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1、化工原理课程设计（一）碳八分离工段原料预热器设计 学生姓名： 学校： 专业班级：101 学号：10412041 指导老师： 目 录一、设计任务书3二、概述及设计方案简介41.碳八芳烃分离工艺简介42.换热器简介4三、设计条件及主要物性参数71.设计条件72.主要物性参数7四、工艺设计计算91.估算传热面积92.选择管径和管内流速113.选取管长、确定管程数和总管数124.平均传热温差校正及壳程数135.传热管排列146.管心距157.管束的分程方法158.壳体内径169.折流板和支承板1610.其它主要附件1711.接管17五、换热器核算171.热流量核算172. 传热管和壳体壁温核算243.
2、 换热器内流体阻力计算26六、设计自我评述31七、参考文献32八、主要符号表32八、附录33附录1 工艺尺寸图33附录2工艺流程图34一、设计任务书化工原理课程设计任务书姓名：王亮 班级：化工101碳八分离工段原料预热器设计冷流体：液体（流量15Koml/h）组成摩尔分率乙苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯18% 18% 40% 24% 加热水蒸气压力为 12由20加热到162要求管程和壳程压差均小于50KPa,设计标准式列管换热器二、概述及设计方案简介1.碳八芳烃分离工艺简介碳八芳烃分离即C8芳烃分离，根据工业需要将碳八芳烃分离成单一组分或馏分的过程。C8芳烃分离的主要目的是活的经济价值较高的
3、对二甲苯和邻二甲苯。因此，C8芳烃分离有常常与碳八芳烃异构化结合在一起，以获得更多的对、邻二甲苯。在个别情况下，也要分离出高纯度的乙苯、苯乙烯。各种C8芳烃间沸点很接近难以用一般的精馏方法分离，各种C8芳烃沸点如表所示。乙苯和邻二甲苯沸点与对、间二甲苯的相差较大，可以通过精馏的方法分离。C8芳烃分离顺序是：首先蒸馏出沸点较低的乙苯，在蒸馏分出沸点较高的邻二甲苯。所剩对二甲苯和间二甲苯混合物，可因熔点不同，采用低温结晶或吸附法分离。分离出的乙苯，邻、间二甲苯颗单独进行化工利用，也可异构化。根据对产品种类要求的不同，还可采用其他分离程序。2.换热器简介换热器，是工业生产中要实现热量交换而采用的一种
4、交换热量的设备。是化工、石油、动力、轻工、机械、冶金、交通及其他许多工业部门的通用设备。它不仅可以单独作为加热器，冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备。化工生产中所用的换热器按其用途可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分四大类，即间壁式、直接接触式、蓄热式和中间载热体式。这四类换热器中，间壁式换热器中的列管式换热器应用最多。 列管式换热器又称管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。它的突出优点是单位体积设备所能提供的传热面积大，
5、传热效果也较好。由于结构坚固，而且可以选用的结构材料范围也比较宽广，故适应性强，操作弹性较大。尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定在管板上，在管壳式换热器内进行换热器的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；另一种在管外流动，其行程称为壳程，管束的壁面即为传热面。 为了提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板，折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。 流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一
6、个壳程。为提高管内流体速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成若干组。这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为夺管程。同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向挡板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。根据所采用的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几种主要类型： 固定管板式换热器： 当冷热两流体温不大时，可采用固定管板的结构型式。这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。但由于壳程不易清洗或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。对于温差较大的而且壳体承受压力不太高时，可在壳体壁上安装膨胀节以减少热应力。 浮头式换热器： 这种换热器中两端的管板，有一端不与壳体相连，可以沿管长
