甲苯换热器课程设计

武汉长江工商学院武汉长江工商学院 化工原理课程设计化工原理课程设计 甲苯换热器设计甲苯换热器设计 系系 环生系 班级班级 09402 班 姓名姓名 岳彪 学号学号 完成时间完成时间 2011 年 11 月 30 日 列管式换热器设计说明书 2 课程设计任务书课程设计任务书 某厂用循环冷却水甲苯从 80 冷却到 50 C 甲苯年处理能力 为 18000t a 压力为 6 5MPa 循环冷却水的入口温度为 25 C 出口温度为 35 C 要求冷凝器允许压降不大于 Pa 试设计 一台管壳式卧式换热器完成该生产任务 每年按 330 天计算 每天按 24 小时连续运行 流体流体定性温定性温 度 度 C 密度密度 m 粘度粘度 mPa s 比热容比热容热导率热导率 甲苯甲苯658660 445 1 91kJ K 0 1273w m k 循环冷循环冷 却水却水 30994 30 742 4 174kJ kg C 0 624w m C 列管式换热器设计说明书 3 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 目录目录 一 标题 页 3 2 方案设 计 4 三 确定设计方 案 4 四 确定物性数 据 4 五 计算总传热系 数 4 六 计算传热面 积 5 列管式换热器设计说明书 4 七 工艺结构尺寸计 算 5 八 换热器核 算 7 九换热器主要结构参数和设计结果一览 表 10 十 对本设计的评 价 11 十一 自设计使用该换热器的工艺流程 图 12 十二 参考文 献 12 二 方案设计二 方案设计 某厂在生产过程中 需将甲苯从 80 冷却到 50 甲苯年处理能力为 18000t a 压力为 6 5Mpa 冷却水入口温度 25 出口温度 35 要求冷凝 器压降不大于 500KPa 试设计能完成上述任务的管壳式换热器 三 确定设计方案三 确定设计方案 1 选择换热器的类型 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 50 冷流体 冷流 体进口温度 25 出口温度 35 由于管壁与壳壁的温差低于 60 70 而且考虑到制作简单便宜 因此 采用逆流 初步确定选用固定管板式换热器 2 流动空间及流速的确定 流动空间及流速的确定 由于硝基苯的粘度比水的大 因此冷却水走管程 硝基苯走壳程 另外 这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热 提高冷却效果 同时 在此选择逆流 选用 25 2mm 的碳钢管 管内流速取 ui 0 94m 四 确定物性数据四 确定物性数据 定性温度 可取流体进口温度的平均值 甲苯的定性温度为 T 80 50 2 65 冷却水的定性温度为 t 25 35 2 30 根据定性温度 由已知图表数据提供可得 甲苯在 70 下的有关物性数据如下 列管式换热器设计说明书 5 密度 o 886kg m3 比热容 cpo 1 91kJ kg 热导率 o 0 1273 W m 粘度 o 0 Pa s 冷却水在 30 下的物性数据 密度 i 994 3kg m3 定压比热容 cpi 4 174kJ kg 热导率 i 0 624 W m 粘度 i 0 Pa s 五 计算总传热系数五 计算总传热系数 1 热流量 热流量 由甲苯的年处理能力 18000t a 可知 甲苯的流量为 330 24 2272 73 h Qo Lcp1 t1 2272 73 1910 80 50 3600 36174 24kW 2 冷却水用量冷却水用量 qm2 Qo cp2 t2 36174 24 19100 3600 6818 18kJ h 3 平均传热温差平均传热温差 Tm 80 35 50 25 80 35 50 25 34 03 4 初算传热面积 初算传热面积 查表可得 假设 K 600 W m2 oC A Q K Tm 1 772m 取安全系数 1 3 A 2 3 m 5 工艺结构尺寸 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速及管长 管径和管内流速及管长 选用 25 2mm 传热管 碳钢 管长取 2m 则需要管字数为 N N A dl 2 3 3 14 0 025 2 15 根 为了便于铺管 一般取管程的倍数 即 N 16 根 3 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 6 10 60 3040 80140 R 11 1 30140 3040 P 按单壳程 双管程结构 温差校正系数应查有关图表 可得 平均传热温差 5 7704 1729807 0 t tm m t 4 传热管排列和分程方法 传热管排列和分程方法 采用组合排列法 即每程内均按正三角形排列 隔板两侧采用正方形排列 取 管心距 t 1 25 d0 则 t 1 25 19 25 mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离按式 计算 列管式换热器设计说明书 6 Z t 2 6 18 5mm 各程相邻管的管心距为 37mm 横过管束中心线的管数 根11 7 10861 1 C N 5 壳体内径 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 0 7 则壳体内径为 mm291 7 0 86 2505 1 t05 1 N D 圆整可取 D 325mm 6 折流板 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 25 325 81 25mm 故可取 h 82 mm 取折流板间距 B 0 3D 则 B 0 3 325 97 5mm 可取 B 为 100 折流板数 NB 传热管长 折流板间距 1 2000 100 1 19 块 折流板圆缺面水平装配 7 接管 接管 壳程流体进出口接管 取接管内硝基苯流速为 u 1 0 m s 则接管内径为 m05678 0 0 114 3 8 510973600 100004 u 4 d1 V 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 2 m s 则接管内径为 m0675 0 214 3 3 9943600 255904 d2 圆整后可取管内径为 70mm 6 换热器核算 换热器核算 1 热量核算 热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板 可采用凯恩公式 14 0 w 3 1 55 0 o e o re d 36 0 PR 当量直径 由正三角形排列得 m0173 0 019 0 14 3 019 0 4 