甲苯冷却器的化工原理设计

1、西安文理学院化工化工原理课程设计 甲苯冷却器的设计 系 院 名 称 化学工程学院 学 生 姓 名 张 伟 学 生 学 号 0903140243 专 业 班 级 14级能源1班 指 导 老 师 张 杏 梅 提 交 时 间 2016 .11.7目 录1 设计任务书31.1 设计目的31.2 设计任务33.3 设计内容方案32 工艺计算及主要设备设计42.1 估算传热面积42.1.1 基本物性数据查取42.1.2 热负荷计算42.1.3 确定流体流径52.1.4 计算平均温度差52.1.5 选取K值，估计传热面积52.2 工艺结构尺寸52.3 初选换热器型号62.4 换热器核算 72.4.1 热流量

2、核算82.4.2 壁温核算92.4.3 换热器内流体流动阻力103 设计结果113.1 换热器的结构尺寸及计算结果12主要符号说明13参考文献13 姓名：张伟（地址：西安文理学院化学工程学院，西安邮编：7160065）1 设计任务书1.1 设计目的 在工厂实际生产中，由于甲苯产品的温度较高，需要设计装置来进行冷却。通过对甲苯产品冷却的管壳式换热器设计，了解换热器的种类，结构特点等，并且能够根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。最后根据算结果绘制设备主体图和部件图，掌握一些基本绘图知识。1.2 设计任务 设计任务：1

3、、处理能力：5 万吨甲苯/年 2、设备型式：列管式换热器 操作条件： 1、甲苯：入口温度90，出口温度40。 2、冷却介质：自来水，入口温度25， 出口温度35。 3、允许压强降不大于90kPa。 4、每年按300天，每天24 小时连续运行。设计要求： 1、完成换热器工艺设计，结构设计；2、绘制设备条件图； 3、编制设计说明书。1.3 设计内容方案 1、选择设计方案：根据设计任务书的条件和要求，通过对现有生产的调查或现有的资料的分析对比，选择合理的流程方案和设备类型，初步确定主要设备的型式，并进行计算。 2、主要设备的选型和计算：包括参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸及结构设计。

4、3、主体设备结构简图：包括主体图（工艺尺寸、技术特性等）以及部分部件图 4、编写设计说明书：包括标题页；摘要；目录；前言；任务书工艺计算及主要设备计算设计结果主要符号说明参考书目2 工艺计算及主要设备设计2.1 估算传热面积 2.1.1 基本物性数据查取 甲苯的定性温度=60 水的定性温度 =根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据表2.1 甲苯、冷却水的物性参数甲苯在65下的有关物性数据循环冷却水在30下的物性数据密度定压比热容导热系数粘度h=873 kg/m3Cph=1.57kJ/(kg·)h=0.1273W/(m·)h=0.000454Pa·s密度

5、定压比热容导热系数粘度c=995.7 kg/m3Cpc=4.174kJ/(kg·)c=0.6176W/(m·)c=0.000801Pa·s2.1.2 热负荷计算甲苯质量流量 忽略热损失，冷却水耗量2.1.3 确定流体的流径 该设计任务的热流体为甲苯，冷却水为自来水，为使甲苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷去效果，令甲苯走壳程，水走管程。2.1.4 计算平均温度差 暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差 甲苯 冷却水 15 2.1.5 选K值，估计传热面积 参照表格，取，则 2.2 工艺结构尺寸 由于两流体温度差，可选用固定管板式换热器。 1、管径和管内流速 选

6、用 25×2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u0= 0.4m/s。 2、管程数和传热管数 按单程管计算，所需的传热管长度为 根据本设计实际情况，现取传热管长L=4.5m，则该换热器的管程数为=1,每 层管数为30根。 由上式计算可知，平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大， 故取单壳程合适。3、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=1.25d0，则t=1.25×25=31.25(mm) 取整t=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

