甲苯冷却器的化工原理设计

西安文理学院化工化工原理课程设计

甲苯冷却器的设计

系 院 名 称 化学工程学院 学 生 姓 名 张 伟 学 生 学 号 0903140243 专 业 班 级 14级能源1班 指 导 老 师 张 杏 梅

提 交 时 间 2016 .11.7

化工原理课程设计

目 录

1 设计任务书………………………………………………………………………3 1.1 设计目的………………………………………………………………………3 1.2 设计任务………………………………………………………………………3 3.3 设计内容方案…………………………………………………………………3 2 工艺计算及主要设备设计………………………………………………………4 2.1 估算传热面积…………………………………………………………………4 2.1.1 基本物性数据查取…………………………………………………………4 2.1.2 热负荷计算…………………………………………………………………4 2.1.3 确定流体流径………………………………………………………………5 2.1.4 计算平均温度差……………………………………………………………5 2.1.5 选取K值，估计传热面积…………………………………………………5 2.2 工艺结构尺寸…………………………………………………………………5 2.3 初选换热器型号………………………………………………………………6 2.4 换热器核算………………………………………………………………… 7 2.4.1 热流量核算…………………………………………………………………8 2.4.2 壁温核算…………………………………………………………………9 2.4.3 换热器内流体流动阻力……………………………………………………10 3 设计结果………………………………………………………………………11 3.1 换热器的结构尺寸及计算结果………………………………………………12 主要符号说明………………………………………………………………………13 参考文献…………………………………………………………………………13

甲苯冷却器的设计

姓名：张伟

（地址：西安文理学院化学工程学院，西安邮编：7160065） 1 设计任务书

1.1 设计目的

在工厂实际生产中，由于甲苯产品的温度较高，需要设计装置来进行冷却。通过对甲苯产品冷却的管壳式换热器设计，了解换热器的种类，结构特点等，并且能够根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。最后根据算结果绘制设备主体图和部件图，掌握一些基本绘图知识。 1.2 设计任务 设计任务：

1、处理能力：5 万吨甲苯/年 2、设备型式：列管式换热器 操作条件：

1、甲苯：入口温度90℃，出口温度40℃。

2、冷却介质：自来水，入口温度25℃， 出口温度35℃。 3、允许压强降不大于90kPa。

4、每年按300天，每天24 小时连续运行。 设计要求：

1、完成换热器工艺设计，结构设计； 2、绘制设备条件图； 3、编制设计说明书。 1.3 设计内容方案

1、选择设计方案：根据设计任务书的条件和要求，通过对现有生产的调查或现有的资料的分析对比，选择合理的流程方案和设备类型，初步确定主要设备的型式，并进行计算。

2、主要设备的选型和计算：包括参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸及结构设计。

3、主体设备结构简图：包括主体图（工艺尺寸、技术特性等）以及部分部件

化工原理课程设计

图

4、编写设计说明书：包括①标题页；②摘要；③目录；④前言；⑤任务书⑥工艺计算及主要设备计算⑦设计结果⑧主要符号说明⑨参考书目

2 工艺计算及主要设备设计

2.1 估算传热面积 2.1.1 基本物性数据查取

9040

甲苯的定性温度=℃=60℃

2 水的定性温度 =

表2.1 甲苯、冷却水的物性参数

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据

2.1.2 热负荷计算 甲苯质量流量

qm,h

5107

kg/s1.929kg/s 300243600

Qtqm,hcp,h(T1T2)1.9291.5710350w1.5143105w 忽略热损失，冷却水耗量

qm,c

Qt1.5143105

3.628kg/s 3

cp,c(t2t1)4.1741020

甲苯冷却器的设计

2.1.3 确定流体的流径

该设计任务的热流体为甲苯，冷却水为自来水，为使甲苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷去效果，令甲苯走壳程，水走管程。 2.1.4 计算平均温度差

暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差 甲苯 90℃40℃ 冷却水 35℃25℃

55℃ 15℃

t2t15515t30.79℃ mt55

ln2lnt115

2.1.5 选K值，估计传热面积

2

参照表格，取k400w/(m.℃)，则

Qt1.5143105

S12.295m2

Ktm40030.79

2

S实际1.15S1.1512.29514.14m 2.2 工艺结构尺寸

由于两流体温度差 1、管径和管内流速

，可选用固定管板式换热器。

选用

25×2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u0= 0.4m/s。 2、管程数和传热管数

q/v3.628995.7Ns30根

2diui0.0220.444

按单程管计算，所需的传热管长度为

L

s12.295

5m

πd0Ns3.140.02530

根据本设计实际情况，现取传热管长L=4.5m，则该换热器的管程数为Np=1,每

化工原理课程设计

层管数为30根。

由上式计算可知，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、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排列。 取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25(mm) 取整t=32(mm)。 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）。 各程相邻的管间距为32mm。 4、壳体内径