7、方向自由浮动，故称浮头。当壳体和管束因温差较大而热膨胀不同时，管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩，从而解决热补偿问题而另外一端的管板又是以法兰与壳体相连接的，因此，整个管束可以由壳体中排卸出来，便于清洗和检修。所以，浮头式换热器是应用较多的一种，但结构比较复杂，金属耗量多，造价也较高。 U型管式换热器： U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。填料函式换热器： 填料函式换热器的结构
8、特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可以从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。其其缺点是填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清洗且压力不高的场合。釜式换热器 釜式换热器的结构特点是在壳体上部设置适当的蒸发空间。同时兼有蒸气室的作用。管束可以为固定管板式、浮头式或U形管式。釜式换热器清洗维修方便，可处理不清洁、
9、易结垢的介质，并能承受高温、高压。它适用于液-气式换热，可作为最简单结构的废热锅炉。管壳式换热器除上述五种外，还有插管式换热器、滑动式换热器等其他类型。三、设计条件及主要物性参数（1）设计任务及条件碳八分离工段原料预热器设计，对冷工艺物流（乙苯18%，对二甲苯18%，间二甲苯40%，邻二甲苯24%，以上均为摩尔分率）进行预热（由20 oC加热至162 oC），流量为15kmol/h，加热水蒸气压力为12kg/cm2. 要求管程和壳程压差均小于50kpa，试设计并选择标准式列管换热器。（2）选择换热器类型流体温度的变化情况：混合流体进口温度为20 oC，出口温度为162 oC，加热水蒸气进口压力
10、为12kg/cm2，查表得对应饱和蒸汽温度为 oC。出口温度不变，但发生相变，转化为水。由于管程和壳程压差均小于50KPa，可考虑用固定管板式，但因为这种装置只用于管壁温与壳体壁温之差低于60-70 oC，而任务中混合流体由20 oC加热至162 oC，管壁温度和壳体温度有较大的温差，因此，确定选用浮头式换热器。（3）流程安排因为饱和蒸汽比较清净，表面传热系数与流速无关且冷凝液容易排出。所以饱和蒸汽宜走壳程。还有黏度大的流体宜走壳程，而该工艺混合液体的黏度（0.5-1）10-3Pas。综合考虑，该混合流体走管程，水蒸气走壳程。物性参数（1）定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取
11、流体进出口温度的平均值。而查得C8芳烃混合流体的各组成粘度都很低，故管程混合液体的定性温度为 （）壳程饱和蒸汽在12kg/cm2压力下的定性温度为 （）根据定性温度分别查到管程和壳程流体的有关物性数据。如下表表1 加热水蒸气在12kg/cm2(oC)下的物性参数密度 kg/m3定压比热容Cp 4.450 kJkg-1k-1焓H 2788.5 kJkg-1k-1汽化热r 1990.6 kJkg-1热导率 1 wm-1 k-1黏度1.4610-5 Pas表2 混合液在91下的物性参数密度810 kg/m3定压比热容Cp3 kJkg-1k-1热导率 wm-1 k-1黏度510-3 Pas表3 流体物
12、性参数C8芳烃沸点（oC）凝固点（oC）乙苯-间二甲苯对二甲苯邻二甲苯表4 设计条件冷流体加热水蒸气进口温度t120 oC oC出口温度t2162oC oC定性温度tm91 oC oC四、工艺设计计算1.估算传热面积（1）换热器的热流量换热器的热流量是指在确定的物流进口条件下，使其达到规定的出口状态，冷流体和热流体之间所交换的热量，或是通过冷、热体的间壁所传递的热量。在热损失可以忽略不计的条件下，对于无相变的物流，换热器的热流量由下式确定：（）式中热流量.W;工艺流体质量流量，kg/s工艺流体的定压比热容kJkg-1k-1工艺流体温度变化，K Kg/s=t2-t1=162-20=142 K热流
13、量（2）对于有相变化的单组份饱和蒸汽冷凝过程，其热流量衡算可表示为 （） 式中蒸汽冷凝质量流量，kg/s饱和蒸汽冷凝热，kJ/kg则加热水蒸气的用量 Kg/s(3)平均传热温差平均传热温差是换热器的传热推动力。其值不但和流体的进出口温度有关，而且还与换热器内两种流体的流型有关。对于列管式换热器，常见的流型有3种：并流、逆流和折流。对于并流和逆流，平均传热温差均可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示， 即 ： ()式中逆流或并流的平均传热温差，K； 根据流型计算；折流情况下的平均传热温差可先按纯逆流情况计算，然后加以校正，即 () 式中 折流情况下的平均传热温差，K； 温度校正系数；由于在相同德流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以在工程上，若无特殊需要，均采用逆流。则平均传热温差按逆流计算得=75.8 （4）估算传热面积在估算传热面积时，可以根据冷热流的具体情况，参考换热器传热系数的大致范围，假设一K值，估算传热面积Ap为（）式中 Ap估算传热面积，m2； K假设传热系数系数，W/（m2k）； 平均传热温差，K假设k=600 wm-1 k-1，则估算得传热
