化工原理課程設計-苯加熱器設計

1、列管式換熱器設計說明書太原工業(yè)學院化工原理課程設計苯加熱器設計系：班級：姓名：學號：完成時間:課程設計任務書設計一個換熱器，將純苯液體從 55C加熱到80C。純苯的 流量為1.4X 104 kg/h。加熱介質采用的是具有 200 kPa的水蒸氣。 要求純苯液體在換熱器中的壓降不大于 30kPa,試設計或選擇合 適的管殼式換熱器，完成該任務。設計要求(1) 換熱器工藝設計計算(2) 換熱器工藝流程圖(3) 換熱器設備結構圖(4) 設計說明目錄、方案簡介 4、方案設計51、確定設計方案52、確定物性數據53、計算總傳熱系數54、工藝結構尺寸65、換熱器核算7三、設計結果一覽表10四、設計總結12五

2、、參考文獻13附圖15一、方案簡介1概述換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占 有重要地位，由于生產規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，估換熱器的 類型也是多種多樣。按用途特可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，根據冷、 熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器的特點是冷、熱流體被固定壁面間隔開，不想混合，通過間 壁進行熱量的交換。此類換熱器中，以列管式應用最廣。本設計任務是利用飽和 水蒸氣給純苯加熱。利用熱傳遞過程中對流傳熱原則，制成換熱器，以供生產需 要。2、換熱器類型列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁

3、式換熱器，主要分三 大類：固定管板式、浮頭式、U型管式。（1） 固定管板式換熱器結構簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是 清潔、不易產生垢層和腐蝕的介質。（2）浮頭式換熱器結構較為復雜，成本高，消除了溫差應力，是應用較多的一 種結構形式。（3）U型管式換熱器結構簡單，適用于高溫和高壓場合，但管內清洗不易，制 造困難。二、方案設計某廠在生產過程中，需將純苯液體從 55C冷卻到80C。純苯的流量為1.4X 104 kg/h。加熱介質采用的三具有200 kPa的水蒸氣,要求純苯液體在換熱器中的 壓降不大于30kPa。試設計或選擇合適管殼式換熱器。1確定設計方案（1）選擇換熱器的類型兩流體溫度

4、變化情況：冷流體進口溫度55E，出口溫度80C。熱流體為飽和水蒸氣，溫度恒為 Ts,查表得，200kPa的飽和水蒸氣的飽和 溫度為Ts=120C該換熱器采用飽和水蒸氣冷凝放熱來加熱冷流體，管壁與殼壁溫差較大，流 體壓強不高，初步確定選用固定管板式換熱器，考慮到管壁與殼壁溫差較大情況， 因此，換熱器應安裝膨脹節(jié)，進行熱補償。（2）管程安排從流體流經管程或殼程的選擇標準來看，純苯液體有毒，為減少向環(huán)境泄露的機會，苯宜走管程；水蒸氣較潔凈，不會污染殼程，所以飽和蒸汽宜走殼程， 以便及時排除冷凝液。綜上所述，純苯液體走管程，飽和水蒸氣走殼程。2、確定物性數據定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。T =

5、55 +8 =675C管程純苯的定性溫度為：2殼程流體的定性溫度為：Ts=120C根據定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數據(1) 純苯在67.5C下的有關物性數據如下：密度p i=830 kg/m3定壓比熱容cpi=1.86 kJ/(kg C)熱導率入 i=0.135 W/(m C )粘度卩 i=0.00037 Pa s(2) 飽和水蒸氣在120.2C下的物性數據：密度p 0=1.127 kg/m3比汽化熱r 0=2.205X 106 J/kg熱導率入 0=0.686 W/(m C)粘度卩 0=0.0000133 Pa - s3 計算總傳熱系數(1) 熱流量5QT=qm1Cp1(t2

6、-t1)=14000X 1860X (80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808X 10 W(2) 冷卻水用量qm2= Qt / r 0=1.808X 105X 3600/(2.505X 106)=259.880kg/h(3) 平均傳熱溫差120. 2BCt2-t2 = (120.2 - 80) - (120.2 -55)7C,一 , 120.2 -80-.In-Int2120.2-55(4) 初算傳熱面積由水蒸氣冷凝有機物，有機物黏度為0.00037 Pa - s,查表4-7得K值大致范圍為 5001200 (W/m2 . K)假設K=600 W/m2 . K，則估算的傳

