化工原理课程设计纯苯冷凝器的设计

化工原理课程设计设计题目：纯苯蒸汽冷凝器的设计指导老师：系别：环境与安全工程系专业：安全工程班级学号：姓名：目录TOC\o"1-5"\h\z一、 设计任务： 21、 处理能力：常压下5950kg/h的纯苯蒸汽 22、 设备型式：立式列管式冷凝器 2二、 操作条件 2三、 设计内容 21、 确定设计方案 22、 确定流体的流动空间 23、 计算流体的定性温度，确定流体的物性参数 24、 计算热负荷 35、 计算平均有效温度差 36、 选取经验传热系数k值 37、 估算传热面积 38、 结构尺寸设计 3换热管规格、管子数、管长、管壳数的确定...3传热管排列和分程方法 4壳体内径内内径 4折流板 4四、 换热器核算 51、 换热器面积校核 52、 换热器内压降的核算 7五、换热器主要结构尺寸和计算结果一、 设计任务：处理能力：1、常压下5950kg/h的纯苯蒸汽2、设备型式：立式列管式冷凝器二、 操作条件1、 常压下苯蒸气的冷凝温度为80.1°C，冷凝液在饱和温度下排出。2、 冷却介质：采用20C自来水。3、 允许管程压降不大于50KPa。三、 设计内容本设计的工艺计算如下：此为一侧流体恒温的列管式换热器的设计1、 确定设计方案两流体的温度变化情况热流体（饱和苯蒸气）入口温度80.1C,（冷凝液）出口温度80.1C冷流体水入口温度20C，出口温度40C2、 确定流体的流动空间冷却水走管程，苯走壳程，有利于苯的散热和冷凝。3、 计算流体的定性温度，确定流体的物性参数苯液体在定温度（80.1摄氏度）下的物性参数（查化工原理附录）P=815kg/m3,u=3.09X104Pa.s,cP=1.880KJ/kg.k,=0.1255W/m.K,r=394.2kJ/kg。自来水的定性温度：入口温度：＜=20C，出口温度七二40C则水的定性温度为：t=（t+t）/2=（20+40）/2=30Cm1 2根据热量衡算方程：qr二qc（t-）得ml1m2p2 21q=qr/c（t-1）=1.65X394.2/4.173（40-20）=7.79kg/sm2m11p2 21（式中q=1.65kg/s）两流体在定性温度下的物性参数如下表流体物性温度C密度Kg/m3粘度mPa.s比热容kJ/（kg.C）导热系数W(m.C)苯80.18150.3081.8800.1255水30995.50.8014.1730.617计算热负荷=rq=1.65X394.2=651.52kw5、 计算平均有效温度差逆流温差At=(80.卜20)"80.1-40)=49.43°Cm逆ln[(80.1-20)/(80.1-40)]温差〉50C故选择固定管板式换热器需加补偿圈6、 选取经验传热系数k值查《化工原理课程及设计》附录8,查的K取430~850,暂取K=8507、 估算传热面积S=-^-=651.52x103=15.5m2KAt 850x49.43m逆

8、结构尺寸设计(1)换热管规格、管子数、管长、管壳数的确定选传热管①19mmx2mm，内径d.=0.015m，外径do=0.019m，材料为碳钢。传热管数量：q_——m—=q_——m—=pAuq m 兀』p—d2u4i7.79 兀995.5x x0.0152x1.54=30取30根15.5传热管长度:15.5=8.66mL=8.66mN兀d30x兀x0.019根据实际情况管子过长采用标准设计，取传热管长L=2米，采用管程4,管子数为30x4=120传热管排列和分程方法每程内按正方形排列。取管心距P=1.25d。=1.25x19=23.75汩24mm隔板中心到离其最近一排管中心距离计算rP「24,"Z=-t+6= +6=18mm2 2各程相邻官的管心距为36mm位于管束中心线上的管束\=1.19,..・云=9.22壳体内径内内径 C采用多管结构，壳体内径可估算。取管利用率n=0.75,则壳体内径为