采用多管程结构，壳体内径可按下列公式计算。

,

管子按正三角形排列 则壳体内径为

nc1.6

D32(61)21.50.025160.878mm 按卷制壳体的进级档，可取D=200mm。 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20050mm 折流板间距 折流板数 NB6、其他附件

本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为10，拉杆数为4个。壳程入口处， 应设置防冲挡板。 7、接管

壳程流体进出口接管：

取接管内甲苯流速为u1＝0.4m/s，则接管内径为：

,则 B0.75200150mm

L4.5

1129块 B0.15

1.929

4V0.064m D1π0.43.140.4

4

甲苯冷却器的设计

圆整后可取管内径为70mm。 管程流体进出口接管：

取接管内循环水流速 u＝0.7 m/s，则接管内径为

3.628

0.0812m D2

3.140.7

4

圆整后可取管内径为90mm。 2.3 初选换热器型号

根据计算结果及固定管板式换热器的系列标准，初选换热器型号为 G400II-1.6-31.7。主要参数如下：

外壳直径 213mm 公称压力 2.5MPa 管子尺

管子数n 30 管长L 4500mm 管中心距 32mm 管程数Np 1 管子排列方式 正三角形 管程流通面积 0.0119m2

采用此换热面积的换热器，要求过程的总传热系数为：

Qt1.5143105

348W（/m2.℃） k0 S0tm14.1430.792.4 换热器核算 2.4.1 热流量核算

a 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：

壳程流通截面积：

S0zD(1

d00.025)0.050.1(1)5.338103m2 t0.032

化工原理课程设计

壳程流体流速及其雷诺数分别为：

1.293873.4u00.277m/s 3

5.33810

d0u000.020.277873.4Re010658

00.000454

普朗特数：

Pr

cp0



1.571030.0004545.599

0.1273

粘度校正：

0[0.36

0.1273

106580.555.5590.50.95531.76w/m2.℃ 0.02

b 管内表面传热系数：

2

s0.003m管程流体流通截面积：1

管程流体流速及其雷诺数分别为：

u1

Re1

3.628995.7

1.2145m/s

0.003



0.021.2145995.7

30194

0.000801

d1u11

1

普朗特数：

cpi4.1741030.00081Pr5.41

c0.6176

0.6176

301940.85.410.4]5340w/m2.℃ 0.02

1[0.023

c 污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：

甲苯冷却器的设计

管外侧污垢热阻 R0=0.000172 m2·℃/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.000170m2·℃/W 管壁热阻可忽略 d 总传热系数K

K

1

d0d1

R0R0

ididi0

10.000170.000172

53400.020.02531.76400.139w/m2.℃

k计400.139

1.15 k选348

故所选择的换热器是合格的，安全系数为

400.139348

100%15%

348

2.4.2 壁温核算

液体的平均温度tm和Tm分别

tm30℃

Tm65℃

ci5340w/m2.℃ h0532w/m2.℃

化工原理课程设计

Tmct 传热管平均壁温 w

1ctm6530



h33.3℃ 111h5340532

壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即TTm=65℃ 壳体壁温和传热管壁温之差为： △t=65-33.3=31.7℃

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。 2.4.3 换热器内流体的流动阻力 a 管程流体阻力

，其中

由Re=30194，传热管相对粗糙度0.2/0.02=0.01，查莫狄图得i=0.04， 流速ui=1.2145m/s

b 壳程阻力

F0.5,NB29,nc1.16

f05Re0

0.228

0.0745

u00.277m/s

,

则 p1224.3Pa

z0.1m,D0.2m

,p22429.3Pa

则

，其中,

.96Pa＜90KPa 则 p02918

计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计条件。

甲苯冷却器的设计

4 设计结果

4.1 换热器的结构尺寸及计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表

化工原理课程设计

主要符号说明：

参考书目

[1] 伍越寰,沈晓明.有机化学[M].中国科学技术大学出版社.

[2] 柴诚敬,张国亮.化工原理[M]（第二版）上、下册. 高等教育出版社. [3] 陈声宗. 化工设计[M]（第二版）化学工业出版社.

[4] 陈敏恒,丛德兹.化工原理[M]（第三版）上、下册.化学工艺出版社. [5] 高俊亭,毕万全.工程制图[M] （第三版）高等教育出版.

