纯苯冷却器设计—课程设计

1、 课程设计 课程设计题目：课程设计题目： 纯苯冷却器设计 系系 部：部： 生物与化学工程系生物与化学工程系 专专 业：业： 应用化学应用化学 学学 生生 姓姓 名：名： 班班 级：级：化化 b051b051 学号学号 2626 指导教师姓名：指导教师姓名： 职称职称 职称职称 设计完成时间设计完成时间 ： 20132013 年年 7 7 月月 1010 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书 一、一、设计题目：纯苯冷却器设计 二、设计任务及操作条件: 1 、设计任务：处理能力： 20000kg/h 设备型式： 列管式 2、操作条件：纯苯液：入口温度 80，进口温度为 55； 1 c 0

2、c 0 冷却介质：35（入口）循环水； 2 c 0 允许压强降：管、壳程压强降不超过 10kpa; 3 3、物性参数： 物 性 流体 温度 kg/m mpas cp kj/(kg)c 0 w/(m )c 0 kj/kg 苯 67828.60.3521.8410.129394 水 3910000.674.1740.6322258 3.设计计算内容： （1）传热面积、换热管根数； （2）确定管束的排列方式、程数、折流板等； （3）壳体的内径； （4）冷热流体进出口管径； （5）核算总传热系数； （6）管壳程流体阻力校核； 4设计成果； （1）设计说明书一份； （2）换热器工艺条件图； 三、设计内容

3、及时间安排 设计动员 0.5 天 1、概述 2、设计方案的选择 3、确定物理性质数据 0.5 天 4、设计计算内容： 计算总传热系数；计算传热面积 1.5 天 5、主要设备工艺尺寸设计 （1）管径尺寸和管内流速的确定 （2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定 （3）接管尺寸的确定 1 天 6、设计结果汇总 7、换热器工艺条件图 1 天 8、设计评述 答辩 0.5 天 四、图纸要求 列管式换热器工艺条件图 五、参考资料 1.上海医药设计院。化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工 业出版社，1986 目录 程设计成绩评定表.ii 化工原理课程设计任务书.3 第 1 章 概述.7 第 2 章 设

4、计条件及主要物性参数.7 21 设计条件.8 22 物性参数.8 第 3 章 确定设计方案.8 31 选择换热器的类型.8 32 流体空间选择.8 第 4 章 工艺计算.9 41 确定物性数据.9 42 估算传热面积 .9 4.2.1 计算热负荷（忽略热损失）.9 4.2.3 平均温度差 m t 的计算 .9 4.2.4 估算传热面积.9 4.3 工艺结构尺寸 .10 431 选管子规格.10 432 总管数和管程数.10 433 确定管子在管板上的排列方式.10 444 壳体内径的确定.10 4.3.5 确定实际管子数.11 436 折流板的确定及绘管板布置图.12 4.3.7 接管口径计算

5、.12 438 拉杆设置.12 第 5 章 传热器校核.13 51 传热面积校核.13 511 传热温差校正：.13 512 总传热系数 k 的计算.13 5221 管内传热膜系数.13 5222 管外传热膜系数.13 5223 污垢热阻和管壁热阻.14 5224 总传热系数 k .14 513 传热面积校核 .15 52 核算管、壳程流动阻力.15 521 管程.15 522 壳程.15 53 壁温的计算.16 第 6 章 设计结果汇总表.17 设计评述设计评述.18 设备图设备图.18 参考文献参考文献.18 附录附录 a a .19 附录 b .20 第 1 章 概述 本设计的主要任务是

6、设计纯苯液冷却器设计，处理能力为 20000kg/h, 纯苯液的入口温度 80，进口温度为 55；冷却介质 c 0 c 0 为 35（入口）循环水：允许压强降为管、壳程压强降不超过 c 0 10kpa;根据苯和水的物性参数，假设水的出口温度为 43，根据这 c 0 些条件选择换热器，列管式换热器的类型主要有四种： 固定管板式换热器、浮头式换热器、u 型管式换热器和填料函 式换热器，在这个设计中选固定管板式换热器。 固定管板式换热器的特点： 两端管板和壳体连接成一体，结构简单、紧凑、布管多，更换、 造价低，管内便于清洗，应用广泛。 壳程不易清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。 所以纯苯

