化工课程设计 水蒸气加热苯列管式换热器的设计docx.docx
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化工课程设计水蒸气加热苯列管式换热器的设计docx
学号
0120920390131
课程设计
题目水蒸气加热苯列管式换热器的设计
学院化学工程学院
专业班级化工0901班
姓名
指导老师
2010年9月
课程设计任务书
学生姓名：
赵蓉专业班级：
化工0901班
指导教师：
张光旭工作单位：
化学工程学院
题目:
水蒸气加热苯列管式换热器的设计
一、工艺条件
用150KPa的饱和水蒸气将20℃的苯加热到75℃，苯的质量流量为45t/h，试设计一列管式换热器，要求其管程压降小于70kPa。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、合理的参数选择和结构设计；
2、工艺计算，包括传热计算和压降计算等；
3、主要设备工艺尺寸设计。
时间安排：
设计内容所用时间
1、根据换热任务和有关要求确定设计方案；1天
2、初步确定换热器的结构和尺寸；1天
3、核算换热器的传热面积和流体阻力；1天
4、确定换热器的工艺结构；1天
5、写出设计说明书。
1天
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
前言
在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程中的一种设备，统称为换热器，它是化工炼油，动力，原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备，对于迅速发展的化工，炼油等工业生产来说，换热器尤为重要，换热器随着使用目的的不同可以把它分为：
热交换器，加热器，冷却器，冷凝器，蒸发器和再沸器等。
本设计的主要任务是完成满足某一生产要求的管壳式换热器，它是属于列管式换热器的一种，是利用间壁使高温流体和低温流体进行对流传热从而实现物料间的热量传递。
换热器的工艺设计计算有两种类型，即设计计算和校核计算，包括计算换热面积和造型两方面。
设计计算的目的是根据给定的工作条件及热负荷，选择一种适当的换热器类型，确定所需的换热面积，进而确定换热器的具体尺寸。
校核计算的目的则是对已有的换热器校核它是否满足预定要求，这是属于换热器性能计算问题。
无论是设计计算还是校核计算，所需的数据包括结构数据、工艺数据和物性数据三大类。
其中结构数据的选择在换热器设计中最为重要。
对于列管式换热器的设计包括壳体型式、管程数、管子类型、管长、管制排列形式、折流板型式、冷热流体流动通道等方面的选择。
工艺数据包括冷热流体的流量、进出口温度、进口压力、允许压力降及污垢系数。
物性数据包括冷热流体在进出口温度或定性温度下的的密度、比热容、粘度、导热系数等。
本设计针对饱和水蒸气加热苯的问题设计一列管式换热器。
本设计包括三个部分：
说明部分、计算部分、绘图部分。
本设计主要是说明部分。
说明部分主要是通过对苯生产任务的确定，最后确定水蒸汽的用量及换热器的结构，说明了此换热器的工作环境，工作条件，适用范围及技术要求等。
计算部分主要是对针对所选的换热器在满足生产要求的情况下进行工艺核算，最大可能的减小投入和增加收益，本设计就是为完成以上任务而进行的计算。
绘图部分主要是遵照计算的要求在绘图纸上按照一定的比例要求把所设计的换热器反映到图纸上来，使设计更清晰易懂。
1.1列管式换热器型式的选择
1.2流程的选择
1.3流速的选择
1.4热补偿
1.5流向的选择
2换热器的设计计算
2.2.1热负荷
2.2.3总传热系数
2.2.4计算传热面积
2.3工艺结构尺寸
2.3.1管径和管内流速
2.3.2管程数和传热管数的计算
2.3.3传热管排列和分程方法
2.3.4壳体内径
2.3.5折流板
2.3.6接管
2.3.7．拉杆
2.3.8数据汇总
3．换热器核算
3.1热量核算
3.1.1传热系数K的核算
3.1.2传热面积S的核算
3.1.3壁温的核算
3.2换热器内压降的核算
3.2.1管程压力降
3.2.2壳程压力降
