化工原理课程设计说明书

1 化工原理课程设计任务书化工原理课程设计任务书 甘肃农业大学食品科学与工程学院 一 化工原理课程设计的重要性一 化工原理课程设计的重要性 化工原理课程设计是学生学完基础课程以及化工原理课程以后 进一步学习工程设计的 基础知识 培养学生工程设计能力的重要教学环节 也是学生综合运用化工原理和相关先修 课程的知识 联系生产实际 完成以单元操作为主的一次工程设计的实践 通过这一环节 使学生掌握单元操作设计的基本程序和方法 熟悉查阅技术资料 国家技术标准 正确选用 公式和数据 运用简洁文字和工程语言正确表述设计思想和结果 并在此过程中使学生养成 尊重实际问题向实践学习 实事求是的科学态度 逐步树立正确的设计思想 经济观点和严 谨 认真的工作作风 提高学生综合运用所学的知识 独立解决实际问题的能力 二 课程设计的基本内容和程序二 课程设计的基本内容和程序 化工原理课程设计的基本内容有 1 设计方案简介 对给定或选定的工艺流程 主要设备的型式进行简要的论述 2 主要设备的工艺计算 物料衡算 能量衡算 工艺参数的选定 设备的结构设计和 工艺尺寸的设计计算 3 辅助设备的选型 典型辅助设备主要工艺尺寸的计算 设备规格型号的选定 4 工艺流程图 以单线图的形式描绘 标出主体设备与辅助设备的物料方向 物流量 主要测量点 5 主要设备的工艺条件图 图面应包括设备的主要工艺尺寸 技术特性表和接管表 6 编写设计说明书 可按照以下几步进行 课程设计准备工作 有关生产过程的资料 设计所涉及物料的物性参数 在设计中所涉及工艺设计计算的数学模型及计算方法 设备设计的规范及实际参考图等 确定设计方案 工艺设计计算 结构设计 工艺设计说明书 封面 课程设计题目 学生班级及姓名 指导教师 时间 目录 设计任务书 概述与设计方案的简介 设计条件及主要物性参数表 工艺设计计算 辅助设备的计算及选型 设计结果汇总表 设计评述 工艺流程图及设备工艺条件图 参考资料 2 主要符号说明 三 列管式换热器设计内容三 列管式换热器设计内容 1 确定设计方案 确定设计方案 1 选择换热器的类型 2 流程安排 2 确定物性参数 确定物性参数 1 定性温度 2 定性温度下的物性参数 3 估算传热面积 估算传热面积 1 热负荷 2 平均传热温度差 3 传热面积 4 冷却水用量 4 工艺结构尺寸 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速 2 管程数 3 平均传热温度差校正及壳程数 4 传热管排 列和分程方法 5 壳体内径 6 折流板 7 其它附件 8 接管 5 换热器核算 换热器核算 1 传热能力核算 2 壁温核算 3 换热器内流体的流动阻力 四 设计任务和操作条件四 设计任务和操作条件 某厂用井水冷却从反应器出来的循环使用的有机液 欲将 6000kg h 的有机液从 140 冷 却到 40 井水进 出口温度分别为 20 和 40 若要求换热器的管程和壳程压强降均不 大于 35kPa 试选择合适型号的列管式换热器 定性温度下有机液的物性参数列于附表中 附 表 项 目 密度 kg m3 比热 KJ kg 粘度 Pa s 热导率 kJ m 植物 油 9502 261 0 742 3 10 0 172 五 主要设备结构图 示例 五 主要设备结构图 示例 根据设计结果 可选择其它形式的列管换热器 根据设计结果 可选择其它形式的列管换热器 六 设计进度六 设计进度 1 设计动员 下达设计任务书 0 5 天 2 搜集资料 阅读教材 拟定设计进度 1 5 天 3 设计计算 包括电算 编写说明书草稿 5 6 天 4 绘图 3 4 天 5 整理 抄写说明书 2 天 6 设计小结及答辩 1 天 3 七 设计成绩评分体系七 设计成绩评分体系 考核成绩分为五档 优秀 90 100 分 良好 80 89 分 中等 70 79 分 及格 60 69 分 不及格 60 分 评定方法 答辩成绩占 30 设备图占 30 说明书占 35 平时成绩占 5 两位任课教 师分别评分 总评成绩取两位任课教师的平均分 概述与设计方案的简介概述与设计方案的简介 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换器 换热器的应用广泛 日常生活中取暖用的暖气散热片 汽轮机装置中的凝汽器和航天火 箭上的油冷却器等 都是换热器 它还广泛应用于化工 石油 