7、液走壳程，循环水走管程。 适合在管壳壁温差不大于50的情况下使用，当温差相差较大 c 0 时可设置膨胀节。由于此设计的温差小于50,所以可以不用考虑 c 0 热补偿. 第 2 章 设计条件及主要物性参数 21 设计条件 （1）处理能力：20000kg（纯苯液）/h； （2）设备类型：列管换热器； （3）操作条件： 纯苯液：入口温度 80，进口温度为 55； 1 冷却介质：35（入口）循环水； 2 允许压强降：管、壳程压强降不超过 10kpa; 3 22 物性参数 物 性 流体 温度 kg/m mpas cp kj/(kg) w/(m ) kj/kg 苯 67828.60.3521.8410.1

8、29394 水 3910000.674.1740.6322258 第第 3 3 章章 确定设计方案确定设计方案 31 选择换热器的类型 两流体温度变化情况： 热流体进口温度 80，出口温度 55。 冷流体进口温度 35，假设出口温度为 43。 从两流体的温度看，换热器的管壁温度和壳体温度差不大，因此初 步采用固定管板换热器。 32 流体空间选择 因为热流体为苯，冷流体为水，为了使苯通过壳体壁面向空气 中散热，提高冷却效果，故使苯走壳程，另外，水也较易结垢，为 便于提高流速减少污垢生成，以及便于清洗，故使水走管程。 第 4 章 工艺计算 41 确定物性数据 苯的定性温度：c tt 021 5 .

9、 67 2 5580 2 水的定性温度：c tt 021 39 2 4335 2 42 估算传热面积 4.2.1 计算热负荷（忽略热损失） q=1.841（80-55）=2.56j 2111 ttcq pm 20000 3600 3 10 5 10 公式 1（参见附录，下同） 4.2.2 冷却水用量（忽略热损失） /s kg ttc q q p m 67 . 7 35431017 . 4 1056 . 2 3 5 122 2 4.2.3 平均温度差的计算 m t 选取逆流流向 =27.64 公 m t 12 21 1221 ln )()( tt tt tttt 3555 4380 ln )35

10、55()4380( 式 2 4.2.4 估算传热面积 参照传热系数 k 的大致范围，取 k=500 w/（） =18.52 公 估 a m tk q 6 . 27500 10 2.56 5 式 3 取实际面积为估算面积的 1.15 倍，则实际估算面积为： =18.521.15=21.30 实 a 4.3 工艺结构尺寸 431 选管子规格 选取 252.5无缝钢管，管长 l=3m。 432 总管数和管程数 总管数 n=90.490 根 ld a 0 实 3025 . 0 14 . 3 3 .21 单程流速 u=0.55m/s nd qv 2 4 9002 . 0 4 14 . 3 6 . 992

11、 67 . 7 2 单程流速可以达到传热效果，故采用单管程 433 确定管子在管板上的排列方式 采用正三角形排列，管子与管板用焊接结构。 444 壳体内径的确定 壳体内径为： 公式bntd c 21 4 管心距: t=1.25=1.252532 0 d =1.1=1.1=10.411 根 c nn90 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离： b=1.5=0.038 0 d 所以 dm396 . 0 03820111032 . 0 按壳体标准圆整取 d=400mm 4.3.5 确定实际管子数 管板布置图见设备图 1 换热器的实际传热面积 a=n（l-0.1）=903.140.025(3-0

