化工原理课程设计

1、成绩化工原理课程设计设计说明书设计题目：列管式换热器姓名班级学号完成日期2012/2/24指导教师 李燕、设计任务及操作条件某生产过程中，需用循环冷却水将有机料液从 102C冷却至40C。已知 有机料液的流量为2.13X 104 kg/h，循环冷却水入口温度为30C，出口温度 为40C，并要求管程压降与壳程压降均不大于 60kPa,试设计一台列管换热 器，完成该生产任务。二、设计要求提交设计结果，完成设计说明书。设计说明书包括：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇 总表、参考文献及设计自评表、 换热器装配图等。（设计说明书及图纸均须计 算机打印完成）三、设计原则1. 满足工艺和操作要

2、求设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀 门和计量仪表等， 并自确定方案时， 考虑到各种流体的流量， 温度和压强变化使 采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，加修应方便。2. 满足经济上的要求在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置时 , 要有经济核算 的观点, 既能满足工艺和操作要求 , 又使施工简便 , 材料来源容易 , 造价低廉。如果 有废热可以利用 ,要尽量节省热能 , 充分利用 , 或者采取适当的措施达到降低成本 的目的。3. 保证安全生产在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险性 , 就要考虑必要 的安全措施。又如设备的材料强度的演

3、算 , 除按规定应有一定的安全系数外 , 还应 考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。 以上提到 的都是为了保证安全生产所需要的。 设计方案也可能一次定不好 , 后来需要修改 , 但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响 , 所以最好第一次确 立就考虑周到些。四、定性温度下流体物性数据 物性密度粘度比热容Cp导热系数流体kg/m3Pa skJ/ (kgC)W/ (m C)有机化合液9860.54*10-34.190.662水9940.728*10-34.1740.626五、设计方案简介1. 选择换热器的类型：两流体的变化情况：热流体的进口温 102C，出口温

4、度为40C，冷流体进口 温度为30C，出口温度为40C .温差60C70C左右，所以可选取制作简单便 宜的固定板式换热器。2. 管程安排：被冷却的流体宜走壳程，便于散热。且由于循环冷却水较易结 垢，走壳程流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；所以从 总体考虑，应使循环水走管程，有机料液走壳程。六、估算传热面积1. 热流量Qm,cpV t -21300 4.19 102-40A5.53 106 kj h = 1537.032kw2. 平均传热温差先按照纯逆流计算，得.仆 102-40 30102-40 In40-303. 热面积假设K =300W. m2k则估算的传热面积为4.

5、冷却水用量Ap 二Qitm1537032250 34.0= 180m2QiC p 4153703234.174 103 10-36.82 kg s=132566kg h七、工艺结构尺寸1.管径和管内流速 选用叮25 2.5较高级冷拨传热管(碳钢)5 二 0.6m/s。取管内流速2.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K1 V132566(3600x994)Ns2196兀20.780.020.6di u4按单程计算，所需传热管长度为1803.14 0.025 19612m按单程管设计，管子过长，所以采用多管程，根据实际，现取热管长 程数为：l=6m。管传热管子总根数：Nt=196

6、 X 2=392传热平均温差校正及壳程数平均温差校正系数：T1 I上2 一鮎102-4040 -30-6.2p7 二 40-30=0.139Tt1102-30按单、双壳程结构，查课本233页图4-19 (d)得：I =0.94平均传热温差.vtm 二ttm = 0.94 28.5 = 268C由于平均传热温差校正系数大于 0.8，取单壳程合适4. 传热管排列和分布方法采用组合排列法，按正三角形排列。取管心距t=1.25d0，则:t=1.25X 25=31.2532mm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44mm管数的分程方法，每程有传热管

7、196根5. 壳体得内径 采用多壳程结构，进行壳体内径估算。取利用率=0.75，则壳体内径为：D =1.05t、Nt正=1.05 32 392 0.75 = 768m按卷制壳体的进级档，可取D=800mm壳体的内径Di应等于或大于管板直径，所以管板直径的计算可以决定壳体的内径，其表达式为：Di 二 tne-1 2e管子按正三角形排列：ne =1.1； Nf -1.1 '.392 =22取e=1.2d0=1.2 25=30mmDj =3222-12 30 = 732按壳体直径标准系列尺寸进行圆整:Dj 二 800mm折流挡板 采用圆缺形折流挡板，去折流板圆缺高度为壳体直径的25%，则切去

8、的圆缺高度为：h = 0.25 800 = 200mm故可取h=200mm取折流板间距B=0.D，贝U B =0.3 800 =240,可取B为250mm。折流板数目：Nb传热管长60001 = 1 = 23折流板间距2507. 其它附件拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为800mm,故其拉杆直径为12拉杆数量8,其中长度5750mm的四根，5500mm的四根。壳程入口处，应设置防冲挡板。8、接管壳程流体进出口接管；取接管内有机液料流速为0.5m/s,贝U接管内径为D1 二知=4 汉 21300 M 3600 汉 986) _ ° 伯彳 mV3.140.5一.整圆后可取管内径为10

