613.0K m W i =λ 粘度 0.8937i mPa S μ=?

3.工艺计算

3.1试算及换热器选型

3.1.1计算传热量

3001287000010 2.0332(12072)

()11792560/3275.7130024

Q W Cp T T kg h KW

???-=-===?3.1.2计算冷却水流量

3

3

3275.7110 77.96 /280641.5 /4.2021010

i i Q W kg s kg h Cp t ?====??? 3.1.3计算两流体的平均传热温度

异丙苯 120℃ → 72℃ 冷却水 20℃ → 30℃

温差 100℃ 42℃ 在这里我选取逆流的方式，

则'

121

2

100-4266.85910042

m t t t C t In In t ?-??===???

3.1.4计算P 、R 值

211130-20

0.1120-20

t t P T t -=

==- 1221120-72

4.830-20

T T R t t -=

==-

1ln /0.98311P R PR ψ-==-- 平均传热温度矫正

66.097m t C =

=?V

3.1.5假设K 值

由异丙苯走壳程，冷却水走管程且异丙苯μ=0.5～1mPa·s 为中有机物，查K 值大致

范围表，取K=5002/()W m K g 。

3.1.6估算面积

3

23275.711097.9950066.859

m Q A m K t ?===??估

估 3.1.7管径、管内流速

管径选择：选用25 2.5φ?传热管（碳钢） 估算管内流速：取管内流速 1.10/u m s =估

3.1.8单程管数

单程管数22/77.96/7960.96

283.2284()0.02u

0.02 1.10

4

4

W n ρπ

π

=

=

=≈????水水

根

3.1.9总管数

管长：097.99

4.39 4.5 3.14 284 0.025

A L m n d π=

==≈?? 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：采用正三角形排列 管心距： 0t=1.25d =1.2525=32mm ?

穿过中心线管数：

119N =≈（根）

壳体内径：

1.05 1.0532676.7680D mm ==?=≈ 则 4.5

6.620.68

L D =

= 在6～10之内，符合要求。 3.1.11折流板

折流板高度：0.25680170h mm =?= 折流板间距：0.50.345680235B D mm ==?≈ 板数：4500

-121272

B N ==块

3.2核算传热系数 3.2.1管程传热系数

流通截面积 220.022840.089244

i i S d n m ππ==??= 流速 77.96/995.6

0.88/0.0892

i i i W u m s S === 雷诺系数 -4

0.020.88995.6

Re 19606.768.93710

i i

i i

d u ρμ??==

=? 普朗特数 3-34.202100.893710Pr 6.130.613

i i

i

Cp μλ???=

==

传热系数 0.14

0.80.40.80.420.023Re Pr 0.02330.6519606.76 6.1313954.28/()

i

i i i i o d w m c ωλμαμ??

= ?

??

=????=? 3.2.2壳程传热系数

当量直径：

2222004)40.7850.025)242de=

0.0203.140.025

d m d ππ?-?-?==?0.032 流通截面积 ： 200d

0.025

(1)0.2350.68(1)0.0310.032

BD m t S =-=??-= 流速： 00120833.33/(796.963600) 1.2/0.035

W u m s S ?=

== 雷诺系数： 000

04

0.020 1.2796.96

Re 30420.08.93710d u ρμ-??==

=?

传热系数： 3400

00

2.033210

3.56310Pr 5.080.1426

Cp μλ-???=

==