武健甲苯冷却器的设计.doc

1、换热器课程设计换热器课程设计主要符号说明P压力，Pa ; Q传热速率，W；R热阻，K/W； Re雷诺准数；S传热面积，； t冷流体温度，；T热流体温度，； u流速，m/s;质量流速，/h; 表面传热系数W/(K);有限差值； 导热系数，W/(mK);粘度，Pas; 密度，/m3;校正系数。 r转速，n/(r/min)H扬程，m A实际传热面积， Pr普郎特系数NB板数，块 K总传热系数，W/(K) 体积流量 Nt管数，根Np管程数 l管长，mKC传热系数，W/(mK) tm平均传热温差，1目录主要符号说明11.设计方案简介11.1选择换热器的类型11.2流程安排12确定物性数据：13主要工艺参

2、数计算23.1估算传热面积23.1.1热流量23.1.2平均传热温差23.1.3传热面积23.1.4甲苯的冷却量23.2 工艺结构尺寸23.2.1 管径和管内流速23.2.2 管程数和传热管数23.2.3传热管排列和分程方法33.2.4壳体内径33.2.5折流板33.2.6其他附件43.2.7接管44. 换热器核算44.1热流量核算44.2 壁温核算64.3换热器内流体的流动阻力65 设计结果设计一览表76 设计感想87 工艺流程草图及说明88 参考文献901.设计方案简介1.1选择换热器的类型两流体温度变化情况：甲苯进口温度为80，出口温度52，冷流体进口温度26，出口温度38；冬季操作时，

3、其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。1.2流程安排由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。选用252.5的碳钢管（换热管标准：GB8163）。2确定物性数据：定性温度：可取流体进口温度的平均值。 管程流体的定性温度为：（）甲苯的定性温度为：()根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 甲苯在66.0下的有关物性数据循环冷却水在32.0下的物性数据密度o=824 kg/m3密度i=995.0 kg/m3定压比热容cpo=1.840 kJ/(kgK)定压比热容cpi=4.178 kJ/(k

4、gK)导热系数o=0.125W/(mK)导热系数i=0.621W/(mK)粘度o=0.000358 Pas粘度i=0.0007679Pas3主要工艺参数计算3.1估算传热面积3.1.1热流量甲苯质量流量 qm=8.6104103/33024=10859（kg/h）Qo=m0cp0t0=108591.840103(80-52)/3600 =155 (kW)3.1.2平均传热温差()3.1.3传热面积 假设K=500W/(m2K),则估算面积为：AP=Q0/(Ktm)=155000/(50033.4)=9.28(m2) 3.1.4甲苯的冷却量3.2 工艺结构尺寸3.2.1 管径和管内流速选用252

5、.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速ui= 0.75m/s。3.2.2 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程管计算，所需的传热管长度为：按单程管设计，传热管适中，可以用单管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=9m，则该换热器的管程数为 Np=L/l=9/4.5=2 传热管总根数 NT=142=28(根）平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数有 查图得对于单壳程，二管程结构有 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。3.2.3传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形

6、排列。取管心距t=1.25d0，则t=1.2525=31.25(mm) 取整t=32隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。各程相邻的管心距为44mm。管束的分程方法，每程各有传热管14根。3.2.4壳体内径a横过管数中心线管的根数 b采用多管程结构，壳体内径可按下列公式计算。取管板利用率则壳体内径为 按卷制壳体的进级档，可取D=250mm3.2.5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h0.25250=62.5（mm）折流板间距B=0.5D,则B=0.5250=125mm 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=4

7、500/125-1=35(块)。3.2.6其他附件本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为16，拉杆数为4个。壳程入口处，应设置防冲挡板。3.2.7接管壳程流体进出口接管：取接管内甲苯流速为u0.54m/s，则接管内径为：D1=圆整后可取管内径为100mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u0.707 m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为80mm。4. 换热器核算4.1热流量核算4.1.1壳程表面传热系数，用克恩法计算：当量直径，由正三角排列得：de=（m）壳程流通截面积：=0.0068（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：；粘度校正：4.1.2管内表面传热系数：hi管程