7、）。 各程相邻的管间距为32mm。4、壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下列公式计算。 , 管子按正三角形排列 则壳体内径为 按卷制壳体的进级档，可取D=200mm。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 折流板间距 ,则 折流板数 6、其他附件 本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为10，拉杆数为4个。壳程入口处， 应设置防冲挡板。7、接管 壳程流体进出口接管： 取接管内甲苯流速为u10.4m/s，则接管内径为： 圆整后可取管内径为70mm。 管程流体进出口接管： 取接管内循环水流速 u0.7 m/s，则接管内径为 圆整后可取管内径为9

8、0mm。2.3 初选换热器型号 根据计算结果及固定管板式换热器的系列标准，初选换热器型号为 G400II-1.6-31.7。主要参数如下： 外壳直径 213mm 公称压力 2.5MPa 管子尺 管子数n 30 管长L 4500mm 管中心距 32mm 管程数Np 1 管子排列方式 正三角形 管程流通面积 0.0119m2 采用此换热面积的换热器，要求过程的总传热系数为： 2.4 换热器核算2.4.1 热流量核算 a 壳程表面传热系数，用克恩法计算 当量直径，由正三角排列得： 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：粘度校正： b 管内表面传热系数：管程流体流通截面积：管程流体

9、流速及其雷诺数分别为： 普朗特数： c 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=0.000172 m2·/W管内侧污垢热阻 Ri=0.000170m2·/W管壁热阻可忽略 d 总传热系数K 故所选择的换热器是合格的，安全系数为2.4.2 壁温核算 液体的平均温度和分别 传热管平均壁温 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=65 壳体壁温和传热管壁温之差为： t=65-33.3=31.7 该温差较小，无需温度补偿装置。由于壳程换热器流体压力较小，因此，选用 固定管板式换热器较适宜。2.4.3 换热器内流体的流动阻力a 管程流体阻力 ，其中 由Re=30

10、194，传热管相对粗糙度0.2/0.02=0.01，查莫狄图得=0.04， 流速ui=1.2145m/s b 壳程阻力 则 则 ，其中, 则 计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计条件。4 设计结果4.1 换热器的结构尺寸及计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表表4.1参数管 程壳 程流率/（kg/s）23.8017.54进/出温度/25/3590/40压力/ kPa9090物性定性温度/3065.5密度/（kg/m3）995.7809比热容/（kJ/（kg·K）4.1741.890粘度/（Pa·s）0.0008010.000355热导率/w/（m·K

11、）0.61760.145普朗特数5.414.63设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm213壳程数1管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/mm4500管子排列管数目/根30折流板数/个29传热面积/m214.14折流板间距/mm100管程数1材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）1.620.82表面传热系数/w/（m2·K）67411353污垢阻力/（w/m2·K）0.0001700.000172阻力/Pa8780220456热流量/kW995传热温差/K48.29传热系数/w/（m2·K）764主要符号说明：P压力，Pa ；Q传热速

12、率，W；R热阻，m2·K/W；Re雷诺准数；S传热面积，m2；t冷流体温度，；T热流体温度，；u流速，m/s；质量流速，kg/h；表面传热系数W/(m2·K)；有限差值；导热系数，W/(m·K)；粘度，Pa·s；密度，kg/m3；校正系数R转速，n/(r/min)H扬程，mtm平均传热温差，A实际传热面积，m2Pr普郎特系数NB板数，块K总传热系数，W/(m2·K)体积流量Nt管数，根Np管程数l管长，mKC传热系数，W/(m·K) 参考书目1 伍越寰,沈晓明.有机化学M.中国科学技术大学出版社. 2 柴诚敬,张国亮.化工原理M（第二

13、版）上、下册. 高等教育出版社. 3 陈声宗. 化工设计M（第二版）化学工业出版社. 4 陈敏恒,丛德兹.化工原理M（第三版）上、下册.化学工艺出版社. 5 高俊亭,毕万全.工程制图M （第三版）高等教育出版.谢辞通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。     在此感谢我们的张杏梅老