化工原理课程设计-甲苯冷却器的设计.doc

甲苯冷却器的设计 目录1.设计方案简介21.1选择换热器的类型21.2流程安排22确定物性数据：23主要工艺参数计算33.1估算传热面积33.1.1热流量33.1.2平均传热温差33.1.3传热面积33.1.4甲苯的冷却量43.2 工艺结构尺寸43.2.1 管径和管内流速43.2.2 管程数和传热管数43.2.3传热管排列和分程方法53.2.4壳体内径53.2.5折流板53.2.6接管64. 换热器核算64.1热流量核算64.2 壁温核算84.3换热器内流体的流动阻力95符号及计算结果一览表106 设计总结127 附图128 参考文献131.设计方案简介1.1选择换热器的类型 两流体温度变化情况：甲苯进口温度为85，出口温度58，冷流体进口温度25，出口温度39；冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器1.2管程安排由换热器设计的基本原则，由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。选用252.5的碳钢管（换热管标准：GB8163）。2. 确定物性参数2.1估算传热系数2.1.1基本物性数据查表定性温度：取流体进口温度的平均值 冷却水的定性温度为：（） 甲苯的定性温度为：()根据定性温度，于第三版化工原理，王志魁编，附录分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲苯在72下的有关物性数据循环冷却水在32.0下的物性数据密度o=866 kg/m3密度i=995.0 kg/m3定压比热容cpo=1.91 kJ/(kgK)定压比热容cpi=4.178 kJ/(kgK)导热系数o=0.123W/(mK)导热系数i=0.621W/(mK)粘度o=0.000455 Pas粘度i=0.0007679Pas3.主要工艺参数计算3.1估算传热面积3.1.1热流量甲苯质量流量 qm=12104103/330243600=15151.5（kg/s）Qo=m0cp0t0=15151.51.91103(85-58)/3600 =217(kW)3.1.2平均传热温差t1=85-39=46 t2=58-25=33t1/t2=1.42则3.1.3传热面积 由上图可查得故选用单壳程即可则由指导书表5-8总传热系数范围在280-850W/(m2K)之间假设K=500W/(m2K),则估算面积为A=Qt/(Ktm)= () 3.1.4冷却水量3.2工艺结构尺寸3.2.1 管内流速 管壳式换热器中最常用的流速范围流体种类一般液体易结垢液体气体流速m/s管程0.53.01.05.030.0选用252.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10)，由于水粘度小易结垢，取管内流速ui= 0.97m/s。 3.2.2 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程管计算，所需的传热管长度为：按单程管设计，传热管适中，可以用单管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为 Np=L/l=10/6=2传热管总根数 NT=26(根）所以按双程设计即可3.2.3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=1.2525=31.25(mm) 取整t=32mm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）。各程相邻的管心距为44mm。管束的分程方法，每程各有传热管14根。3.2.4壳体内径1横过管数中心线管的根数 2采用多管程结构，壳体内径可按下列公式计算。取管板利用率则壳体内径为 按卷制壳体的进级档，可取D=325mm3.2.5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h0.25325=81.25（mm）折流板间距B=0.5D,则B=0.5325=162.5mm 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=6000/162.5-1=36(块)。3.2.6接管壳程流体进出口接管：取接管内甲苯流速为u0.70m/s，则接管内径为：D1=圆整后可取管内径为100mm。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速 u0.97m/s，则接管内径为圆整后可取管内径为70mm。4. 