8、流体流通截面积：Si=0.7850.02214=0.004396（m2）管程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：4.1.3污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：管外侧污垢热阻 R0=0.000176 m2K/W管内侧污垢热阻 Ri=0.00021 m2K/W管壁热阻 查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为45W/(mK)。故RW=0.0025/50=0.00005（m2K/W）4.1.4计算传热系数KC： =545.5w/（m）4.1.5计算面积裕度:传热面积 AC=Q/(KCtm)=155000/（545.533.4）=8.51（m2）该换热器的实际传热面积A：A=3.140.0254.528

9、=9.90（m2）该换热器的面积裕度为：H=100%=100%=16.3%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.2 壁温核算 式中液体的平均温度和分别按下式计算为传热管平均壁温 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=63.2壳体壁温和传热管壁温之差为： t=63.2-38.01=25.09该温差较小，无需温度补偿装置。由于壳程换热器流体压力较小，因此，选用固定管板式换热器较适宜。4.3换热器内流体的流动阻力4.3.1管程流体阻力 Pt=（Pi+Pr）NSNpFS 其中NS=1, Np=2，FS=1.5; Pi=由Re=18322，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得

10、=0.041，流速u=0.707m/s，=995.0kg/m3，故 Pt=（2294+746）121.5=9120（Pa）105 Pa管程流体阻力在允许范围之内。4.3.2壳程阻力 PS=（P0+Pi）FSNS其中 FS=1 ；NS=1 ； P0= Ff0NTC(NB+1) ; F=0.5,f0=524858-0.228=0.50, NTC=1.1 NT0.5=1.1280.5=5.8NB=36 ;u0=0.54m/s则流体流经管束的阻力：P0=0.50.505.8（36+1）8240.542/26445（Pa）流体流过折流板缺口的阻力 Pi =NB（3.5-2B/D）其中B=0.125m;

11、D=0.25m； Pi=36（3.5-20.125/0.25）8240.542/210813（Pa），则总阻力： PS=6445+10813=17258（Pa）105 Pa。故壳程流体的阻力也适合。5 设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表参数管 程壳 程流率/（kg/h）1112910859进/出温度/26/3880/52压力/ MPa0.10.1物性定性温度/3266密度/（kg/m3）995.0824定压比热容/（kJ/（kgK）4.1781.840粘度/（Pas）0.00076790.0003580热导率/w/（mK）0.6210.125普朗特数5.175.27设备结构参

12、数形式固定管板式台数1壳体内径/mm250壳程数1管径/mm252.5管心距/mm32管长/mm4500管子排列管数目/根28折流板数/个35传热面积/m28.51折流板间距/mm125管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.7070.54表面传热系数/w/（m2K）35441014污垢阻力/（w/m2K）0.000210.000176阻力/Pa912017258热流量/kW155传热温差/K31.4传热系数/w/（m2K）545.5裕度/%16.36 设计感想经过了许多天的努力终于把这个化工原理的课程设计完成了，在此期间，为了更加准确的设计出理想的换热器，查阅了许多专业书籍，

13、浏览了许多网页，并且下载了国标进行修改，最后通过一次又一次的核算，确保数据的准确。通过这次课程设计，掌握了如何在大量资料中寻找对于自己有用的信息，提高了自己的计算能力，和面对大量数据的处理能力，同时也加深了对换热器的了解。能够运用学到的知识去设计一些设备。虽然经过了反复的核算，但可能还有一些不足的地方。7 工艺流程草图及说明由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图，甲苯经泵抽上来，再经管道进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，甲苯从80被冷却至52之后，由壳程出口流出；循环冷却水则从26变为38，由管程出口流出。8 参考文献王志魁 化工原理第四版 化学工业出版社贾绍义，柴诚敬等，化工原理课程设计,天津大学出版社,1994.GB151-1999管壳式换热器8