环境化工原理课程设计任务书及指导书.pdf

环境化工原理课程设计指导书和任务书环境化工原理课程设计指导书和任务书 一 确定设计方案一 确定设计方案 包括选择换热器的类型和管壳程安排 二 确定物性数据二 确定物性数据 定性温度 对于一般气体和水等低黏度流体 其定性温度可取流体进出口温度的平均值 根据设计资料 确定管 壳程 流体的定性温度 根据定性温度 分别查取壳程和管程流体的有关物性数据 对混合气体来说 最可靠的无形数据是实测值 若不具备此条件 则应分别查取混合无辜组分的有关物性数据 然后按照相应的加和方法求出混和气体的物性数据 三 估算传热面积三 估算传热面积 1 热流量 Q1 2 平均传热温差 先按照纯逆流计算 3 传热面积A 111 tcm p m t p m Q K t 传热系数K的取值可参考表 1 表表 1 K 值大致范围值大致范围 4 热交换流体用量 m ipi tc Q 1 四 工艺结构尺寸四 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速 管径和管内流速 根据表 2 3 4 5 确定管径和管内流速 表表 2 常用换热管的规格和尺寸偏差常用换热管的规格和尺寸偏差 表表 3 列管换热器中不同粘度液体的最大流速列管换热器中不同粘度液体的最大流速 表表 4 列管换热器的常用流速列管换热器的常用流速 表表 5 列管式换热器易燃易爆液体允许的安全流速列管式换热器易燃易爆液体允许的安全流速 2 管程数和传热管数 管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数ns 2 4 i V d u 按单程管计算 所需的传热管长度为 L os p A d n 传热管过长时 采用多管程结构 根据实际情况 采用非标设计 确定传热管长l 换热器的管程数为Np L l 传热管总根数Nt 2ns 3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数 R 12 21 TT tt 热流体的温降 冷流体的温升 P 21 11 tt Tt 冷流体的温升 两流体最初温差 根据P R值查温差校正系数图如图 1 所示 得各种情况的 t 平均传热温差 mmt tt 塑 一般要求 t 的值不得低于 0 8 若低于此值 应考虑采用多壳程结构的换热器或多台换热器串联 4 传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 换热管直径越小 换热器单位容积的传热面积越大 因此对于洁净的流体可完管径可取得 小些 但对于不洁净或易结垢的流体 管径应取的大些 以免堵塞 为了制造和维修的方便 我国目前试行的系列标准规定 采用 19 2mm 和 25 2 5mm 两种规格 管长有 1 5 2 0 3 0 6 0m 排列方式 正三角形 正方形直列和错列排列 如 图 2 所示 传热管和管板的连接方法有胀接和焊接两种 一般情况下 胀接时 管心距t 1 3 1 5 d0 焊接时 t 1 25d0 d0为管子外 径 要注意 管心距最小不能小于 d0 6 mm 而且t d0值应稍大些 多管程结构中 隔板占有管板部分面积 一般情况下 隔板中心到离其最近一排管中心的距离可用式 s t 2 6 mm 表示 常用管心距如表 6 所示 表 6 常用管心距 表 6 常用管心距 图图 1 对数平均温度差校正系数对数平均温度差校正系数 t 的值的值 a 单壳程 b 二壳程 c 三壳程 d 四壳程 图 2 换热管排列方式 图 2 换热管排列方式 管束的分程方法常采用平行和 T 型方式 其前后管箱中隔板设置和介质的流通顺序按图 3 选取 图图 3 隔板形式与流通顺序图隔板形式与流通顺序图 5 壳体内径 壳体内径 对于单管程换热器 壳体内径为D t b 1 2 3 d0 式中t 管心距mm d0 传热管外径mm 对正三角 形排列 b 1 1 T N 对正方形排列b 1 19 T N 对多管程换热器壳体的内径D 1 05t T N 式中 管板利用率 的取 值范围如下 正三角形排列 管程 0 7 0 85 4 管程以上 0 6 0 8 正四边形排列 管程 0 55 0 7 4 管 程以上 0 45 0 65 估算出壳体内径后 需圆整到标准尺寸 卷制壳体的内径 公称直径 以 400mm为基数 以 100mm 为进级档 必要时也可采用 50mm为进级档 6 折流板 折流板 有横向折流板和纵向折流板两类 单壳程换热器仅需设置横向折流板 多壳程换热器不但需要设置横向折流板 