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
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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1.4×104 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 (4)
二、方案设计 (5)
1、确定设计方案 (5)
2、确定物性数据 (5)
3、计算总传热系数 (5)
4、工艺结构尺寸 (6)
5、换热器核算 (7)
三、设计结果一览表 (10)
四、设计总结 (12)
五、参考文献 (13)
附图··········································································
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。

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1.4×104kg/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T s，查表得，200kPa的饱和水蒸气的饱和温度为T s=120.2℃
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：
℃
＝
＝5.
67
2
80
55
T
壳程流体的定性温度为：T s=120.2℃
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ρi=830 kg/m3
定压比热容c pi=1.86 kJ/(kg·℃)
热导率λi=0.135 W/(m·℃)
粘度μi=0.00037 Pa·s
（2）饱和水蒸气在120.2℃下的物性数据：
密度ρ0=1.127 kg/m3
比汽化热ｒ0=2.205×106J/kg
热导率λ0=0.686 W/(m·℃)
粘度μ0=0.0000133 Pa·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
Q T=q m1c p1(t2-t1)=14000×1860×(80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808×105 W （2）冷却水用量q m2= Q T/ｒ0=1.808×105×3600/(2.505×106)=259.880kg/h （3）平均传热温差
℃7.5155
2.120802.120ln
)
552.120()802.120(ln 't 2
121=-----=
∆∆∆-∆=
∆t t t t m
（4）初算传热面积
由水蒸气冷凝有机物，有机物黏度为0.00037 Pa ·s ，查表4-7得 K 值大致范围为 500～1200（W/m 2 . K ）
假设K=600 W/m 2 . K ，则估算的传热面积为
2
5
m
''828.57
.5160010
808.1t m
K Q S
T =⨯⨯=
∆=
估
4、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速
选用ф19×2mm 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u i =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
根
535
.0015
.0830360014.34
14000u
d 4q
2
2
o v s =⨯⨯⨯⨯⨯=
=
πN
按单管程计算，所需传热管长度为
L=S 估／（3.14d 0N s ）=5.828∕（3.14×0.019×53）=1.8 m 现取传热管长度L=2m ，则该换热器的管程数为 N P =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P t =1.25 d 0 =1.25×19=23.75 mm ≈25mm
隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=P t ÷2+6=19mm
（4）壳体内径
取02.1d b ='，按三角形排列，根
8008.8531.1n ≈==C
壳体内径为
.6mm 22019.212)18(252)1n (P t =⨯⨯+-⨯='+-=b D C
圆整可取D ＝273mm （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：
h ＝0.25×273＝68.25mm ，故可取h ＝70 mm 。

取折流板间距B ＝0.5D
B ＝0.5×273＝136.5mm ，可取B 为150 mm 。

折流板数
N B =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 u ＝1.5 m/s ，则接管内径为
m 055.0.5
114.3127.13600/80.82594u
4d 1≈⨯⨯⨯=
⋅=
）
（πV
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 u ＝2m/s ，则接管内径为
m 074.02
14.38303600/140004d 2=⨯⨯⨯=
）
（
圆整后可取管内径为80mm 5．换热器核算 （1）传热面积校核
①壳程传热膜系数
4
/1e 2/3
3
2
o )
d n
(
725.0t
g r ∆=μλρα
tn l d t A Q ∆=∆=0απα
采用试差法估算o α值：
a ．假设o α=10000 W/（m 2·℃）,
C d Q
t 0
5
0086.253
2019.014.31000010
808.1ln
=⨯⨯⨯⨯⨯=
=
∆πα
t w =t s -△t=120.2-2.86=117.34℃
膜温t=（t s +t w ）/2=(120.2+117.34)/2=118.8℃
水蒸气在118.8℃时，
密度 ρ=944.1 kg/m 3
导热系数 λ0=0.686 W/(m ·℃)
黏度 μ0=0.0002402 Pa ·s
2
.13468)
86
.2019.0102.2408
686
.081.91.94410205.2(
725.04
/16
2/3
3
26
o =⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-α W/（m 2·℃）
估算值与计算值相差较大，需再次试差。

