纯苯冷却器设计.doc

课程设计

课程设计题目： 纯苯冷却器设计
系 部：
生物与化学工程系
专 业：
应用化学
学 生 姓 名：
全君
班 级：
化B051
学号 26
指导教师姓名：

职称

职称
设计完成时间 ：
2013年7月10

课程设计成绩评定表
系（部）：
学生姓名

学 号

班 级

专 业

指导教师姓名

设计题目

评语：（包括以下方面，①学习态度、工作完成情况、材料的完整性和规范性；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③综合运用知识能力和创新能力；）

设计表现（20分）
分值：
规范性(25分)
分值：
基础理论和专门知识(25分)
分值：
答辩(30分)
分值：
合 计
分值：
评定成绩
分值：
指导教师签字： 年 月 日

化工原理课程设计任务书
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；
冷却介质：35℃（入口）循环水；
允许压强降：管、壳程压强降不超过10Kpa;
3、物性参数：
物性
流体
温度
℃

kg/m

mPa·s
Cp
kJ/(kg)

W/(m)

kJ/kg
苯
67
828.6
0.352
1.841
0.129
394
水
39
1000
0.67
4.174
0.632
2258
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 设计条件及主要物性参数 7
2．1设计条件 8
2．2物性参数 8
第3章 确定设计方案 8
3．1选择换热器的类型 8
3．2流体空间选择 8
第4章 工艺计算 9
4．1确定物性数据 9
4．2 估算传热面积 9
4.2.1计算热负荷（忽略热损失） 9
4.2.3 平均温度差的计算 9
4.2.4估算传热面积 9
4.3 工艺结构尺寸 10
4．3．1选管子规格 10
4．3．2总管数和管程数 10
4．3．3确定管子在管板上的排列方式 10
4．4．4壳体内径的确定 10
4.3.5确定实际管子数 11
4．3．6折流板的确定及绘管板布置图 12
4.3.7接管口径计算 12
4．3．8拉杆设置 12
第5章 传热器校核 13
5．1传热面积校核 13
5．1．1传热温差校正： 13
5．1．2总传热系数K的计算 13
5．2．2．1管内传热膜系数 13
5．2．2．2管外传热膜系数 13
5．2．2．3污垢热阻和管壁热阻 14
5．2．2．4总传热系数K 14
5．1．3传热面积校核 15
5．2核算管、壳程流动阻力 15
5．2．1管程 15
5．2．2壳程 15
5．3壁温的计算 16
第6章 设计结果汇总表 17
设计评述 18
设备图 18
参考文献 18
附录A 19
附录B 20

第1章 概述
本设计的主要任务是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；冷却介质为35（入口）循环水：允许压强降为管、壳程压强降不超过10Kpa;根据苯和水的物性参数，假设水的出口温度为43，根据这些条件选择换热器，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,所以可以不用考虑热补偿.

第2章 设计条件及主要物性参数

2．1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℃；
冷却介质：35℃（入口）循环水；
允许压强降：管、壳程压强降不超过10Kpa;
2．2物性参数
物性
流体
温度
℃

kg/m

mPa·s
Cp
kJ/(kg℃)

W/(m℃)

kJ/kg
苯
67
828.6
0.352
1.841
0.129
394
水
39
1000
0.67
4.174
0.632
2258

第3章 确定设计方案
3．1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。
3．2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
4．1确定物性数据
苯的定性温度：
水的定性温度：
4．2 估算传热面积
4.2.1计算热负荷（忽略热损失）
Q=×1.841××（80-55）=2.56×J 公式1（参见附录，下同）
4.2.2冷却水用量（忽略热损失）
/s
4.2.3 平均温度差的计算
选取逆流流向
===27.64℃ 公式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：
=18.52×1.15=21.30㎡
4.3 工艺结构尺寸
4．3．1选管子规格
选取Φ25㎜×2.5㎜无缝钢管，管长l=3m。
4．3．2总管数和管程数
总管数 n===90.4≈90根
单程流速 u===0.55m/s
单程流速可以达到传热效果，故采用单管程
4．3．3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。
4．4．4壳体内径的确定
壳体内径为： 公式4
管心距: t=1.25=1.25×25≈32㎜
=1.1=1.1×=10.4≈11根
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
所以

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）=90×3.14×0.025×(3-0.1)=20.49
===452 W/（㎡·℃）
计算得的与之前设的值有较大差异，所以要重新进行上述计算：
总管数 n===87根
单程流速 u===0.57m/s
壳体内径为：
管心距: t=1.25=1.25×25≈32㎜
=1.1=1.1×=10.3≈11根
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
所以：

按壳体标准圆整取D=400mm
4．3．6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=400-2×3.5=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：
折流板数：-1=-1=13.5≈14
折流板间距：=200mm （0.2D〈 〈D）
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
按管子标准取管程流体进出口接管规格为Φ81㎜×3.5㎜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
按管子标准圆整，取壳程流体进出口接管规格为Ф75㎜×3㎜无缝钢管。
4．3．8拉杆设置
选拉杆直径为16㎜，拉杆数量为4根。
第5章 传热器校核
5．1传热面积校核
5．1．1传热温差校正：
===0.178 ===3.125 公式5
根据P、R值，查温差校正系数图=0.96，因＞0.8，所以选用单壳程可行。
5．1．2总传热系数K的计算
5．2．2．1管内传热膜系数
===16889 公式6
===4.42 公式7
流体被加热，取n=0.4
=0.023=3171W/(㎡·℃)
公式8
5．2．2．2管外传热膜系数

