化工原理课程设计李俊燕09402-甲苯冷却器的设计(换热器的设计)

1、* * 化工原课程设计化工原课程设计 * *换热器工艺初步设计换热器工艺初步设计 学生姓名：学生姓名： 李俊燕李俊燕 学学 号：号： 09040072 专专 业：业： 环境工程环境工程 班班 级：级： 09402 成成 绩：绩： 指导教师：指导教师： 柯斌清老师柯斌清老师 设计时间：设计时间：2011 年年 10 月月 25 日至日至 2011 年年 12 月月 13 日日环境与生命科学系环境与生命科学系2化工原理课程设计任务书 D16班级 90402 设计人 李俊燕 日期 2011-11-28 一、设计题目一、设计题目某人用循环冷却水甲苯从 80冷却到 60，甲苯年处理能力为 30500t/

2、a，压力为 6.5Mpa，循环冷却水的入口温度问诶 25，出口温度为 35，要求冷凝器允许压降不大于 500000Pa；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 24h 连续运行。流体定性温度/密度/（kg/m3）粘度/mPas比热容/热导率 甲苯708660.4551.91kJ(kgK)0.1273W/(mK)循环冷却水 30994.30.7424.174kJ(kg)0.624 W/(m)二、设计要求1、标题页2、目录3、确定设计方案4、传热面积计算5、工艺结构尺寸计算6、换热器校核7、换热器主要结构参数和设计结果一览表8、换热器工艺条件图9、自设计使用该换热

3、器的工艺流程图10、对本设计的评价11、参考文献3目录目录一、 工艺流程草图及说明.5 5二、确定设计方案.5 52.1 选择换热器的类型 .52.2 流程安排 .5三、确定物性数据.6 63.1 定性温度.6四、估算传热面积.64.1 热流量 .64.2 平均传热温差 .74.3 传热面积 .74.4 冷却水量.7五、工艺结构尺寸.75.1 管径和管内流速 .75.2 管程数和传热管数 .75.3 传热管排列和分程方法 .85.4 壳体内径 .85.5 折流板 .85.6 其他附件 .85.7 接管.9六. 换热器核算.96.1 热流量核算 .96.1.1 管内表面传热系数.106.1.2

4、污垢热阻和管壁热阻.106.1.3 计算传热系数 KC.116.1.4 该换热器的面积裕度.116.2 换热器内流体的流动阻力 .116.2.1 管程流体阻力 .116.2.2 壳程阻力.124七、设计结果设计一览表.127.1 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 .127.2 管道设计与离心泵设计规格 .14八、设计评述.1515九、主要符号说明.15155摘要热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过

5、程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量；又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。总之，无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。应予指出，热力学和传热学既有区别又有联系。热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一个平衡状态变成另一个

6、平衡状态所需的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学士热力学的扩展。61、 工艺流程草图及说明工艺流程草图及说明工艺流程草图主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图，甲苯经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管 C 进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管 A 进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，甲苯从 80被冷却至 60之后，由接管 D 流出；循环冷却水则从 25变为 35，由接管 B 流出。 2、确定设计方案、确定设计方案2.1 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：甲苯进口温度为 80，出口温度 60

7、，冷流体进口温度 25，出口温度 35；冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。2.2 流程安排流程安排由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。选用 252.57的碳钢管（换热管标准：GB8163） 。3、确定物性数据、确定物性数据3.1 定性温度定性温度可取流体进口温度的平均值。 管程流体的定性温度为：（）3023525T甲苯的定性温度为： ()7026080T根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 甲苯在 82.5下的有关物性数据循环冷却水在 12.5下的物性数据密度o=

8、866kg/m3密度i=994.3 kg/m3定压比热容cpo=1.91 kJ/(kgK)定压比热容cpi=4.174 kJ/(kgK)导热系数o=0.123W/(mK)导热系数i=0.58W/(mK)粘度o=0.000305 Pas粘度i=0.000123Pas4、估算传热面积、估算传热面积4.1 热流量热流量Qo=m0cp0t0=38511.91(80-60) /3600=147000kJ/h=40.833(kW)84.2 平均传热温差平均传热温差()3835602580ln)3560()2580(ln2121tttttm4.3 传热面积传热面积 假设 K=338W/(m2K),则估算面积

9、为：AP=Q0/(Ktm)=408333.33 /(33838)=3.179() 2m取安全系数为 1.15A=3.1791.15=3.656()2m4.4 冷却水量冷却水量（kg/s）978. 0)2535(1017. 4108333.40,330iicmtcpQq5、工艺结构尺寸、工艺结构尺寸5.1 管径和管内流速管径和管内流速选用 252.5mm 较高级冷拔传热管(碳钢 10)，取管内流速 ui= 0.5m/sL=3m5.2 管程数和传热管数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=2124（根）9 . 202. 014. 33.656) 1 . 0(02. 014. 3N

10、LAs所以按双程设计即可， NT=24（根）95.3 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Pt=1.25d0，则 Pt=1.2525=32(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=32/2+6=22（mm） 。5.4 壳体内径壳体内径采用单管程结构，则壳体内径为D=Pt（b -1）+2enc =1.1=5.3924.11Ns b=1.5=1.5*25=37.5mm0dD=32*(5.39-1)+2*1.5=242mm按卷制壳体的进级挡，圆整可取 D=250mm。5.5 折流板折流板 采用弓形折流板，取

