化工原理课程设计-苯加热器设计

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:课程设计任务书设计一个换热器，将纯苯液体从 55c加热到80 Co纯苯的 流量为1.4X104 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、

2、参考文献13附图15一、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，通过问 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

3、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，程程检修和清洗困难，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 55c冷却到80Co纯苯的流量为1.4X 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

4、温度变化情况：冷流体进口温度55C,出口温度80 Co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=l20C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

5、。丁= 55 *80=67.5c管程纯苯的定性温度为：2壳程流体的定性温度为：Ts=120C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675c下的有关物性数据如下：密度p i=830 kg/m3定压比热容cpi=1.86 kJ/(kg C)热导率入 i=0.135 W/(m - C )粘度以 i=0.00037 Pa - s(2)饱和水蒸气在120.2C下的物性数据：密度p0=1.127 kg/m3比汽化热r0=2.205X 106 J/kg热导率入0=0.686 W/(m C )粘度0=0.0000133 Pa s3 .计算总传热系数(1)热流量5QT=qm1Cp1(t2

6、-t1)=14000X 1860X (80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808X 10 W (2)冷却水用量qm2= Qt / r 0=1.808X 105X 3600/(2.505X 106)=259.880kg/h(3)平均传热温差二 t'mln色 t2(120.2 -80) - (120.2 -55) =51 7c,120.2 -80 一 . ln120.2 -55(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 5001200 (W/m2 .K)假设K=600 W/m2 .K,则估算的传热面积为Qt5

7、1.808 105600 51.7=5.828m24、工艺结构尺寸(1)管径和管内流速选用力19x2mm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二 4qv二 d；u14000 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/ (3.14d0N) =5.828 / (3.14 X0.019 X53) =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

8、=1.25 d0 =1.25X 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' = 1.2d°,按三角形排列，nC =1.153=8.008网讲艮壳体内径为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 = 0.25X273= 68.25mm,故可取 h= 70 mm。取折流板间距B = 0.5DB = 0.5X273= 136.5mm,可取 B 为

9、 150 mm。折流板数用二传热管长/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 , 4V ,4父 259.880/(36001.127)八“广d10.055m，二 u .3.14 1.5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,4 父 14000/ (3600 x 83。C一)d20.074m3.14 2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：o =0.725(、23r： g,1/42/3)nJde tQ

10、- ： ALt -：二d0ldn米用试差法估算：o值：a.假设：o =10000 W/ (m2 C)Qt 二二 0 二d0 ln1.808 10510000 3.14 0.019 2 53-2.860Ctw=ts-At=120.2-2.86=117.34 C膜温 t= (ts+tw) /2=(120.2+117.34)/2=118.8 C水蒸气在118.8 C时，密度p=944.1kg/m3导热系数入0=0.686W/(mC)黏度以0=0.0002402 Pa-s2.205 106 944.12 9.81 0.686二。=0.725 (38240.2 100.019 2.863)1 /42-1

11、3468.2 W/(m . c)估算值与计算值相差较大，需再次试差2b.假设 立。=15000 W/ (m - C),Qt 二一Q一二 0 二d° ln-1.910C1.808 1 0515000 3.14 0.019 2 53tw=ts-At=120.2-1.91=118.3 C膜温 t= (ts+tw) /2=(120.2+118.3)/2=119.2 C水蒸气在119.2C时,密度p=943.7kg/m3导热系数入0=0.686W/(mC)黏度以0=0.0002391 Pa-s= 0.725 (2.205 106 943.72 9.81 0.686382/3 239.1 10

12、" 0.019 1.91)1 /42-14912 W/ (m. C)0.00936雷诺数Rei0.015 0.501 830 =168580.00037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/(m )管程传热膜系数二 i =0.023Re0.8Pr0.4di管程流通截面积232§ =0.785 0.0152 53 = 9.36 10 m2管程流体流速14000/(3600 830Ui0.501m/s普朗特数CpUPr =_ 31.86 103 0.00037=5.100.135二 i =0.023 0.135 168580.8 5.100

13、.4 =956W/(m2。0.02污垢热阻和管壁热阻 查附录19得： 管外侧污垢热阻 R0 =0.8598 10”m2.°C/W管内侧污垢热阻 Ri =1.7197 104m2 0C/W管壁厚度b=0.002 m碳钢热导率为45 W/(m C )K 二 "dddo +Rid0di+ bdd+ Rso+ 1二 o0.019956 0.015+ 1.7197 10”0.019 0.0150.002 0.01945 0.017+ 0.8598M 10“ 十114912= 647.45W/(m2。传热面积ScQTS 二K tm1.808 105647.45 51.7=5.401m2

14、该换热器的实际传热面积SS= doln=3.14 0.019 2 53 = 6.324m2该换热器的面积裕度为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管程流动阻力A Pi=(AP+AP2)FtNsNpNs=1, Np=1,管子为(J)19X 2mm,所以 Ft=1.5P2 =Rei0.015 0.501 8300.00037=16824查表得无缝钢管绝对粗糙度 0.10.2mm,取己为0.1mm gd=0.1/19=0.0053由Re与3d查莫狄图得入 i = 0.031 W/m C,P1 =0.0312830 0.52X0.0152=

15、428.83PaP2 =3830 0.522= 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 壳程压力降Z AP。4 AP1 + AP2) FtNsNs =1, Ft =1.0壳程流通截面积So=B (D -8 d0)=150 (273 -8 19) 10"= 0.018m2壳程流体流速及其雷诺数分别为259.880/(3600X1.127) u o = 3.559m /s0.018Reo二 45240.015 3.559 1.1270.0000133普朗特数33P0 =1.86 100.0

16、133 10 -0.686=0.036流体流经管束的阻力R 3onc(NBF -0.5fo =5.0 4524 0228 -0.7337 nc =8P1 =0.5 0.7337 8 (12 1)21.127 3.559 =272.32Pa流体流过折流板缺口的阻力_22B : Uoh = 0.15m, D = 0.273m.P2 =Nb(3.5)D 2S0 =h(D -ncd0) =150 (273 -8 19) 10' =0.01815m2u0 =qm / ：S0 =259.88/(1.127 0.018 3600) =3.559273. ：P2 =Nb(3.5 -2h)u =12 (

17、3.5- 2 150) 1.127 3.559 =205.66Pa总压力降、:.Po =(201.9 205.66)1.0 1 =407.56 Pa壳程压力降也比较适宜。、设计结果一览表换热器形式：固定管板式换热加(m) :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*进(出)口温度，c55/80120.2定性温度，C67.5120.2流量，kg/h14000259.880流体密度，kg/m38301.127汽化热kJ/ kg2205定压比热容，kJ/(kg - C )1.86热导率，W/(m C)0.1350.686黏度，Pa-s-43.7 X104一-51.33X 1

18、05流速，m/s0.5013.559普朗特数一0.036雷诺数168244524传热量，kW1808传热温差，C51.7思传热系数，W/mK647.45裕度，1.17传热半数，W/ ( m C)95614912污垢系数，m2 - K/W1.7197 X 10-40.8598 X 10-4阻力降，Pa1110.12407.56程数11推荐使用材料碳钢碳钢管子规格 19X 2 mm管数53管长m:2管间距，mm25排列方式折流板型式上下间距，mm 150切口高度25%壳体内径，mr273保温层厚度，mm表格1四、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

19、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