换热器核算4.1热流量核算4.1.1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：de=（m）壳程流通截面积：=0.0116（m2）壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：；甲苯被冷却 粘度校正：4.1.2管内表面传热系数管程流体流通截面积：Si=0.7850.020.0214=0.0044（）管程流体流速及其雷诺数分别为：=0.97（m/s）Rei=普朗特数：Pr=0.023=5263.4W/ (K)4.1.3确定污垢热阻查化工原理，第三版，王志魁编，表4-6可取：管外侧污垢热阻 = m2K/W管内侧污垢热阻 =m2K/W4.1.4计算传热系数=5554.1.5计算所需传热面积传热面积 AC=Q/(KCtm)=217000/（55538.7）=10.1（m2）该换热器的实际传热面积A：A=3.140.025626=12.2（m2）该换热器的面积裕度为：H=100%=100%=21.2%传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。4.2壁温核算 式中液体的平均温度和分别按下式计算为传热管平均壁温 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即=72壳体壁温和传热管壁温之差为： t=72-40.5=31.5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。4.3换热器内流体的流动阻力4.3.1管程流体阻力Pt=（Pi+Pr）NSNpFS 其中NS=1, Np=2，FS=1.5; Pi=由Re=25153，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得=0.042，流速u=0.80m/s，=995.0kg/m3，故 Pt=（4011.8+955）121.5=14900（Pa）105 Pa管程流体阻力在允许范围之内。 4.3.2壳程阻力 PS=（P0+Pi）FSNS其中 FS=1 ；NS=1 ； P0= Ff0NTC(NB+1) ; F=0.5,f0=526646-0.228=0.50, NTC=1.1 NT0.5=1.1240.5=5.40NB=24 ;u0=0.70m/s则流体流经管束的阻力：P0=0.50.505.4（26+1）8660.702/27160.7（Pa）流体流过折流板缺口的阻力 Pi =NB（3.5-2B/D）其中B=0.163m; D=0.325m； Pi=24（3.5-20.163/0.325）8660.702/212730.2（Pa），则总阻力： PS=7160.7+12730.2=19890.9（Pa）105 Pa。故壳程流体的阻力也适合.5. 符号及计算结果一览表5.1设计及计算结果表参数管 程壳 程流率/（kg/s）4.23.7进/出温度/25/3985/58压力/ MPa0.10.1物性定性温度/3272密度/（kg/m3）995.0866定压比热容/（kJ/（kgK）4.1781.910粘度/（Pas）0.00076790.000455热导率/w/（mK）0.6210.123普朗特数7.087.08设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/mm325壳程数1管径/mm252.5管心距/mm44管长/mm6000管子排列管数目/根26折流板数/个36传热面积/m212.2折流板间距/mm162.5管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/（m/s）0.970.70表面传热系数/w/（m2K）5263862.5污垢阻力/（w/m2K）0.000210.000176阻力/Pa 1490019890.9热流量/kW217传热温差/K38.7传热系数/w/（m2K）555裕度/%21.25.2符号说明P压力，Pa ; Q传热速率，W；R热阻，K/W； Re雷诺准数；S传热面积，； t冷流体温度，；T热流体温度，； u流速，m/s;质量流速，/h; 表面传热系数W/(K);有限差值； 导热系数，W/(mK);粘度，Pas; 密度，/m3;校正系数。 r转速，n/(r/min)H扬程，m A实际传热面积， Pr普郎特系数NB板数，块 K总传热系数，W/(K) 体积流量 Nt管数，根Np管程数 l管长，mKC传热系数，W/(mK) tm平均传热温差，6.设计总结 我只想说每一次的课程设计都是一次锻炼和折磨，说折磨，一天盯着电脑屏幕十几个小时一动不动，只为计算那几个数据，到处翻书，在网上查资料，找到了还好，有的资料不好找，加上心里烦躁，顿时就怒了，只能说是气死人了，找到数据之后计算验证，不符合要求，还的从新来过，顿时感觉自己的努力就都白费了，要多郁闷有多郁闷。说锻炼，每次课设都要查好多的资料，图书馆借书，问同学，在网上百度，用尽各种办法总之是不达目的誓不罢休，从大量资料中筛选符合自己的，很好的锻炼自己的数据处理能力，还有耐心，没有很好的耐心和毅力，是没法一直坐在那努力做课设的，还有抗打击能力，万一算到最后发现自己的数据不知道哪里错了，还得再从头来过，这郁闷就不多说了。从这次课设做甲苯冷却器的设计，我又翻了几遍课本和参考资料，对相关知识又一次加深了解和学习，还是能学到好多知识的，虽然顺序是参考的网上的资料，但真正计算以及数据处理还是靠自己一点一点去做的，受益匪浅。7. 附图（工艺流程简图、主体设备工艺条件图）8.参考文献1. 钱颂文主编，换热器设计