纯苯冷却器设计.doc

课程设计 课程设计题目 课程设计题目 纯苯冷却器设计 系系 部 部 生物与化学工程系生物与化学工程系 专专 业 业 应用化学应用化学 学学 生生 姓姓 名 名 全君全君 班班 级 级 化化 B051B051 学号学号 2626 指导教师姓名 指导教师姓名 职称职称 职称职称 设计完成时间设计完成时间 20132013 年年 7 7 月月 1010 课程设计成绩评定表 系 部 学生姓名学 号班 级 专 业指导教师姓名 设计题目 评语 包括以下方面 学习态度 工作完成情况 材料的完整性和规范性 检索和利用文献能力 计 算机应用能力 综合运用知识能力和创新能力 设计表现 20 分 分值 规范性 25 分 分值 基础理论和专门知识 25 分 分值 答辩 30 分 分值 合 计 分值 评定成绩分值 指导教师签字 年 月 日 化工原理课程设计任务书 一 一 设计题目 纯苯冷却器设计 二 设计任务及操作条件 1 设计任务 处理能力 20000kg h 设备型式 列管式 2 操作条件 纯苯液 入口温度 80 进口温度为 55 1 C 0 C 0 冷却介质 35 入口 循环水 2 C 0 允许压强降 管 壳程压强降不超过 10Kpa 3 3 物性参数 物 性 流体 温度 kg m mPa s Cp kJ kg C 0 W m C 0 kJ kg 苯 67828 60 3521 8410 129394 水 3910000 674 1740 6322258 3 设计计算内容 1 传热面积 换热管根数 2 确定管束的排列方式 程数 折流板等 3 壳体的内径 4 冷热流体进出口管径 5 核算总传热系数 6 管壳程流体阻力校核 4 设计成果 1 设计说明书一份 2 换热器工艺条件图 三 设计内容及时间安排 设计动员 0 5 天 1 概述 2 设计方案的选择 3 确定物理性质数据 0 5 天 4 设计计算内容 计算总传热系数 计算传热面积 1 5 天 5 主要设备工艺尺寸设计 1 管径尺寸和管内流速的确定 2 传热面积 管程数 管数和壳程数的确定 3 接管尺寸的确定 1 天 6 设计结果汇总 7 换热器工艺条件图 1 天 8 设计评述 答辩 0 5 天 四 图纸要求 列管式换热器工艺条件图 五 参考资料 1 上海医药设计院 化工工艺设计手册 上 下 北京 化学工业出版社 1986 目录 程设计成绩评定表 II 化工原理课程设计任务书 3 第 1 章 概述 7 第 2 章 设计条件及主要物性参数 7 2 1 设计条件 8 2 2 物性参数 8 第 3 章 确定设计方案 8 3 1 选择换热器的类型 8 3 2 流体空间选择 8 第 4 章 工艺计算 9 4 1 确定物性数据 9 4 2 估算传热面积 9 4 2 1 计算热负荷 忽略热损失 9 4 2 3 平均温度差 m t 的计算 9 4 2 4 估算传热面积 9 4 3 工艺结构尺寸 10 4 3 1 选管子规格 10 4 3 2 总管数和管程数 10 4 3 3 确定管子在管板上的排列方式 10 4 4 4 壳体内径的确定 10 4 3 5 确定实际管子数 11 4 3 6 折流板的确定及绘管板布置图 12 4 3 7 接管口径计算 12 4 3 8 拉杆设置 12 第 5 章 传热器校核 13 5 1 传热面积校核 13 5 1 1 传热温差校正 13 5 1 2 总传热系数 K 的计算 13 5 2 2 1 管内传热膜系数 13 5 2 2 2 管外传热膜系数 13 5 2 2 3 污垢热阻和管壁热阻 14 5 2 2 4 总传热系数 K 14 5 1 3 传热面积校核 15 5 2 核算管 壳程流动阻力 15 5 2 1 管程 15 5 2 2 壳程 15 5 3 壁温的计算 16 第 6 章 设计结果汇总表 17 设计评述设计评述 18 设备图设备图 18 参考文献参考文献 18 附录附录 A A 19 附录 B 20 第 1 章 概述 本设计的主要任务是设计纯苯液冷却器设计 处理能力为 20000kg h 纯 苯液的入口温度 80 进口温度为 55 冷却介质为 35 入口 循环水 C 0 C 0 C 0 允许压强降为管 壳程压强降不超过 10Kpa 根据苯和水的物性参数 