纯苯冷却器设计—课程设计

课程设计

课程设计题目：纯苯冷却器设计

化工原理课程设计任务书

一、设计题目：纯苯冷却器设计

二、设计任务及操作条件:

1 、设计任务：处理能力： 20000kg/h

设备型式：列管式

2、操作条件：○1纯苯液：入口温度80C0，进口温度为55C0；

○2冷却介质：35C0℃（入口）循环水；

○3允许压强降：管、壳程压强降不超过10Kpa;

3、物性参数：

3.设计计算内容：

（1）传热面积、换热管根数；

（2）确定管束的排列方式、程数、折流板等；

（3）壳体的内径；

（4）冷热流体进出口管径；

（5）核算总传热系数；

（6）管壳程流体阻力校核；

4．设计成果；

（1）设计说明书一份；

（2）换热器工艺条件图；

三、设计内容及时间安排

设计动员 0.5天

1、概述

2、设计方案的选择

3、确定物理性质数据 0.5天

4、设计计算内容：

计算总传热系数；计算传热面积 1.5天

5、主要设备工艺尺寸设计

（1）管径尺寸和管内流速的确定

（2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定

（3）接管尺寸的确定 1天

6、设计结果汇总

7、换热器工艺条件图 1天

8、设计评述

答辩 0.5天

四、图纸要求

列管式换热器工艺条件图

五、参考资料

1.上海医药设计院。化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986

目录

程设计成绩评定表........................ 错误！未定义书签。化工原理课程设计任务书.. (1)

第1章概述 (6)

第2章设计条件及主要物性参数 (7)

2．1设计条件 (7)

2．2物性参数 (7)

第3章确定设计方案 (8)

3．1选择换热器的类型 (8)

3．2流体空间选择 (8)

第4章工艺计算 (9)

4．1确定物性数据 (9)

4．2估算传热面积 (9)

4.2.1计算热负荷（忽略热损失） (9)

4.2.3 平均温度差m t 的计算 (9)

4.2.4估算传热面积 (9)

4.3工艺结构尺寸 (10)

4．3．1选管子规格 (10)

4．3．2总管数和管程数 (10)

4．3．3确定管子在管板上的排列方式 (10)

4．4．4壳体内径的确定 (10)

4.3.5确定实际管子数 (11)

4．3．6折流板的确定及绘管板布置图 (12)

4.3.7接管口径计算 (12)

4．3．8拉杆设置 (13)

第5章传热器校核 (13)

5．1传热面积校核 (13)

5．1．1传热温差校正： (13)

5．1．2总传热系数K的计算 (13)

5．2．2．1管内传热膜系数 (13)

5．2．2．2管外传热膜系数 (14)

5．2．2．3污垢热阻和管壁热阻 (15)

5．2．2．4总传热系数K (15)

5．1．3传热面积校核 (15)

5．2核算管、壳程流动阻力 (16)

5．2．1管程 (16)

5．2．2壳程 (16)

5．3壁温的计算 (18)

第6章设计结果汇总表 (20)

设计评述 (21)

设备图 (22)

参考文献 (24)

附录A (24)

附录B (27)

第1章概述

本设计的主要任务是设计纯苯液冷却器设计，处理能力为20000kg/h, 纯苯液的入口温度80C0，进口温度为55C0；冷却介质为35C0（入口）循环水：允许压强降为管、壳程压强降不超过10Kpa;根据苯和水的物性参数，假设水的出口温度为43C0，根据这些条件选择换热器，列管式换热器的类型主要有四种：

固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器和填料函式换热器，在这个设计中选固定管板式换热器。

固定管板式换热器的特点：

两端管板和壳体连接成一体，结构简单、紧凑、布管多，更换、造价低，管内便于清洗，应用广泛。

壳程不易清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。所以纯苯液走壳程，循环水走管程。

适合在管壳壁温差不大于50C0的情况下使用，当温差相差较大时可设置膨胀节。由于此设计的温差小于50C0,所以可以不用考虑热补偿.