11、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h0.25250=62.5（mm）折流板间距 B=0.5D,则 B=0.5250=125mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/125-1=23 块)， 折流板圆缺面水平装配见。5.6 其他附件其他附件拉杆数量与直径按化工过程及设备课程设计书本图表 3-9 选取，本换热器传热管外径为 25mm故其拉杆直径为 16，拉杆数为 4 个。壳程入口处，应设置防冲挡板。105.7 接管接管壳程流体进出口接管：取接管内甲苯流速为 u0.5m/s，则接管内径为：D1=（m） ，圆整后可取管内径为 50mm。049. 05 . 014

12、. 3)8663600(3851441uV管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u0.3 m/s，则接管内径为(m)=60mm。053. 0)3 . 014. 33 .994/(3 . 042D6.6. 换热器核算换热器核算6.1 热流量核算热流量核算6.1.1 壳程表面传热系数壳程表面传热系数用克恩法计算：14. 03155. 000PrRe36. 0wedh当量直径，由正三角排列得：de=（m）02. 0025. 014. 3)025. 0785. 0032. 023(4)423(4220202ddPt壳程流通截面积：=0.006836（m2）)032. 0025. 0(25. 0.12

13、50)1 (00tdBDS壳程流体流速及其雷诺数分别为：u0=（m/s）181. 0006836. 0)8663600(385111Re0=7044000455. 0866181. 002. 0普朗特数：Pr=；粘度校正：6.831273. 010455101.9163114. 0wh0=564.6W/(K) 3155. 06.83704402. 01273. 036. 02m6.11 管内表面传热系数管内表面传热系数hi4 . 08 . 0PrRe023. 0id管程流体流通截面积：Si=0.7850.02224/4=0.001884（）2m管程流体流速及其雷诺数分别为：ui=0.522（m

14、/s）001884. 0).4999/(978. 0Rei=13992742. 0.3994522. 002. 0普朗特数：Pr=96. 4624. 01074210174. 463hi=0.023=2823W/ (K)4 . 08 . 096. 41399202. 0624. 02m6.1.2 污垢热阻和管壁热阻污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R0=0.000127 m2K/W管内侧污垢热阻 Ri=0.000344m2K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为 50W/(mK)。故RW=45.3（K/W）2m126.1.3 计算传热系数计算传热系数KC=6 .

15、5641000172. 0225. 03 .450250. 00025. 0020. 0025. 000034. 0020. 02823025. 01=354w/（m） 相对偏差=（354-338）/354=4.5%6.1.4 该换热器的面积裕度该换热器的面积裕度H=100%=100%=13%CCAAA656. 3179. 3656. 3传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。6.2 换热器内流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力6.2.1 管程流体阻力管程流体阻力 计算公式如下：Pt=（Pi+Pr）NSNpFS其中 NS=1, Np=4，FS=1.15; Pi=22udlii由 Re=13

16、992，传热摩擦系数 0.008， Pi=152.7（Pa） ；02. 0216. 0.39943008. 02Pr=39（Pa）215. 04.399322213 Pt=（152.7+39）14=3716（Pa）500000Pa管程流体阻力在允许范围之内。6.2.2 壳程阻力壳程阻力 PS=（P0+Pi）FSNS其中 FS=1.1 ；NS=1 ；P0= Ff0NTC(NB+1) ;220uF=0.5,f0=57044-0.228=0.66, NTC=1.1 NT0.5=1.1240.5=5.4NB=23;u0（按流通面积 S0=B(D- NTCd0)计算）=0.4m/s 则流体流经管束的阻力

17、：P0=0.50.665.4（23+1）866*0.12/21100（Pa） 流体流过折流板缺口的阻力Pi =NB（3.5-2B/D）220u其中 B=0.15m; D=0.25m；Pi=23（3.5-20.0625/0.25）8660.092/2121（Pa） ，则总阻力： PS=1100+121=1221（Pa）50000 Pa。故壳程流体的阻力也适宜。7、设计结果设计一览表、设计结果设计一览表7.1 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表参数管 程壳 程流率/（kg/h） 3851384814进/出温度/25/3580/60压力/ MPa0.10.1定性温度

18、/3070密度/（kg/m3）994.3866定压比热容/（kJ/（kgK） ）4.1741.91粘度/（Pas）0.07420.455热导率/w/（mK） 0.12730.624物性普朗特数6.834.96形式浮头式台数1壳体内径/mm250壳程数2管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列管数目/根24折流板数/个23传热面积/m23.656折流板间距/mm125设备结构参数管程数4材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.51.0表面传热系数/w/（m2K） 2823564.615污垢阻力/（w/m2K）0.0003440.00017阻力/Pa37611100热

19、流量/kW1542传热温差/K38传热系数/w/（m2K） 354裕度/%137.2 管道设计与离心泵设计规格管道设计与离心泵设计规格设备参数离心泵 1离心泵 2型号IS80-65-160IS-80-60-125转速 r/min29002900流量 m3/h5030扬程 m3222.5效率 %7364轴功率 kw5.972.87电机效率 kw7.55.5必须汽蚀余量 m2.53.0质量（泵/底座）kg48/6644/46168、设计评述、设计评述 本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。下面就是对本次设计的一些评述。 本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。本设计选择了冷却水走管程，煤油走壳程的方案。由于本设计所要冷却的煤油的流量不是很大，故选择所