化工原理课程设计-苯加热器设计

系：班级：姓名：学号：

完成时间：年月日

列管式换热器设计说明书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1.4×104kg/h。加热介质采用的是具有200kPa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2列管式换热器设计说明书目录一、方案简介································································4二、方案设计································································51、确定设计方案·····························································52、确定物性数据·····························································53、计算总传热系数···························································54、工艺结构尺寸·····························································65、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··········································································3列管式换热器设计说明书一、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。

4列管式换热器设计说明书二、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1.4×104kg/h。加热介质采用的三具有200kPa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：

T＝

5580

＝67.5℃2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=830kg/m3定压比热容cpi=1.86kJ/(kg·℃)热导率λi=0.135W/(m·℃)粘度μi=0.00037Pa·s（2）饱和水蒸气在120.2℃下的物性数据：密度ρ0=1.127kg/m3比汽化热ｒ0=2.205×106J/kg热导率λ0=0.686W/(m·℃)粘度μ0=0.0000133Pa·s

3．计算总传热系数

（1）热流量QT=qm1cp1(t2-t1)=14000×1860×(80-55)/3600=668500kJ/h=1.808×105W（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5列管式换热器设计说明书t'm

t1t2(120.280)(120.255)

51.7℃t1120.280lnln

120.255t2（4）初算传热面积由水蒸气冷凝有机物，有机物黏度为0.00037Pa·s，查表4-7得

K值大致范围为500～1200（W/m2.K）

假设K=600W/m2.K，则估算的传热面积为

S

''估QT1.8081055.828m2Ktm60051.7

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2,4m/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

Ns

4qvdo2u



140004

53根

3.1436008300.01520.5

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）=1.8m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=1.25d0=1.25×19=23.75mm≈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b1.2d0，按三角形排列，nC1.1538.0088根

6列管式换热器设计说明书壳体内径为

DPt(nC1)2b25(81)21.219220.6mm

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＝70mm。取折流板间距B＝0.5D

B＝0.5×273＝136.5mm，可取B为150mm。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＝1.5m/s，则接管内径为

d1

4Vu4259.880（/36001.127）

0.055m

3.141.5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

d2

414000（/3600830）

0.074m

3.14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

r2g31/4o0.725(2/3)ndetQAtd0ltn

采用试差法估算o值：a．假设o=10000W/（m2·℃）,

Q1.808105t2.860C

0d0ln100003.140.019253

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=944.1kg/m3导热系数λ0=0.686W/(m·℃)

7列管式换热器设计说明书黏度

μ0=0.0002402Pa·s

22.205106944.129.810.68631/4W/（m·℃）o0.725(2/3)13468.2

8240.21060.0192.86

估算值与计算值相差较大，需再次试差。b．假设o=15000W/（m2·℃）,

Q1.808105t1.910C

0d0ln150003.140.019253tw=ts-△t=120.2-1.91=118.3℃

膜温t=（ts+tw）/2=(120.2+118.3)/2=119.2℃

水蒸气在119.2℃时，密度ρ=943.7kg/m3导热系数λ0=0.686W/(m·℃)黏度μ0=0.0002391Pa·s

22.205106943.729.810.68631/4W/（m·℃）o0.725(2/3)14912

8239.11060.0191.91

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14912W/2

（m·℃）②管程传热膜系数

i0.023

i0.80.4RePrdi管程流通截面积

Si0.7850.0152539.36103m2管程流体流速

14000（/3600830）

0.501m/s

0.00936

雷诺数uiRei

udi0.0150.501830

168580.00037普朗特数

1.861030.00037

Pr5.10

0.135

0.135

i0.023168580.85.100.4956W/(m2℃）

0.02cpu

③污垢热阻和管壁热阻查附录19得：

8列管式换热器设计说明书420管外侧污垢热阻R00.859810mC/W

管内侧污垢热阻Ri1.7197104m20C/W管壁厚度b=0.002m

碳钢热导率为45W/(m·℃)

K

1

dodbd1＋Rio＋o＋Rso＋idididmo1

0.0190.0020.0191＋＋0.8598104＋0.015450.01714912

0.019＋1.71971049560.015647.45W（/m2℃）

④传热面积S

QT1.808105S5.401m2Ktm647.4551.7

该换热器的实际传热面积S

Sdoln3.140.0192536.324m2该换热器的面积裕度为S6.3241.17S5.401

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=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp

Ns=1,Np=1,管子为ф19×2mm，所以Ft=1.5

lu2u2P，P21id22Rei

udi0.0150.501830

168240.00037

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Re与ξ/d查莫狄图得λi＝0.031W/m·℃，

9列管式换热器设计说明书28300.52P10.031428.83Pa

0.01528300.52P23311.25Pa

2（428.83311.25）1.5111110.12Pa＜30kPaPi

管程压降在允许范围之内。②壳程压力降

P

o（P1'P2'）FtNs

Ns1,Ft1.0

壳程流通截面积

SoB(D8d0)150(273819）1060.018m2壳程流体流速及其雷诺数分别为

uo

259.880（/36001.127）

3.559m/s

0.018

0.0153.5591.127Reo4524

0.0000133普朗特数

1.861030.0133103P00.036

0.686流体流经管束的阻力

2uo'P1Ffonc(NB1)

2F0.5

fo5.045240.2280.7337nc8

1.1273.5592P0.50.73378(121)272.32Pa

2流体流过折流板缺口的阻力

'12BuoPNB(3.5) h0.15m,D0.273m

D2S0h(Dncd0)150(273819)1060.01815m2'22u0qm/S0259.88/(1.1270.0183600)3.559

2huo21501.1273.5592PNB(3.5)12(3.5)205.66Pa

D22732

总压力降Po（201.9205.66）1.01407.56 Pa

'2210列管式换热器设计说明书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

2

换热面积（m）:5.828名称物料名称操作压力，Pa

进（出）口温度，℃定性温度，℃流量，kg/h

3

流体密度，kg/m汽化热kJ/kg

定压比热容，kJ/(kg·℃)热导率，W/(m·℃)黏度，Pa·s流速，m/s普朗特数雷诺数传热量，kW传热温差，℃

2

总传热系数，W/m·K裕度，%

2

传热系数，W/（m·℃）污垢系数，m2·K/W阻力降，Pa程数

推荐使用材料管子规格Ф19×2mm管间距，mm25折流板型式上下壳体内径，mm273

表格1工艺参数管程纯苯未知55/8067.514000830—1.860.1353.7×10-40.501—16824180851.7647.451.17956

1.7197×10-41110.121碳钢管数53排列方式

间距，mm150保温层厚度，mm

壳程

饱和水蒸气未知120.2120.2259.8801.1272205—0.6861.33×10-53．5590.0364524

14912

0.8598×10-4407.561碳钢管长m:2正三角形切口高度25%未知

11列管式换热器设计说明书四、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。

12列管式换热器设计说明书五、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.

13