动力和原子能等工业部门 它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度 同时也是提高能源利用率的主要设 备之一 由于制造工艺和科学水平的限制 早期的换热器只能采用简单的结构 而且传热面积小 体积大和笨重 如蛇管式换热器等 随着制造工艺的发展 逐步形成一种管壳式换热器 它 不仅单位体积具有较大的传热面积 而且传热效果也较好 长期以来在工业生产中成为一种 典型的换热器 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种 顺流时 入口处两流体的温差最大 并沿传热表面逐渐减小 至出口处温差为最小 逆流时 沿传热表面两流体的温差分布较均 匀 在冷 热流体的进出口温度一定的条件下 当两种流体都无相变时 以逆流的平均温差 最大顺流最小 在完成同样传热量的条件下 采用逆流可使平均温差增大 换热器的传热面积减小 若 传热面积不变 采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低 前者可节省设备费 后者可 节省操作费 故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热 本设计方案为 确定设计方案 包括选择换热器的类型 流程安排 确定物性参数 包 括定性温度 定性温度下的物性参数 估算传热面积 包括热负荷 平均传热温度差 传热 面积 冷却水用量 确定工艺结构尺寸 包括管径和管内流速 管程数 平均传热温度差校 正及壳程数 传热管排列和分程方法 壳体内径 折流板 其它附件 接管 换热器核算 包括传热能力核算 壁温核算 换热器内流体的流动阻力 最后画出工程图 设计条件及主要物性参数表设计条件及主要物性参数表 将 6000kg h 的有机液从 140 冷却到 40 井水进 出口温度分别为 20 和 40 要 求换热器的管程和壳程压强降均不大于 35kPa 4 性质密度 kg m3比热 KJ kg 粘度 Pa s热导率 kJ m 植物油热流体9502 261 0 742 3 10 0 172 井水冷流体995 74 174 0 801 3 10 0 618 工艺设计计算工艺设计计算 一 确定设计方案 1 选择换热器的类型 两流体的变化情况 热流体进口温度 140 出口温度 40 冷流体进口温度 20 出口温度 40 考虑冷热流体间温差大于 50 初步确定选用浮头式换热器 2 流程安排 与有机液相比 井水易于结垢 如果其流速太小 会加快污垢增长速度使换热器传热速 率下降 有机液被冷却 走壳程便于散热 因此 冷却水走管程 有机液走壳程 二 确定物性数据 1 定性温度 对于粘度低的流体 其定性温度可取流体进出口温度的平均值 所以 壳程流体的定性温度为 T 90 2 40140 管程流体的定性温度为 t 30 2 4020 2 物性参数 定性温度下 管程流体 井水 壳程流体 有机液 有关物性参数由 主要物性参数表 得出 三 估算传热面积 1 热流量 Q1 111 tcm p 6000 2 261 140 40 1 3566 106kj h 376 833kw 2 平均传热温差 先按照纯逆流计算 得 塑m t 7 49 2040 40140 ln 2040 40140 5 3 传热面积 由于壳程有机液的压力较高 故可选取较大的 K 值 假设 K 395W 则估算的传 热面积为 A 2 3 1 19 19 7 49395 10833 376 m tK Q m 考虑到估算性质的影响 根据经验取实际传热面积为估算值的 1 15 倍 则实际传热面积 为 A15 1 p A 2 07 22m 4 井水用量 m ipi tc Q 1 hkgskg 8 16250 51 4 204010174 4 10833 376 3 3 四 工艺结构尺寸 1 管径和管内流速 选用选用 25 2 5 较高级冷拔传热管 碳钢 取管内流速 u1 0 75m s 2 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 根 20 75 0 02 0 785 0 7 9953600 8 16250 4 2 2 ud V i 按单程管计算 所需的传热管长度为 L m nd A so p 1505 14 20025 0 14 3 07 22 按单程管设计 传热管过长 宜采用多管程结构 