化工原理課程設計--水冷卻異丙苯換熱器的設計

1、<p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　題 目 水冷卻異丙苯換熱器的設計 </p><p>　　課 程 名 稱 化工原理課程設計 </p><p>　　專 業(yè) 制藥工程 </p><p>　　班 級 11制藥二班

2、 </p><p>　　學 生 姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　設 計 地 點 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>　　設計起止時間：20

3、13年9月2日至2013年 9月13日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 水冷卻異丙苯換熱器的設計</p><p><b>　　一、 設計條件</b></p><p>　　處理能力 61萬噸/年</p><p>

4、　　設備型式 列管式換熱器</p><p><b>　　操作條件</b></p><p>　　異丙苯：入口溫度120℃，出口溫度為51℃</p><p>　　冷卻介質：自來水，入口溫度20℃，出口溫度40℃</p><p>　　允許壓強降：不大于1×105Pa</p><p>

5、　　每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行</p><p><b>　　設計項目</b></p><p>　　設計方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器型式進行簡要論述。</p><p>　　換熱器的工藝計算：確定換熱器的傳熱面積。</p><p>　　換熱器的主要結構尺寸設計。</p><p>&l

6、t;b>　　主要輔助設備選型。</b></p><p>　　繪制換熱器總裝配圖。</p><p>　　二、設計說明書的內容</p><p><b>　　目錄；</b></p><p>　　設計題目及原始數(shù)據(jù)(任務書)；</p><p>　　論述換熱器總體結構(換熱器型式、主要結構

7、)的選擇；</p><p>　　換熱器加熱過程有關計算(物料衡算、熱量衡算、傳熱面積、換熱管型號、殼體直徑等)；</p><p>　　設計結果概要(主要設備尺寸、衡算結果等)；</p><p>　　主體設備設計計算及說明；</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>

8、;　　一.緒論4</b></p><p><b>　　1.概論4</b></p><p><b>　　2.換熱器選型4</b></p><p>　?。?）.固定管板式換熱器4</p><p>　　（2）.浮頭式換熱器5</p><p>　?。?）.U型管

9、式換熱器5</p><p>　?。?）.填料函式換熱器6</p><p>　　二.確定設計方案7</p><p>　　三.確定物性參數(shù)7</p><p>　　1.定性溫度及物理特性7</p><p>　　四.估算傳熱面積8</p><p><b>　　1.熱流量8<

10、/b></p><p><b>　　2.冷卻水流量8</b></p><p>　　3.計算平均傳熱溫差9</p><p>　　4.估算總傳熱系數(shù)K10</p><p>　　五.工藝結構尺寸10</p><p>　　1.管徑和管內流速10</p><p>　　

11、2.單程傳熱管數(shù)及總管數(shù)11</p><p>　　3.管的排列及分程11</p><p><b>　　4.殼體內徑12</b></p><p><b>　　5.折流擋板12</b></p><p>　　六.核算總對流傳熱系數(shù)12</p><p>　　1.核算管程對流

12、傳熱數(shù)12</p><p>　　2.核算殼程對流傳熱數(shù)13</p><p><b>　　3.污垢熱阻14</b></p><p>　　4.總傳熱系數(shù)15</p><p><b>　　5.傳熱面積15</b></p><p>　　6.換熱器內流體的流動阻力15<

13、;/p><p>　　(1).管程壓降15</p><p>　　(2).殼程壓降16</p><p><b>　　七.附件17</b></p><p><b>　　1.接管17</b></p><p><b>　　2.拉桿17</b></p&g

14、t;<p><b>　　八.數(shù)據(jù)匯總18</b></p><p>　　1.換熱器主要結構尺寸和計算結果18</p><p><b>　　九.附圖21</b></p><p>　　1.chem CAD 運行圖21</p><p>　　2.Audo CAD 排管圖23</p

15、><p>　　3.換熱器規(guī)格圖24</p><p><b>　　十.參考文獻24</b></p><p>　　十一.總結致謝25</p><p><b>　　一.緒論</b></p><p><b>　　1.概論</b></p><

