化工原理课程设计苯加热器设计.docx
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化工原理课程设计苯加热器设计
太原工业学院
化工原理课程设计
苯加热器设计
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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1.4×104kg/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
目录
一、方案简介································································4
2、方案设计································································5
1、确定设计方案·····························································5
2、确定物性数据·····························································5
3、计算总传热系数···························································5
4、工艺结构尺寸·····························································6
5、换热器核算·······························································7
3、设计结果一览表··························································10
4、设计总结····························································12
5、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1.4×104kg/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:
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
(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
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
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
,按三角形排列,
壳体内径为
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
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
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
采用试差法估算
值:
a.假设
=10000W/(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 ρ=944.1kg/m3
导热系数 λ0=0.686W/(m·℃)
黏度 μ0=0.0002402Pa·s
W/(m2·℃)
估算值与计算值相差较大,需再次试差。
b.假设
=15000W/(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 ρ=943.7kg/m3
导热系数 λ0=0.686W/(m·℃)
黏度 μ0=0.0002391Pa·s
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14912W/(m2·℃)
②管程传热膜系数
管程流通截面积
管程流体流速
普朗特数
③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=0.002m
碳钢热导率为45W/(m·℃)
④传热面积S
该换热器的实际传热面积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
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
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·℃,
管程压降在允许范围之内。
②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
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,℃
55/80
120.2
定性温度,℃
67.5
120.2
流量,kg/h
14000
259.880
流体密度,kg/m3
830
1.127
汽化热kJ/kg
—
2205
定压比热容,kJ/(kg·℃)
1.86
—
热导率,W/(m·℃)
0.135
0.686
黏度,Pa·s
3.7×10-4
1.33×10-5
流速,m/s
0.501
3.559
普朗特数
—
0.036
雷诺数
16824
4524
传热量,kW
1808
传热温差,℃
51.7
总传热系数,W/m2·K
647.45
裕度,%
1.17
传热系数,W/(m2·℃)
956
14912
污垢系数,m2·K/W
1.7197×10-4
0.8598×10-4
阻力降,Pa
1110.12
407.56
程数
1
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Ф19×2mm
管数53
管长m:
2
管间距,mm
25
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
间距,mm
150
切口高度25%
壳体内径,mm
273
保温层厚度,mm
未知
表格1
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。
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.
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- 化工 原理 课程设计 加热器 设计