12、.1)=20.49 0 d 2 m =452 w/（） 估 k m ta q 64.2749.20 10 2.56 5 计算得的与之前设的值有较大差异，所以要重新进行上述 估 k 计算： 总管数 n=87 根 ld a 0 实 3025 . 0 14 . 3 49.20 单程流速 u=0.57m/s nd qv 2 4 8702 . 0 4 14 . 3 6 . 992 67 . 7 2 壳体内径为： bntd c 21 管心距: t=1.25=1.252532 0 d =1.1=1.1=10.311 根 c nn87 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离： b=1.5=0.038 0

13、d 所以： dm396 . 0 03820111032 . 0 按壳体标准圆整取 d=400mm 436 折流板的确定及绘管板布置图 折流板与壳体间隙：3.5mm 折流板直径：d=400-23.5=393mm 采用弓形折流挡板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去圆缺高度：10040025 . 0 25 . 0 dh 折流板数：-1=-1=13.514 b n 0 1 . 0 h l 20 1 . 03000 折流板间距：=200mm （0.2d d） 0 h 0 h 4.3.7 接管口径计算 管程流体进出口接管。取管内流速 u=1.8m/s 则接管内径 m u q d v 074

14、.0 8 . 114 . 3 6 . 992 67 . 7 4 4 1 按管子标准取管程流体进出口接管规格为 813.5无缝 钢管。 壳程流体进出口接管。取管内流速 u=1.8m/s 折接管内径 =0.0689m 2 d u qv 4 8 . 114 . 3 6 . 8283600 20000 4 按管子标准圆整，取壳程流体进出口接管规格为 753 无缝钢管。 438 拉杆设置 选拉杆直径为 16，拉杆数量为 4 根。 第第 5 5 章章 传热器校核传热器校核 51 传热面积校核 511 传热温差校正： =0.178 =3.125 公式 5p 11 12 tt tt 3580 3543 r 1

15、2 21 tt tt 3343 5580 根据 p、r 值，查温差校正系数图=0.96，因0.8，所 t t 以选用单壳程可行。 512 总传热系数 k 的计算 5221 管内传热膜系数 =16889 e r du 3 1067 . 0 6 . 99257 . 0 02 . 0 公式 6 =4.42 公 r p p c 632 . 0 1067 . 0 10174 . 4 33 式 7 流体被加热，取 n=0.4 =0.023=3171w/() i 4 . 08 . 04 . 0 8 . 0 42 . 4 16889 02 . 0 632 . 0 023 . 0 re i pr d 公式 8

16、5222 管外传热膜系数 管子按正三角形排列，则传热当量直径为 m d dt de02 . 0 025 . 0 14 . 3 )025 . 0 4 14 . 3 032 . 0 2 3 (4) 42 3 (4 22 0 2 0 2 公式 9 壳程流通截面积 s=d（1-）=0.20.4（1-）=0.0176 0 h t d0 032 . 0 025 . 0 公式 10 壳程流体流速 = i usm s qv /38 . 0 0176 . 0 6 . 8283600 20000 r =26835 e ude 3 10352 . 0 6 . 82857 . 0 02 . 0 p =5.02 r p

17、 c 129 . 0 10352 . 0 10841 . 1 33 壳程中苯被冷却，取（）=0.95 w 14 . 0 =0.36 公 0 14 . 0 3/155 . 0 )( w re e pr d 式 11 =0.36268355.020.95=1077w/() 0 02 . 0 129 . 0 0553/1 5223 污垢热阻和管壁热阻 查表管内、外侧热阻分别：r =2.010 i 4 /w，r =1.7210 0 4 /w。已知管壁厚度 =0.0025m;导热系数 =45.4w/（m） 。 5224 总传热系数 k k= 公式 12 0 0 000 1 1 r d d d d r d

18、 d mi i ii = 1077 1 000172 . 0 5 . 22 4 . 45 250025 . 0 20 25 0002 . 0 203171 25 1 =564w/（） 513 传热面积校核 所需的传热面 a =16.4 m tk q 64.27564 1056 . 2 5 所以 =1.25 a a 4 . 16 49.20 即换热器有 25%的面积裕度，在 10%25%范围内，能完成生产 任务。 52 核算管、壳程流动阻力 5 52 21 1 管程；管程； p =（p +p ）fn n i12t sp 公式 13 已知 f=1.4；n =1；n =1；u =0.57m/s; ;