4.设计结果三线表
5.固定管板式换热器图及列管排列图示例
6后记
1.设计方案的确定
1.1列管式换热器型式的选择
本次设计任务是用150KPa的饱和水蒸汽（约110℃）将20℃的苯加热到75℃，估计管壁温和壳壁温之差不大，再加上所受压力较小，因此选用固定管板式换热器。
固定管板式换热器具有结构简单和造价优廉的特点，且壳程流体为水蒸气，故不存在壳程不易清洁的问题。
1.2流程的选择
选苯走管程，饱和水蒸汽走壳程。
原因：
饱和水蒸汽宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷却效果；苯具有易挥发、易燃的特点，其蒸汽有爆炸性，且粘度比水大，为避免其泄露和提高对流传热系数，选苯走管程。
采用逆流形式。
1.3流速的选择
表1列管式换热器易燃、易爆液体和气体允许的安全流速
液体名称
乙醚、二氧化碳、苯
甲醇、乙醇、汽油
丙酮
氢气
安全流速，m/s
<1
<2~3
<10
≦8
表2不同黏度流体的流速（以普通钢管为例）
流体黏度μ/[×10
N·s/m
]
最大流速（m/s）
流体黏度μ/[10
N·s/m
]
最大流速
（m/s）
＞1500
0.6
100~35
1.5
1500~500
0.75
35~1
1.8
500~100
1.1
﹤1
2.4
故选管程流速u1=0.7m/s
2换热器的设计计算
2.1确定物性数据
定性温度：
可取流体进出口温度的平均值
管程苯的定性温度t=（20+75）/2=47.5℃
壳程水蒸汽的定性温度T=（110+110）/2=110℃（150kPa绝压下的水蒸汽T=110℃）
根据定性温度，分别查表可得有关物性数据：
物
质
物
性
苯（47.5℃）
饱和水蒸汽（110℃）
比热容Cp[kJ/（kg•℃）]
1.763
2.177×103
密度ρ（kg/m
）
856.11
0.8254
黏度μ（pa•s）
4.412×10-4
1.242×10-5
导热系数λ[w/（m•℃）]
0.1407
2.489×10-2
2.2估算传热面积
2.2.1热负荷
Q=Whr=WcCpc（t2-t1）=45×103/3600×1.794×103×（75-20）=1233375W
水蒸汽流量
Wh=Q/r=1233375/1000/2232.0=0.5526kg/s
2.2.2平均传热温差
式中：
Δt1=110-20=90℃Δt2=110-75=35℃
Δt1/Δt2=90/35>2,故：
Δtm=（90-35）/ln（90/35）=58.23℃
2.2.3总传热系数
利用化工手册，根据两种流体的性质，可查出换热器总传热系数，取其值为K=582―1162W/（m2·℃）之间,选取K=650W/（m2·℃）。
2.2.4计算传热面积
S=Q/（K×Δtm）=1233375/（650×58.23）=32.5863m2
考虑15%的面积裕度，S=1.15×S=1.15×32.5863=37.4742m2
2.3工艺结构尺寸
2.3.1管径和管内流速
选用Φ25×2.5mm的列管（碳钢），取管内流速u1=0.7m/s。
2.3.2管程数和传热管数的计算
依据传热管内径和流速确定单程传热管数
ns=Vs/（Π／4×di2×u1）=45×1000/3600/856.11/（3.14/4×0.022×0.7）≈67根
按单程管计算，所需的传热管长度
L=S/（Π×d0×ns）=37.4742/（3.14×0.025×67）=7.1250m
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
现取传热管长L=4.5m，则该换热器管程数为
Np=L/l=7.1250/4.5≈2（管程）
传热管总根数：
N=67×2=134根
2.3.3传热管排列和分程方法
正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗，故采用正三角形的排布方式，管与管板采用焊接的结构。
取管心距t=1.25d0=1.25×25≈32mm
横过管束中心线的管数
nc=1.1N1/2=1.1×1341/2≈13根
