化工原理课程设计任务书
同学：
威名化工厂拟采用一列管换热器以净化后的热空气加热甲苯。
已知：原料质量流量为 3500 kg/h，初始温度为20℃，要求加热至 65 ℃；空气进口温度为 135 ℃，出口温度比进口温度低20℃。试根据工艺要求进行标准列管式换热器的选型设计。
设计时间：2012.01.03~2012.01.06（校历19周）
指导教师：xxx
二○##年十二月二十九日
前言
本次化工原理课程设计历时一周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。化工原理主要研究化工单元操作过程中的动量传递、热量传递和质量传递的基本理论与规律，以及实现这些传递过程的生产设备和技术。整个课程体系分为：理论教学、实习、实验和课程设计四个相互独立而又紧密联系的部分，课程设计则是上述课程的总结性教学环节，是进一步巩固、深化和具体应用课程理论知识与实验技能的重要过程，是培养学生综合运用所学知识完成化工设计任务的全面训练。
化工原理课程设计能较好地激发我们学生的在学习与创造热情，加深对《化工原理》和《化工设备机械基础》这两门课程上下层约束关系的理解。因此，化工单元操作设备设计是化工原理及化工设备基础课程的重要教学环节，是培养我们学生综合运用所学知识解决涉及任务的训练，是理论教学与化学工程涉及相结合的纽带，是我们学生理论知识的综合运用及解决工程问题的能力的重要升华。
通过课程设计，我们学生针对设计任务，融汇所学知识查阅资料，经过反复的论证分析，择优选定最理想的设计方案和流程，进行过程和设备的设计计算机核算，从而在查阅资料、选用公司、采集数据、文字表达、化工制图等方面得到全面训练，培养我们学生独立工作能力和团队协作精神。因此，化工设备设计是化工类所有专业级石油加工、林产加工、环境工程、制药工程、过程控制等专业的重要实践性教学环节，在整个专业课程教学体系中的低位十分突出，对培养学生的综合应用能力及独立工作能力的作用十分明显，尤其对那些毕业前只做毕业研究论文而不做毕业设计的学生更为重要。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义．我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
换热器是石油、化工、轻工等行业的常用设备，在工艺流程中起到为化学反应过程和物理操作过程创造必要条件、提高热量综合利用和回收余热的作用。在化工建设投资中，换热器约占总投资的11％。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。若按工艺设备重量统计，换热器在石油化工装置中约占40%左右，由此可见换热设备在化工设备中的地位。
工业换热器的种类繁多，其中以列管式技术最为成熟，同时具有适用范围广、耐压性能好、便于强化传热等优点，故迄今为止仍以列管式换热器占绝大多数。
列管换热器的工艺设计包括标准设备的选型设计和非标准设备的工艺设计两类。由于有了系列标准，为便利和降低成本，原则上应尽可能选用标准设备。只有在实际要求与标准系列相差较大时，方需自行设计。
列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用标准换热设备。虽然在换热效率、紧凑性、材料消耗等方面不及新型换热器，但由于其具有结构简单、牢固耐用、适应性强、操作弹性大等优点，故在石化、轻工等行业工业换热设备中仍占主导地位。列管式换热器根据结构特点可分为多种类别。
固定管板式换热器的结构特点是两块管板分别焊接于壳体的两端，管束两端固定在管板上，具有结构简单、紧凑，造价低等优点。缺点是：（1）除非割开管板壳程无法清洗；（2）当壳体与换热管的温差较大时（一般以50℃为限），因壳体与换热管的热膨胀性差异导致的温差应力（又称热应力）具有破坏性，需在壳体上设置膨胀节（又称热补偿圈），但壳程压力对膨胀节强度及伸缩均有影响，一般不建议采用。因此，其适用于壳方流体洁净且不易结垢、两流体温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。