025 0 2 3 4 42 3 4 2222 o o e d dt d 壳程流通截面积 m0078 0 25 19 1325100 t d 1 o o BDS 列管式换热器设计说明书 7 壳程流体流速及其雷诺数分别为 12000 00051 0 8 5109710173 0 324 0 e m324 0 0078 0 8 510973600 10000 u o o R s 普兰特准数 p 6 449 粘度校正 1 14 0 w 23 155 0 o m 936149 4614300 0173 0 138 0 36 0 W 管程对流传热系数 4 08 0 i i i re d 023 0 PR 管程流通截面积 22 i m00759 0 2 86015 0 785 0 S 管程流体流速 18934 000742 0 3 994942 0 015 0 Re s m942 0 00759 0 3 9943600 25590 u i i 普兰特准数 24 08 0 i 3 47956 9418934 015 0 624 0 023 0 96 4 624 0 000742 0 10174 4 r mW P 传热系数 K 2 o so m o i o i ii o m 509 936 1 000176 0 01692 0 45 019 0 002 0 015 0 019 0 000344 0 015 0 4795 019 0 1 1 d bd d d d d 1 W RR K 传热面积 S 列管式换热器设计说明书 8 2 m 0 18 4 172509 296700 t m K Q S 该换热器的实际传热面积 Sp 2 op 3m10862019 0 14 3 ld NS 该换热器的面积裕度为 267 1 10 8 310 S S 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 换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi P1 P2 FtNsNp Ns 1 Np 2 Ft 1 5 2 u 2 u d l 2 2 2 i1 PP 由 Re 18934 传热管相对粗糙度 0 01 15 0 0067 查莫狄图得 i 0 0028 W m 流速 ui 0 942m s 994 3kg m3 所以 ak40a 3k824 12 3147 61 ak2 31 2 942 0 3 994 3 ak47 61 2 942 0 3 994 015 0 2 028 0 i 2 2 2 1 PPP PP PP 管程压力降在允许范围之内 壳程压力降 5 11 1 2 1o FtNs FtNsPPP 流体流经管束的阻力 列管式换热器设计说明书 9 PaP uNn f F u NnFfP oBc o o Bco k53 43 2 324 0 8 51097 119 1155 0 324 0 19 11 120005 5 0 2 1 2 1 228 0 2 1 流体流过折流板缺口的阻力 ak402 675 11177 1353 43 ak77 13 2 324 0 8 5197 3 0 082 0 2 5 3 19 2 h2 5 3 3 0 082 0 h 2 h2 5 3 o 22 2 2 2 PP P u D NP mDm u D NP o B o B 总压力降 壳程压力降也比较适宜 三 设计结果一览表三 设计结果一览表 换热器形式 固定管板式 换热面积 m2 10 3 工艺参数 名称管程壳程 物料名称冷却水硝基苯 操作压力 Pa未知未知 操作温度 30 40140 80 流量 kg h 2559010000 流体密度 kg m3 994 31097 58 流速 m s 0 9420 324 传热量 kW 296 7 总传热系数 W m2 K 509 传热系数 W m2 4795936 污垢系数 m2 K W 0 0 阻力降 kPa 8 37 64 程数 21 推荐使用材料碳钢碳钢 管子规格 19 2 管数 86管长 mm 2000 管间距 mm 25 排列方式正三角形 折流板型式上下间距 mm 100 切口高度 25 壳体内径 mm325保温层厚度 mm未知 列管式换热器设计说明书 10 表格 1 四 对设计的评述四 对设计的评述 初次接触化工原理课程设计 还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的 听课的时候也一头雾水 根本不知道该做什么 该怎么做 无从下手 只是觉 得好难 有一段时间都在观望 所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板 用新的数据代替旧的数 据 其他的公式完全照抄 花了一天时间 终于把计算部分完成了 裕度 15 在合理范围内 但是 一看压力降 彻底崩溃了 12 多千帕 天啊 完 全不合理 再细看模板和自己的设计的时候 发现了很多问题 我的设计根本 是行不同 果真用这设计的话 也是谋财害命 所以我决定重新来过 这时离交作业还有三天 做出来的裕度居然一直都 在 50 以上 重新分析计算的过程中也出现了几次错误 由于急于求成 算出 来后的结果偏离太多 检查才发现部分数据出现了错误 而且老师给的模板里 面也有一些错误 这样照搬下去的一些公式就除了问题了 只好静下来认真地 理解和消化原有的一些公式 这样又一次重新算过 因此 有花了一天的时间在计算上 那么接下来就是画图了 由于学过机械制图 以为画图比较简单 5 个小 时左右可以完成 谁知道 画图更难 这主要是因为在设计的时候 没有兼顾 考虑到画图 因此设计出来的管数很难安排 冥思苦想了好久 换了好多方案 查了好多资料 换了多种排列方法 还是行不通 最终 只好把管数安排成易于排列的数目 才解决了这个问题 列管式换热器设计说明书 11 其实 在整个过程中 虽然遇到了很多问题 也犯了不少错误 但是自己 真的学到了很多东西 比如 word 文档公式的运用 比如如何使自己的设计更加 合理 这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法 才能达到事半功倍的效果 我觉得 如何查找数据也很重要 假如自己查不到 数据 接下来的工作完全没办法做 假如查的数据是错误的 那设计出来的东 西也是错误的 而且很可能导致严重的后果 六 参考文献六 参考文献 化工原理 王志魁 编 化学工业出版社 2006 化工设备设计 潘国吕 郭庆丰 编著 清华大学出版社 1996 化工物性算图手册 刘光启等 编著 化学工业出版社 2002 生物工程专业课程设计 尹亮 黄儒强 编 石油化工基础数据手册 化学化工工具书 等 七 主要符号说明七 主要符号说明 硝基苯的定性温度T冷却水定性温度 t 硝