化工原理课程设计-设计—硝基苯冷却器.docx

化工原理实验课程设计设计硝基苯冷却器指导老师：学号：姓名：班级： 二零一六年六月二十三日- 13 -目录一、摘要：通过查阅资料及相关计算算出冷却硝基苯所需的工业设备，画出流程图和主题设备设计条件图- 1 -二、设计方案简介：- 1 -三、确定设计方案：- 2 -四、确定物性数据:- 2 -五、计算总传热面积：- 3 -（1）热流量- 3 -（2）计算传热量Q- 3 -（3） 计算冷流体流量W冷- 4 -（4）总传热系数K:- 4 -六、计算传热面积：- 5 -七、工艺结构尺寸：- 5 -（1）管径和管内流速及管长- 5 -（2）管程数和传热管数- 5 -（3）平均传热温差校正及壳程数- 6 -（4）传热管排列和分程方法- 6 -（5）壳体内径（取整数）- 6 -（6）折流板- 7 -（7）接管- 7 -（8）管法兰- 8 -（9）放空管- 8 -（10）排污管- 8 -（11）支座- 8 -（12）管箱- 8 -（13）封头- 9 -八、换热器核算：- 9 -（1）热量核算- 9 -管程对流传热系数- 9 -壳程对流传热系数- 9 -传热系数K- 10 -传热面积S- 11 -九、设计结果一览表：- 11 -十、对设计的评述：- 12 -十一、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）：- 13 -一、 摘要：本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。选择时要遵循经济，传热效果好，方便清洗，符合实际需要等原则。列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础，通过相关计算及核算选择管材不锈钢252，管数: 93， 管长mm: 3000，排列方式: 正三角形，管程数：4，壳程数：1，折流板型式:弓形，间距mm:12切口高度: 25%，壳体内径mm: 400，折流板数：24等，然后画出主体设备设计条件图。 二、 设计方案简介：本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。通过给定的物性数据进行计算，核算选材，然后画出主体设备设计条件图。三、确定设计方案：选择换热器的类型：热流体进口温度93，出口温度50冷流体。冷流体进口温度27，出口温度37。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不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯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的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/。由于计算后的tm50,所以不需要热补偿圈，需要折流板，需要折流板数为23块，流速为0.507m/s。四、确定物性数据:热流体进口温度90，出口温度50冷流体。冷流体进口温度23，出口温度37。由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。管内流速取ui=0.5m/s，热损失按5%考虑。硝基苯在70下的有关物性数据如下：密度 o=1145 kg/m3定压比热容 cpo=1.618kJ/(kg)导热系数 o=0.156 W/(m)粘度 o=0.000857Pas冷却水在30下的有关物性数据如下：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=0.0008105Pas五、计算总传热面积：（1）热流量X=1105吨/年=3.858kg/s W热=3.858kg/s（2）计算传热量QQ=W热cp热T1-T2=3.8581.618（9050）=249.690KJ/kgQ=0.95W热cp热T1-T2=249.6900.95=237.206 KJ/kg（3） 计算冷流体流量W冷Q=W冷cp冷（t2-t1) W冷=QCp冷（t2-t1)=237.206 4.174(37-23)=4.059kg/s（4）总传热系数K:选管程：不锈钢252 di=21mm管程传热系数：Re=diuiii=0.0210.5995.70.0008105=12899.26 i=0.023ididiuiii0.8cpiii0.4=0.0230.6180.02112899.260.8(4.17410000.00081050.618)0.4=2595.83 W/(m2)壳程传热系数 已知壳程的传热系数o=450 W/(m2)； 污垢热阻 Rsi=1.719710-4 Rso=1.719710-4（附录24）管壁的导热系数 若选择钢=45 W/(m)K=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =14.58610-0.4+2.04710-4+4.83110-5+1.719710-4+2.22210-3=321.958W/（m )六、计算传热面积：tm=T1-t2-T2-t1lnT1-t2T2-t1=90-37-50-23ln5327=38.550S=QK初tm=237.2061000321.95838.550=19.112（m2）选用安全系数=1.15-1.20 本设计选取=1.15S=1.15S=1.1519.112=21.979（m2）七、工艺结构尺寸：（1）管径和管内流速及管长 选用管径252 mm、管材不锈钢管、管内流速0.5m/s及管长L=3.0m（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Ns=S实doL=21.9793.140.0253=93 按单程管计算其流速为u=miidi2Ns4=4.059/995.73.140.02193/4=0.1266m/s根据之前提供的管内流速取ui=0.5m/s和按单程管计算的流速u对比，确定管程数Np=uiu=0.50.1266=4（管程）（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数: tm=t1-t2lnt1t2=38.550 P=t2-t1T1-t1=37-2390-23=0.21R=T1-T2t2-t1=90-5037-23=2.86 tm=0.95tm=ttm逆=0.9538.550=36.623确定壳程数为1（4）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=1.25do，计算出t值。