化工原理课程设计09040070左子玲.doc

* * 化工原课程设计化工原课程设计 * * 换热器工艺初步设计换热器工艺初步设计 学生姓名：学生姓名： 左子玲左子玲 学学 号：号：09040070 专专 业：业： 环境工程环境工程 班班 级：级： 09402 成成 绩：绩： 指导教师：指导教师： 柯斌清老师柯斌清老师 设计时间：设计时间：2011 年年 10 月月 25 日至日至 2011 年年 12 月月 13 日日 环境与生命科学系环境与生命科学系 目 录 1 设计题目2 2 设计条件2 3 设计内容和要求3 4 设计内容3 4.1 选择换热器的类型3 4.2 流动方向 4 4.3 估算传热面积4 4.3.1.热流量4 4.3.2.平均传热温差4 4.3.3.传热面积4 4.3.4 冷却水用量 4 4.4 主体构件的工艺结构尺寸 5 4.4.1 管程数和传热管数 5 4.4.2 平均传热温差校正 5 4.4.3 传热管的排列 5 4.4.4 壳体内径 5 4.4.5 折流板 6 4.4.6 计算接口直径 6 4.5 换热器主要传热参数核算 7 4.5.1 热量核算 7 4.5.2 壁温核算 9 4.5.3 换热器内流体的流动阻力(压降) 9 5 计算结果总汇.10 设计感想.11 参考文献.12 附 录:13 1 设计题目 管壳式卧式换热器设计 2 设计条件 某厂用循环冷却水甲苯从 80 冷却到 50,甲苯年处理能力为 44500t/a，压力为 6.5MPa，循环冷却水的入口温度为 25，出口温度为 35，要求冷凝器允许压降不大于 500000Pa；试设计一台管壳式卧式换热器完成该生产任务。每年按 330 天计算，每天 24h 连续运行。 表 1 主要物性参数 流体 定性温度 / 密 度 kg/m3 粘度 mPas 比 热 容热导率 甲苯 708660.455 191 kJ/(kgK) 0.1273W/(mK) 循环冷却水 30994.30.7424.174 kJ/(kg) 0.624W/(m) 3 设计内容和要求 (1)标题页 (2) 目录 (3) 确定设计方案 (4) 传热面积计算 (5) 工艺结构尺寸计算 (6) 换热器校核 (7) 换热器主要结构参数和设计结果一览表 (8) 换热器工艺条件图 (9) 自设计使用该换热器的工艺流程图 (10)对本设计的评价 (11)参考文献 4 设计内容 4.1 选择换热器的类型 本设计中循环冷却水甲苯选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于 下列情况：温差不大；温差较大但是壳程压力较小；壳程不易结构或能化学清洗。 本次设计条件满足第种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构 紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单， 造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。 采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提 高传热效率。 4.2 流动方向 本冷却器的管程走循环冷却水，壳程走甲苯。热空气和冷却水逆向流动换热。 4.3 估算传热面积 4.3.1.热流量 甲苯的质量流 W=44500t/a=44500103/(33024)=5618.687 kg/h 热流量为 Q=Wcp (T1T2) =5618.6871.91（8060） =214633.8 kJ/h = 59620.5W 4.3.2.平均传热温差 = =38 m t 22 11 2211 ln )()( tT tT tTtT 4.3.3.传热面积 初步设定设 K=200 Wm-2-1。则估算的传热面积为 m2087 . 8 86.36200 5 . 59620 tm K Q A 取安全系数 1.2，则 A=9.705m 4.3.4 冷却水用量 Wo = kg/h16.5142 2535174 . 4 214633.8 )( 12 ）（ttc Q po 4.4 主体构件的工艺结构尺寸 4.4.1 管程数和传热管数 选用 252.5mm 的传热管(碳钢管)；do=25mm,di=20mm 管子根数：n=Adol=41.242 中心线或中心线附近管子根数 nc=11 取管程数为 2，则 N=n+拉杆+5=42+6+5=53 4.4.2 平均传热温差校正 平均传热温差校正系数 =2 12 21 tt TT R 2535 6080 =0.182 11 12 tT tt P 6080 2535 温度校正系数为 t 1 1 2 R R )11 (2 )11 (2 ln 1 1 ln 2 2 RRP RRP PR P 0.97 平均传热温差校正为tm=tm=0.9738=36.86( ) t 4.4.3 传热管的排列 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。其中，每 程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大， 因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。 4.4.4 壳体内径 取管间距：t 32 mm ，则 2 (/3)/ 22(/8) t t DDDN PD PD 得 D=489.38mm 可取 D 为 509mm 4.4.5 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 取折流板数 12，则折流板间隔：h= =0.23 1 B l N 4.4.6 计算接口直径 1.计算循环冷却水进出口管径，设流速 u=0.5m/s 1 d 1 2 1 4 v qd u 1 33 3 5142.16/ 1.44 10/ 36003600 994.3/ i v i Wkg h qm s kg m 3 1 4 1.44 10 0.060560.5 3.14 0.5 dmmm 所以选用直径为 65mm 的管子。 2.计算甲苯进出口管径 2 d 2 33 3 5618.687/ 1.8 10/ 36003600 866/ v Wkg h qm s kg m 3 2 4 1.8 10 0.067867.8 3.14 0.5 dmmm 所以选用直径为 70mm 的管子。 4.5 换热器主要传热参数核算 4.5.1 热量核算 (1)壳程对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式 ho = 14 . 0 3/155 . 0 )(PrRe36 . 0 w o e o d 其中： 当水做冷却剂时，粘度校正为=1.05 14 . 