化工原理课程设计苯加热器设计.doc

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

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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

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··········································································

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。
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℃
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：
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　　 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

（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

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

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，按三角形排列，
壳体内径为

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

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

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

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　　 ρ=944.1 kg/m3
导热系数　　 λ0=0.686 W/(m·℃)
黏度　　　　 μ0=0.0002402 Pa·s
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)/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
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

管程流通截面积

管程流体流速

普朗特数

③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·℃)

④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

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

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·℃，

管程压降在允许范围之内。

②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，℃
55/80
120.2
定性温度，℃
67.5
120.2
流量，kg/h
14000
259.880
流体密度，kg/m3
830
1.127
汽化热kJ/ kg
—
2205
定压比热容，kJ/(kg·℃)
1.86
—
热导率，W/(m·℃)
0.135
0.686
黏度，Pa·s
3.7×10-4
1.33×10-5
流速，m/s
0.501
3.559
普朗特数
—
0.036
雷诺数
16824
4524
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
14912
污垢系数，m2·K/W
1.7197×10-4
0.8598×10-4
阻力降，Pa
1110.12
407.56
程数
1
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Ф19×2mm
管数53
管长m:2
管间距，mm
25
排列方式

折流板型式
上下
间距，mm
150
切口高度25%
壳体内径，mm
273
保温层厚度，mm
未知

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。

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.
目 录
第一章 总 论 1
1.1项目概况 1
1.2研究依据及范围 3
1.3主要技术经济指标 4
1.4研究结论及建议 4
第二章 项目建设的背景和必要性 6
2.1项目建设的背景 6
2.2项目建设的必要性 8
第三章 项目服务需求分析 11
第四章 项目选址与建设条件 13
4.1选址原则 13
4.2项目选址 13
4.3建设条件 14
4.4项目建设优势条件分析 15
第五章 建设方案 18
5.1建设规模与内容 18
5.2总体规划设计 19
5.3建筑方案 24
5.4结构方案 26
5.5给水工程 27
5.6排水工程 29
5.7电气设计 31
5.8暖通设计 34
5.9项目实施进度 35
第六章 节能措施 37
6.1 设计依据 37
6.2节能措施 37
第七章 环境影响分析 39
7.1 环境影响分析 39
7.2 环境保护措施及治理效果 40
第八章 消防与安全卫生 42
8.1 消防 42
8.2  劳动安全 43
8.3  卫生防护 44
第九章 组织机构与运作方式 45
9.1  组织机构 45
9.2组织管理 46
9.3劳动定员 46
第十章 投资估算 47
10.1编制依据 47
10.2  投资估算 47
10.3资金筹措 48
第十一章  经济效益评价 49
11.1 成本核算 49
11.2 利润估算 51
11.3经济风险分析 52
11.4财务评价结论 54
第十二章 结 论 55

15