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1、太原工业学院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1.4104 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42、 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73、 设计结果一览表104、 设计总结 125、
2、参考文献13附图一、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
3、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。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1.4104 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,
4、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:壳程流体的定性温度为: T
5、s=120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 i=830 kg/m3定压比热容 cpi=1.86 kJ/(kg)热导率 i=0.135 W/(m)粘度 i=0.00037 Pas(2)饱和水蒸气在120.2下的物性数据: 密度 0=1.127 kg/m3比汽化热 0=2.205106 J/kg热导率 0=0.686 W/(m)粘度 0=0.0000133 Pas 3计算总传热系数 (1)热流量QT=qm1cp1(t2-t1)=140001860(80-55)/3600 =668500 kJ/h =1.808105 W(2)冷却
6、水用量 qm2= QT /0=1.8081053600/(2.505106)=259.880kg/h(3)平均传热温差 (4)初算传热面积 由水蒸气冷凝有机物,有机物黏度为0.00037 Pas,查表4-7得K值大致范围为 5001200(W/m2 . K)假设K=600 W/m2 . K,则估算的传热面积为4、工艺结构尺寸 (1)管径和管内流速选用192mm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 按单管程计算,所需传热管长度为L=S估(3.14d0Ns)=5.828(3.
7、140.01953)=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 =1.2519=23.75 mm 25mm隔板中心到离其最近一排管中心距离Z=Pt2+6=19mm(4)壳体内径 取,按三角形排列,壳体内径为 圆整可取D273mm (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:h0.2527368.25mm,故可取h70 mm。 取折流板间距B0.5DB0.5273136.5mm,可取B为150 mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=2000
8、/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 u1.5 m/s,则接管内径为 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 u2m/s,则接管内径为 圆整后可取管内径为80mm5换热器核算 (1)传热面积校核 壳程传热膜系数 采用试差法估算值:a假设=10000 W/(m2),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 =944.1 kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002402 Pas W/(m
9、2)估算值与计算值相差较大,需再次试差。b假设=15000 W/(m2),tw=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 =943.7 kg/m3导热系数 0=0.686 W/(m)黏度 0=0.0002391 Pas W/(m2)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/(m2)管程传热膜系数 管程流通截面积管程流体流速 普朗特数污垢热阻和管壁热阻查附录19得:管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁厚度b=0.002 m碳钢热导率为45 W/(m)传热面积S该换热
10、器的实际传热面积S该换热器的面积裕度为 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 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, 管子为192mm,所以Ft=1.5查表得无缝钢管绝对粗糙度0.10.2mm,取为0.1mm/d=0.1/19=0.0053由Re与/d查莫狄图得i0.031 W/m, 管程压降在允许范围之内。壳程压力降壳程流通截面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为 普朗特数流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 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
11、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,55/80120.2定性温度,67.5120.2流量,kg/h14000259.880流体密度,kg/m38301.127汽化热kJ/ kg2205定压比热容,kJ/(kg)1.86热导率,W/(m)0.1350.686黏度,Pas3.710-41.3310-5流速,m/s0.5013.559普朗特数0.036雷诺数168244524传热量,kW1808传热温差,51.7总传热系数,W/m2K647.45裕度,%1.17传热系数,W/(m2)95614912污垢系数,m2K/W1.719710-40.859810-4阻力降,Pa1110.12407.56程数11推荐使用材料碳钢碳钢管子规格192mm管数53管长m:2管间距,mm25排列方式折流板型式上下间距,mm150切口高度25%壳体内径,mm273