浮头式换热器的结构特点是换热器一端管板用法兰与壳体固定，另一端管板用一内封头封住管程流体并可在壳体内沿轴向自由伸缩，故称该端为浮头。优点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间；管束的膨胀不受壳体的约束，因而壳体与管束之间不会产生温差应力，也即具有自热补偿功能。缺点是：结构复杂，浮头密封要求高，用材量大、造价高，故适用于壳体与管束温差较大及管壳方均易结垢的场合。很显然，浮头式换热器的管程数一定为偶数。
填料函式换热器又称外浮头式换热器，类似浮头式换热器，不过浮头部分伸出壳体外，浮头与壳体间的间隙用填料函密封。它具有浮头式换热器的优点，但结构比浮头式换热器简单，制造方便，易于检修清洗。常用于一些腐蚀严重，需要经常更换管束的场合。但由于壳程介质有可能通过填料函外漏，故不宜走易燃、易爆或有毒的流体，壳程压力一般要小于4MPa。受填料密封性能的限制，直径一般在700mm以下。
釜式换热器结构如图2-5所示。其结构特点是在壳体上部设置蒸发空间，管束可以为固定管板式、浮头式或U型管式，适用于壳程液体吸热汽化的过程，可作为简单的废热锅炉。
本次设计中我们经过一系列科学而严谨的计算采用了U型管式换热器。其结构特点是：管子折成U形后固定在同一管板上，管束末端也可以自由伸缩，具有自热补偿功能，管程数也为偶数。U型管式换热器的优点是：结构简单、造价低，一般化工厂的附属机修车间就能自制；只有一个管板，密封面少，耐压性能好，运行可靠；管间清洗较方便。其缺点是：因管束存在回弯部分，易阻塞，故管程清洗较困难；可排管子数目较少，其管束最内层管间距大，壳程流体易走短路，一般用于管、壳程温差较大且管程介质不易结垢的场合。
在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。这次专业性较强的课程设计，让我认识到：课堂上理论知识掌握的再好，没有落实到实处，是远远不够的。换热器的设计，从课本上简单的理论计算，到根据需求满足一定条件的切实地进行设计，不再仅仅包括呆板单调的计算，还要根据具体要求选择、区分和确定所设计的换热器的每一个细节，我觉得这是最大的一个挑战。
鸣谢：
此次课程设计在威名化工厂与安徽理工大学的合作下开展的。我们设计小组在张洪流老师的带领与指导下，经过多次修改和完善，最终圆满完了本次设计任务。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的xxx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课程设计。
同时感谢对我们帮助过的同学们，谢谢你们对我们的帮助和支持，让我们感受到同学的友谊。由于本小组组员的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
感谢可爱的组员们,我们一起经历过的聚散喜悲，一起走过的每一段路，友情的无私为我们的大学时光重重地写下了无悔。
一、设计参数的确定
1.确定基本数据
甲苯的定性温度 
℃
查教材附录得苯在定性温度下的物性数据为：
r＝862.5kg/m3，m=0.45×10-3Pa?s，Cp=1.784kJ/kg?℃，l=0.1314W/m?℃。
空气的定性温度 
℃
查教材附录得水在定性温度下的物性数据为：r＝0.887kg/m3，m＝19.1×10-6Pa?s，Cp＝1.01 kJ/kg?℃，l＝0.03298W/m?℃，Pr=0.722。
2.流径的选择
根据实际情况，决定甲苯走管程，空气走管程。
3．热负荷及冷却水用量计算
由于是加热过程，故热负荷按热流体甲苯计算。对该过程而言，确定热负荷及冷却水用量时可不考虑热损失。也即
热负荷 
加热空气用量 
kg/s
4．传热平均温度差计算
先求逆流时的传热平均温度差：
℃
传热温差大于50℃，表明该换热过程需要考虑热补偿。又由于壳程流体为净化空气，在任务给定的加热范围内不会发生缩合和结垢，壳程不需要清洗，故可选用结构简单、造价低，一般化工厂的附属机修车间就能自制；只有一个管板，密封面少，耐压性能好，运行可靠；管间清洗较方便的U型管式换热器。
为提高传热效果，拟选用单壳程、偶数管程结构。故需核算温差校正系数：
由R和P的值，查化工原理教材传热章中的
算图得：
＝0.97>0.8
选用多壳程可行。
实际传热平均温度差为：
Dtm=
Dt¢m＝0.97×81.9＝79.4℃
5．估算传热面积
参照表2-12，取K估=450W/m2?℃。则有：
m2
二、换热器选型
1．初选换热器型号