2.3.4壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.75，参考《化工单元过程及设备课程设计》,壳体内径
D=1.05t×（N/η）1/2=1.05×32×（134/0.75）1/2=449.1186mm
根据国家标准，圆整可取D=600mm。
换热器的长度与壳体直径之比L/D=4.5/0.5=9,在卧式装置推荐范围内，故采用卧式装置。
2.3.5折流板
采用弓形折流板，取圆缺形折流板面积为壳体面积的25%，则切去圆缺高度为：
H=0.25D=0.25×600=150mm
取折流板间距B=0.3D=0.3×600=180mm
根据国家标准取板间距为200mm。
折流板数：
NB=L/B-1=4500/200-1≈22块
2.3.6接管
壳程流体进出口接管：
取接管外水蒸气的流速为u=8.0m/s，则接管内径为:
d=（4V/Πu）1/2=（4×0.5526/0.8254/3.14/8.0）1/2=0.3265m
取管子标准圆整,取d==400mm
管程流体进出口接管：
取接管内苯的流速为u=0.7m/s，则接管内径为
d=（4V/Πu）1/2=（4×45000/3600/856.11/3.14/0.7）1/2=0.1630m
取管子标准圆整,取d==170mm
2.3.7．拉杆
选拉杆直径为12mm，拉杆数量为6根。
2.3.8数据汇总
根据以上的计算可以得到如下的计算结果：
DN,mm
600
管程数
2
壳程数
1
管子规格
25*2.5
管子根数
134
中心排管数
13
管程流通面积，m2
0.0364
换热面积，m2
37.4742
换热器长度，mm
4500
3．换热器核算
3.1热量核算
3.1.1传热系数K的核算
（1）壳程对流传热系数
蒸汽在水平管束外冷凝，可采用凯恩（Kern）估算式，根据两流体温度与传热系数，假设tw=90℃
=0.725×﹛（68.50×10-2）3×951.0;2×9.81×2232.0×1000/1342/3/0.025/25.89×10-5/（110-90）﹜1/4
=4772.4789w/（m2•℃）
（2）管程对流传热系数
管程流通截面积Si=3.14/4×0.022×67=0.021m2
管程流体流速及其雷诺数分别为
ui=45000/3600/856.11/0.021=0.6953m/s
Re=0.02×0.6953×856.11/4.412×10-4=26983.3764
普兰特准数
Pr=1.763×1000×4.412×10-4/0.1407=5.5283
=0.023×0.1407/0.02×26983.37640.8×5.52830.4
=1124.3606w/（m2•℃）
（3）传热系数K
查表知管内污垢热阻Rsi=1.7197×10-4m2·℃／w，管外污垢热阻Rs0=0.8598×10-4m2·℃／w
已知管壁厚度δ=0.0025m,取碳钢管壁导热系数
=1/（25/20/1124.3606+1.7197×10-4×25/20+0.0025×0.025/48.85/0.0225+0.8598×10-4+1/4772.4789
=595.5630w/（m2•℃）
（4）传热系数K的核算
|K-K0|/K0=|595.5630-650|/650=0.08375
故此换热器合适。
3.1.2传热面积S的核算
S=Q/（KΔtm）=1233375/595.5630/58.23=35.5648m2
该换热器的实际传热面积Sp=NΠd0L=134×3.14×0.025×4.5=47.3355m2
该换热器的面积欲度H=（Sp-S）/S=（47.3355-35.5648）/35.5648=0.33=33%
而一般换热器的面积欲度大于15%~20%，就可以满足要求。
故所设计的换热器较为合适。
3.1.3壁温的核算
因管壁很薄，且管壁热阻很小，故壁温可按式
计算。
由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。
但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较小。