7、熱面積為S估Qt1.808 105600 51.7=5.828m24、工藝結構尺寸(1) 管徑和管內流速選用巾19X 2mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，因流體黏度1，最大流速為2,4 m/s ，所以取管內流速ui=0.5m/s。(2) 管程數和傳熱管數依據傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數Ns二 4qvdo2u14000 43.14 3600 830 0.0152 0.5=53根按單管程計算，所需傳熱管長度為L=S 估/(3.14doN) =5.828 /( 3.14 X 0.019 X 53) =1.8 m現取傳熱管長度L=2m，則該換熱器的管程數為Np=1(管程)(3) 傳熱管排列和分程方法采

8、用正三角形排列取管心距 Pt=1.25 d0 =1.25X 19=23.75 mm 25mm隔板中心到離其最近一排管中心距離 Z=Pt - 2+6=19mm(4) 殼體內徑取b =1.2d，按三角形排列,nC =1.1 53 = 8.008 8根 殼體內徑為D 二 Pt(nC -1) 2b =25 (8-1) 2 1.2 1 220.6mm圓整可取D = 273mm(5) 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%，則切去的圓缺高度為：h = 0.25X 273= 68.25mm，故可取 h= 70 mm。取折流板間距B = 0.5DB = 0.5X273= 136.5mm，

9、可取 B 為 150 mm。折流板數血=傳熱管長/折流板間距-1=2000/150-1=12.3,可取12塊。(6) 接管殼程流體進出口接管：取接管內硝基苯流速為u= 1.5 m/s,則接管內徑為：4 匯259.880/(3600.127) M 心d10.055m二 u ：3.14 1.5圓整后可取管內徑為60mm管程流體進出口接管：取接管內冷卻水流速u = 2m/s,則接管內徑為4 14000/(3600 830)二。窗3.14 2圓整后可取管內徑為80mm5 換熱器核算/1）傳熱面積校核 殼程傳熱膜系數rP2g 扎31/4o 5nb)Q - : A=t -:二d0l=tn米用試差法估算：0

10、值：a.假設 a。=10000 W/ / m C）Q:-0 二d0 In= 2.86C1.808 x10510000 3.14 0.019 2 53tw=ts- t=120.2-2.86=117.34 C膜溫 t= /ts+tw) /2=(120.2+117.34)/2=118.8 C水蒸氣在118.8 C時，密度p =944.1 kg/m3導熱系數入0=0.686 W/(m C)黏度卩 0=0.0002402 Pa s= 0.725 (2.22/35 109.810.686 )1/48 x 240.2 X10 x 0.019X2.86= 13468.2 W/（m c）估算值與計算值相差較大，

11、需再次試差2b.假設 =15000 W/ /m C）,Q- o二do ln1.808 0515000 3.14 0.019 2 53-1.910Ctw=ts- t=120.2-1.91=118.3 C膜溫 t= /ts+tw) /2=(120.2+118.3)/2=119.2 C水蒸氣在119.2 C時，密度p =943.7 kg/m3導熱系數入0=0.686 W/(m C)黏度卩 0=0.0002391 Pa s= 0.725 (2.205 106943.729.81 0.686382/3239.1 10 0.019 1.91)1 /42= 14912 W/ (mC)估算值與計算值相差在范圍

12、之內，符合要求。所以殼程傳熱膜系數為 (m c)14912W/ 管程傳熱膜系數:i =0.023丄 RePr*di管程流通截面積S =0.785 X0.0152 X 53 = 9.36 X 10 m2管程流體流速u =1400/(3600 830) = 0.501m/s0.00936雷諾數150.501830 七8580.00037386 100.00037 =5.10PCpU普朗特數九0.135:-=0.0230.135 168580.85.100.4 =956W/(m2 C)0.02 污垢熱阻和管壁熱阻查附錄19得： 管外側污垢熱阻 R0 =0.8598 10*m2iC/W管內側污垢熱阻

13、R =1.7197 104m2 0C/W管壁厚度b=0.002 m碳鋼熱導率為45 W/(m C )id。+ RdO * bg * Rs*1:ididi dm:o0.019/0.019+ 1.719710+956 0.0150.015=647.45W/(m2 C).002 .019 +0.8598 10+亠45 0.01714912傳熱面積SQtS J808 105 =5.40倆 K tm 647.45 51.7該換熱器的實際傳熱面積SSrdoln=3.14 0.019 2 53 = 6.324mP1 .0.031 丄 830 52 二 428.83Pa0.015該換熱器的面積裕度為6.324