根据换热器的实际计算传热面积接近估算传热面积的原则，查JB／T 4717U形管式换热器规格表。考虑到操作接近常压，故管、壳程设计压力均取为1.0MPa，以节省钢材消耗，降低设备费用。换热管选用
25×2.5mm普通碳素钢冷拔钢管，以便管程的清洗。因直径超过450mm，故需采用封头管箱。初选换热器型号为：
II
主要参数如下表：
表1 主要参数
2．核算压降
（1）管程压降
Ft＝1.4 Ns＝1 Np＝4
管程流速 
m/s
取钢管的绝对粗糙度e＝0.1mm，则相对粗糙度e/d=0.1/20=0.005
查莫狄图，得λ＝0.037
Pa
Pa
Pa<10kPa
（2）壳程压降
Fs＝1.0 Ns＝1
管子为正方形旋转45°排列 F＝0.4
D/t－1=1/0.032－1=30
因折流挡板间距
=0.15m，故NB=(L/)－1=(6/0.15)－1=39
壳程流速按壳程最大流动截面计算
Ao=(D－ncdo)=0.15×(1－6×0.025)＝0.1275m2
故壳程流速 
m/s
fo＝5.0Reo－0.228=5.0×19829.8－0.228=0.5238
Pa
Pa
Pa<100kPa
可知，管程和壳程压降都能满足工艺要求。
3．核算传热系数
采用此换热器，则要求过程的总传热系数为
W/m2?℃
（1）管程对流传热系数
＝531.7W/m2?℃
（2）壳程对流传热系数（凯恩法）
由于换热管采用正三角形排列，故
m
壳程苯被冷却，取jw=1
=736W/m2?℃
（3）污垢热阻
参照表2-13，分别取管内外污垢热阻为
Rsi=1.72×10－4m2?℃/W Rso=0m2?℃/W
（4）总传热系数
因壁面热阻通常很小，可忽略。故总传热系数为
W/m2?℃
K计/K需＝81.3/78.76=1.03
表明所选换热器能满足传热要求。
4.选型结果
选用型号为
II的换热器是合适的。
图1 U型管换热器
5．附件设计
（1）接管规格 进出口接管规格按第一章中的方法确定。
查表1-8，选择管程进出口接管中的甲苯流速度为0.275m/s，则接管内径为
m
查管子规格表按管子标准圆整，选取公称直径为130mm的无缝钢管作为管程流体的进、出口接管。
为便于清洗管程，接管采用侧向布置。
查表，选择壳程进出口接管中空气的流速为34.17m/s，则接管内径为
m
查管子规格表按管子标准圆整，选取公称直径为410mm的无缝钢管作为壳程流体的进、出口接管。
（2）挡管 根据已掌握的设计参数，由于该换热器壳体中管束与壳壁的距离较小，因此不需设置旁路挡板；由于是双管程结构，管束对应于分程隔板所在位置的间距较大，可沿分程隔板中心线隔3~4根换热管布置1根挡管（即需布置3~4根挡管），规格与换热管相同。
（3）防冲挡板 由于该换热器壳体中管束与壳壁的距离较小，为防止壳程流体对壳程进口处换热管的冲蚀，可在壳程入口处布置防冲挡板1块。
鉴于换热器的壳体直径不大（500mm），同时又是2管程结构，故管程进口导流筒可不设置。为确保管程进口处的液体均布，可在进口封头内设置防冲挡板1块。
（4）支座选择及布置
对卧式换热器一般采用鞍式支座（如图2-22所示）。鞍式支座的布置应满足以下原则：
图2-22 鞍式支座
由换热任务可知该换热器应为卧式结构。故支座选用鞍式支座，布置参见图2-22。其中：
m
m
三、设计结果一览表
表2 设计结果一览表
四、课程设计结束语
小组成员：xxx（组长）、xx、xxx、xxx
Xx、xxx负责计算参数，校核比对。
Xx负责查阅数据，核实记录。
Xxx负责组织协调，归纳汇总，并整理出最后结果。
在短短的一周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。
我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。
通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。
我还要感谢我的指导老师xxx老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。
限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。
参考文献（四号，加粗居中）
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