第2章设计条件及主要物性参数

2．1设计条件

（1）处理能力：20000kg（纯苯液）/h；

（2）设备类型：列管换热器；

（3）操作条件：

○1纯苯液：入口温度80℃，进口温度为55℃；

○2冷却介质：35℃（入口）循环水；

○3允许压强降：管、壳程压强降不超过10Kpa; 2．2物性参数

第3章确定设计方案

3．1选择换热器的类型

两流体温度变化情况：

热流体进口温度80℃，出口温度55℃。

冷流体进口温度35℃，假设出口温度为43℃。

从两流体的温度看，换热器的管壁温度和壳体温度差不大，因此初步采用固定管板换热器。

3．2流体空间选择

因为热流体为苯，冷流体为水，为了使苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果，故使苯走壳程，另外，水也较易结垢，为便于提高流速减少污垢生成，以及便于清洗，故使水走管程。

第4章 工艺计算

4．1确定物性数据

苯的定性温度：C T T 0215.67255

802=+=+ 水的定性温度：

C t t 0

21392

43352+=+ 4．2 估算传热面积

4.2.1计算热负荷（忽略热损失）

Q=()=

-2111T T c q p m 20000

3600

×1.841×310×（80-55）=2.56×510J 公式1（参见附录，下同） 4.2.2冷却水用量（忽略热损失）

()()

kg t t c Q q p m 67.735431017.41056.23

5

1222

=-???=-=/s 4.2.3 平均温度差m t ?的计算

选取逆流流向

m t ?=1

2211221ln )()(t T t T t T t T -----=35

554380ln )3555()4380(-----=27.64℃ 公

式2

4.2.4估算传热面积

参照传热系数K 的大致范围，取K=500 W/（㎡·℃）

估

A =

m

t K Q ?=

6

.2750010 ×2.565?=18.52㎡

公式3

取实际面积为估算面积的1.15倍，则实际估算面积为：

实A =18.52×1.15=21.30㎡

4.3 工艺结构尺寸 4．3．1选管子规格

选取Φ25㎜×2.5㎜无缝钢管，管长l=3m 。 4．3．2总管数和管程数

总管数 n=

l d A 0π实

=3025.014.33

.21??=90.4≈90根 单程流速 u=n

d q v 2

4π

=

9002.04

14

.36.99267.72??=0.55m/s

单程流速可以达到传热效果，故采用单管程 4．3．3确定管子在管板上的排列方式

采用正三角形排列，管子与管板用焊接结构。 4．4．4壳体内径的确定

壳体内径为：()b n t D c 21+-= 公式4

管心距: t=1.250d =1.25×25≈32㎜

c n =1.1n =1.1×90=10.4≈11根

管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：b=1.50d =0.038

所以

=D ()m 396.003820111032.0=?+-? 按壳体标准圆整取D=400mm 4.3.5确定实际管子数

管板布置图见设备图1 换热器的实际传热面积

A=n π0d （l-0.1）=90×3.14×0.025×(3-0.1)=20.492m

估K =m t A Q ?=64

.2749.2010 ×2.565

?=452 W/（㎡·℃）

计算得的估K 与之前设的值有较大差异，所以要重新进行上述计算：

总管数 n=

l d A 0π实

=3025.014.349

.20??=87根 单程流速 u=n

d q v 2

4=

8702.04

14

.36.99267.72??=0.57m/s

壳体内径为：()b n t D c 21+-= 管心距: t=1.250d =1.25×25≈32㎜

c n =1.1n =1.1×87=10.3≈11根

管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：b=1.50d =0.038

所以：

=D ()m 396.003820111032.0=?+-? 按壳体标准圆整取D=400mm 4．3．6折流板的确定及绘管板布置图

折流板与壳体间隙：3.5mm 折流板直径：D=400-2×3.5=393mm

采用弓形折流挡板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度：10040025.025.0=?==D h

折流板数：=

B N 0

1.0h l --1=201.03000--1=13.5≈14

折流板间距：0h =200mm （0.2D 〈 0h 〈D ） 4.3.7接管口径计算

管程流体进出口接管。取管内流速u=1.8m/s

则接管内径 m u

q d v 074..08.114.36.99267

.7441=??

==

π 按管子标准取管程流体进出口接管规格为Φ81㎜×3.5㎜无缝钢管。

壳程流体进出口接管。取管内流速 u=1.8m/s

折接管内径 2d =

u

q v

π4=8

.114.36.828360020000

4???

=0.0689m 按管子标准圆整，取壳程流体进出口接管规格为Ф75㎜×3㎜无缝钢管。 4．3．8拉杆设置

选拉杆直径为16㎜，拉杆数量为4根。

第5章 传热器校核

5．1传热面积校核 5．1．1传热温差校正：

P =

1112t T t t --=35803543--=0.178 R =1

221t t T T --=334355

80--=3.125 公式5 根据P 、R 值，查温差校正系数图t ??=0.96，因t ??＞0.8，所以选用单壳程可行。 5．1．2总传热系数K 的计算 5．2．2．1管内传热膜系数

e R =

μ

ρ

du =

3

1067.06

.99257.002.0-???=16889

公式6

r P =

λ

μ

p c =632.01067.010174.433-???=4.42 公式7

流体被加热，取n=0.4

i α=0.023

4.08

.04.08

.042.41688902

.0632.0023.0???