14、5.401=1.17傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產任務(2)換熱器內流體的壓力降管程流動阻力 Pi=( P1+ P2)FtNsNpNs=1, Np=1,管子為巾 19X 2mm,所以 Ft=1.5l u2dRe i 0.015 0.501 8300.00037=16824查表得無縫鋼管絕對粗糙度 0.10.2mm,取E為0.1mmgd=0.1/19=0.0053由Re與gd查莫狄圖得入 i = 0.031 W/mC,P2 =3830 0.522= 311.25Pa送=(428.83+311.25)1.5江 1 =1110.12Pa150)x 1.127漢3.559=205.66PaD

15、22732總壓力降 ：P。(201.9 205.66) 1.0 1 =407.56 Pa殼程壓力降也比較適宜。三、設計結果一覽表換熱器形式：固定管板式換熱面積（m） :5.828工藝參數名稱管程殼程物料名稱純苯飽和水蒸氣操作壓力，Pa未知未知進（出）口溫度，C55/80120.2定性溫度，C67.5120.2流量，kg/h14000259.880流體密度，kg/m38301.127汽化熱kJ/ kg2205定壓比熱容，kJ/（kgC ）1.86熱導率，W/（m C）0.1350.686黏度，Pa - s-43.7 X 104-51.33X 105流速，m/s0.5013.559普朗特數10.0

16、36雷諾數168244524傳熱量，kW1808傳熱溫差，C51.7總傳熱系數，W/mK647.45裕度，%1.17傳熱系數，W/ ( mC)95614912污垢系數，mk/w1.7197 X 10-40.8598 X 10-4阻力降，Pa1110.12407.56程數11推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格 19X2 mm管數53管長m:2管間距，mm25排列方式折流板型式上下間距，mm 150切口高度25%殼體內徑，mr273保溫層厚度，mm未知表格1四、設計總結其實早在大二時，我就聽說過化工原理課程設計，那時的我看見學長學姐 們厚厚的計算過程及復雜的設計圖，心中充滿了恐懼，總是在想這么難的課程設

17、 計可怎么做啊。而到現在，終于輪到我們來做課程設計時，我才發(fā)現只要知識學 到手，加上耐心與恒心，虛心請教，沒有什么事干不成的。說起來很搞笑，一開始我們還以為兩周的課程設計是要在實驗室里度過， 然后寫實驗報告，后來才知道原來課程設計是在老師下發(fā)任務后， 根據自己計算 的計算結果，設計換熱器，再畫出圖來，做一份完整的設計說明書。在明白一切 以后，我們火速趕到圖書館，把能借的資料都借回來了，設計終于開始了。首先是數據計算，可以說這是課程設計第一階段的主要任務，也是關鍵所 在，只有計算好了，計算準確，才能繼續(xù)以后的工作，否則一切都是白搭。這就 需要我們有足夠的耐心和細心來完成這項工作。從拿到任務到最終

18、計算完畢，花 了我將近三天時間，這期間查資料，計算，咨詢都是家常便飯，最頭疼的就是我 們的殼程傳熱系數需用試差法來計算， 計算非常復雜，還需要不斷嘗試，而且好 不容易算出來了，后面算出的裕度又超出范圍，無奈，又要重新來過。如此反復， 終于算成功了，才知道，細心與耐心真的太重要了其次是畫圖，真是看起來容易畫起來難啊，好在以前學過工程制圖，自己 又有美術功底，在畫圖上倒是沒花費多長時間， 把它當成一種享受吧，倒不失為 一種好辦法。最后是完成設計說明書，打印電子檔，天哪，這項工作還真不比計算容易， 自己好歹也在辦公室干了那么長時間了， 覺得自己對電腦還是挺熟的了，可打說 明書電子檔才發(fā)現，事情真沒那

19、么簡單，好多東西都沒接觸過，都是一點一點摸 索出來的，做一份電子檔就花了將近一天時間，不過電腦知識倒真學了不少。為期兩周的化工原理課程設計就要結束了，這段時間，我有過彷徨，有過 無奈，有過灰心，有過喜悅，不過，我真的覺得課程設計教會了我們很多，通過 對計算的完成，我知道了耐心與細心的重要性，知道了細心有時會減少很多不必 要的麻煩；通過畫圖，我感受到只要把任務當成一種享受， 那任務就不會惹人反 感了，反而會使人身心愉悅；通過做電子檔，我真的學到了好多電腦知識，真是 實踐出真知啊?？傊?，耐心+細心+恒心=成功，這就是我對此次課程設計的最大感受， 最后, 感謝我們化工原理趙老師給我們不厭其煩的指導與教誨，讓我們能順利完成此次 任務。五、參考文獻化工原理第四版，王志魁 劉麗英 劉偉 編，化學工業(yè)出版社，2010.化工