16、p>　　換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。不同類型的換熱器各有優(yōu)缺點，性能各異。在換熱器設計中首先應該根據(jù)工藝要求選擇適合的類型，然后計算換熱器所需傳熱面積，并確定換熱管的結構尺寸。</p><p><b>　　2.換熱器選型</b></p><p&

17、gt;　　在化工生產中，經常要求在各種不同的條件下進行熱交換，因此對各種換熱器的要求必然是多種多樣的。而每種類型的換熱器都有其優(yōu)缺點，選擇時考慮的因素很多，例如材料、壓強、溫度、溫度差、壓強降、流動狀態(tài)、傳熱效果、結垢腐蝕情況、檢修和操作等。</p><p>　　（1）.固定管板式換熱器</p><p>　　管殼式換熱器主要是由殼體、管束、管板、管箱及折流板等組成，管束和管板是剛性連接在一

18、起的。所謂“固定管板”是指管板和殼體之間也是剛性連接在一起，相互之間無相對移動，具體結構如圖所示。這種換熱器結構簡單、制造方便、造價較低；在相同直徑的殼體內可排列較多的換熱管，而且每根換熱管都可單獨進行更換和管內清洗；但管外壁清洗較困難。當兩種流體的溫差較大時，會在殼壁和管壁中產生溫差應力，一般當溫差大于50℃時就應考慮在殼體上設置膨脹節(jié)以減小或消除溫差應力。</p><p>　　固定管板式換熱器適用于殼程流體清

19、潔，不易結垢，管程常要清洗，冷熱流體溫差不太大的場合。</p><p>　　（2）. 浮頭式換熱器</p><p>　　浮頭式換熱器的一端管板是固定的，與殼體剛性連接，另一端管板是活動的，與殼體之間并不相連，其結構如圖所示?；顒庸馨逡粋瓤偡Q為浮頭，浮頭的具體結構如圖5-3所示。浮頭式換熱器的管束可從殼體中抽出，故管外壁清洗方便，管束可在殼體中自由伸縮，所以無溫差應力；但結構復雜、造價高，浮

20、頭處若密封不嚴會造成兩種流體混合且不易察覺。</p><p>　　浮頭式換熱器適用于冷熱流體溫差較大，介質易結垢常需要清洗的場合。在化工生產中使用的各類管殼式換熱器中浮頭式最多。</p><p>　　（3）.U型管式換熱器</p><p>　　U形管式換熱器不同于固定管板式和浮頭式，只有一塊管板，換熱管作成U字形、兩端都固定在同一塊管板上；管板和殼體之間通過螺栓固定

21、在一起，其結構如圖所示。這種換熱器結構簡單、造價低，管束可在殼體內自由伸縮，無溫差應力，也可將管束抽出清洗且還節(jié)省了一塊管板；但U形管管內清洗困難且管子更換也不方便，由于U形彎管半徑不能太小，故與其他管殼式換熱器相比布管較少，結構不夠緊湊。</p><p>　　U形管式換熱器適用于冷熱流體溫差較大、管內走清潔不結垢的高溫、高壓、腐蝕性較大的流體的場合。</p><p>　　（4）. 填料函

22、式換熱器</p><p>　　填料函式換熱器與浮頭式很相似，只是浮動管板一端與殼體之間采用填料函密封，如圖所示。這種換熱器管束也可自由伸縮、無溫差應力，具有浮頭式的優(yōu)點且結構簡單、制造方便、易于檢修清洗，特別是對腐蝕嚴重、溫差較大而經常要更換管束的冷卻器，采用填料函式比浮頭式和固定管板式更為優(yōu)越；但由于填料密封性所限，不適用于殼程流體易揮發(fā)、易燃、易爆及有毒的情況。目前所使用的填料函式換熱器直徑大多在700mm以

23、下，大直徑的用得很少，尤其在操作壓力及溫度較高的條件下采用更少。</p><p>　　二. 確定設計方案</p><p>　　由于循環(huán)冷卻水容易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，異丙苯走殼程。</p><p>　　選用較小直徑的管子，可以提高流體的對流給熱系數(shù)，并使單位體積設備中的傳熱面積增大，設備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但小管子易結垢，不易清洗，

