甲苯冷却器的化工原理设计说明书

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 (3)

1.1 设计目的 (3)

1.2 设计任务 (3)

3.3 设计内容方案 (3)

2 工艺计算及主要设备设计 (4)

2.1 估算传热面积 (4)

2.1.1 基本物性数据查取 (4)

2.1.2 热负荷计算 (4)

2.1.3 确定流体流径 (5)

2.1.4 计算平均温度差 (5)

2.1.5 选取K值，估计传热面积 (5)

2.2 工艺结构尺寸 (5)

2.3 初选换热器型号 (6)

2.4 换热器核算 (7)

2.4.1 热流量核算 (8)

2.4.2 壁温核算 (9)

2.4.3 换热器内流体流动阻力 (10)

3 设计结果 (11)

3.1 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、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。

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①标题页；②摘要；③目录；④前言；⑤任务书⑥工艺计算及主要设备计算⑦设计结果⑧主要符号说明⑨参考书目

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=℃??

?

??+24090=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

Ρh =873 kg/m 3

Cp h =1.57kJ/(kg·) λh=0.1273W/(m·

)

μh=0.000454Pa·s 密度 定压比热容 导热系数 粘度

Ρc =995.7 kg/m3 Cp c =4.174kJ/(kg·) λc=0.6176W/(m·

)

μc =0.000801Pa·s

2.1.2 热负荷计算 甲苯质量流量

s kg s kg q h

m /929.1/3600

243001057

,=???= w w T T c q Q h p h m t 5321,,105143.1501057.1929.1)(?=???=-= 忽略热损失，冷却水耗量

s kg t t c Q q c p t c

m /628.320

10174.4105143.1)(3

5

12,,=???=-=

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 ℃℃4090→ 冷却水 ℃℃2535←

55℃ 15℃

℃79.3015

55

ln 1555ln 1212=-=???-?=?t t t t t m 2.1.5 选K 值，估计传热面积

参照表格，取)./(4002

℃m w k =，则

25

m 295.1279

.30400105143.1=??=?=

m t t K Q S 2

14.14295.1215.115.1m S S =?=?=实际 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

选用

25×2.5mm 较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u 0= 0.4m/s 。 2、管程数和传热管数

根ππ304.002.04

7

.995628.34/22≈??÷==

i i s u d v q N

按单程管计算，所需的传热管长度为

m N d s L s 530

025.014.3295

.120=??==

π 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p N =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=1.25d 0，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 ）。 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 6301.1≈=c n

则壳体内径为

mm D 878.160025.05.12)16(32=??+-?= 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mm h 5020025.0=?= 折流板间距

,则 mm B 15020075.0=?=

折流板数 块29115

.05

.41=-=-=B L N B 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u 1＝0.4m/s ，则接管内径为：

m V D 064.04

.014.34.873929

.144.041=??

=??=π 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 u ＝0.7 m/s ，则接管内径为

m D 0812.07

.014.37.995628

.342=??

=

圆整后可取管内径为90mm 。 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N p 1 管子排列方式 正三角形 管程流通面积 0.0119m 2

采用此换热面积的换热器，要求过程的总传热系数为：

℃）（./34879.3014.14105143.125

00m W t S Q k m t =??=??= 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：

230010338.5)032

.0025.01(1.005.0)1(m t d D z S -?=-??=-

?= 壳程流体流速及其雷诺数分别为：

s m u /277.010

338.54

.873293.13

0=?÷=- 10658000454

.04

.873277.002.0Re 00000=??==

μρu d 普朗特数：

599.51273

.0000454.01057.1Pr 30

=??==

λ

μp c

粘度校正：

℃./76.53195.0559.51065802

.01273

.036.0[25.055.00m w =????

=α b 管内表面传热系数：

管程流体流通截面积：2

1003.0m s =

管程流体流速及其雷诺数分别为：

s m u /2145.1003

.07

.995628.31=÷=

30194000801

.07

.9952145.102.0Re 1

1

111=??=

=

μρu d

普朗特数：

41.56176

.000081

.010174.4Pr 3=??=

c i p c λμ ℃./5340]41.53019402

.06176

.0023.0[24.08.01m w =???

=α

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 R 0=0.000172 m 2·℃/W 管内侧污垢热阻 R i =0.000170m 2·℃/W 管壁热阻可忽略

d 总传热系数K

℃./139.40076.5311

000172.002.0025.000017.002.05340025.011

1

20

000m w R d d R d d K i i i =+

+?+?=

+

++=

αα

15.1348

139

.400==选计k k 故所选择的换热器是合格的，安全系数为

%15%100348

348

139.400≈?-

2.4.2 壁温核算 液体的平均温度m t 和m T 分别

℃30=m t

℃65=m T

℃./53402

m w i

c ==αα ℃./53220m w h ==αα

传热管平均壁温 ℃3.33532

1534015323053406511

=++=++=h c h m c

m w t T t αααα 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=T m T =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=30194，传热管相对粗糙度0.2/0.02=0.01，查莫狄图得i λ=0.04， 流速u i

=1.2145m/s

b 壳程阻力

6

301.1,29,5.0=?===c B n N F

0745.0Re 5228

.00

0=?=-f

s m u /277.00=

则 Pa p 3.224,

1=?

m D m z 2.0,1.0==

则 Pa p 3.2429,

2=?

，其中,

则 a 9096.29180KP Pa p ＜=?∑

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 ） 23.80 17.54 进/出温度/℃ 25/35 90/40 压力/ kP a

≤90 ≤90 物

性 定性温度/℃ 30 65.5 密度/（kg/m 3） 995.7 809 比热容/（kJ/（kg·K））

4.174 1.890 粘度/（Pa·s） 0.000801 0.000355 热导率/〔w/（m·K）〕

0.6176 0.145 普朗特数 5.41 4.63

设 备 结 构 参 数

形式 固定管板式

台数 1 壳体内径/mm 213 壳程数 1 管径/mm ф25×2.5 管心距/mm 32 管长/mm 4500 管子排列 △ 管数目/根 30 折流板数/个 29 传热面积/m 2

14.14

折流板间距

/mm

100

管程数 1 材质 碳钢

主要计算结果 管程 壳程 流速/（m/s ）

1.62 0.82 表面传热系数/〔w/（m 2·K）〕

6741 1353 污垢阻力/（w/m 2·K）

0.000170 0.000172 阻力/P a 87802

20456

热流量/kW 995 传热温差/K 48.29 传热系数/〔w/（m 2·K）〕

764

主要符号说明：

P 压力，Pa ； Q 传热速率，W ； R 热阻，m 2·K/W； Re 雷诺准数； S 传热面积，m 2； t 冷流体温度，℃； T

热流体温度，℃； u

流速，m/s ； m

q

质量流速，kg/h ； h

表面传热系数W/(m 2·K)； ?

有限差值； λ 导热系数，W/(m·K)；

μ

粘度，Pa·s； ρ

密度，kg/m 3； ?

校正系数 R 转速，n/(r/min) H 扬程，m △t m 平均传热温差，℃ A 实际传热面积，m 2

Pr 普郎特系数 N B

板数，块 K 总传热系数，W/(m 2·K)

v

q

体积流量 N t 管数，根 Np 管程数 l 管长，m

K C 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师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；

老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。

而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次设计。

因为我的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课设的评阅。