化工原理课程设计列管式换热器.doc

化工原理课程设计任务书设计题目：列管式换热器的设计 班 级：生物工程专业 指导教师：王帅 设计时间：2013.06.172013.06.24 食品科学与工程学院二O一三年六月目录设计任务书3一、 方案设计41、 确定设计方案42、 确定物性数据43、 工艺流程图4二、工艺过程设计计算53、 设计结果一览表84、 设计评述及问题的讨论95、 主体设备设计图（详情参见图纸）10 6、 参考文献107、 主要符号说明10附图 化工原理课程设计任务书哈佛大学食品科学与工程学院一、化工原理课程设计的重要性化工原理课程设计是学生学完基础课程以及化工原理课程以后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节，也是学生综合运用化工原理和相关先修课程的知识，联系生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。通过这一环节，使学生掌握单元操作设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准，正确选用公式和数据，运用简洁文字和工程语言正确表述设计思想和结果；并在此过程中使学生养成尊重实际问题向实践学习，实事求是的科学态度，逐步树立正确的设计思想、经济观点和严谨、认真的工作作风，提高学生综合运用所学的知识，独立解决实际问题的能力。二、课程设计的基本内容和程序化工原理课程设计的基本内容有： 设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。 主要设备的工艺计算：物料衡算、能量衡算、工艺参数的选定、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算。 辅助设备的选型：典型辅助设备主要工艺尺寸的计算，设备规格型号的选定。 工艺流程图：以单线图的形式描绘，标出主体设备与辅助设备的物料方向、物料流量、主要测量点。 主要设备的工艺条件图：图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。 编写设计说明书：可按照以下几步进行： 课程设计准备工作 有关生产过程的资料； 设计所涉及物料的物性参数； 在设计中所涉及工艺设计计算的数学模型及计算方法； 设备设计的规范及实际参考图等。 确定设计方案 工艺设计计算 结构设计 工艺设计说明书 封面：课程设计题目、学生班级及姓名、指导教师、时间。 目录 设计任务书 概述与设计方案的简介 设计条件及主要物性参数表 工艺设计计算 辅助设备的计算及选型 设计结果汇总表 设计评述 工艺流程图及设备工艺条件图 参考资料 主要符号说明 以上即为我们在课程设计中所涉及的主要内容。一、方案设计欲用井水将6000kg/h的煤油从140冷却到40，冷水进、出口温度分别为20和40。若要求换热器的管程和壳程的压强降不大于35kPa，试设计一列管换热器完成该生产任务。定性温度下油脂的物性参数列于附表中。 附 表项 目密度，kg/m3比热，kJ/(kg)粘度，Pas热导率，kJ/(m)油 脂8252.220.0007150.1401确定设计方案 （1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度140，出口温度40。冷流体进口温度20，出口温度40。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差很大，因此初步确定选用浮头式列管换热器，而且这种型式换热器管束可以拉出，便于清洗；管束的膨胀不受壳体约束。（2）流动空间及流速的确定 由于油脂的粘度比水的大，井水硬度较高，受热后易结垢，因此冷却水走管程，油脂走壳程。另外，这样的选择可以使煤油通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用252.5mm的碳钢管，管内流速取=1.0m/。2、确定物性数据 定性温度：可取流体进、出口温度的平均值。 壳程油脂的定性温度为： T=(140+40)/2=90管程冷却井水的定性温度为：t=(20+40)/2=30 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 油脂在90下的有关物性数据如下： 密度 o= 825kg/m3定压比热容 cpo=2.22kJ/(kg)导热系数 o=0.14W/(m)粘度 o=0.000715 Pas污垢热阻冷却井水在30下的物性数据： 密度 i=995.7kg/m3定压比热容 cpi=4.174kJ/(kg)导热系数 i=0.618W/(m)粘度 i=0.000801 Pas污垢热阻 3工艺流程图二、工艺过程设计计算(1)热负荷及冷却介质消耗量的计算热负荷 Q=WhCph(T1-T2)=60002.22（140-40）/3600=冷却水的消耗量 Ws2=/h(2) 计算平均温度差tm，并确定管程数。