而且需要设置纵向折流板 卧式换热器弓形折流板的圆缺面可以水平或垂直装配 如图 4 所示 图图 4 弓形折流板 左为水平圆缺 右为垂直圆缺 弓形折流板 左为水平圆缺 右为垂直圆缺 弓形折流板圆缺高度可为壳体内径的 25 取折流板间距B 0 3D 折流板数目NB B 1 折流板间距 传热管长 换热管的最大无支撑跨距见表 7 表表 7 最大无支撑跨距最大无支撑跨距 mm 换热管外径d010 14 19 25 32 38 45 57 最大无支撑跨距 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200 7 其他附件 其他附件 根据拉杆直径选用表 8 和数量选用表 9 选用拉杆直径和数量 表表 8 拉杆直径选用表拉杆直径选用表 mm 换热管外径 d 10 d 14 14 d 25 25 d 57 拉杆直径dn10 12 16 表表 9 拉杆数量选用表拉杆数量选用表 公称直径 mm 拉杆直径 mm 400 400 700 700 900 900 1300 1300 1500 1500 1800 1800 2000 2000 2300 2300 2600 10 4 6 10 12 16 18 24 28 32 12 4 4 8 10 12 14 18 20 24 16 4 4 6 6 8 10 12 14 16 8 接管 接管 包括管程和壳程流体进出口接管 设接管内气体流速为 u 接管内径为 1 4V D u 求出内径后再确定安装高度 五 换热器核算五 换热器核算 1 热流量核算热流量核算 1 壳程表面传热系数 用克恩法计算 见式14 0 3 1 55 0 0 1 0 PrRe36 0 we d 2 管内表面传热系数 4 08 0 PrRe023 0 i i i d 3 污垢热阻和管壁热阻 一些物质的污垢热阻范围见表 10 常用金属材料的热导率见表 11 表表 10 一些物质的污垢热阻范围一些物质的污垢热阻范围 表表 11 常用金属材料的热导率常用金属材料的热导率 4 传热系数为 e Koiowo o iiimo 1 1 e K dRdR d R ddd 5 传热面积裕度 计算传热面积 1 c em Q A Kt 该换热器的实际传热面积为 poT Ad lN 该换热器的面积裕度为pc c AA H A 传热面积裕度大于 15 20 合适 该换热器能够完成生产任务 2 壁温计算壁温计算 计算中 应该按最不利的操作条件考虑 管壁温度为 mm cn w cn 11 Tt t 3 换热器内流体的流动阻力换热器内流体的流动阻力 1 管程流体阻力 tirsps ppp N N F 2 ii i 2 lu p d 查莫狄图可得 i 2 壳程阻力 按式 ssios NFppp 计算 3 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 参数 管程 壳程 流率 kg h 进 出口温度 压力 MPa 定性温度 密度 kg m3 定压比热容 kj kg k 粘度 Pa s 热导率 W m k 物性 普朗特数 形式 壳程数 壳程数 壳体内径壳体内径 台数 管径管径 mm 管心距管心距 mm 管长管长 mm 管子排列 管子排列 管数目管数目 根 折流板数折流板数 个 传热面积 m2 折流板间距折流板间距 mm 设备结构参数 管程数 管程数 材质 主要计算结果 管程 壳程 流速 m s 表面传热系数 W m2 k 污垢热阻 m2 k W 阻力 MPa 热流量 KW 传热温差 K 传热系数 W K 裕度 详细资料参见有关参考书 参考文献 参考文献 1 化工单元过程及设备课程设计匡国柱 史启才主编 化学工业出版社 2002 年 1 月第 1 版 2 换热器设计手册 钱颂文 主编 化学工业出版社 2002 年 8 月第 1 版 3 环境工程原理 胡洪营 张旭等合编 高等教育出版社 2005 年 8 月第 1 版 4 化工原理 王志魁编 化学工业出版社 2005 年 1 月第 3 版 5 化工原理 杨祖荣主编 高等教育出版社 2004 年 4 月第 1 版 6 化工原理 姚玉英主编 天津科学技术出版社 1992 年 11 月第 1 版 化工设备工艺设计任务书化工设备工艺设计任务书 某生产过程的流程如下图所示 反应器的混合气体经与进料物流换热后 用循环冷却水将其从T1 进一步冷却至T2 之 后 进入吸收塔吸收其中的可溶组分 已知混和气体的流量为qm1 h 压力为 4 0MPa 循环冷却水的压力为 0 4MPa 循环 