9、0mm 管程流体进出口接管：取流体速度 u2 =1m/s，则接管内径为D24 132566/3600 994X3.1498圆整后取内径为200mm八、换热器核算1. 热流量核算(1) 壳程表面传热系数巾36二Reg0.55w当量直径:de=4t2do71do2=0.02m壳程流通截面积:So =BD(1 一虫)=0.25 0.8 (1 一竺)=0.04 t32壳程流体流速及其雷诺数分别为u。21300/(3600986)“15m/s0.04deUo'°.°2 °15 98 54780.54 10,334.19 100.54 10= 3.417普朗特数0.6

10、62粘度校正：o= 0.36 062 54780.553.417 = 2043w/m2 K0.02(2) 管内表面传热系数:023捫计4管程流体流通截面积:Si0.7850.02 2392 =0.06152管内流体流速；Ui =132566/(3600 994)“6m/s0.0615雷诺数:Re = 0.02 0.6 994/(0.728 10)16385普朗特数:330.626p 4.174 100.728 10- =4.85:i =0.023 026 163850.8 4.850.4 = 3185w/m20.02(3) (3)污垢热阻和管壁热阻:查书取:管外侧污垢热阻 & = 0.

11、0004m2 k/w管内侧污垢热阻Ri = 0.0006m2 k/w管壁热阻查得碳钢的热导率为 50w/(m(4)传热系数Ke 有:* Rd。* Rwd。* R di d °Ke10)250.0006x25+13185 汉 202:479w/m2022.50.00042043 丿50Rw 二 0.0025 二。.。0 0m0 5/w(5)传热面积裕度:计算传热面积Ac:Ac二=112.6Ke ：tm479 28.5该换热器的实际传热面积为 AP:Ap = 9。叫 =3.14 0.025 6 392 = 184.6m2184.6-112.6112.6该换热器的面积裕度为-64%传热面积

12、裕度比较大，该换热器能够完成生产任务2. 壁温计算因为管壁很薄，而且壁热阻很小，故管壁温度可按式tw二 由于该换热器用循环水冷却，冬季操作时，循环水的进口温度将会降低。为确保 可靠，取循环冷却水进口温度为20C,出口温度为40C计算传热管壁温。另外, 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。 于 是有:Tm，卜/a式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别计算为tm =0.4X 40+0.6X 20=28CTm =(10

13、2+40)/2=7C:c r i =3185w/mK :h 一 ： o =2043w/mK传热管平均壁温tw = 44.8 C壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=71 C。壳体壁温和传热管壁温之差为 氏=71 - 44.8 =26.2 C。该温差不算很大，但为保险起见需设温度补偿装置。因此，选用带有温度补偿装置固定板式换热器适宜。3. 换热器内流体的流动阻力(1)管程流体阻力pCPiPr)NsNpFsdi 2、I Pu2 Ns =1 , Np =2 , p = ： i由Re=16385,传热管对粗糙度0.01,0.04，流速Ui =0.6m/s,? = 994kg/m3,所以：6=

14、0.040.020.62994=2147 Pa2Pr.u2994 0.623537 Pa2 2Pi= (2147 537) 2 1.5 =8052Pa管程流体阻力在允许范围之内。(2)壳程阻力:按式计算心 Ps =(心 Po + 心Pi ) Fs N s , Ns 1 ,Fs 1流体流经管束的阻力»FfoNTc(NB 1)泌2F=0.5f。=5 588000 228 =0.24190.50 5Ntc =1.1Nt = 1.1 392 .二 22Nb =23u0 =0 . 1n5/s986 汉 0 15 2：po = 0.5X 0.2419X 22 X (23+1) X 9860.15

15、 =709Pa流体流过折流板缺口的阻力2p 二 Nb(3.5) , B=0.25m, D=0.8mD 222 0.25986 0.15 :Pi =23 (3.5)734 Pa0.8总阻力:Ps =734+709=1443Pa壳程流体的阻力不大，符合要求。(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/出口温度厂C30/40102/60物 性定性温度/C28.571密度/ (kg/m3)994986定压比热容/kj/ (kg?K)4.1744.19粘度/ (Pa?s)0.728X 10，54X 10°热导率(W/m ?K)0.6260.662普朗特数

16、4.853.417设备结构参数形式固定板式壳程数1壳体内径血800台数1管径/ mm 25X 2.5管心距/ m32管长/ m6000管子排列正三角形排列管数目/根392折流板数/个23传热面积/184折流板间距/m250管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/ (m/s)0.60.23表面传热系数/W/ (tf?K)31852043污垢热阻/ (tf?K/W)0.00060.0004阻力/ kPa8.11.5热流量/KW1537传热温差/ c26.2传热系数/W/ (tf?K)478裕度/%64九、对设计的评述在刚开始做设计作业时，觉得好难，没有一点头绪，不知道从哪里下手，就 按照设计书上

17、以及老师给的的例子一部部计算，感觉很复杂，很烦！修改重算过 很多次，结果一直都不怎么让人满意。在熟悉整个计算过程后理清了思路， 发现 计算简单了。我想开始是由于过于盲目，没有科学地规划，以至于一直处在在盲 目的计算、改数字、再次计算这个阶段。这次化工原理课程设计给我留下了极深的印象，也让我有很大的收获。化工 原理课程设计是旨在学生的工程设计能力，对所学知识进行一次综合性训练。这 次我们对换热器进行了设计。将设计题目、设计内容与生产实践相结合，设计题 目来源于生产实际，具有实际意义。课程设计与计算机使用相结合。 设计中要求 我们根据设计任务，用计算机进行辅助设计，独立自编程序对设计中的一些重要 参数