化工原理设计材化0702苏建伟.doc

南 京 工 业 大 学材料工程基础课程设计设计题目： 列管式换热器设计煤油处理能力 1 9 吨/年 专 业： 材料化学 班 级： 材化0702 学 号： 14 姓 名： 苏建伟 日 期： 2010-6-287-9 指导教师： 钱海燕 设计成绩： 日 期： - 15 -18一 设计任务书（一） 设计题目列管式换热器设计煤油处理能力19吨/年(二) 设计任务及操作条件1、处理能力 19吨/年2、设备型号 列管式换热器3、操作条件（1）釜残液：煤油，入口温度102，出口温度40（2）冷却介质： 井水（3）换热器的管程和壳程压强降：不大于50Kpa（4）煤油平均温度下的物性参数：名称（Kg/m）C（KJ/kg)（Pas）（W/m）煤油9864.190.540.662目录1 设计任务书12 设计方案简介13 工艺计算和主体设备设计24 辅助设备的计算和选型85 设计一览表96 工艺流程简图107 主体设备工艺图118 设计评论139 参考文献1410.CAD附图末尾二 设计方案简介（1） 确定流体通入的空间 煤油为的入口出口温差大，为流量较小的流体，宜在管内走。煤油有多种有机化合物混合而成，容易结垢，因此为了清洗方便，宜在管内流过，以便于清洗管子。并将冷水通入壳层空间。（2） 确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的型式。冷却介质为井水，取入口温度为20，出口温度为40。（3） 选择管型由于煤油的腐蚀性较小，可以选用炭管，可以更多的节约成本。选择管子直径 为252.5mm的炭管。（4）选择换热器型号估算单程管子根数为n=38.9根据传热面积估算管子长度为L=27.08m若用4管程，则每管程的管长选用l=6m则管总数为38.94，取152选择G5002.4570型换热器壳径 D 500mm公称面积 S 70m管程数N 4管数n 152管长L 6m管子直径 252.5mm(炭钢管)管子排列方法 正三角形公称压强P 2.45MPa挡板间距为0.3m，整个换热器中共用挡板数为19个。（4） 选择辅助设备输送井水时选用IS100-80-125的单吸离心泵三 工艺计算和主体设备设计1 计算釜残液的流量列管式换热器的处理要求是1910吨/年W=2 试算并初选换热器规格（5） 确定流体通入的空间 煤油为的入口出口温差大，为流量较小的流体，宜在管内走。煤油有多种有机化合物混合而成，容易结垢，因此为了清洗方便，宜在管内流过，以便于清洗管子。并将冷水通入壳层空间。（6） 确定流体的定性温度、物性数据，并选择列管式换热器的型式。冷却介质为井水，取入口温度为20，出口温度为40。煤油的定性温度 T=71水的定性温度 t=30两流体温差 T-t=71-30=41由于两流体温差不大于50，并且两流体都比较清洁不易结垢，故选用固定管板式列管换热器，结构简单而且价格低廉。两流体在定性温度下的物性数据如下物料流体温度密度Kg/m粘度mPas比热容CKJ/(kg)导热系数W/(m)普朗特数Pr水30995.70.80154.1740.6185.42煤油719860.544.190.662（7） 计算热负荷Q 按管内煤油计算，即Q=Wc(T-T)=6.0254.191000(102-40)=1.56510W若忽略换热管的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即W=18.75kg/s（8） 计算平均温差，并确定壳程数。逆流温差 t=T-t=102-40=62 t=40-20=20t=37.12R=P=由R与P值查图表可得=0.85，所以t=t=0.8537.12=31.55又因=0.850.8，故可选用单壳程的列管换热器。（9） 初选换热器规格 根据管内为有机液体，管外为水，传热系数K值为280850W/(m)的范围内，初选K=700W/(m)，故A= m管内煤油的流速选取u=0.5m/s,选传热管252.5mm(炭钢管)估算单程管子根数为n=38.9根据传热面积估算管子长度为L=27.08m若用4管程，则每管程的管长选用l=6m则管总数为38.94，取152选择G5002.4570型换热器初选换热器规格尺寸如下：壳径 D 500mm公称面积 S 70m管程数N 4管数n 152管长L 6m管子直径 252.5mm(炭钢管)管子排列方法 正三角形公称压强P 2.45MPa换热器的实际传热面积S=nd(L-0.1)=1523.140.0255.9=70.3 m该换热器要求的总传热系数为：K= W/(m)2 核算总传热系数K（1）计算管程对流传热系数 因为W=10000 （湍流）液体被冷却，即=0.023=2866.7W/(m)（2）计算壳程对流传热系数换热器中心附近管排中流体流通截面积为 式中 h拆流挡板间距，取300mm; t管中心距，对252.5mm的管子，t=32mm。