化工原理课程设计

1、河 西 学 院Hexi University化工原理课程设计题 目: 甲醇冷却器的设计 学 院: 化学化工学院 专 业:_ 化学工程与工艺 学 号: 2014210014 姓 名: 刘永菊 指导教师: 冯敏 2016年 11月 23日 河西学院化学化工学院课程设计化工原理课程设计任务书一、设计题目甲醇冷却器的设计二、设计任务及操作条件1.设计任务生产能力（进料量） 5万 吨/年操作周期 每年330天，每天24小时运行 2.操作条件甲醇入口温度 64 ,甲醇出口温度 50 ，甲醇压力为常压冷却介质循环水入口温度 25 ，出口温度 40 ，冷却水压力为 0.3MPa 允许压降 不大于105Pa 3

2、.设备型式 列管式换热器 4.厂址 张掖 三、设计内容1.设计方案的选择及流程说明2.换热器的工艺计算3.主要设备工艺尺寸设计4.辅助设备选型与计算5.设计结果汇总6.工艺流程图及换热器工艺条件图7.设计评述目录一、概述1二、选型与设计指导思想2三、设计方案31、确定设计方案3 2、确定物性数据3 3、计算总传热系数4 4、计算传热面积5 5、工艺结构尺寸5 6、换热器核算7四、设计结果一览表10五、主要符号说明11 六、总结11甲醇冷却器的设计刘永菊摘要：本设计采用列管式换热器冷却甲醇，首先确定设计方案，选择合适的计算步骤。查得计算中用到的各种数据，对换热器的传热系数、传热面积、工艺结构尺寸

3、进行核算，与设计的目标进行对照是否能满足要求，最终确定换热器的结构尺寸为设计图纸做好准备和参考，来完成本次设计。关键词：换热器 方案 核算 结构尺寸一、概述 在不同温度的流体间传递热能的装置成为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，另一种流体温度较低，吸收热量。在功实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但他基本原理与前一种情形并无本质差别。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世1。随着换热器在工业生产中的地位和

4、作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器的设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热器所需的传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式，其中间壁式换热器应用最广泛。按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器，见表1-1。表1-1换热器的结构分类类型特点间壁式管壳式列管式固定管板式刚性结构用于管壳温差较小的情况，管间不能清洗带膨胀节有温度补偿能力，壳程只能承受压力浮头式管内外均能承受高压，可

5、用于高温高压场合U形管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的物质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于传热面较大的液体间螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁作用，用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管

6、束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式用于允许换热流体间直接接触蓄热式换热过程分析阶段交替进行，适用于高温炉气中回收热能二、选型与设计指导思想1、了解换热器的物理化学性质，和腐蚀性能；2、由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种流体的用量；3、决定流体流入的空间；4、计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据；5、初算有效平均温度差，先按逆流算，再校核；6、选取管径和管内流速；7、计算传热系数K值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算；8、初步估算传热面积，考虑安全系数15%25%；9、选择管长L，计算管数N，确定管程数；10、确定壳程D和壳程挡板形式及数量等；11、校核有效平均温度差、对

7、流传热系数及传热面积；12、计算流体流动阻力，如阻力超过允许范围，则需调整设计。从以上步骤可以看出，换热器的传热设计是一个反复试算的过程，有时需要反复试算23次。所以，换热器的设计计算实际上带有试差的性质。三、设计方案1、确定设计方案选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度64，出口温度50冷流体。冷流体进口温度25，出口温度40。从两流体的温度来看，换热器的管壁温度和壳体壁温之差不是很大，因此，初步选用列管式换热器。流动空间及流速的确定由于循环冷却水易结垢，为便于清洗，应使冷却水走管程，甲醇走壳程。另外，这样的选择可以使甲醇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

8、流。选用25mm2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。2、确定物性数据2定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程甲醇的定性温度为：T= 64+502 =57管程循环水的定性温度为：T= 25+402 =32.5根据定性温度，分别查取壳程和管程流体有关物性数据。甲醇在57下的物性数据如下： 密度 o = 755.77/ 定压比热容 cpo = 2.629kJ/(kg) 导热系数 o = 0.1919W/(m) 粘度 o = 0.00039Pas循环水在32.5下的物性数据： 密度 i = 994.895/ 定压比热容 cpi =4.179 kJ/(kg) 导热系数 i = 0.62

9、38 W/(m) 粘度 i = 0.00076 Pas3、计算总传热系数热流量wo = 50000100033024 = 6313.13kg/hQo = wocpoto = 6313.132.629（64-50）= 232361.0628kJ/h = 64.545kW平均传热温差tm= t1-t2t1t2 = 64-40-（50-25）2425 = 24.5冷却水用量wi = Qocpiti = 64.5454.17915 = 3706.82kg/h总传热系数管程传热系数Re = diuiii = 0.020.5994.8950.00076=13090i=0.023ididiuiii0.8cp

10、iii0.4 =0.0230.62380.020.020.5994.8950.00760.84.1790.000761030.62380.4=2307.35W/()壳程传热系数假设壳程的传热系数o=800W/();污垢热阻为 Rsi=0.000344/W RSO=0.000172/W管壁的导热系数=45W/（m）总传热系数K K= 1doidi+Rsidodi+bdodm+Rso+1o =10.0252307.350.02+0.0003440.0250.02+0.00250.025450.0225+0.000172+1800 =408.08W/()4、计算传热面积S=QKtm=64.54510

