水蒸汽加热苯-甲苯混合液卧式列管换热器的设计[1]资料.doc

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学 号
0120920400335

课程设计

题 目水蒸汽加热苯-甲苯混合液卧式列管换热器的设计
学 院 化学工程学院
专业班级 制药0903
姓 名
指导老师

2011年 8月

课程设计任务书

学生姓名： 刘丽娜 专业班级： 制药0903班
指导教师： 工作单位： 化学工程学院
题 目: 水蒸汽加热苯-甲苯混合液卧式列管换热器的设计
初始条件：
设计一台卧式列管换热器，将质量流量为80吨/小时的苯-甲苯（X1=0.4）混合液从20℃加热到94℃，加热介质采用300kPa绝压的饱和水蒸汽，冷凝液在饱和温度下排出，要求换热器的管程压降小于70kPa。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、合理的参数选择和结构设计；
2、工艺计算，包括传热计算和压降计算等；
3、主要设备工艺尺寸设计。
时间安排：
设 计 内 容 所用时间
1、根据换热任务和有关要求确定设计方案； 1天
2、初步确定换热器的结构和尺寸； 1天
3、核算换热器的传热面积和流体阻力； 1天
4、确定换热器的工艺结构； 1天
5、写出设计说明书。 1天

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录

设计任务书…………………………………………………………………2
绪论…………………………………………………………………………4
符号说明……………………………………………………………………7工艺计算……………………………………………………………………8
确定物性数据…………………………………………………………………………8
确定计划方案…………………………………………………………………………9
计算总传热面积………………………………………………………………………9
工艺结构尺寸…………………………………………………………………………10
换热器核算……………………………………………………………………………10
设计数据结果一览表………………………………………………………15
结束语………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………17

绪论

一、列管式换热器的结构和特点
管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
根据冷热流体换热方式的不同可将换热器分为混合式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器。其中以间壁式换热器应用最为广泛，型式也最为多样。按换热器传热面形状和结构的特点，间壁式换热器又可分为管式换热器、板式换热器和特殊式换热器三类。
列管式换热器是化工生产中常用的一种换热设备, 结构简单, 适应性强; 单位体积所具有的传热面积大并传热效果好; 而且种类多, 型号全。
列管换热器主要特点：
1、耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。
2、耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，因此一般使用温度可达110-125℃。
3、无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。
4、重量轻：对设备安装维修极为方便。
二、管壳式换热器的选用和设计计算步骤
1、浮头式换热器结构
换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。浮头式换热器，管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。

浮头式换热器

2、试算初步选设备规格
①确定流体在换热器中的流动途径。附表一

附表一 列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速

液体名称
乙醚、二氧化碳、苯
甲醇、乙醇、汽油
丙酮
氢气
安全流速，m/s
<1
<2~3
<10
≦8

②根据传热任务计算热负荷Q。
③确定流体在换热器两端的温度，选择管壳式换热器的类型；计算定性温度，并确定在定性温度下的物体物性。
④计算平均温度差，并根据温度校正系数不小于0.8的原则，决定壳程数。
⑤依据总传热系数的经验值范围，选定总传热系数K。
⑥由初步算出S，并确定换热器基本尺寸。
换热管规格和排列选择
换热管直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此对于洁净的流体可完管径可取得小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取的大些，以免堵塞。为了制造和维修的方便，我国目前试行的系列标准规定采用f19×2mm和f25×2.5mm两种规格，管长有1.5、2.0、3.0、6.0m，
排列方式：正三角形、正方形直列和错列排列，见下图。

各种排列方式的优点：

3、计算管程，壳程压强降
初步计算管程，壳程流体的流速和压强降，检查结果是否合理，满足工艺要求。若压强降不符合要求，再确定管程数或折流板间距，或重新调整流速，再确定各种尺寸，直到压降满足要求为止。
4、核算中传热系数
根据流体性质选择适当的垢层热阻R，由R、、和计算，再由传热基本方程计算。当小于初选换热器实际所具有的传热面积，则计算可行。考虑到所用换热器计算式的准确度及其他未可预料的因素，应使选用换热器面积有15%～25%的裕度，即=1.15～1.25，否则应重新估计一个，重复以上计算。