假设水的 出口温度为 43 根据这些条件选择换热器 列管式换热器的类型主要有四 C 0 种 固定管板式换热器 浮头式换热器 U 型管式换热器和填料函式换热器 在这个设计中选固定管板式换热器 固定管板式换热器的特点 两端管板和壳体连接成一体 结构简单 紧凑 布管多 更换 造价低 管内便于清洗 应用广泛 壳程不易清洗 因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料 所以纯苯液 走壳程 循环水走管程 适合在管壳壁温差不大于50的情况下使用 当温差相差较大时可设置膨 C 0 胀节 由于此设计的温差小于50 所以可以不用考虑热补偿 C 0 第 2 章 设计条件及主要物性参数 2 1 设计条件 1 处理能力 20000kg 纯苯液 h 2 设备类型 列管换热器 3 操作条件 纯苯液 入口温度 80 进口温度为 55 1 冷却介质 35 入口 循环水 2 允许压强降 管 壳程压强降不超过 10Kpa 3 2 2 物性参数 物 性 流体 温度 kg m mPa s Cp kJ kg W m kJ kg 苯 67828 60 3521 8410 129394 水 3910000 674 1740 6322258 第第 3 章章 确定设计方案确定设计方案 3 1 选择换热器的类型 两流体温度变化情况 热流体进口温度 80 出口温度 55 冷流体进口温度 35 假设出口温度为 43 从两流体的温度看 换热器的管壁温度和壳体温度差不大 因此初步采用固定 管板换热器 3 2 流体空间选择 因为热流体为苯 冷流体为水 为了使苯通过壳体壁面向空气中散热 提 高冷却效果 故使苯走壳程 另外 水也较易结垢 为便于提高流速减少污垢 生成 以及便于清洗 故使水走管程 第 4 章 工艺计算 4 1 确定物性数据 苯的定性温度 C TT 021 5 67 2 5580 2 水的定性温度 C tt 021 39 2 4335 2 4 2 估算传热面积 4 2 1 计算热负荷 忽略热损失 Q 1 841 80 55 2 56 J 公式 2111 TTcq pm 20000 3600 3 10 5 10 1 参见附录 下同 4 2 2 冷却水用量 忽略热损失 s kg ttc Q q p m 67 7 35431017 4 1056 2 3 5 122 2 4 2 3 平均温度差的计算 m t 选取逆流流向 27 64 公式 2 m t 12 21 1221 ln tT tT tTtT 3555 4380 ln 3555 4380 4 2 4 估算传热面积 参照传热系数 K 的大致范围 取 K 500 W 18 52 公式 3 估 A m tK Q 6 27500 10 2 56 5 取实际面积为估算面积的 1 15 倍 则实际估算面积为 18 52 1 15 21 30 实 A 4 3 工艺结构尺寸 4 3 1 选管子规格 选取 25 2 5 无缝钢管 管长 l 3m 4 3 2 总管数和管程数 总管数 n 90 4 90 根 ld A 0 实 3025 0 14 3 3 21 单程流速 u 0 55m s nd qv 2 4 9002 0 4 14 3 6 992 67 7 2 单程流速可以达到传热效果 故采用单管程 4 3 3 确定管子在管板上的排列方式 采用正三角形排列 管子与管板用焊接结构 4 4 4 壳体内径的确定 壳体内径为 公式 4 bntD c 21 管心距 t 1 25 1 25 25 32 0 d 1 1 1 1 10 4 11 根 c nn90 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b 1 5 0 038 0 d 所以 D m396 0 03820111032 0 按壳体标准圆整取 D 400mm 4 3 5 确定实际管子数 管板布置图见设备图 1 换热器的实际传热面积 A n l 0 1 90 3 14 0 025 3 0 1 20 49 0 d 2 m 452 W 估 K m tA Q 64 2749 20 10 2 56 5 计算得的与之前设的值有较大差异 所以要重新进行上述计算 估 K 总管数 n 87 