=r e i

P R d λ

=3171W/(㎡·℃) 公式8

5．2．2．2管外传热膜系数

管子按正三角形排列，则传热当量直径为

m d d t d e 02.0025

.014.3)025.0414.3032.023(4)423(

4220202=??-?=-=ππ 公式9

壳程流通截面积 S=0h D （1-t

d 0）=0.2×0.4×（1-032.0025.0）=0.0176㎡ 公式10

壳程流体流速

i u =s m s q

v /38.00176

.06.828360020000=?=

R e =

μ

ρ

u d e =

3

10352.06

.82857.002.0-???=26835

P r =λ

μ

p c =129.010352.010841.13

3-???=5.02

壳程中苯被冷却，取（

w

μμ

）14.0=0.95 0α=0.36

14

.03

/155

.0)(

w

r

e

e

P R d μμλ

公式11

0α=0.36×

02

.0129

.0×26835055×5.023/1×0.95=1077W/(㎡·℃) 5．2．2．3污垢热阻和管壁热阻

查表管内、外侧热阻分别：R i =2.0×104-㎡·℃/W ，R 0=1.72×104-

㎡·℃/W 。已知管壁厚度δ=0.0025m;导热系数λ=45.4W/（m ·℃）。 5．2．2．4总传热系数K

K=000001

1

αλδα+

+++R d d d d R d d m i i i

i 公式12

=

1077

1

000172.05.224.45250025.020250002.020*******

+

+??+?+?

=564W/（㎡·℃） 5．1．3传热面积校核

所需的传热面 A ι

=m t K Q ?=64

.275641056.25??=16.4㎡

所以 ιA A =4

.1649

.20=1.25

即换热器有25%的面积裕度，在10%～25%范围内，能完成生产任务。

5．2核算管、壳程流动阻力 5．2．1管程；

∑△P i =（△P 1+△P 2）F t N s N p

公式13

已知F t =1.4；N s =1；N p =1；u i =0.57m/s ;R ei =16889(湍流)。 查表得λ=0.036

△P 1=λi d l 2

2

i u ρ=0.036×02.03×257.06.9922?=870.7 Pa

公式14

△p 2=1.5(2

2

i u ρ)=3×(257.06.9922

?)=241.9 Pa

公式15

∑△P i =(870.7+241.9)×1.4×1=1557.6 Pa ＜10kpa 5．2．2壳程

已知s F =1.15;N s =1;

∑△P 0=(△P ι

1+△P ι2)FsNs 公式16

△ P ι1=F 0f b(N B +1)2

2

0u ρ

公式17

管子按正三角形排列 F=0.5，b=1.1n=1.187=10.3 折流挡板间距

h=0.2m

折流挡板数 N

B

=14

壳程流通截面积 S`=

h(D-bd0)=0.2(0.4-10.3×

0.025)=0.0285㎡

壳程流速 u

0=

`

S

q

v=

0285

.0

6.

828

3600

20000

?

?

=0.235m/s

Re

0=

μ

ρ

u

d=

3

10

352

.0

6.

828

235

.0

025

.0

-

?

?

?=1.38×104＞500

f=5.0Re228.00-=5.0×(1.38×104)228.0-=0.569

公式18

所以△P'

1

=0.5×0.569×10.3×(14+1)×

2235 .0

6.

8282

?=1767Pa

△P'

2=N

B

(3.5-

D

B

2)

2

2

uρ

公式19

=19×(3.5-

4.015 .0

2?)×

2383 .0

6.

8282

?=801Pa

∑△P

=(1767+801)×1.15×1=2953Pa＜10kPa

计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。

5．3壁温的计算

换热器的壁温可由下式计算

2

121?+??+?=

m

m w t T t

公式20

已知=?=?21077W/(㎡·℃)；=?=?i 23171W/(㎡·℃)；

m T =C T T 02165556.0804.06.04.0=?+?=+

C t t t m 0122.38356.0434.06.04.0=?+?=+=

换热管平均壁温： C t w 0453171

10772

.383171651077=+?+?=

壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=w T C 065。壳体壁温与传热管壁温之差为：

C t 0204565=-=?

该温差小于C 050，所以不需要设置温差补偿装置。

第6章设计结果汇总