选取逆流流向，先按单壳程单管程考虑，计算出平均温度差tm：tm=49.7有关参数 R=5 ，P=0.17根据R,P值，查化工原理手册可读得，温度校正系数w=0.950.8，可见用单壳程合适，因此平均温度差tm=tm0.94=46.72(3)按经验数值初选总传热系数Ko（估），选取Ko（估）=320W/(m2.K)(4)所需传热面积So：So=24.75m2（五）、主要工艺及结构基本参数的计算(1)换热管规格及材质的选定。选用25mm2.5mm钢管。(2)换热管数量及长度的确定单程管数 n=12.8根取n=13 管长 l=24.2m 按商品管长系列规格，取管长L=6m，Np = 4 所以总管数n=52选用四管程。 取h=0.128m ,折流板数量 NB=46查化工课本可得相近浮头式换热器的主要参数：外壳直径： Di=400mm换热面积： So=31.6mm换热管数量： N=68根管长： L=6m管子规格： 25mm2.5mm（钢管）管中心距： t=32mm管子排列方式：正方形斜转45度管程数： 4壳程数： 1折流板数量： NB=46(块)折流板间距： h=0.128m管程流通面积=0.0053通过管板中心的管子数： nc=6根每程管数=68/4=17，=0.00534与查得的0.0053很好符合。=32.04，应以为准。按正方形斜转45度方式排列，时n最多等于36，应按，取整。（3） 阻力损失计算管程流速，所以摩擦系数 传热管相对粗糙度，查莫狄图得 W/(m.)管程流动阻力 上式中：，,1.4， 由Re=20959传热管相对粗糙度，查莫狄图得 W/(m.)，流速(m/s)， kg/m，所以 35kPa （2）壳程取折流板间距h=0.128m计算截面积 =m/sReo=Reo500摩擦系数 折流挡板数 壳程阻力损失 流经管束的阻力，,m/s F=0.5 故（Pa） 流体流经折流板口的阻力 上式中：h=0.128m,D=0.4 m故 （Pa）总阻力（Pa）总的阻力损失大于10KPa小于设计压力35KPa，压力降合适。6、传热计算（1）管程给热系数。以上已算出Re=20959计算Pr= （2）壳程=0.36RPr()Reo=5192.3普兰特准数Pr=粘度校正 ()1故 =0.36XX5192.3X11.34 =432.9W/(.)传热系数, = =W/(.)传热面积AA=（m）与换热器列出的面积A=31.6比较，裕度,有近10.6%的裕度。从阻力损失和传热面积的核算看，原选的换热器可以适用。三、设计结果一览表换热器形式：浮头式换热面积（m2）:31.6工艺参数名称管程壳程物料名称井水油脂操作压力，kPa35操作温度，20/40140/40流量，kg/h160006000流体密度，kg/m3995.7825流速，m/s0.8420.180传热量，kW370总传热系数，W/m2K280.4传热系数，W/（m2）3553.5432.9污垢系数，m2K/W0.000580.00017阻力降，kPa24.99.50程数41推荐使用材料碳钢碳钢管子规格252.5管数68管长mm:6000管间距，mm44排列方式斜正方形折流板型式上下间距，mm120切口高度25%壳体内径，mm400保温层厚度mm104、 设计评述及问题的讨论本设计采用浮头式列管换热器，其具有结构简单和造价低廉等优点。但设计的管程数为四，比起二管程、单管程，其流动阻力加大，增加动力费用；同时多程会使平均温度差下降；此外多程隔板使管板上可利用的面积减少。但四管程所需的管长及筒体长度较少，总的来说节省了材料和容易安放。另外，冷却剂选用井水，其来源广、价格便宜，符合经济要求。总的来说，该设计从工艺方面来说比较合理，从经济方面来说，只是所需动力费较其他管程多点，其他的还算节省，所以是合理的。五、主体设备设计图详情请见图纸。六、参考文献化工原理，谭天恩 编，化学工业出版社，2006.化工设备机械基础，潘永亮 主编，科学出版社，2006.化工原理课程设计指导，任晓光等 编著，化学工业出版社，2009.化工原理课程设计，贾绍义，柴诚敬主编，天津大学出版社，2002.生物工程专业课程设计，尹亮，黄儒强 编.化学化工工具书等.七、主要符号说明油脂的定性