计算中应按最不利的操作条件考虑，因此取两侧污垢热阻为零计热。
于是上式变为
水蒸气平均温度Tm=1/2（110+110）=110℃
苯的平均温度tm=0.4×75+0.6×20=42℃
hc= 1124.3606w/（m2•℃）hh=4772.4789w/（m2•℃）
带入计算得tw=97.0343℃,与凯恩式中假设相差不大，故假设合适。
3.2换热器内压降的核算
3.2.1管程阻力
管程阻力等于流体流经传热管直管阻力和管程局部阻力之和。
即
为管程结垢校正系数，量纲为1，对φ25×2.5mm的管子可近似取1.4,
，
。
，
由Re=26983.3764，查《化工原理》书表1-2得传热管相对粗糙度为
，再查图1-27得λi=0.03，流速ui=0.7m/s，ρi=856.11kg/m3，所以
ΔP1=0.03×4500/20×856.11×0.72/2=1415.7919pa
ΔP2=3×856.11×0.72/2=629.2409pa
=（1415.7919+629.2409）×1.4×1×2
=5.7261kpa<70kpa
管程流动阻力小于70kPa，符合设计条件。
3.2.2壳程压力降
式中
—分别为流体横过管束的压强降和通过折柳挡板缺口的压强降
—壳程压强降的结垢后校正因数，此处取为1.15
式中F—管子排列方式对压强降的校正因数，由于此处为正三角形排列，所以取0.5
—壳程流体的摩擦系数，
时
—折流挡板数
—折流挡板间距，根据文献此处取0.25D，即取150mm
—按壳程流通截面积计算的流速
—横过管束中心线的管数
此处（n为总管数）即
（根）13
挡板的个数
（个）22
壳程流通截面积
则
当量直径
=
m
故
=（4556.9+2930.9）
1.15=8610.975pa<
故由以上计算结果表明管程和壳程压强降都能满足生产要求。
后记
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节，可以培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
本次课程设计历时一周，在此期间我查阅和学习了一些相关资料。
在指导老师和一些同学的帮助下完成了该项设计任务。
以前从未接触过此类的课程作业，在这个过程中收获很多，体会也很多。
课程设计不同于平时的作业，在设计中需要自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
在课设过程中，起初，通过和同学讨论，我先对各基本参量（饱和水蒸汽进出口温度等）做了初步确定，选择了较为合理的值。
接着便是课设计算部分。
中间部分还可以，仅是计算繁琐些，并未遇到什么大的问题。
可到了核算部分，一经核算，发现不正确，这是才意识到只能从头来过，这样经过多次的试差核算后才达到设计要求。
通过这次学习我深切地感受到“学以致用”的重要性和艰难程度，我们随口所说的“理论联系实践”，做起来需要的不仅仅是考试的成绩，还需要扎实的理论功底、查阅文献获得所需信息的基本功、客观问题和解决方案的分析综合能力以及动手能力等诸多缺一不可的能力的综合应用。
因此，我们应永远保持谦虚谨慎的学习态度并注重自身各项能力的培养。
参考文献：
1.夏清、陈常贵《化工原理》上册 天津天津大学出版社2005年1月第1版
2.贾少义柴诚敬《化工单元过程及设备过程设计》天津天津大学出版社2002.8
3.刘光启马连湘刘杰《化学化工物性数据手册》北京化学工业出版社2002.3
4.卢焕章《石油化工基础数据手册》北京化工出版社1984.07
5.张受谦《化工手册》山东科学技术出版社1984济南
6.华南工学院化工原理教研组《化工过程及设备设计》华南工学院1986年6月第1版
7.郑津洋董其伍桑芝富《过程设备设计》化学工业出版社2005年7月第2版
8.《化学工程手册》化学工业出版社北京1986年5月第1版
9.〔苏〕迪特尼奥尔斯科戈张琨等译《化工基本过程与设备》化学工业出版社
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