根 ld A 0 实 3025 0 14 3 49 20 单程流速 u 0 57m s nd qv 2 4 8702 0 4 14 3 6 992 67 7 2 壳体内径为 bntD c 21 管心距 t 1 25 1 25 25 32 0 d 1 1 1 1 10 3 11 根 c nn87 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b 1 5 0 038 0 d 所以 D m396 0 03820111032 0 按壳体标准圆整取 D 400mm 4 3 6 折流板的确定及绘管板布置图 折流板与壳体间隙 3 5mm 折流板直径 D 400 2 3 5 393mm 采用弓形折流挡板 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去圆 缺高度 10040025 0 25 0 Dh 折流板数 1 1 13 5 14 B N 0 1 0 h l 20 1 03000 折流板间距 200mm 0 2D D 0 h 0 h 4 3 7 接管口径计算 管程流体进出口接管 取管内流速 u 1 8m s 则接管内径 m u q d v 074 0 8 114 3 6 992 67 7 4 4 1 按管子标准取管程流体进出口接管规格为 81 3 5 无缝钢管 壳程流体进出口接管 取管内流速 u 1 8m s 折接管内径 0 0689m 2 d u qv 4 8 114 3 6 8283600 20000 4 按管子标准圆整 取壳程流体进出口接管规格为 75 3 无缝钢管 4 3 8 拉杆设置 选拉杆直径为 16 拉杆数量为 4 根 第第 5 5 章章 传热器校核传热器校核 5 1 传热面积校核 5 1 1 传热温差校正 0 178 3 125 公式 5P 11 12 tT tt 3580 3543 R 12 21 tt TT 3343 5580 根据 P R 值 查温差校正系数图 0 96 因 0 8 所 t t 以选用单壳程可行 5 1 2 总传热系数 K 的计算 5 2 2 1 管内传热膜系数 16889 公式 6 e R du 3 1067 0 6 99257 0 02 0 4 42 公式 7 r P p c 632 0 1067 0 10174 4 33 流体被加热 取 n 0 4 0 023 3171W i 4 08 04 0 8 0 42 4 16889 02 0 632 0 023 0 re i PR d 公式 8 5 2 2 2 管外传热膜系数 管子按正三角形排列 则传热当量直径为 m d dt de02 0 025 0 14 3 025 0 4 14 3 032 0 2 3 4 42 3 4 22 0 2 0 2 公式 9 壳程流通截面积 S D 1 0 2 0 4 1 0 0176 公式 10 0 h t d0 032 0 025 0 壳程流体流速 i usm s qv 38 0 0176 0 6 8283600 20000 R 26835 e ude 3 10352 0 6 82857 0 02 0 P 5 02 r p c 129 0 10352 0 10841 1 33 壳程中苯被冷却 取 0 95 w 14 0 0 36 公式 11 0 14 0 3 155 0 w re e PR d 0 36 26835 5 02 0 95 1077W 0 02 0 129 0 0553 1 5 2 2 3 污垢热阻和管壁热阻 查表管内 外侧热阻分别 R 2 0 10 W R 1 72 10 i 4 0 4 W 已知管壁厚度 0 0025m 导热系数 45 4W m 5 2 2 4 总传热系数 K K 公式 12 0 0 000 1 1 R d d d d R d d mi i ii 1077 1 000172 0 5 22 4 45 250025 0 20 25 0002 0 203171 25 1 564W 5 1 3 传热面积校核 所需的传热面 A 16 4 m tK Q 64 27564 1056 2 5 所以 1 25 A A 4 16 49 20 即换热器有 25 的面积裕度 在 10 25 