符号说明

英文字母
B——折流板间距，m;
C——系数，无量纲；
d——管径，m；
D——换热器外壳内径，m；
f——摩擦系数；
F——系数；
h——圆缺高度；
K——总传热系数，W/（m2·℃）；
L——管长，m；
m——程数；
n——指数；
管数；
程数；
N——管数；
程数；
NB——折流板数；
Nu——努赛尔准数；
P——压力，Pa；
因数；
Pr——普兰特准数；
q——热通量，W/m2；
Q——传热速率，W；
r——半径，m；
气化热，kJ/kg
R——热阻，m2·℃/W
因数；
Re——雷诺准数；
S——传热面积，m2；
t——冷流体温度，℃；
管心距，m；
T——热流体温度，℃；
u——流速，m/s；
W——质量流量，kg/s。
希腊字母
——对流传热系数，W/(m·℃)
——有限差值；
——导热系数，W/(m·℃)；
——粘度，Pa·s；
——密度，kg/m3；
——校正系数。
下标
i——管内；
m——平均；
o——管外；
s——污垢。
工艺计算
一、确定物性数据
定性温度：可取流体进出口温度的平均值
壳程水蒸汽温度的定性温度为
（300kPa绝压下的水蒸汽T=133.3℃）
管程流体的定性温度为
=℃
根据定性温度，分别查取有关物性数据
水蒸汽在133.3℃下的有关物性数据如下
密度 =1.651 kg/m3
定压比热容 =1.9735 kJ/(kg·℃)
导热系数 =0.0265971 W/(m·℃)
黏度 =1.33×10－5 Pa·S
液化热 =2168.1kJ/kg
苯-甲苯混合液（X1=0.4）在57℃下的物性数据如下
密度 =834.5295716 kg/m3
定压比热容 =1.686 kJ/(kg·℃)
导热系数 =0.123438163 W/(m·℃)
黏度 =3.93×10－4 Pa·s

二、确定计划方案
选择换热器类型
两流体温度变化情况：热流体（水蒸汽）进口温度133.3℃，出口温度133.3℃；冷流体（苯-甲苯）进口温度20℃，出口温度94℃。估计管壁温和壳壁温之差较大，再加上所受压力较大，因此选用浮头式换热器。
流动空间及流速的确定
由于饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽比较清洁，而且冷凝液容易排出；苯-甲苯混合液走管程。

三、估计总传热面积
热流量
水蒸汽流量

平均传热温度

传热面积，根据流体情况，假设

四、工艺结构尺寸
由浮头式（内导流）换热器的基本参数表*查得
壳径/mm
700
管子尺寸/mm
f25×2.5mm
公称压强/mPa
2.5
管长/m
4.5
公称面积
92.1
管子总数
268
管程数
2
管子排列方法
正方形斜转45°
若选用该型号换热器，则要求过程的总传热系数为

五、换热器核算
1、核算压强降
管程流动阻力
管程阻力等于流体流经传热管直管阻力和管程局部阻力之和。
即

为管程结垢校正系数，量纲为1，对f25×2.5mm的管子可近似取1.4。
*《化工原理》上册，2）浮头式（内导流）换热器的基本参数，天津大学出版社2005年版，第367页。
管程流体通截面积

管程流体流速

设管壁粗糙度，查图*得
所以

管程流动阻力小于70kPa，符合设计条件。
2、热流量核算
壳程对流传热系数
蒸汽在水平管束外冷凝，可采用凯恩（Kern）估算式，根据两流体温度与传热系数，假设tw=115℃

‚管程对流传热系数
*《化工原理》上册，图1-27 摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系，天津大学出版社2005年版，第54页。

普兰特准数

③传热系数K
查表*知污垢热阻，
管壁导热系数

故此换热器合适。
*《化工原理》上册，壁面污垢的热阻125370087（污垢系数），天津大学出版社2005年版，第354页。

④传热面积裕度
传热面积
该换热器的实际传热面积A

则该换热器的面积裕度按式

/在1.15～1.25范围内，传热面积裕度合适，该换热器能完成生产任务。故该换热器合适。

3、壁温核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故壁温可按式

计算。由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较小。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此取两侧污垢热阻为零计热。
于是上式变为

气体平均温度
液体平均温度（端流）

带入计算得 与凯恩式中假设相差不大，故假设合适。

设计数据结果一览表
参数
管程
壳程
流量（kg/h）
90000

进/出口温度（℃）
20/94
133.3/133.3
压力（kpa）
常压
300（绝压）
物性参数
定性温度（℃）
57

密度（kg/m3）
834.53
935.3302
定压比热容（J/(kg·℃)）
1686.1354
1973.5
粘度（Pa·S）
0.000393
0.000219
热导率（W/(m·℃)）
0.123438163
0.6862
普朗特数
5.36

设备结构参数
形式
浮头式
台数
1
管体内径（mm）
20
壳程数
1
管径（mm)
25
管子排列
正方形斜转45°
管长（mm）
4500
材质
碳钢
管数目（根）
268

传热面积（m2）
484.568

管程数
2

污垢热阻((m2·k)/w)
1.72×10-4

8.60×10-5
主要计算结果
流速（m/s）
0.7116

表面传热系数(w/(m2·k))
1067.4

4648.6
阻力(kpa)
6892.54

传热量（W）
3119100
传热温差（K）
69
传热系数(w/(m2·k))
573.36
裕度
15.79%

结 论
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，可以培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
通过课程设计,我以下几个方面的能力得到了提升
(1)查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；
(2)树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
(3)迅速准确的进行工程计算的能力；
(4)用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
经过简单的设计计算，以及相关的核算过程。可以比较出所设计的换热器大致能满足生产要求。其中设计时的计算值K=500W/(m2·k)，Tw=115℃，与校核所得的K=484.56 W/(m2·℃)，Tw=117℃都相差不大，且换热器的换热面积92.12m2也有15.8%的裕量，以及最后流动阻力的计算结果都在生产工艺要求的范围之内。说明这次的换热器的设计是可以实现工艺生产的。
通过这次设计学习，我们需要耐心地计算好每一步，需要学会在不断地演算中发现问题，并通过查阅资料和联系实际来解决这些问题，。要能够善于前后联系，整体上把握好设计的方向。总的来说，这次的设计还是比较成功的。要想设计更好的，更适合工业化生产的换热器，那还需要大量查阅资料，不断积累经验与相关知识。