11、3408.0824.5=6.5考虑15%的面积裕度，S=1.15S=7.55、工艺结构尺寸管径和管内流速及管长选用25mm2.5mm传热管（碳钢），取管内流速ui=0.5m/s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=V4di2ui=3706.823600994.8953.144.4(0.02)20.5=7根按单管程计算，所需传热长度为L=Sdons=7.53.140.0257=14m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取传热管长度l=6m,则换热器的管程数为 NP=Ll=2.43管总根数N=37=21平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数T1=64 T2=50

12、t1=25 t2=40R=T1-T2t2-t1=64-5040-25=0.9P=t2-t1T1-t1=40-2564-25=0.38按单壳程、三管程结构查温差校正系数图表。可得t=0.94平均传热温差tm=ttm=0.9424.5=23.03传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距a=1.25do,则a=1.2525=31.2532mm横过管束中心线的管数nc=1.1N=1.121=5壳体内径采用双管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为D=1.05aN=1.0532210.7=150.3mm圆整可取D=200mm折流挡板采用弓形折流挡

13、板，取弓形折流板的圆缺高度壳体内径为25%，则切去的圆缺高度为h=25%200=50mm取折流板间距B=0.5D则B=0.5200=100mm折流板板数为NB=传热管长折流挡板间距-1=6000100-1=59块折流挡板圆缺面水平装配。接管壳程流体进出口接管取甲醇流体的流速为u1=3.5m/s，则接管内径为d1=4Vu1=46313.1336003.14755.773.5=0.029m取标准管径=30mm管程流体进出口接管取接管内循环水流速u2=1.2m/s,则接管内径为d2=4Vu2=43706.823600994.8953.141.2=0.0331m圆整后可取管内径为=35mm 6、换热器

14、的核算热量核算壳程对流传热系数3对圆缺形折流板，可采用凯恩公式：o=0.36deRe00.55Pro13(w)0.14当量直径，由正三角形排列得：de=4(32a2-4do2)do=4(320.0322-40.0252)3.140.025=0.020m壳程流通截面积So=BD(1-doa)=0.100.20(1-0.0250.032)=0.004375壳程甲醇的流速及其雷诺数分别是uo=VSo=6313.133600755.770.004375=0.53m/sReo=deuooo=0.0200.53755.770.00039=20541普兰特准数：Pro=cpooo=2.62910000.00

15、0390.1919=5.3粘度校正：（w）0.141o=0.36dedeu0.55cp13w0.14=0.360.19190.020 （20541）0.55（5.3）131=1418W/()管程对流传热系数当Rei1000,Ldi60时可采用公式i=0.023idiRei0.8Pri0.4管程流通截面积Si=4di2(N-nc2)=3.1440.02221-72=0.002198 管内循环水流速ui=VSi=3706.823600994.8950.001099=0.47m/sRei=diuiii=0.020.47994.8950.00076=12306普兰特准数Pri=cpiii=4.1791

16、030.000760.6238=5.09i=0.0230.62380.02(12306)0.85.090.4=2573.5W/()传热系数K=1doidi+Rsidodi+bdodm+RSO+1O=10.0252573.50.02+0.0003440.0250.02+0.00250.025450.0225+0.000172+11418=539W/()传热面积SS=QKtm=64.54510353923.03=5.2该换热器的实际传热面积SpSp=doLNT=3.140.0256（21-7）=6.6该换热器的面积裕度为：H=Sp-SS100%=6.6-5.25.2100%=27%传热面积裕度合适

17、，该换热器能够完成生产任务。换热器内流体的压力降管程流动阻力Pi=（P1+P2）FtNsNp Ft=1.4 Ns=1 Np=P1=iLdiiui22, P2=iui22由于Re=12306，传热管的粗糙度d=0.120=0.005查莫迪图得i=0.035W/（m），流速ui=0.47m/s P1=0.03560.02994.895（0.47）22=1154Pa P2=3994.895(0.47)22=330Pa 所以管程总压力降 Pi=（1154+330）1.413=6232.8Pa105Pa管程压力降在允许范围之内。壳程压力降PO=（P1+P2）FtNs其中Ns=1,Ft=1.15流体流经管

18、束的阻力P1=FfoncNB+1ouo22，其中，F=0.5，fo=5Re-0.228=520541-0.228=0.52,nc=5,NB=59,uo=0.53m/sP1=0.50.525（59+1）755.770.5322=8280Pa流体流经折流板缺口的阻力P2=NB3.5-2BDouo22 其中B=0.1m，D=0.2m P2=69（3.520.10.2）755.770.5322=18311Pa所以壳程总压降Po=（8280+18311）1.15=30560Pa105Pa壳程压力降也在允许压力降范围内。 经上述计算和核算，可知所选工艺参数符合条件，即设计的换热器能满足生产要求。 四、设计

19、结果一览表设备名称甲醇冷却器换热器形式列管式换热器设备型号G300II-2.5-12.1工艺参数序号名称单位管程壳程1物料名称循环水甲醇2操作压力Pa0.3MPa常压3操作温度25进/40出64进/50出4流量Kg/h3706.826313.135流体密度Kg/994.895755.776定压比热容kJ/(k)4.1792.6297流速m/s0.940.538传热量W645459平均温度差20.0310总传热系数408.0811换热面积3.812传热系数W/()2573.5141813污垢系数/W0.0003440.00017214压力降Pa6232.83056015程数3116使用材料碳钢碳钢17直径mm252.520018长度mm600019管子规格21根，管间距32mm，排列20折流挡板规格59块，间距100mm,切口水平高度25%五、主要符号说明甲醇的定性温度T循环水的定性温度t甲醇密度o循环水密度i甲醇定压比热容cpo循环水定压比热容cpi甲醇导热系数o循环水导热系数i甲醇粘度o循环水流量i甲醇流量wo