管子按正三角形排列，则传热当量直径为

公式9
壳程流通截面积
S=D（1-）=0.2×0.4×（1-）=0.0176㎡ 公式10
壳程流体流速
=
R===26835
P===5.02
壳程中苯被冷却，取（）=0.95
=0.36 公式11
=0.36××26835×5.02×0.95=1077W/(㎡·℃)
5．2．2．3污垢热阻和管壁热阻
查表管内、外侧热阻分别：R=2.0×10㎡·℃/W，R=1.72×10
㎡·℃/W。已知管壁厚度δ=0.0025m;导热系数=45.4W/（m·℃）。
5．2．2．4总传热系数K
K= 公式12
=
=564W/（㎡·℃）
5．1．3传热面积校核
所需的传热面 A===16.4㎡
所以 ==1.25
即换热器有25%的面积裕度，在10%～25%范围内，能完成生产任务。
5．2核算管、壳程流动阻力
5．2．1管程；
∑△P=（△P+△P）FNN 公式13
已知F=1.4；N=1；N=1；u=0.57m/s;R=16889(湍流)。
查表得=0.036
△P==0.036××=870.7 Pa 公式14
△p=1.5()=3×()=241.9 Pa 公式15
∑△P=(870.7+241.9)×1.4×1=1557.6 Pa＜10kpa
5．2．2壳程
已知=1.15;N=1;
∑△P=(△P+△P)FsNs 公式16
△ P=Fb(N+1) 公式17
管子按正三角形排列 F=0.5，b=1.1=1.1=10.3
折流挡板间距 =0.2m
折流挡板数 N=14
壳程流通截面积 S`=(D-bd)=0.2(0.4-10.3×0.025)=0.0285㎡
壳程流速 u===0.235m/s
Re===1.38×10＞500
=5.0Re=5.0×(1.38×10)=0.569 公式18
所以 △P=0.5×0.569×10.3×(14+1)×=1767Pa
△ P=N(3.5-) 公式19
=19×(3.5-)×=801Pa
∑△P=(1767+801)×1.15×1=2953Pa＜10kPa
计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。

5．3壁温的计算
换热器的壁温可由下式计算
公式20
已知1077W/(㎡·℃)；3171W/(㎡·℃)；
=

换热管平均壁温：

壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即。壳体壁温与传热管壁温之差为：

该温差小于，所以不需要设置温差补偿装置。

第6章 设计结果汇总

温度进/出
80/55
35/43
压力 Mpa

物性
定性温度 C
67.5
39
密度 kg/m3
828.6
992.6
热容kJ/(kg)
1.841
4．174
黏度 MPa·s
0.129
0.632
设备结构参数
型式
列管式
台数
1
壳体内径 mm
400
壳程数
1
管径 mm

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
管程数
1
材质
不锈钢　
主要计算结果
管程
壳程
污垢热阻 m2·C/w
0.000174
0.0002
热负荷 Kw
256
传热温差C
20
传热系数 w/m2·C
564
裕度%
25%

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1：

设备图2

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A

符号
意义与单位
符号
意义与单位
Q
热负荷 KJ
N
折流板数

管程给热系数w/(㎡·℃)
d
传热管平均直径 m

壳程给热系数w/(㎡·℃)
η
管板利用率 %
∑△P
壳程压力降Kpa
Ns
换热器管程数 m
A
实际传热面积 m
l
传热管长度 m
∑△P
壳程压力降kpa
Tm
流体平均温度 C
d
传热管外径 m
△t
传热温差 C
d
传热管内径 m
u
流速 m/s
Np
换热器管程数

流体导热系数 W/（m·C）
N
传热管总根数 根

流体密度 kg/m
△tm
实际平均传热温差 C
μ
流体粘度 Pa·S

管心距 m

导热系数 W/（m·C）
D
壳体内径 m

粗糙度
N
折流板数 块
R
雷诺准数
R
管外侧污垢热阻 m·C/W
R
管内侧污垢热阻 m·C/W
R
管壁热阻 m·C/W
K
传热系数 W/（m·k）
t
换热管壁温度℃

P
普朗特数

Cp
流体的定压比热容J/(kg·℃)
b
横过管束中心线的管子数
F
壳程结垢校正系数

壳程流体的摩擦系数

附录B
公式 1出自《化工原理》213页
公式 2出自《化工原理》213页
公式 3出自《化工原理》213页
公式 4出自《常用化工单元设备设计》38页
公式 5自《化工原理》 229页
公式 6自《化工原理》 183页
公式 7出自《化工原理》183页
公式 8出自《化工原理》 184页
公式 9自《化工原理》 227页
公式 10《化工原理》 227页
公式 11出自《化工原理》226页
公式 12自《常用化工单元设备设计》19页
公式 13《化工原理》 227页
公式 14《化工原理》 228页
公式 15自《化工原理》 228页
公式 16《化工原理》 229页
公式 17出自《化工原理》 229页
公式 18自《化工原理》 228页
公式 19《化工原理》 228页
公式 20 《化工原理》 230页