化工原理课程设计-苯加热器设计

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1.4104 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42、 方案设计51、 确定设计方案52、 确定物性数据53、 计算总传热系数54、 工艺结构尺寸65、 换热器核算73、 设计结果一览表104、 设计总结 125、 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1.4104 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 i=830 kg/m3定压比热容 cpi=1.86 kJ/(kg)热导率 i=0.135 W/(m)粘度 i=0.00037 Pas（2）饱和水蒸气在120.2下的物性数据： 密度 0=1.127 kg/m3比汽化热 0=2.205106 J/kg热导率 0=0.686 W/(m)粘度 0=0.0000133 Pas 3计算总传热系数 （1）热流量QT=qm1cp1(t2-t1)=140001860(80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808105 W（2）冷却水用量 qm2= QT /0=1.8081053600/(2.505106)=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 Pas，查表4-7得K值大致范围为 5001200（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192mm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（3.140.01953）=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 =1.2519=23.75 mm 25mm隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=Pt2+6=19mm（4）壳体内径 取，按三角形排列，壳体内径为 圆整可取D273mm （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：h0.2527368.25mm，故可取h70 mm。 取折流板间距B0.5DB0.5273136.5mm，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 u1.5 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 u2m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为80mm5换热器核算 （1）传热面积校核 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 =944.1 kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002402 Pas 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 =943.7 kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002391 Pas 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）管程传热膜系数 管程流通截面积管程流体流速 普朗特数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)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 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, 管子为192mm，所以Ft=1.5查表得无缝钢管绝对粗糙度0.10.2mm，取为0.1mm/d=0.1/19=0.0053由Re与/d查莫狄图得i0.031 W/m， 管程压降在允许范围之内。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，55/80120.2定性温度，67.5120.2流量，kg/h14000259.880流体密度，kg/m38301.127汽化热kJ/ kg2205定压比热容，kJ/(kg)1.86热导率，W/(m)0.1350.686黏度，Pas3.710-41.3310-5流速，m/s0.5013.559普朗特数0.036雷诺数168244524传热量，kW1808传热温差，51.7总传热系数，W/m2K647.45裕度，%1.17传热系数，W/（m2）95614912污垢系数，m2K/W1.719710-40.859810-4阻力降，Pa1110.12407.56程数11推荐使用材料碳钢碳钢管子规格192mm管数53管长m:2管间距，mm25排列方式折流板型式上下间距，mm150切口高度25%壳体内径，mm273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