化工原理课程设计-苯加热器设计

化工原理课程设计

苯加热器设计

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日列管式换热器设计说明书

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1.4×104 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

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目录

一、方案简介································································4

二、方案设计································································5

1、确定设计方案·····························································5

2、确定物性数据·····························································5

3、计算总传热系数···························································5

4、工艺结构尺寸·····························································6

5、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··········································································

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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。

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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1.4×104 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=120.2℃

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：

T＝55802＝67.5℃

壳程流体的定性温度为： Ts=120.2℃

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 ρi=830 kg/m3

定压比热容 cpi=1.86 kJ/(kg·℃) 热导率 λi=0.135 W/(m·℃) 粘度 μi=0.00037 Pa·s

（2）饱和水蒸气在120.2℃下的物性数据： 密度 ρ0=1.127 kg/m3 比汽化热 ｒ0=2.205×106 J/kg 热导率 λ0=0.686 W/(m·℃) 粘度 μ0=0.0000133 Pa·s

3．计算总传热系数

（1）热流量

QT=qm1cp1(t2-t1)=14000×1860×(80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808×105 W （2）冷却水用量 qm2= QT /ｒ0=1.808×105×3600/(2.505×106)=259.880kg/h

（3）平均传热温差

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t'mt1t2lnt1t2(120.280)(120.255)ln120.280120.25551.7℃

（4）初算传热面积

由水蒸气冷凝有机物，有机物黏度为0.00037 Pa·s，查表4-7得 K值大致范围为 500～1200（W/m2 . K）

假设K=600 W/m2 . K，则估算的传热面积为

S''估QTKtm1.80810560051.75.828m2

4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速

选用ф19×2mm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

Ns4qv2dou1400043.1436008300.01520.553根

按单管程计算，所需传热管长度为

L=S估／（3.14d0Ns）=5.828∕（3.14×0.019×53）=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 =1.25×19=23.75 mm ≈25mm

隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=Pt÷2+6=19mm

（4）壳体内径

取b1.2d0，按三角形排列，nC1.1538.0088根

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壳体内径为

DPt(nC1)2b25(81)21.219220.6mm

圆整可取D＝273mm （5）折流板

采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，则切去的圆缺高度为：

h＝0.25×273＝68.25mm，故可取h＝70 mm。 取折流板间距B＝0.5D

B＝0.5×273＝136.5mm，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 u＝1.5 m/s，则接管内径为

d14V4259.880（/36001.127）3.141.50.055m

u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 u＝2m/s，则接管内径为

d2414000（/3600830）3.1420.074m

圆整后可取管内径为80mm 5．换热器核算 （1）传热面积校核

①壳程传热膜系数

o0.725(rgn2/323det)1/4

QAtd0ltn

采用试差法估算o值：

a．假设o=10000 W/（m2·℃）,

tQ1.8081050d0ln100003.140.0192532.86C

0tw=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 ρ=944.1 kg/m3

导热系数 λ0=0.686 W/(m·℃)

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黏度 μ0=0.0002402 Pa·s

o0.725(2.2051082/36944.19.810.686623240.2100.0192.86)1/413468.2 W/（m2·℃）

估算值与计算值相差较大，需再次试差。 b．假设o=15000 W/（m2·℃）,

tQ1.8081050d0ln150003.140.0192531.91C

0tw=ts-△t=120.2-1.91=118.3℃

膜温t=（ts+tw）/2=(120.2+118.3)/2=119.2℃

水蒸气在119.2℃时，

密度 ρ=943.7 kg/m3

导热系数 λ0=0.686 W/(m·℃) 黏度 μ0=0.0002391 Pa·s

o0.725(2.2051082/36943.79.810.686623239.1100.0191.91)1/414912 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·℃）

②管程传热膜系数

i0.023idiRe0.8Pr0.4

管程流通截面积

Si0.7850.0152539.36103m2

管程流体流速

ui14000（/3600830）0.501m/s0.00936雷诺数Reiudi0.0150.5018300.00037

16858普朗特数

Prcpu1.86100.000370.1350.1350.02168580.835.10

5.100.4i0.023956W/(m℃）2③污垢热阻和管壁热阻 查附录19得：

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管外侧污垢热阻 R00.8598104m20C/W 管内侧污垢热阻 Ri1.7197104m20C/W 管壁厚度b=0.002 m

碳钢热导率为45 W/(m·℃)

K1dododibd1idi＋Ri＋odm＋Rso＋o10.0020.019450.0171149120.0199560.015＋1.719710240.0190.015

＋＋0.8598104＋647.45W（/m℃）

④传热面积S

SQTKtm1.808105647.4551.75.401m2

该换热器的实际传热面积S

Sdoln3.140.0192536.324m2

该换热器的面积裕度为

SS6.3245.4011.17

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

①管程流动阻力

ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp

Ns=1, Np=1, 管子为ф19×2mm，所以Ft=1.5

P1ilud22，P2u22

16824Reiudi0.0150.5018300.00037查表得无缝钢管绝对粗糙度0.1～0.2mm，取ξ为0.1mm ξ/d=0.1/19=0.0053

由Re与ξ/d查莫狄图得 λi＝0.031 W/m·℃，

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P10.031P2320.01528300.522428.83Pa8300.52311.25Pa

Pi（428.83311.25）1.5111110.12Pa＜30kPa管程压降在允许范围之内。

②壳程压力降

Po（P1P2）FtNs''