范围内 能完成生产任务 5 2 核算管 壳程流动阻力 5 5 2 2 1 1 管程 管程 P P P FN N 公式 13 i12t sp 已知 F 1 4 N 1 N 1 u 0 57m s R 16889 湍流 tsp iei 查表得 0 036 P 0 036 870 7 Pa 公式 14 1 i d l 2 2 i u 02 0 3 2 57 0 6 992 2 p 1 5 3 241 9 Pa 公式 15 2 2 2 i u 2 57 0 6 992 2 P 870 7 241 9 1 4 1 1557 6 Pa 10kpa i 5 2 2 壳程 已知 1 15 N 1 s F s P P P FsNs 公式 16 0 1 2 P Fb N 1 公式 17 1 0 f B 2 2 0 u 管子按正三角形排列 F 0 5 b 1 1 1 1 10 3n87 折流挡板间距 0 2m 0 h 折流挡板数 N 14 B 壳程流通截面积 S D bd 0 2 0 4 10 3 0 025 0 0285 0 h 0 壳程流速 u 0 235m s 0 S qv 0285 0 6 8283600 20000 Re 1 38 10 500 0 00u d 3 10352 0 6 828235 0 025 0 4 5 0Re 5 0 1 38 10 0 569 公式 18 0 f 228 0 0 4228 0 所以 P 0 5 0 569 10 3 14 1 1767Pa 1 2 235 0 6 828 2 P N 3 5 公式 19 2B D B2 2 2 0 u 19 3 5 801Pa 4 0 15 0 2 2 383 0 6 828 2 P 1767 801 1 15 1 2953Pa 10kPa 0 计算结果表明 管程和壳程的压力降均能满足设计要求 5 3 壁温的计算 换热器的壁温可由下式计算 公式 20 21 21 mm w tT t 已知1077W 3171W 2 i2 m TCTT 0 21 65556 0804 06 04 0 Ctttm 0 12 2 38356 0434 06 04 0 换热管平均壁温 Ctw 0 45 31711077 2 383171651077 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度 即 壳体壁温与传热 w TC 0 65 管壁温之差为 Ct 0 204565 该温差小于 所以不需要设置温差补偿装置 C 0 50 第第 6 章章 设计结果汇总设计结果汇总 温度进 出C 0 80 5535 43 压力 Mpa kpa10 kpa10 定性温度 C67 539 密度 kg m3 828 6 992 6 热容 kJ kg C 0 1 8414 174 物性 黏度 MPa s 0 129 0 632 型式列管式台数 1 壳体内径 mm 400 壳程数 1 管径 mm 5 225 管心距 mm 32 管长 mm 3000 管子排列 管数目 根 87 拆流板数 个 14 传热面积 m2 21 3 拆流板距 mm 200 设备结构参数 管程数 1 材质不锈钢 主要计算结果管程壳程 污垢热阻 m2 C w 0 0001740 0002 热负荷 Kw 256 传热温差 C 20 传热系数 w m2 C 564 裕度 25 设计评述设计评述 这项试验设计综合性比较强 设计的进行是在兼顾技术上先进行 可行性 经济合理性的条件下进行的 此次设计涉及的工艺计算和结构设计比较全面 从多方面考察了我们的知识 从工艺计算到结构设计 每一个环节都集中考察 了我们的综合性应用能力 设备图设备图 设备图 1 设备图 2 参考文献参考文献 1 陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 编 化工原理 北京 化学工业出版社 2006 2 李功详 陈兰英 崔英德 编 常用化工单元设备设计 广州 华南理工出版 社 2003 3 明辉编 化工单元过程课程设计 北京 化学工业出版社 附录附录 A A 符号意义与单位符 号 意义与单位 Q热负荷 KJ NB 折流板数 i 管程给热系数 w dm 传热管平均直径