24、可用于較清潔流體。大管徑的管子用于粘性較大或易結垢的流體。</p><p>　　我國列管式換熱器常采用無縫鋼管，規(guī)格為外徑×壁厚，常用的換熱管的規(guī)格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。</p><p>　　在此項目設計中選擇換熱管的規(guī)格為φ25×2.5碳鋼管</p><p><b>　　三．確定物性參

25、數(shù)</b></p><p><b>　　1.定性溫度</b></p><p><b>　　異丙苯：</b></p><p><b>　　冷卻水：</b></p><p><b>　　2.物性參數(shù)</b></p><p>

26、<b>　　四．估算傳熱面積</b></p><p><b>　　1.熱流量</b></p><p><b>　　2.冷卻水流量</b></p><p>　　3.計算平均傳熱溫差（以逆流計算）</p><p><b>　　修正：</b></p>

27、<p>　　查表得溫度校正系數(shù)為 </p><p><b>　　校正后的溫度為 </b></p><p>　　選用單殼程的列管式換熱器</p><p>　　4.估算總傳熱系數(shù)K</p><p>　　假設K=500 假設u=1.0m/s</p><p><b>　　傳

28、熱面積</b></p><p><b>　　五．工藝結構尺寸</b></p><p>　　1.管徑和管內流速 假設為 u=1.0m/s</p><p>　　選用 Φ25×2.5 mm 冷拔傳熱管（碳鋼）</p><p><b>　　2.單程傳熱管數(shù)</b></p&g

29、t;<p>　　3.按單程換熱計算管束長度</p><p>　　按單管程設計，傳熱管過長，現(xiàn)取傳熱管長，則該換熱器的管程數(shù)為：</p><p><b>　　4.傳熱管總根數(shù)為</b></p><p><b>　　5.管的排列</b></p><p><b>　　按正三角形排列

30、</b></p><p><b>　　取管心距 </b></p><p>　　6.橫過管束中心線的管數(shù)</p><p><b>　　7.殼體內徑</b></p><p><b>　　取管板利用率 </b></p><p><b>

31、　　所以換熱器平放</b></p><p><b>　　8.折流擋板</b></p><p>　　采用弓形折流板（水平圓缺），取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的，則切去的圓缺高度為 </p><p><b>　　取折流板間距 </b></p><p><b>　　折流板數(shù) &

32、lt;/b></p><p>　　六．核算總對流傳熱系數(shù)</p><p>　　（1）.核算管程對流傳熱數(shù)</p><p><b>　　1.管程流通截面積</b></p><p><b>　　2.流速</b></p><p><b>　　3. Re值</b

33、></p><p><b>　　4.管程普朗特系數(shù)</b></p><p>　　5.管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　（2）.核算殼程對流傳熱數(shù)</p><p>　　1.當量直徑 由正三角形排列得</p><p><b>　　2.殼程流通截面積</b></p

34、><p><b>　　3.流速</b></p><p><b>　　4. Re值</b></p><p><b>　　5.殼程普朗特系數(shù)</b></p><p>　　6.殼程對流傳熱系數(shù)</p><p><b>　　（3）.污垢熱阻</b&g

35、t;</p><p>　　根據(jù)化工原理附錄，可取</p><p>　　管外側自來水的污垢熱阻</p><p>　　管內側異丙苯的污垢熱阻</p><p><b>　?。?）.總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　（1.15~1.25）</p><p><b>　

36、?。?）.傳熱面積</b></p><p>　?。?）. 換熱器內流體的流動阻力</p><p><b>　　1.管程壓降</b></p><p>　　取換熱管的管壁粗糙度為0.1mm，則 Re=40001.9</p><p><b>　　對的管子有</b></p><

37、;p><b>　　2.殼程壓降</b></p><p><b>　　七．附件</b></p><p><b>　　（1）.接管</b></p><p>　　1. 管程流體進出口接管：取接管內異丙苯流速為 </p><p><b>　　接管內徑為</b>

38、;</p><p>　　取標準管徑為200mm</p><p>　　2. 殼程流體進出口接管：取接管內循環(huán)水流速為 </p><p><b>　　接管內徑為</b></p><p>　　取標準管徑為300mm</p><p><b>　　（2）.拉桿</b></p>