因为 W=18.75kg/s，所以0.0188m/s由正三角形排列，得0.0202m1.438因为Re在范围内，故可用下式计算=0.36由表可知Pr=5.42 由于液体被加热 取=1.05，所以=3931.5 W/(m)（3）确定污垢热阻=1.72m/W (煤油)=2m/W （井水）（4）总传热系数KK=因为选的管子材料为炭钢，取其导热系数=45 W/(m)K=856.8W/(m)选换热器时，要求过程的总传热系数为705.6 W/(m，在传热任务所规定的条件下，计算出的K=856.8W/(m)，所选择的换热器的安全系数为：21.4%则该传热器传热面积的裕度符合要求。3 计算压强降（1） 计算管程压强降前已算出：，（湍流）取炭钢管壁粗糙度为0.01mm,则，由摩擦系数图查得，所以=1100Pa=384.7Pa对于25mm2.5mm管子Ft1.4,且N=4，N=1，所以=8314Pa（2） 计算壳程压强降其中对于液体 F=1.15 , N=1p1F f0 nc（NB +1）管子为正三角形排列，取F=0.5n=1.1(n)=1.1(152)=14折流板间距 h=0.3m折流板个数 N=0.418m/sRe=因此， 6917Pa Pa从上面计算可知，该换热器管程与壳程的压降均满足题设要求，故所选G5002.4570换热器合适。四 辅助设备的计算和选型计算热负荷Q 按管内煤油计算，即Q=Wc(T-T)=6.0254.191000(102-40)=1.56510W若忽略换热管的热损失，水的流量可由热量衡算求得，即W=18.75kg/s=67.8选择IS100-80-125的单吸离心泵流量 100m/h扬程 20m转速 2900r/min汽蚀余量 4.5m泵效率 78%轴功率 7.00KW佩带功率 11KW五 设计一览表1 主体设备：G5002.4570：项目符号单位计算数据处理釜残液量W吨/年19釜残液温度入口T102出口T40冷却介质温度入口t20出口t40井水用量Wkg/s18.75热负荷QW1.56510换热器规格尺寸壳径D500mm公称面积S70m管程数N4管数n152管长L6m管子直径25mm管子厚度b2.5mm公称压强P2.45MPa壳程数NS1拆流挡板间距h300mm管中心距t32mm折流板个数N19通过管束中心线上的管子数nc14按壳程最大流通面积Ao计算的流速uo0.573m/s换热器中心附近管排中流体流通截面积A0.0328m配属设备：IS100-80-125的单吸离心泵流量扬程转速汽蚀余量泵效率泵效率轴功率佩带功率100m/h20m2900r/min4.5m78%7.00KW11KW六 工艺流程简图七 主体设备工艺图1 弓形挡板图：2 换热器主体剖面图：3 管排列图：八 设计评述本次设计是根据传热及其相关知识进行设计换热器的，这是一个比较实际的问题。以前在学校学的都是理论知识，根本就不知道如何去用。而这次给了我们一次充分地将理论知识转换为实际生产的机会。首先拿到这个题目时，觉得并不是什么难题。由于学校没有给我们开化工原理这门课，我首先将化工原理传热一章看了一遍，看完后觉得换热器原理很简单，主要是热对流传热，辅助的是热传导换热。当时觉得轻而易举地就能把换热器设计出来。当我真正开始设计时发现远远要比想象中的复杂，要考虑成本，材料所能承受的强度，生产效率，能耗等因素。而这些因素往往都是对立的，因此往往设计时都要整体考虑，然后择其最优方案。而考虑这些因素是整个设计的任务变得繁琐，设计的任何微小的零件都要去查相关手册和标准。因此这个设计也让我学到了大量知识，并不仅仅是实践经验。虽然这次课程设计只有短短两周时间，但是学到的知识却不比任何学科少。尤其是一些实践经验，这是一般理论课程所无法赋予的。通过这次设计也使我对自己专业有了进一步的了解。感谢钱海燕老师对本次设计的指导，也感谢学校给了我们这次设计的机会！九 参考文献1王志魁.化工原理.M.北京：化学工业出版社.2004.2匡国柱、史启才.化工单元过程及设备课程设计.