取为350mmD=1.05P/^=1.05X24X叵取为350mm*P叩 70.75按卷制壳体的进级挡，可取D=350mm壳体厚度b取10mmD=350mm,外径碳钢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=0.25X350=87.5mm故可以取h=90mm取折流挡板间距b=0.5D(0.2D<B<D)，贝UB=0.5X350=175mm可取B为175mm。折流挡板数目n=传热管长-1=2200-1=11B 折流板间距 巧5(5)接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为％」m/s，则接管内径为_ D内径为_ D广亮f圆整后可取管内径为60mm。4X1.65=0.06〃815x兀x1u

u

24x7.79

=0.065m

995.5x兀x2.4管程流体进出口接管：取接管内液体流速二2.4m/s，则接管内径为可取管内径为65mm。

四、换热器核算(1)换热器面积校核①管程传热膜系数。计算a=0.023—Re0.8Pr0.4idi管程流体流通面积S42.四、换热器核算(1)换热器面积校核①管程传热膜系数。计算a=0.023—Re0.8Pr0.4idi管程流体流通面积S42.Ni4i2=0.785X0.0152X60=0.005(^2)管程流体流速及雷诺数7.79/995.5,“/ =1.56m/s0.005Re=0.015X商X9955=290820.801X10-3普朗特数R4.173x13x0.801x103…=5.42CPr=i②壳程传热膜系数。a=0.023X0617X29'617).8X5.420.4=6925W/(m2-°C)]/曰/|土|x八、、〃大力、＞$A。・ 仃 L\i 0.015有相变时，蒸汽在垂直管外的对流传热系数为：Re=dupAP4x1.65np丸x0.019x0.308x10-3=359178>2000P2g人31a'=0.0077Cg )3Reo.48152x9.81x0.125531a'=0.0077x(——(0308~10—) )3x3591780.4=6600[W/(m2-C)]长径比：立式应为4〜6。 *之大5.7D0..35故采用立式，故a取6600[W/(m2-C)]

③污垢热阻和管壁热阻。查附录9管外侧污垢热阻R=1.7197X10-4(m2・°C/W)o管内测污垢热阻R=3.4394x10-4(m2•C/W)i已知管壁厚度b=0.002m，碳钢在该条件下的热导率为45W/m2•C。④总传热系数K。总传热系数K为1+—

以oK=— 1+—

以o+RiA+幺*+R以ddAd-0.019 0.019 0.0020x0.019 1 +3.4394x10-4 + +1.7197x10-4+ 6925x0.015 0.015 45x0.017 6600=988W/(m2•C)⑤传热面积校核。计算传热面积S'为S=匹一=EE=13.34m2KAt998x49.43S=ndLn=nx0.019x4x152x60=14.31m2换热器的面积裕度为主=1431=1.1s'13.34传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。⑥换热壁温核算：管壁热阻很小，可忽略不计，取两边污垢热阻为零计算传热管壁温，则可按照下公式计算管壁温度：t=T/以+tm/以hm 1/以+1/以t=0.4〈+0.6T=0.4x20+0.6x40=32。CT=1(T+T)=!(20+40)=300Cm2 1 2 2以=以=6925[W/(m2•C)]%=以°=6600[W/(m2•C)]传热管平均壁温:t_30/6925+32/6600_3102c + 69256600壳体壁温可近似取壳程流体的平均温度，即T=80°C。壳体壁温和传热管壁温差为A_80-31_49C不需要设置温度补偿装置。(2)换热器内压降的核算①管程阻力£Ap_(Ap+Ap)FNNi 1 2tspN_1,F_1.5,N=2lPU2『d-2a_3北p2 2Re=29082，传热管粗超度0.01，查参考文献［2］中人-Re双对数坐标图得人=0.04,u=1.56m/s,p=995.5kg/m3，所以3 995.5x1.562A_0.04x x _9690Pap1 0.015 2Ac995.5x1.562A_3x _3634Pap2A皿_(9690+3634)x1x1.5x2_39972Pa小于50kPa，符合要求。五、换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程

流率/(Kg/h)280445950进（出）口温度/°C20(40)80.1(80.1)压力/MPa0.010.01物性定性温度/C3080.1密度/(Kg/m3)995.5815定压比热容/[kJ/kg・C]4.1731.881黏度/Pa•s0.8010.308热 导 率/[W/(m・C)]0.6180.125普朗特数5.424.61设备结构参数型式管板式壳程数1壳体内径/mm350台数1管径/mm419mmx2mm管心距/mm36管长/mm2000管子排列正三角形管数目/根120折流板个数/个11传热面积/m214.31折流板间距/mm175管程数2材质碳钢

主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.560.478表面传热系数/[W/（m，・°C）]69256600污垢热阻/(m2・°C/W)3.4394X10-41.7197X10-4阻力/Pa3178213324热流量/kW651.35传热温差/K49.43传热系数/[W/m2・C]988裕度/%1.10附属结构选型15本图传热管们9X21021Cr18Ni9Ti14SB907fcr4折流挡板6=1171Cr18Ni9Ti13JB1165-81悬挂式支座A型4Q235-A12本图垫片6=102石棉橡胶板11GB5780-86螺栓M16X7056Q235-A10本图上管