39、;<p>　　查表得，拉桿直徑12mm，最小拉桿數(shù)6根。</p><p><b>　　八.數(shù)據(jù)匯總</b></p><p>　　1.換熱器主要結構尺寸和計算結果：</p><p>　　2.報告中符號及意義</p><p><b>　　九.附圖</b></p><p&

40、gt;　　1.chem CAD 運行圖</p><p>　　TABULATED ANALYSIS</p><p>　　------------------</p><p>　　Overall Data:</p><p>　　Area Total m2 130.06 % Excess

41、 25.83</p><p>　　Area Required m2 91.44 U Calc. W/m2-K 586.37</p><p>　　Area Effective m2 115.06 U Service W/m2-K 466.02</p>

42、<p>　　Area Per Shell m2 115.06 Heat Duty MJ/h 9.98E+003</p><p>　　Weight LMTD C 51.69 LMTD CORR Factor 1.0000 CORR LMTD C 51.69</p><p>　　Shellside Data:<

43、/p><p>　　Crossflow Vel. m/sec 1.0E+000 EndZone Vel. 7.4E-001 Window Vel. 2.6E-001</p><p>　　Film Coef. W/m2-K 978.55 Reynold's No. 30468</p><p>　　Al

44、low Press. Drop kPa 34.47 Calc. Press. Drop kPa 5040.31</p><p>　　Inlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/In Nozzle kPa 4017.22</p><p>　　Outlet Nozzle Size m

45、 0.03 Press. Drop/Out Nozzle kPa 733.06</p><p>　　Mean Temperature C 30.00</p><p>　　Rho V2 IN kg/m-sec2 3531071.19 Press. Drop (Dirty) kPa 8568.53</p><

46、;p>　　Stream Analysis:</p><p>　　SA Factors: A 21.55 B 66.09 C 0.84 E 11.51 F 0.00</p><p>　　Ideal Cross Vel. m/sec 1.56 Ideal Window Vel. m/sec 0.39</p>&

47、lt;p>　　Tubeside Data:</p><p>　　Film Coef. W/m2-K 6708.60 Reynold's No. 12410</p><p>　　Allow Press. Drop kPa 34.47 Calc. Press. Drop kPa 1230

48、.48</p><p>　　Inlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/In Nozzle kPa 956.85</p><p>　　Outlet Nozzle Size m 0.03 Press. Drop/Out Nozzle kPa 369.37</p><p>　　

49、Interm. Nozzle Size m 0.00 Mean Temperature C 85.50</p><p>　　Velocity m/sec 0.31 Mean Metal Temperature C 70.60</p><p>　　Clearance Data:</p>

50、<p>　　Baffle m 0.0048 Outer Tube Limit m 0.6850</p><p>　　Tube Hole m 0.0008 Outer Tube Clear. m 0.0150</p><p>　　Bundle Top Spa

51、ce m 0.0000 Pass Part Clear. m 0.0000</p><p>　　Bundle Btm Space m 0.0000</p><p>　　Baffle Parameters:</p><p>　　Number of Baffles

52、 166</p><p>　　Baffle Type Single Segmental</p><p>　　Inlet Space m 0.044 </p><p>　　Center Space m

53、 0.032 </p><p>　　Outlet Space m 0.044 </p><p>　　Baffle Cut percent 25.000 </p><p>　　Baffle Overlap m

54、 0.050 </p><p>　　Baffle Cut Direction Horizontal</p><p>　　Baffle Cut Basis Diameter</p><p>　　Number of Int. Baffles

55、 0</p><p>　　Baffle Thickness m 0.003 </p><p><b>　　Shell:</b></p><p>　　Shell O.D. m 0.73 Orientation

56、 V</p><p>　　Shell I.D. m 0.70 Shell in Series 1</p><p>　　Bonnet I.D. m 0.70 Shell in Parallel 1<

57、;/p><p>　　Type AEN Max. Heat Flux Btu/ft2-hr 0.00</p><p>　　Imping. Plate Impingement Plate Sealing Strip 5</p><p><b>

58、;　　Tubes:</b></p><p>　　Number 276 Tube Type Bare</p><p>　　Length m 6.00 Free Int. Fl Area m2 0.00</p

59、><p>　　Tube O.D. m 0.025 Fin Efficiency 0.000</p><p>　　Ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss</p><p>　　Tube I.D.