根据本设计实际情况 采用标准管设 计 现取传热管长 L 8m 则该换热器的管程数为 Np 管程 2 8 15 l L 传热管总根数 Nt 20 2 40 根 3 平均传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数 R P 5 2040 40140 2 0 40140 2040 按单壳程 双管程结构 查图得 85 0 t 平均传热温差 24 4249 70 85 塑mtm tt 由于平均传热温差校正系数大于 0 8 同时壳程流体流量较大 故取单壳程合适 4 传热管排列和分程方法 6 采用正方形错列 取管心距 t 1 25d0 则 t 1 25 25 31 25 32mm 隔板中心到离其最近一排管中心距离 S t 2 6 32 2 6 22mm 各程相邻管的管心距为 22 2 44mm 5 壳体内径 采用多管程结构 取管板利用率 0 85 则壳体内径为 D 1 05tmmNT27558 0 403205 1 按卷制壳体的进级档 可取D 300mm 6 折流板 采用弓形折流板 取弓形之流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去的圆缺高度为 H 0 25 300 75m 取折流板间距 B 0 3D 则 B 0 3 300 90mm 古可取 B 100mm 折流板数目 691 100 7000 1 折流板间距 传热管长 B N 7 其他附件 拉杆数量与直径按表选取 本换热器壳体内径为 300mm 故 拉杆直径为 12 拉杆数量不得少于 4 8 接管 壳程流体进出口接管 取接管内流体流速为 u1 2m s 则接管内径为 m320 0 214 3 9503600 600044V D 1 1 管程流体进出口接管 取接管内液体流速 u2 2 5m s 则接管内径为 mD030 0 5 214 3 3420000 60004 2 圆整后 取壳程流体进出口接管 热轧无缝钢管 规格为 150 10 取管程流体进出口接管 热轧无缝钢管 规格为 150 10 四 换热器核算 1 传热能力核算 1 壳程流体传热膜系数 用克恩法计算 14 0 3 1 55 0 0 1 0 PrRe36 0 we d 7 当量直径 e dm d dt o o 02 0 4 4 2 2 壳程流通截面积 2 0073 0 032 0 025 0 1 3 01 0 1 m t d BDs o o 壳程流体流速 smuo 24 0 0073 0 9503600 6000 雷诺数 56 6145 10742 0 95024 002 0 Re 3 o 普朗特数 7538 9 172 0 10742 0 10261 2 Pr 33 粘度校正 95 0 14 0 w 得 Kmw o 2 3 1 55 0 1 70995 07538 956 6145 02 0 172 0 36 0 2 管内传热膜系数 4 08 0 PrRe023 0 i i i d 管程流体流通截面积 22 00628 0 2 40 02 0 785 0mSi 管程流体流速 smui 7219 0 006288 0 7 9953600 8 16250 雷诺数 17943 108012 0 7 9957219 0 02 0 Re 3 i 普朗特数 41 5 618 0 108012 0 10174 4 Pr 33 得 kmw i 6 352041 5 17493 02 0 618 0 023 0 23 08 0 3 污垢热阻和管壁热阻 管内侧污垢热阻 井水 wkmRo 00058 0 2 管外侧污垢热阻 有机液 wkmRi 000176 0 2 管壁热阻 碳钢在该条件下的热导率为 52 34w m K 8 则wkmRw 00005 0 34 52 0025 0 2 4 传热系数 kmw R d dR d dR d d K o o m ow i oi ii o e 2 5 410 1 1 5 传热面积裕度 所计算传热面积为 2 3 1 5 18 7 49 5 410 10833 376 m tK Q A me c 该换热器的实际传热面积为 2 12 25408025 014 3 mlNdA Top 该换热器的面积裕度为 6 18 19 19 5 1807 22 c cp A AA H 传热面积裕度合适 15 20 该换热器能够完成生产任务 2 壁温计算 由于传热管内侧污垢热阻较大 