Ns1,Ft1.0壳程流通截面积

SoB(D8d0)150(273819）1060.018m2

壳程流体流速及其雷诺数分别为

uo259.880（/36001.127）3.559m/s0.0180.0153.5591.1270.00001334524

Reo普朗特数

P01.86100.0133100.686330.036

流体流经管束的阻力

P1Ffonc(NB1)F0.5fo5.04524nc8P10.50.73378(121)'0.228'uo220.7337

1.1273.55922272.32Pa流体流过折流板缺口的阻力

2BuoPNB(3.5) h0.15m,D0.273mD2'22S0h(Dncd0)150(273819)10260.01815m2u0qm/S0259.88/(1.1270.0183600)3.5592huo21501.1273.559PNB(3.5)12(3.5)D22732'22

205.66Pa总压力降Po（201.9205.66）1.01407.56 Pa 10

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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 物料名称 纯苯 操作压力，Pa 未知 进（出）口温度，℃ 55/80 定性温度，℃ 67.5 流量，kg/h 14000 3流体密度，kg/m 830 汽化热kJ/ kg — 定压比热容，kJ/(kg·℃) 1.86 热导率，W/(m·℃) 0.135 黏度，Pa·s 3.7×10-4 流速，m/s 0.501 普朗特数 — 雷诺数 16824 传热量，kW 1808 传热温差，℃ 51.7 总传热系数，W/m2·K 647.45 裕度，% 1.17 传热系数，W/（m2·℃） 956 2 污垢系数，m·K/W 1.7197×10-4阻力降，Pa 1110.12 程数 1 推荐使用材料 碳钢 管子规格 Ф19×2mm 管数53 管间距，mm 25 排列方式 折流板型式 上下 间距，mm 150 壳体内径，mm 273 保温层厚度，mm 表格 1

壳程 饱和水蒸气 未知 120.2 120.2 259.880 1.127 2205 — 0.686 1.33×10-5 3．559 0.036 4524 14912 0.8598×10-4 407.56 1 碳钢 管长m:2 正三角形 切口高度25% 未知

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四、设计总结

其实早在大二时，我就听说过化工原理课程设计，那时的我看见学长学姐们厚厚的计算过程及复杂的设计图，心中充满了恐惧，总是在想这么难的课程设计可怎么做啊。而到现在，终于轮到我们来做课程设计时，我才发现只要知识学到手，加上耐心与恒心，虚心请教，没有什么事干不成的。

说起来很搞笑，一开始我们还以为两周的课程设计是要在实验室里度过，然后写实验报告，后来才知道原来课程设计是在老师下发任务后，根据自己计算的计算结果，设计换热器，再画出图来，做一份完整的设计说明书。在明白一切以后，我们火速赶到图书馆，把能借的资料都借回来了，设计终于开始了。

首先是数据计算，可以说这是课程设计第一阶段的主要任务，也是关键所在，只有计算好了，计算准确，才能继续以后的工作，否则一切都是白搭。这就需要我们有足够的耐心和细心来完成这项工作。从拿到任务到最终计算完毕，花了我将近三天时间，这期间查资料，计算，咨询都是家常便饭，最头疼的就是我们的壳程传热系数需用试差法来计算，计算非常复杂，还需要不断尝试，而且好不容易算出来了，后面算出的裕度又超出范围，无奈，又要重新来过。如此反复，终于算成功了，才知道，细心与耐心真的太重要了。

其次是画图，真是看起来容易画起来难啊，好在以前学过工程制图，自己又有美术功底，在画图上倒是没花费多长时间，把它当成一种享受吧，倒不失为一种好办法。

最后是完成设计说明书，打印电子档，天哪，这项工作还真不比计算容易，自己好歹也在办公室干了那么长时间了，觉得自己对电脑还是挺熟的了，可打说明书电子档才发现，事情真没那么简单，好多东西都没接触过，都是一点一点摸索出来的，做一份电子档就花了将近一天时间，不过电脑知识倒真学了不少。

为期两周的化工原理课程设计就要结束了，这段时间，我有过彷徨，有过无奈，有过灰心，有过喜悦，不过，我真的觉得课程设计教会了我们很多，通过对计算的完成，我知道了耐心与细心的重要性，知道了细心有时会减少很多不必要的麻烦；通过画图，我感受到只要把任务当成一种享受，那任务就不会惹人反感了，反而会使人身心愉悦；通过做电子档，我真的学到了好多电脑知识，真是实践出真知啊。

总之，耐心+细心+恒心=成功，这就是我对此次课程设计的最大感受，最后，感谢我们化工原理赵老师给我们不厌其烦的指导与教诲，让我们能顺利完成此次任务。

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五、参考文献

《化工原理第四版》，王志魁 刘丽英 刘伟 编，化学工业出版社，2010. 《化工设备设计》，申迎华 郝晓刚 编，化学工业出版社，2009. 《化工物性算图手册》，刘光启等 编著，化学工业出版社，2002. 《化工工程制图》，魏崇光 郑晓梅 编，化学工业出版社，1994. 《化工设备设计 》，潘国昌 郭庆丰 编，清华大学出版社，1996.

《典型化工设备-机械设计指导 》，茅晓东 李建伟 编，华东理工大学出版社，1995.

《工程制图 》，赵大兴 编，高等教育出版社，2009.

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