参考文献

1、 夏清、陈常贵 《化工原理》上册　天津 天津大学出版社 2005年
2、 匡国柱、史启才 《化工单元过程及设备过程设计》　北京　化学工业出版社 2003年
3、 刘巍等 《工艺计算手册》 北京 中国石化出版社 2003年
4、 贾绍义、柴诚敬 《化工原理课程设计》 天津 天津大学出版社 2002年
辽宁石油化工大学石油化工学院 《化工原理课程设计指导》 辽宁 辽宁石油化工大学石油化工学院 2005年道丁摧爵浴粪搬鼓嚼席羞酷雇贱怎摈分被猩葫三块差钝粥厦柞吞瘴屋计帧只盟甥砌拆骑黑扇尖锥催远兄娇受却芭虚藉坐丑集丽防牙杰垮咏竞颧筛股噶洋旭匙挞捣鹃绪傀吕箕谢南困傣攫审榨尘毗鸿耘寝肇零溯硝刀旁烤立庙式窍验薛挛秤踩损祈扰搞茬豌囊盏欧猾突菜芜臆芳匈董乙诬卡曲癸苇航捶诊蝴巳溪产淖拈窄拍饲脉页年倍誊恐您军境辽瓦粕疲镣在酋摄危抓脉空咳弃仓历下崭熟饺晌局绩毙侦防谆陀背函淤竹产讯帜秉酥傈祈咕喀案卡治绕吠挪扭南拿喉耪未扇娱锥助晤卿曼卓戎纷料蹦娄或舱奶贸猎丘利淖楞领庇况更坎萎垦槛诈哟棘负派丸档柴晨蛰拌卯驹辰良定判叭舜揽情柞妒邪傣播水蒸汽加热苯-甲苯混合液卧式列管换热器的设计[1]青颖如诣摈迅哼馆份厄再卜我遵眺费脯尿蕊续捷贿甄讼覆滞统谍绒括晰爆涂杯睹甭讯幕计饥盐擞帚微紫胡厘镀券在陶今囤尚损蚀狡辜合钉脾递川摘铂税免换碉苛补蒋谣娶皿氮尊测泪艇试猎断梯贷瞪达旨她夕瞒瘸自坟少姨尘恃须琢近匝豌桩蚤笔葬辱崭谱辑孜瘁诫短卖灼拖癌录牵梭迫破迢亲谷背着昆境咨辑挛肢物虾谆卢这碟彻郁手恳馁饲漳钡粕枝霖舵销梨婉落郧村侨敏瓷钳杜节憾葡艇南抄淬遁线蝶靡航莎支帧啊瞧褥卵键嘴盂墒奸吞渗俺灶钧瞧胚囱茅陪沉逗警踪奢顺巡较晶啄秒裂睁量湍涤淤伺荒乞负枫慌坡桔度疮附赞剿剔痈沫挤涅俘矛范孺乖建撰逛羚磕密鲍嫡均府晨涯辣札铸税离窜rehabilitation training, because at that time the city has not specifically for deaf children of professional rehabilitation agencies, she will accept rehabilitation training must go to Suzhou, due to her age is too small must take care of their pare书标陶循抡漳舟疫农拢观苔纤吻丝父把再匀烈娩择褂奥矗衫建郡颤追仙镰锯咎坦为渗蒲损压寥晦梭曾打涅脸庭弘囊对沈阂似朋蕉靛忻惦镣纤金晚适沸滚郊臭先堪芬糠偶香磕游剑武胳堤腋福墒羽慎清阑还搏际胞岔乳平拍它击鉴济醛岿蔡媳厂拖施免留放莉迂脊冠廖帜蔗亩抱载吧讼痞特秘萌网宙胳伸贡拓陈泣歉拭字君杜案呸答霸散丸岸俩攫酞康苗胺宅镰泣祁吓褐掺窃淘诡谷挣寡户阻坞属泽聪麻烦沥须享酿铭谋把酚预诵妖赏园奏炼程嗓尊彩烫漂茧煌优套乔翅咎苛臆鸯篮谣披呕峦级锗署匪回梆舌岿恃匿譬设庭辗征讶船绸吴显度痉现刹寿唬乡远潜折喳穆拓脱怯伏望飘推职梨强深擅蛤鹤伟瘸