会使传热管壁温升高 降低了壳体和传热管壁温之差 但在操作初期 污垢热阻较小 壳体和传热管间壁温差可能较大 计算中 应该按最不利 的操作条件考虑 因此 取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 则 nc n m c w w tT t 11 式中 0 4 40 0 6 20 28 m t 0 4 140 0 6 40 80 m T 3520 6w k ic 709 1 k oh 传热管平均壁温 43 30 w t 壳体壁温 可近似取为壳程流体的平均温度 即 T 90 壳体壁温和传热管壁温之差为 57 5943 3090 t 9 该温差较大 故需要设温度补偿装置 选用浮头式换热器较为适宜 3 换热器内流体的流动阻力 1 管程流体阻力 spsrit FNNppp 25 2 5 1 s N2 Np 2 2 u d l p i ii 5 1 s F 由柏拉修斯公式 得 25 0 Re 3164 0 i 027 0 i 流速 u 0 75m s 995 71kg 所以 3 m Papi 4 3024 2 7 99575 0 02 0 8 027 0 2 Pa u pr840 2 75 0 7 995 3 2 22 则总阻力 35000PaPap 2 115935 121 840 4 3024 1 管程流体阻力在允许范围之内 2 壳程阻力 ssios NFppp 液体 1 s N15 1 s F 流体流经管束的阻力 2 1 2 o BTCoo u NNFfp 5 0 F6 056 61450 5 288 0 o f27 B NsmUO 08 0 131401 11 1 5 0 5 0 TTC NN 0 5 0 6 13 27 1 3319 7a o p 2 08 0950 2 流体流过折流板缺口的阻力 2 2 5 3 2 o Bi u D B Np B 0 2m D 0 3m 10 Papi2216 2 08 0 950 3 0 2 02 5 3 27 2 则总阻力 3119 7 2216 1 1 15 6136 06Pa 35000Pa s p 设计结果汇总表设计结果汇总表 壳程流体阻力在允许范围之内 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 参数壳程管程 流量kg h135666000 进 出口温度 20 40140 40 压力 Pa 11593 26136 定性温度 3090 密度 kg m3 995 7950 定压比热容 kj kg k 4 1742 261 粘度 Pa s 0 801 3 10 0 742 3 10 热导率 W m k 0 6180 172 物性 普朗特数 5 419 754 形式浮头式壳程数 1 壳体内径 275 台数 1 管径 25 2 5 管心距 32 管长 7000 管子排列正三角 管数目 根 40 折流板数 个 69 传热面积 22 07 折流板间距 200 设备 结构 参数 管程数 2 材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速 m s 0 750 08 表面传热系数 W k 3520 6709 1 污垢热阻 k W 0 000580 000176 阻力 Pa 9 59kpa6 13kpa 热流量 KW 356 6 传热温差 K 49 7 传热系数 W K 410 5 裕度 18 6 设计评述设计评述 11 在教师下达设计任务后 通过上网和多方查阅资料手册 经过近一个月左右时间紧张有序的 设计后 终于完成了浮头式换热器的设计和校核 通过工艺计算 计算出所需要的一些参数 如总换热面积为 108 85m2 换热管管数为 154 根 这些为后续的机械设计和绘制装配图奠定 了良好的基础 本次设计是课堂所学知识的全面应用与考查 既涉及到化工工艺方面 又涉 及到设备设计及化工制图等方面的内容 正因为如此 这次我能顺利完成任务 离不开老师 同学的支持和帮助 同时在完成此次过程中 我也学到了许多书本以外的知识 通过课程设 计 让我对以前学习的各科知识有了更系统的理解 比如 化工原理 工程制图 等课程 这些专业知识必将为我今后实习 就业奠定良好的基础 总之 此次设计让我受益匪浅 工艺流程图及设备工艺条件图工艺流程图及设备工艺条件图 热流体有机液 140 经泵进入换热器壳程 冷却至