b ．假设o α=15000 W/（m 2·℃）,
C d Q
t 0
5
001.9153
2019.014.31500010
808.1ln
=⨯⨯⨯⨯⨯=
=
∆πα
t w =t s -△t=120.2-1.91=118.3℃
膜温t=（t s +t w ）/2=(120.2+118.3)/2=119.2℃
水蒸气在119.2℃时，
密度 ρ=943.7 kg/m 3
导热系数 λ0=0.686 W/(m ·℃) 黏度 μ0=0.0002391 Pa ·s
14912
)
1
.91019.0101.2398
686
.081.97.94310205.2(
725.04
/16
2/3
3
26
o =⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-α W/（m 2·℃）
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/（m 2·℃）
②管程传热膜系数
4
.08
.0i
i
i r
e
d 023
.0P R λα=
管程流通截面积
2
3
2
i m
10
36.953015
.0785.0-⨯=⨯⨯=S
管程流体流速
16858
00037
.0830
501.0015.0ud Re
s
/m 501.000936
.08303600/14000u i
i =⨯⨯=
=
=⨯=
μ
ρi
雷诺数）
（
普朗特数
℃）
⋅=⨯⨯⨯
==⨯⨯=
=
2
4
.08
.0i 3
/(95610
.516858
02
.0135.0023.010
.5135.000037
.01086.1r m W u
c P p αλ
③污垢热阻和管壁热阻 查附录19得：
管外侧污垢热阻 W C R /m 108598.00240⋅⨯=⋅- 管内侧污垢热阻 W C R /m 107197.1024i ⋅⨯=⋅- 管壁厚度b=0.002 m
碳钢热导率为45 W/(m ·℃)
℃）
（＋
＋＋＋＋
＋＋
＋⋅=⨯⨯⨯⨯
⨯⨯=
=
--2
4
4
o
so m
o
i
o i
i
i o
m /5.464714912
110
8598.0017
.045019.0002.0015
.0019.010
7197.1015
.0956019.01
1
d bd
d d d d 1
W R R K αλα
④传热面积S
2
5
m
401.57
.515.464710
808.1t m
K Q S T =⨯⨯=
∆=
'
该换热器的实际传热面积S
2
o .324m
6532019.014.3l d =⨯⨯⨯==n S π
该换热器的面积裕度为
17
.1401
.56.324=='S S
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
①管程流动阻力
ΔPi=(ΔP 1+ΔP 2)FtNsNp
Ns=1, Np=1, 管子为ф19×2mm ，所以Ft=1.5
2
u 2
u d
l 2
22
i
1⋅=∆⋅=∆ρξ
ρλP P ，
16824
00037
.0830
501.0015.0ud Re
i
=⨯⨯=
=
μ
ρi
查表得无缝钢管绝对粗糙度0.1～0.2mm ，取ξ为0.1mm ξ/d=0.1/19=0.0053
由R e 与ξ/d 查莫狄图得 λi ＝0.031 W/m ·℃，
a
k 30a 1110.12115.1311.253.8428a
5.23112
5
.08303a
3.84282
5
.0830015
.02031.0i
2
22
1P P P
P P P P ＜）（=⨯⨯⨯+=∆=⨯⨯
=∆=⨯⨯
⨯=∆∑
管程压降在允许范围之内。

②壳程压力降
.1,1'
2'1o
==∆+∆=∆∑Ft Ns FtNs
P P P
）（
壳程流通截面积
2
6
0o m
018.010
198273(150)8(=⨯⨯-⨯=⨯-⨯=-）d D B S
壳程流体流速及其雷诺数分别为
4524
0000133
.0127
.1559.3015.0e /m 559.3018.0127.13600/880.259u o o =⨯⨯=
=⨯=
R s
）
（
普朗特数
036.0686
.010
0133.01086.13
3
0=⨯⨯⨯=
-P
流体流经管束的阻力
Pa
P n f F u N n Ff P c o o
B c o 272.322
559
.3127.1)112(87337.05.08
7337
.045240.55.02
)1(2
'
1228
.02
'
1=⨯⨯
+⨯⨯⨯=∆==⨯==⋅+=∆-ρ
流体流过折流板缺口的阻力
Pa
407.5610.1205.669.201a
66.2052
559
.3127.1)27315025.3(122)h 25.3(559
.3)3600018.0127.1/(88.259S /01815.010
)198273(150)(S 273.0,15.0h 2
)B 25.3(o
2
2
'
2
002
6
002
'
2
=⨯⨯+=∆=⨯⨯
⨯-⨯=⋅-=∆=⨯⨯===⨯⨯-⨯=-===⋅-=∆∑-）（总压力降
P
P u D N P q u m
d n D h m
D m u D N P o B m c o
B ρρρ
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，℃55/80 120.2
定性温度，℃67.5 120.2
流量，kg/h 14000 259.880
流体密度，kg/m3830 1.127
汽化热kJ/ kg —2205
定压比热容，kJ/(kg·℃) 1.86 —
热导率，W/(m·℃) 0.135 0.686
黏度，Pa·s 3.7×10-4 1.33×10-5
流速，m/s 0.501 3．559
普朗特数—0.036
雷诺数16824 4524
传热量，kW 1808
传热温差，℃51.7
总传热系数，W/m2·K647.45
裕度，% 1.17
传热系数，W/（m2·℃）956 14912
污垢系数，m2·K/W 1.7197×10-40.8598×10-4阻力降，Pa 1110.12 407.56
程数 1 1
推荐使用材料碳钢碳钢
管子规格Ф19×2mm 管数53 管长m:2
管间距，mm 25 排列方式正三角形
折流板型式上下间距，mm 150 切口高度25% 壳体内径，mm 273 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任务。

五、参考文献
《化工原理第四版》，王志魁刘丽英刘伟编，化学工业出版社，2010.
《化工设备设计》，申迎华郝晓刚编，化学工业出版社，2009.
《化工物性算图手册》，刘光启等编著，化学工业出版社，2002.
《化工工程制图》，魏崇光郑晓梅编，化学工业出版社，1994.
《化工设备设计》，潘国昌郭庆丰编，清华大学出版社，1996.
《典型化工设备-机械设计指导》，茅晓东李建伟编，华东理工大学出版社，1995.
《工程制图》，赵大兴编，高等教育出版社，2009.。