60、 m 0.020 Tube Pattern TRI60</p><p>　　Tube Wall Thk. m 0.003 Tube Pitch m 0.175</p><p>　　No. Tube Pass 1</p

61、><p>　　Inner Roughness m 0.0000560</p><p>　　Resistances:</p><p>　　Shellside Film m2-K/W 0.00102</p><p>　　Shellside Fouling

62、 m2-K/W 0.00018</p><p>　　Tube Wall m2-K/W 0.00005</p><p>　　Tubeside Fouling m2-K/W 0.00021</

63、p><p>　　Tubeside Film m2-K/W 0.00015</p><p>　　Reference Factor (Total outside area/inside area based on tube ID) 1.250</p><p>　　Pressure Drop Dis

64、tribution:</p><p>　　Tube Side Shell Side</p><p>　　Inlet Nozzle kPa 956.8546 Inlet Nozzle kPa 4017.2167</p><p>　　Tube Entrance kPa

65、 0.0161 Impingement kPa 2295.2066</p><p>　　Tube kPa 0.3811 Bundle kPa 326.9370</p><p>　　Tube Exit kPa 0.0363 Outle

66、t Nozzle kPa 733.0634</p><p>　　End kPa 0.0000 Total Fric. kPa 5077.2170</p><p>　　Outlet Nozzle kPa 369.3654 Total Grav. kPa -57.

67、8470</p><p>　　Total Fric. kPa 1326.6534 Total Mome. kPa 20.9417</p><p>　　Total Grav. kPa 45.9890 Total kPa 5040.3117</p><p>　

68、　Total Mome. kPa -142.1632 </p><p>　　Total kPa 1230.4793 </p><p>　　2.Audo CAD 排管圖</p><p><b>　　3.換熱器規(guī)格圖</b></p><p><b>　　十

69、.參考文獻</b></p><p>　　1.《制藥化工原理》，王志祥，化學工業(yè)出版社，2005.5</p><p>　　2.《化工原理課程設計（化學傳遞與單元操作課程設計）》，賈紹義，柴誠敬，天津大學出版社，2008.5</p><p>　　3.《化工原理課程設計》，王許云，王曉紅等，化學工業(yè)出版社，2012.7</p><p>

70、　　4.《化工原理課程設計》，申迎華，郝曉剛，化學工業(yè)出版社，2009.5</p><p>　　5.《化工原理課程設計指導》，任曉光，宋永吉，李翠清，化學工業(yè)出版社，2009.2</p><p>　　6.《化工設備設計手冊》, 潘國昌，郭慶豐，清華大學出版社,1988</p><p>　　7.《 AutoCAD2002應用教程》，劉蘇，科學出版社,2003</

71、p><p>　　8.《化工原理（上.下冊）》， 大連理工大學編著，高等教育出版社, 2002</p><p>　　9.《化工工藝設計手冊（上.下）》，上海設計院，化學工業(yè)出版社,1986</p><p>　　10.《化工原理課程設計》，柴誠敬、劉國維、李阿娜，天津科學技術出版社 ,1995</p><p><b>　　十一.總結致謝&l

72、t;/b></p><p><b>　　1.總結</b></p><p>　　本次化工課程設計差不多花了兩周時間，我開始的時候沒有抓緊進度，腦袋里全是漿糊，根本不知道如何著手去做，可隨著時間的推進設計開始有了眉目，到現(xiàn)在即將完成此次設計，自己也有一些感觸。</p><p>　　在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計換熱器的能力以及綜合運用化

73、工原理知識的能力，在設計中的每一項數(shù)據(jù)，都經過反復的估算演算驗算，體會到了化工工藝的博大精深。在設計中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。這次課程設計使我充分理解到化工原理課程的重要性和實用性。</p><p><b>　　2.致謝</b></p><p>　　首先我要感謝我的指導老師xx，他教學嚴謹細致、一絲不茍，傅老師循循善誘的教導和不拘一格的思路給予