水的入口温度为t1 出口温度为t2 试设计一台列管式换热器 完成该生产任务 反 应 器 换热器 分 离 罐 吸 收 塔 压缩机 原料补充 吸收剂 循环冷却水 物性特征 物性特征 混和气体在定性温度下的有关物性数 据如下 来自生产中的实测值 密度 定压比热容kJ kg 热导率 3 1 mkg 1p c 1 w m 粘度Pas 1 循环水在定性温度下的物性数据 密 度 2 994 3 m3 定压比热容 4 174kJ kg 热 导 率 2p c 2 0 624w m 粘度 Pas10742 0 3 2 数据分配表数据分配表 其他数据不变 1 班 T1T2qm1t1t2 1 1p c 1 2 班 T1T2qm1t1t2 1 1p c 1 1 300 240 10 万 2040 70 3 5 0 03221 30024015 万2040 70 3 5 0 0322 2 300 190 10 万 2040 70 3 5 0 03222 30019015 万2040 70 3 5 0 0322 3 300 160 10 万 2040 70 3 5 0 03223 30016015 万2040 70 3 5 0 0322 4 300 110 10 万 2040 70 3 5 0 03224 30011015 万2040 70 3 5 0 0322 5 300 60 10 万 2040 70 3 5 0 03225 30060 15 万2040 70 3 5 0 0322 6 240 150 11 万 2040 70 3 5 0 03226 24015015 万2045 70 3 5 0 0322 7 240 130 11 万 2040 70 3 5 0 03227 24013015 万2045 70 3 5 0 0322 8 240 110 11 万 2040 70 3 5 0 03228 24011015 万2045 70 3 5 0 0322 9 240 90 11 万 2040 70 3 5 0 03229 24090 15 万2045 70 3 5 0 0322 10 240 60 11 万 2040 70 3 5 0 03221024060 15 万2045 70 3 5 0 0322 11 150 80 14 万 1839 82 3 4 0 02921115080 13 万1841 82 3 4 0 0292 12 150 70 14 万 1839 82 3 4 0 02921215070 13 万1941 82 3 4 0 0292 13 150 50 14 万 1839 82 3 4 0 02921315050 13 万1841 82 3 4 0 0292 14 150 55 14 万 1839 82 3 4 0 02921415055 13 万1841 82 3 4 0 0292 15 150 75 14 万 1839 82 3 4 0 02921515075 13 万1841 82 3 4 0 0292 16 130 75 10 万 2045 85 3 3 0 02921613075 16 万2349 87 3 3 0 0292 17 125 70 11 万 2045 85 3 3 0 02921712570 17 万2349 87 3 3 0 0292 18 125 65 12 万 2045 85 3 3 0 02921812565 18 万2349 87 3 3 0 0292 19 125 60 13 万 2045 85 3 3 0 02921912560 19 万2349 87 3 3 0 0292 20 125 55 14 万 2045 85 3 3 0 02922012555 15 万2349 87 3 3 0 0292 21 117 65 19 万 2045 85 3 3 0 02922111765 26 万2047 91 3 2 0 028 22 117 75 20 万 2045 85 3 3 0 02922211775 26 万2047 91 3 2 0 028 23 117 55 21 万 2045 85 3 3 0 02922311755 26 万2047 91 3 2 0 028 24 117 60 22 万 2045 85 3 3 0 02922411760 26 万2047 91 3 2 0 028 25 117 60 23 万 2045 85 3 3 0 02922511760 26 万2047 91 3 2 0 028 26 200 100 12 万 2050 6