0 )( w o 当量直径，管子为正三角形排列时， de 22 3 4() 24 o o td d 0.0202 m 22 3 4(0.0320.025 ) 24 3.14 0.025 壳程流通截面积 So = hD(1)=0.230.509（1）0.0257 m2 t do0.025 0.032 壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为 Go =5618.6870.0257=218625.95kg/(sm2) o o S W 2 2 2 4 v qd u Reo=2696 oeG d0.0202 60.73 0.000455 普朗特准数 Pr =6.83 o opo c 1910 0.000455 0.1273 因此，壳程水的传热膜系数 ho为 ho = 0.360.1273/0.020226960.556.831/31.0 =329.6 W/(m2) (2)管程对流传热系数 其中：hi = 14 . 0 3/155 . 0 )(PrRe36 . 0 w i e i d 管程流通截面积 Si =0.0066 m2 2 42 i dn 管程空气的流速及其雷诺数分别为 Gi =779115.2kg/(hm2)=216.42 kg/(sm2) i i S W Re=5833.45 i iiG d 0.02 216.42 0.000742 de=0.029m 22 3 4() 24 i i td d 22 3 4(0.0320.02 ) 24 3.14 0.02 普兰特准数 Pr =4.96 i ipi c 4174 0.000742 0.624 因此，管程空气的传热膜系数 hi为 0.551/3 0.624 0.365833.44.961.0 0.029 i h =1548.64 W/(m2) (3)基于管内表面积的总传热系数 Ki 污垢系数： 管内侧 Ro0.000344m2W-1 管外侧 Ri0.0005191m2W-1 管子材质金属的导热系数 116.3Wm-1-1 111 () sooo oi owwmii tddd RR Khddh d 1(0.0250.02)/ 20.0250.02510.025 0.00051910.0003440.0048 329.6116.3(0.0250.02)/ 20.021548.640.02 =0.0048 解得：208W/ (m2) i K 此计算值与前面的初设值 Ki=200 W/ (m2)的关系： 该换热器的传热系数裕度为 208200 4.17% 200 KK K 满足换热器设计所要求的 5%之内的范围，初选的换热器合适。 (4) 传热面积 换热器的实际传热面积 Sp =3.140.025422.9= 9.56m2 A (1) o n d l 该换热器的面积裕度为 = =18 %100 A AA H 9.568.087 100% 8.087 满足要求的 30%以下的范围，该换热器符合实际生产要求。 4.5.2 壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，该换热器用自来水作为冷却水，设定冷却水进口温度 为 25，出口温度为 35来计算传热管壁温度。 传热管平均壁温 329.6 ()30(7030) (/)1548.64(0.02/0.025)329.6 o wchc iioo h ttTt h ddh =38.439 查的在该温度下甲苯的粘度，水的粘度 3 0.54 10 w Pa s 3 0.668 10 w Pa s 对管侧 0.14 0.14 0.000742 ()1.01 0.000668 w 对壳侧 0.14 0.14 0.000455 ()0.976 0.00054 w 4.5.3 换热器内流体的流动阻力(压降) (1)管程流动阻力 管内流体在 Re=5833.45 时，查的摩擦阻力系数=0.011 t f 直管部分的压降： p1=31.73（kg/m2）=311Pa 22 8 4ln4 0.011 779115.23 2 22 1.27 10 tit ci f G qd 弯管回路中的压降： p2=57.7(kg/m2)=565.46 Pa 22 8 44 779115.22 22 1.27 10994.3 it c G n q 总压降：pi（p1+p2）（311+565.46）876.46Pa (2)壳程阻力： 用概算法： p1= =13.6（kg/m2） 2 8 218625.963 10.410.4 1.27 10866 c c G l q 管侧，壳侧的压力损失均满足要求，该设计可行 5 计算结果总汇 表 2 设计结果一览表 换热器形式： 管壳卧式 换热面积/m ： 8.65 2 工艺参数 名称 物料名称 操作压力/MPa 操作温度/ 流量/（kg/h） 管程 循环水 0.5 45 5142.16 壳程 甲苯 6.5 90 5618.687 流体密度/（kg/m ） 3 994.3866 流速/(m/s)0.50.5 传热量/kw59.6259.62 总传热系数/)/( 2 kmw 208 208 传热系数/)/( 2 kmw 1548.64329.6 污垢系数/)/( 2 wkm 0.00033440.0005159 阻力降 Pa876.46133.416 程数21 推荐使用材料碳钢碳钢 管子规格 252.5 管数 38管长 3000mm 管间距/mm32排列方式正三角形 折流板形式上下间距230mm 壳体内径/mm509切口高度127.25mm 设计感想 此次化工原理课程设计题目是“空气压缩机后冷却器设计” ，因为上学期彭老师对传热与换 热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，加上这学期正好学习了过程设备设计 。另 外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大 的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。 一 数据计算 这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要 我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定 需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候， 因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍， 可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。 二 查资料 以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，简单！但是这次课程设计却完全 改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，我这次用到 的参考资料有将近 10 种之多，这在之前是难以想象的。 三 AutoCAD 绘图 这是第一次尝试用专业绘图软件 AutoCAD 进行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌生， 熟悉是因为大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是 凤毛麟角。但是，没有压力哪来