谢辞

通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。

这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。

在此感谢我们的张杏梅老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；

老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。

而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次设计。

因为我的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课设的评阅。

西安文理学院化工化工原理课程设计

甲苯冷却器的设计

系 院 名 称 化学工程学院 学 生 姓 名 张 伟 学 生 学 号 0903140243 专 业 班 级 14级能源1班 指 导 老 师 张 杏 梅

提 交 时 间 2016 .11.7

化工原理课程设计

目 录

1 设计任务书………………………………………………………………………3 1.1 设计目的………………………………………………………………………3 1.2 设计任务………………………………………………………………………3 3.3 设计内容方案…………………………………………………………………3 2 工艺计算及主要设备设计………………………………………………………4 2.1 估算传热面积…………………………………………………………………4 2.1.1 基本物性数据查取…………………………………………………………4 2.1.2 热负荷计算…………………………………………………………………4 2.1.3 确定流体流径………………………………………………………………5 2.1.4 计算平均温度差……………………………………………………………5 2.1.5 选取K值，估计传热面积…………………………………………………5 2.2 工艺结构尺寸…………………………………………………………………5 2.3 初选换热器型号………………………………………………………………6 2.4 换热器核算………………………………………………………………… 7 2.4.1 热流量核算…………………………………………………………………8 2.4.2 壁温核算…………………………………………………………………9 2.4.3 换热器内流体流动阻力……………………………………………………10 3 设计结果………………………………………………………………………11 3.1 换热器的结构尺寸及计算结果………………………………………………12 主要符号说明………………………………………………………………………13 参考文献…………………………………………………………………………13

甲苯冷却器的设计

姓名：张伟

（地址：西安文理学院化学工程学院，西安邮编：7160065） 1 设计任务书

1.1 设计目的

在工厂实际生产中，由于甲苯产品的温度较高，需要设计装置来进行冷却。通过对甲苯产品冷却的管壳式换热器设计，了解换热器的种类，结构特点等，并且能够根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。最后根据算结果绘制设备主体图和部件图，掌握一些基本绘图知识。 1.2 设计任务 设计任务：

1、处理能力：5 万吨甲苯/年 2、设备型式：列管式换热器 操作条件：

1、甲苯：入口温度90℃，出口温度40℃。

2、冷却介质：自来水，入口温度25℃， 出口温度35℃。 3、允许压强降不大于90kPa。

4、每年按300天，每天24 小时连续运行。 设计要求：

1、完成换热器工艺设计，结构设计； 2、绘制设备条件图； 3、编制设计说明书。 1.3 设计内容方案

1、选择设计方案：根据设计任务书的条件和要求，通过对现有生产的调查或现有的资料的分析对比，选择合理的流程方案和设备类型，初步确定主要设备的型式，并进行计算。

2、主要设备的选型和计算：包括参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸及结构设计。

3、主体设备结构简图：包括主体图（工艺尺寸、技术特性等）以及部分部件

化工原理课程设计

图

4、编写设计说明书：包括①标题页；②摘要；③目录；④前言；⑤任务书⑥工艺计算及主要设备计算⑦设计结果⑧主要符号说明⑨参考书目

2 工艺计算及主要设备设计

2.1 估算传热面积 2.1.1 基本物性数据查取

9040

甲苯的定性温度=℃=60℃

2 水的定性温度 =

表2.1 甲苯、冷却水的物性参数

根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据

2.1.2 热负荷计算 甲苯质量流量

qm,h

5107

kg/s1.929kg/s 300243600

Qtqm,hcp,h(T1T2)1.9291.5710350w1.5143105w 忽略热损失，冷却水耗量

qm,c

Qt1.5143105

3.628kg/s 3

cp,c(t2t1)4.1741020

甲苯冷却器的设计

2.1.3 确定流体的流径

该设计任务的热流体为甲苯，冷却水为自来水，为使甲苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷去效果，令甲苯走壳程，水走管程。 2.1.4 计算平均温度差

暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差 甲苯 90℃40℃ 冷却水 35℃25℃

55℃ 15℃

t2t15515t30.79℃ mt55

ln2lnt115

2.1.5 选K值，估计传热面积

2

参照表格，取k400w/(m.℃)，则

Qt1.5143105

S12.295m2

Ktm40030.79

2

S实际1.15S1.1512.29514.14m 2.2 工艺结构尺寸

由于两流体温度差 1、管径和管内流速

，可选用固定管板式换热器。

选用

25×2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，取管内流速u0= 0.4m/s。 2、管程数和传热管数

q/v3.628995.7Ns30根

2diui0.0220.444

按单程管计算，所需的传热管长度为

L

s12.295

5m

πd0Ns3.140.02530

根据本设计实际情况，现取传热管长L=4.5m，则该换热器的管程数为Np=1,每

化工原理课程设计

层管数为30根。

由上式计算可知，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、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排列。 取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25(mm) 取整t=32(mm)。 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）。 各程相邻的管间距为32mm。 4、壳体内径

