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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列管式换热器设计说明书

2 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

列管式换热器设计说明书

3 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··········································································

列管式换热器设计说明书

4 一、方案简介

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。

列管式换热器设计说明书

5 二、方案设计

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1.4×104 kg/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Ts，查表得，200kPa的饱和水蒸气的饱和温度为Ts=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：℃＝＝5.6728055T

壳程流体的定性温度为： Ts=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 cpi=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=2.205×106 J/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

QT=qm1cp1(t2-t1)=14000×1860×(80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808×105 W

（2）冷却水用量 qm2= QT /ｒ0=1.808×105×3600/(2.505×106)=259.880kg/h

（3）平均传热温差 列管式换热器设计说明书

6 ℃7.51552.120802.120ln)552.120()802.120(ln't2121ttttm

（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/m2 . K）

假设K=600 W/m2 . K，则估算的传热面积为

25m''828.57.5160010808.1tmKQST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ui=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535.0015.0830360014.3414000ud4q22ovsN

按单管程计算，所需传热管长度为

L=S估／（3.14d0Ns）=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

NP=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Pt=1.25 d0 =1.25×19=23.75 mm ≈25mm

隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=Pt÷2+6=19mm

（4）壳体内径

取02.1db，按三角形排列，根8008.8531.1nC 列管式换热器设计说明书

7 壳体内径为

.6mm22019.212)18(252)1n(PtbDC

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

NB=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

m055.0.5114.3127.13600/80.82594u4d1）（V

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

m074.0214.38303600/140004d2）（

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

4/1e2/332o)dn(725.0tgr

tnldtAQ0

采用试差法估算o值：

a．假设o=10000 W/（m2·℃）,

CdQt050086.2532019.014.31000010808.1ln

tw=ts-△t=120.2-2.86=117.34℃

膜温t=（ts+tw）/2=(120.2+117.34)/2=118.8℃

水蒸气在118.8℃时，

密度 ρ=944.1 kg/m3

导热系数 λ0=0.686 W/(m·℃)