化工原理课程设计苯加热器设计.doc

1、列管式换热器设计说明书太原工业学院化工原理课程设计苯加热器设计系： 班级： 姓名 ： 学号 ： 完成时间： 年 月 日课程设计任务书 设计一个换热器，将纯苯液体从55加热到80。纯苯的流量为1.4104 kg/h。加热介质采用的是具有200 kPa的水蒸气。要求纯苯液体在换热器中的压降不大于30kPa，试设计或选择合适的管壳式换热器，完成该任务。设计要求（1）换热器工艺设计计算（2）换热器工艺流程图（3）换热器设备结构图（4）设计说明目录一、方案简介4二、 方案设计51、 确定设计方案52、 确定物性数据53、 计算总传热系数54、 工艺结构尺寸65、 换热器核算7三、 设计结果一览表10四、 设计总结 12五、 参考文献13附图一、方案简介1、概述换热器是化工、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，估换热器的类型也是多种多样。按用途特可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。间壁式换热器的特点是冷、热流体被固定壁面间隔开，不想混合，通过

2、间壁进行热量的交换。此类换热器中，以列管式应用最广。本设计任务是利用饱和水蒸气给纯苯加热。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。2、换热器类型列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，主要分三大类：固定管板式、浮头式、U型管式。（1） 固定管板式换热器结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。（2） 浮头式换热器结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。（3） U型管式换热器结构简单，适用于高温和高压场合，但管内清洗不易，制造困难。二、方案设计某厂在生产过程中，需将纯苯液体从55冷却到80。纯苯的流量为1.4104 kg/h。加热介质采用的三具有200 kPa的水蒸气,要求纯苯液体在换热器中的压降不大于30kPa。试设计或选择合适管壳式换热器。1确定设计方案 （1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：冷流体进口温度55，出口温度80。热流体为饱和水蒸气，温度恒为Ts，查表得，200kPa的饱和水蒸气的饱和温度为Ts=120该换热器采用饱和水蒸气冷凝放热来加热冷流体，管壁与壳壁温差较大，流体压强不

3、高，初步确定选用固定管板式换热器，考虑到管壁与壳壁温差较大情况，因此，换热器应安装膨胀节，进行热补偿。（2）管程安排 从流体流经管程或壳程的选择标准来看，纯苯液体有毒，为减少向环境泄露的机会，苯宜走管程；水蒸气较洁净，不会污染壳程，所以饱和蒸汽宜走壳程，以便及时排除冷凝液。综上所述，纯苯液体走管程，饱和水蒸气走壳程。2、确定物性数据 定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程纯苯的定性温度为：壳程流体的定性温度为： Ts=120根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 （1）纯苯在67.5下的有关物性数据如下： 密度 i=830 kg/m3定压比热容 cpi=1.86 kJ/(kg)热导率 i=0.135 W/(m)粘度 i=0.00037 Pas（2）饱和水蒸气在120.2下的物性数据： 密度 0=1.127 kg/m3比汽化热 0=2.205106 J/kg热导率 0=0.686 W/(m)粘度 0=0.0000133 Pas 3计算总传热系数 （1）热流量QT=qm1cp1(t2-t1)=140001860(80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.80

4、8105 W（2）冷却水用量 qm2= QT /0=1.8081053600/(2.505106)=259.880kg/h（3）平均传热温差 （4）初算传热面积 由水蒸气冷凝有机物，有机物黏度为0.00037 Pas，查表4-7得K值大致范围为 5001200（W/m2 . K）假设K=600 W/m2 . K，则估算的传热面积为4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速选用192mm较高级冷拔传热管(碳钢)，因流体黏度1，最大流速为2,4 m/s，所以取管内流速ui=0.5m/s。（2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单管程计算，所需传热管长度为L=S估（3.14d0Ns）=5.828（3.140.01953）=1.8 m现取传热管长度L=2m，则该换热器的管程数为NP=1(管程)（3）传热管排列和分程方法 采用正三角形排列取管心距Pt=1.25 d0 =1.2519=23.75 mm 25mm隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=Pt2+6=19mm（4）壳体内径 取，按三角形排列，壳体内径为 圆整可取D273mm （5）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺

5、高度为壳体内径的25，则切去的圆缺高度为：h0.2527368.25mm，故可取h70 mm。 取折流板间距B0.5DB0.5273136.5mm，可取B为150 mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=2000/150-1=12.3，可取12块。（6）接管 壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为 u1.5 m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为60mm 管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u2m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为80mm5换热器核算 （1）传热面积校核 壳程传热膜系数 采用试差法估算值：a假设=10000 W/（m2）,tw=ts-t=120.2-2.86=117.34膜温t=（ts+tw）/2=(120.2+117.34)/2=118.8水蒸气在118.8时，密度 =944.1 kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002402 Pas W/（m2）估算值与计算值相差较大，需再次试差。b假设=15000 W/（m2）,tw=ts-t=120.2-1.91=118.3膜温t=（ts+tw）/2=(120.2+118.3)/

6、2=119.2水蒸气在119.2时，密度 =943.7 kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002391 Pas W/（m2）估算值与计算值相差在范围之内，符合要求。所以壳程传热膜系数为14912 W/（m2）管程传热膜系数 管程流通截面积管程流体流速 普朗特数污垢热阻和管壁热阻查附录19得：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁厚度b=0.002 m碳钢热导率为45 W/(m)传热面积S该换热器的实际传热面积S该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, 管子为192mm，所以Ft=1.5查表得无缝钢管绝对粗糙度0.10.2mm，取为0.1mm/d=0.1/19=0.0053由Re与/d查莫狄图得i0.031 W/m， 管程压降在允许范围之内。壳程压力降壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程压力降也比较适宜。 三、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热面积（m2）:5.828 工艺参数名称管程壳程物料名称纯苯饱和水蒸气操作压力，Pa未知未知进（出）口温度，55/80120.2定性温度，67.5120.2流量，kg/h14000259.880流体密度，kg/m38301.127汽化热kJ/ kg2205定压比热容，kJ/(kg)1.86热导率，W/(m)0.1350.686黏度，Pas3.710-41.3310-5流速，m/s0.5013.559普朗特数0.036雷诺数168244524传热量，kW1808传热温差，51.7总传热系数，W/m2K647.45裕度，%1.17传热系数，W/（m2）95614912污垢系数，m2K/W1.719710-40.859810-4阻力降，Pa1110.12407.56程数11推荐使用材料碳钢碳钢管子规格192mm管数53管长m:2管间距，mm25排列方式折流板型式上下间距，mm150切口高度25%壳

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