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

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1.4×104 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.

13