19、r =16889(湍流)。 tsp iei 查表得 =0.036 p =0.036=870.7 pa 1 i d l 2 2 i u 02 . 0 3 2 57 . 0 6 . 992 2 公式 14 p =1.5()=3()=241.9 pa 2 2 2 i u 2 57 . 0 6 . 992 2 公式 15 p =(870.7+241.9)1.41=1557.6 pa10kpa i 522 壳程 已知=1.15;n =1; s f s p =(p+p )fsns 公式 0 1 2 16 p =fb(n +1) 1 0 f b 2 2 0 u 公式 17 管子按正三角形排列 f=0.5，b

20、=1.1=1.1=10.3n87 折流挡板间距 =0.2m 0 h 折流挡板数 n =14 b 壳程流通截面积 s=(d-bd )=0.2(0.4-10.30.025) 0 h 0 =0.0285 壳程流速 u =0.235m/s 0 s qv 0285 . 0 6 . 8283600 20000 re =1.3810 500 0 00u d 3 10352 . 0 6 . 828235 . 0 025 . 0 4 =5.0re=5.0(1.3810 )=0.569 0 f 228 . 0 0 4228 . 0 公式 18 所以 p =0.50.56910.3(14+1) 1 =1767pa

21、2 235 . 0 6 . 828 2 p =n (3.5-) 2b d b2 2 2 0 u 公式 19 =19(3.5-)=801pa 4 . 0 15 . 0 2 2 383 . 0 6 . 828 2 p =(1767+801)1.151=2953pa10kpa 0 计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。 53 壁温的计算 换热器的壁温可由下式计算 21 21 mm w tt t 公式 20 已知1077w/()；3171w/()； 2 i2 = m tctt 0 21 65556 . 0804 . 06 . 04 . 0 ctttm 0 12 2 . 38356 . 04

22、34 . 06 . 04 . 0 换热管平均壁温： ctw 0 45 31711077 2 . 383171651077 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即。壳体 w tc 0 65 壁温与传热管壁温之差为： ct 0 204565 该温差小于，所以不需要设置温差补偿装置。c 0 50 第第 6 6 章章 设计结果汇总设计结果汇总 温度进/出c 0 80/5535/43 压力 mpakpa10kpa10 定性温度 c 67.539 密度 kg/m3 828.6 992.6 热容 kj/(kg )c 0 1.841 4174 物性 黏度 mpas0.1290.632 型式列管式台数 1 壳

23、体内径 mm400 壳程数 1 管径 mm 5 . 225 管心距 mm 32 管长 mm 3000 管子排列 管数目(根) 87 拆流板数(个) 14 传热面积 m2 21.3 拆流板距 mm 200 设备结构参数 管程数 1 材质不锈钢 主要计算结果管程壳程 污垢热阻 m2c/w 0.0001740.0002 热负荷 kw 256 传热温差 c 20 传热系数 w/m2c 564 裕度% 25% 设计评述设计评述 这项试验设计综合性比较强，设计的进行是在兼顾技术上先进 行、可行性，经济合理性的条件下进行的。此次设计涉及的工艺计 算和结构设计比较全面，从多方面考察了我们的知识。从工艺计算 到结构设计，每一个环节都集中考察了我们的综合性应用能力。 设备图设备图 设备图 1： 设备图 2 参考文献参考文献 1陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 编 化工原理北京 化学工业 出版社 2006 2李功详 陈兰英 崔英德 编 常用化工单元设备设计广州 华 南理工出版社 2003 3明辉编化工单元过程课程设计 北京 化学工业出版社 附录附录 a a 符号意义与单位符 号 意义与单位 q 热负荷 kjn