t=1.25 do=1.250.025=0.03125m隔板中心到离其最近的一排管中心距离Z计算如下： Z=t2+6=31.252+6=21.625mm各程相邻管的管心距为 2Z=43.25mm（5）壳体内径（取整数） 采用多管程结构，取管板利用率0.8，则壳体内径为 D=1.05t列管数=1.050.03125930.8=354m=400mm采用标准壁厚=8mm（6）折流板 折流板圆缺高度 采用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=0.25D=0.25400=100mm板间距 取折流间距B=0.3-0.5DB=0.30.4=0.12m=120mm折流板数目NB =传热管长折流板间距-1=30.123-1=24块折流板圆缺面水平装配（7）接管 壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 d1=4vu=43.858/11453.141.0=0.0655m=66mm根据附录19选取适宜的管材和管径：无缝钢管733 mm管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速 u1.5 m/s，则接管内径为 d2=44.059/995.73.141.5=0.0588m=59mm根据附录19选取适宜的管材和管径：焊接钢管75.53.75（8）管法兰标准管法兰号：HG20592；密封面形式：平面（9）放空管放空管选取50mm2.5mm的无缝钢管（10）排污管排污管选取70mm3mm的无缝钢管，接管管长均选取200mm（11）支座选用鞍式支座标准号：JB/T4712,鞍座：B1325-F（S）（12）管箱管箱的公称直径DN500mm为平盖管箱；500mmDN800mm为平盖管箱和封头管箱，推荐使用封头管箱；DN900mm，选择封头管箱。（13）封头设计为固定管板式，封头尺寸DN 454mm8mm,直变高度为20-30mm,曲边高度为120-150mm,材料选用A3钢。八、换热器核算：（1）热量核算管程对流传热系数管程流通截面积si=4di管数4=0.008049m管程流体流速ui=m冷/冷si=4.059/995.70.008049=0.5067=0.507m/sRei=diui冷冷=0.0210.507995.70.0008105=13079.85普兰特准数：Pr=5.42(查附录2)i=0.023冷diRei0.8Pr0.4=0.023(0.618/0.021)13079.850.85.420.4=2614.306 W/(m2)壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式o=0.36deReo0.55Pr1/3(w)0.14当量直径，由正三角形排列得de=4(32t2-4do)do=4(0.0312532-3.1440.025)3.140.0250.0181m壳程流通截面积So=BD1-dot=0.120.41-0.0250.03125=0.0096m壳程流体流速及其雷诺数分别为u0=m热/热So=3.858/11450.0096=0.3510m/sReo=deuo热热=0.01810.351011450.000857=8488.0910000普兰特准数 Pr=Cp热热热=1.61810000.0008570.156=8.89o=0.36热deReo0.55Pr130.95=0.360.1560.01818488.090.558.89130.95=884.34 W/(m2)传热系数KK=1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o=10.0252614.3060.021+1.719710-40.0250.021+0.002450.0250.023+1.719710-4+1884.34=14.55410-4+2.04710-4+4.83110-5+1.179710-4+1.130810-3=510.94 W/(m2)传热面积S实际所需面积S=QKtm=23720636.623510.9412.68m 实际提供面积S=doL-0.08管数=3.140.0253-0.0893=21.317 m 余度S-SS=21.317-12.6812.6868.12.41根据以上核算判断所设计的换热器能否完成生产任务：能完成任务，不过利用率低，有点浪费。九、设计结果一览表：换热器形式： 固定管板式工艺参数换热面积（m2）: 21.317名称管程壳程物料名称冷却水硝基苯操作压力，Pa未知未知操作温度，23/3790/50流量，kg/s4.0593.858流体密度，kg/m3995.71145流速，m/s0.5070.3868传热量，kW 237.206总传热系数，W/m2K 510.94传热系数，W/（m2）2614.306884.34污垢系数，m2K/W0.000171970.00017197程数41推荐使用材料不锈钢不锈钢管子规格: 252 管数: 93管长mm: 3000 管心距mm:43.25 排列方式: 正三角形折流板型式:弓形 间距mm:120 切口高度: 25%壳体内径mm: 400 折流板数：24 保温层厚度mm: 未知十、对设计的评述：初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一