采用多管程结构，壳体内径可按下列公式计算。

,

管子按正三角形排列 则壳体内径为

nc1.6

D32(61)21.50.025160.878mm 按卷制壳体的进级档，可取D=200mm。 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20050mm 折流板间距 折流板数 NB6、其他附件

本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为10，拉杆数为4个。壳程入口处， 应设置防冲挡板。 7、接管

壳程流体进出口接管：

取接管内甲苯流速为u1＝0.4m/s，则接管内径为：

,则 B0.75200150mm

L4.5

1129块 B0.15

1.929

4V0.064m D1π0.43.140.4

4

甲苯冷却器的设计

圆整后可取管内径为70mm。 管程流体进出口接管：

取接管内循环水流速 u＝0.7 m/s，则接管内径为

3.628

0.0812m D2

3.140.7

4

圆整后可取管内径为90mm。 2.3 初选换热器型号

根据计算结果及固定管板式换热器的系列标准，初选换热器型号为 G400II-1.6-31.7。主要参数如下：

外壳直径 213mm 公称压力 2.5MPa 管子尺

管子数n 30 管长L 4500mm 管中心距 32mm 管程数Np 1 管子排列方式 正三角形 管程流通面积 0.0119m2

采用此换热面积的换热器，要求过程的总传热系数为：

Qt1.5143105

348W（/m2.℃） k0 S0tm14.1430.792.4 换热器核算 2.4.1 热流量核算

a 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：

壳程流通截面积：

S0zD(1

d00.025)0.050.1(1)5.338103m2 t0.032

化工原理课程设计

壳程流体流速及其雷诺数分别为：

1.293873.4u00.277m/s 3

5.33810

d0u000.020.277873.4Re010658

00.000454

普朗特数：

Pr

cp0



1.571030.0004545.599

0.1273

粘度校正：

0[0.36

0.1273

106580.555.5590.50.95531.76w/m2.℃ 0.02

b 管内表面传热系数：

2

s0.003m管程流体流通截面积：1

管程流体流速及其雷诺数分别为：

u1

Re1

3.628995.7

1.2145m/s

0.003



0.021.2145995.7

30194

0.000801

d1u11

1

普朗特数：

cpi4.1741030.00081Pr5.41

c0.6176

0.6176

301940.85.410.4]5340w/m2.℃ 0.02

1[0.023

c 污垢热阻和管壁热阻 查有关文献知可取：

甲苯冷却器的设计

管外侧污垢热阻 R0=0.000172 m2·℃/W 管内侧污垢热阻 Ri=0.000170m2·℃/W 管壁热阻可忽略 d 总传热系数K

K

1

d0d1

R0R0

ididi0

10.000170.000172

53400.020.02531.76400.139w/m2.℃

k计400.139

1.15 k选348

故所选择的换热器是合格的，安全系数为

400.139348

100%15%

348

2.4.2 壁温核算

液体的平均温度tm和Tm分别

tm30℃

Tm65℃

ci5340w/m2.℃ h0532w/m2.℃

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Tmct 传热管平均壁温 w

1ctm6530



h33.3℃ 111h5340532

壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即TTm=65℃ 壳体壁温和传热管壁温之差为： △t=65-33.3=31.7℃

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。 2.4.3 换热器内流体的流动阻力 a 管程流体阻力

，其中

由Re=30194，传热管相对粗糙度0.2/0.02=0.01，查莫狄图得i=0.04， 流速ui=1.2145m/s

b 壳程阻力

F0.5,NB29,nc1.16

f05Re0

0.228

0.0745

u00.277m/s

,

则 p1224.3Pa

z0.1m,D0.2m

,p22429.3Pa

则

，其中,

.96Pa＜90KPa 则 p02918

计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计条件。

甲苯冷却器的设计

4 设计结果

4.1 换热器的结构尺寸及计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表

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主要符号说明：

参考书目

[1] 伍越寰,沈晓明.有机化学[M].中国科学技术大学出版社.

[2] 柴诚敬,张国亮.化工原理[M]（第二版）上、下册. 高等教育出版社. [3] 陈声宗. 化工设计[M]（第二版）化学工业出版社.

[4] 陈敏恒,丛德兹.化工原理[M]（第三版）上、下册.化学工艺出版社. [5] 高俊亭,毕万全.工程制图[M] （第三版）高等教育出版.

谢辞

通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。

这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。

在此感谢我们的张杏梅老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；

老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。

而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次设计。

因为我的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课设的评阅。