釜残液冷却器的设计

1、化工原理课程设计 摘 要化工原理课程设计是理论联系实际的桥梁， 是进行体察工程实际问题复杂性的初 次尝试。通过化工原理课程设计，达到综合运用化工原理课程的基本知识，基本原理 和基本计算，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的化工单元操作设 计任务，具有初步进行工程设计的能力；达到熟悉工程设计的基本内容，掌握化工单 元操作设计的主要程序和方法；提高和进一步培养分析和解决工程实际问题的能力。此设计为釜残液冷却剂的初步设计，是一钟列管式换热器，能将釜残液从高温冷却到适当温度，釜残液走管程，冷却剂走壳程。随着化学工业发展及能源价格的提高，换热器在化工生产中占有很重要的地位。列管式换热器的优点

2、是单位传热面积大，结构紧凑，紧固传热效果好，能用多种材料，价格低廉。根据以往生产资料作为设计的数据，并进行计算，从而确定具体型号。并用AutoCAD绘制平面布置图,主要配置装配图及收回控制点的工艺流程图,最终完成设计说明书。关键词:釜残液;冷却器;初步设计 AbstractPrinciples of chemical engineering course is designed to serve as a bridge between theory and practice, is to observe the complexity of engineering practical probl

3、ems early attempts. Through the principles of chemical engineering course design, the integrated use of basic knowledge of the principles of chemical engineering course, basic principle and basic calculation, to achieve mastery through a comprehensive, independent thinking, within the prescribed tim

4、e to complete the design tasks designated by the chemical unit operations, has the ability of the preliminary engineering design; To familiar with the basic content of engineering design, grasps the chemical single yuan operation design of the main procedures and methods; To improve and further deve

5、lop our ability to analyze and solve practical problems. This design as the kettle surface residue is agent of preliminary design, is a shell and tube heat exchanger, clock can be cooling to the appropriate temperature, the residual liquid from the hot kettle residual liquid tube side, the shell sid

6、e of the coolant walk. With the development of chemical industry and the increase in the price of energy, heat exchanger occupies very important position in the chemical production. Shell and tube heat exchanger is a heat transfer area is large, the advantages of compact structure, tighten the heat

7、transfer effect is good, can use a variety of materials, low prices. Based on previous production as a design of data and calculation, to determine the specific type. Assembly drawing with AutoCAD drawing layout, the main configuration and take back the control points of process flow diagram, finall

8、y complete the design specification.Keywords: kettle residual liquid; Cooler; The preliminary design目 录摘 要1Abstract21.前言42.设计目的及要求52.1目的52.2要求53.设计任务书63.1设计题目63.2设计任务及操作条件63.3设计已知条件63.4设计内容64.设计方案84.1列管式换热器的计算84.2辅助设备的计算及选择85.换热器设计工艺计算95.1初选设备规格95.2工艺结构尺寸105.3换热器核算115.4计算压强降126.辅助设备的选择156.1换热器封头的选择和

9、尺寸156.2管箱166.3隔板166.4法兰的选取166.5设置法兰垫片186.6接口法兰186.7排水孔法兰186.8拉杆直径及拉杆数196.9支座197.数据汇总208.主要符号表229.附录2310.参考文献2511设计心得体会261.前言化工原理课程设计是化工原理教学的一个重要环节，是综合应用本门课程和有关先修课程所学知识，完成以单元操作为主的一次设计实践。通过课程设计使学生掌握化工设计的基本程序和方法，并在查阅技术资料、选用公式和数据、用简洁文字和图表表达设计结果、制图以及计算机辅助计算等能力方面得到一次基本训练，在设计过程中还应培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严肃负责的工作

10、作风。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。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，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的差别管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。在管壳式换热器中，传递热量的间壁为圆管形。一些小直径的管子固定在管板上形成一组管束，管束外套有圆筒形薄壳，冷热流体分别走管内与管间，这两种流体通过间壁的热传

11、导和间壁表面上流体的对流而进行热量交换。由于管束和壳体结构的不同，管壳式换热器可以进一步划分为固定管板式、浮头式、填料函式和U型管式。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。2.设计目的及要求2.1目的熟悉查阅文献资料，搜集有关数据，正确选用公式。在兼顾技术先进性，可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常，安全更有所需要的检测盒测量参数，同事还要考虑环境保护的有效措施。准确而迅速的进行过程计算和主要设备的工艺设计计算。用精炼的语言，简洁的文字，清晰地图表来表

12、达自己的设计及计算结果。通过化工原理设计可以巩固CAD制图何从课外的学习中培养自学的能力，以及学习的方向通过化工原理课程设计，可以复习已经学过的换热器内容，可以更好的了解换热器。2.2要求通过化工原理设计，要求能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，在规定的时间完成指定的化工设计任务，从而得到化工设计的初步训练。通过化工原理设计，要求能了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养血红色呢过分析和解决工程实际问题的能力。通过化工原理的课程设计，能梳理正确的设计思想，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。学生要了解自己所设计的内容，在设计中要用到CAD的知识，所

13、以要对CAD有一定的了解。在制作图纸的（利用CAD）过程中，要考虑和利用到工程制图的标准。这要求工程制图要有一定的功底和认识。3.设计任务书3.1设计题目釜残液冷却器的设计3.2设计任务及操作条件1、 设计任务处理能力（釜残液流量） 6.01 kgs设备型式 列管式换热器 2、 操作条件釜残液 入口温度102.3,出口温度40 冷却介质水入口温度30,出口温度40 管程和壳程的压强降 不大于130kPa 换热器的热损失 忽略 3、 厂 址 齐齐哈尔地区 3.3设计已知条件1、定性温度下两流体的物性参数（1）釜残液定性温度tm=71.15 密度h=986kg/m3；比热容Cph=4190J/(k

14、g.) 导热系数h=0.662W/(m) 粘度h=0.00054Pa.s(2) 水定性温度tm=35.0 密度c=996kg/m3比热容Cpc=4180J/(kg.) 导热系数c=0.618W/(m) 粘度c=0.000804Pa.s2、管内外两侧污垢热阻分别是Rsi= Rso =1/4600( m2)/W 3、管壁导热系数w=17.5 W/( m)3.4设计内容1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算3、主要设备工艺尺寸设计 （1）冷却器结构尺寸的确定 （2）传热面积、两侧流体压降校核 （3）接管尺寸的确定4、辅助设备选型与计算5、设计结果汇总6、换热器装配图(1号图纸)7、设计评述8、参考

15、资料*总传热系数K暂取为600W/m2。(是多次试算后得出的值,设计任务书中不含此项)4.设计方案4.1列管式换热器的计算4.1.1试算初选设备规格4.1.1.1根据流体物性及工艺要求，确定流体通入的空间。4.1.1.2计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据。4.1.1.3根据从传热任务计算热负荷。4.1.1.4计算平均温度差，并校核。4.1.1.5依据总传热系数的经验范围，选定总传热系数K选值。4.1.1.6由总传热速率方程m=KSt，初步标出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸，选择设备规格。4.1.2工艺结构尺寸的选定和计算4.1.2.1根据传热器规格，选定固定管板式换热规格尺寸即确定管

16、程数，管数，管长以及管直径，并确定管程数。4.1.2.2计算其他的管件，拉杆，接管。4.1.3计算总传热系数 计算壳程对流体传热系数i和o，确定污垢热阻和RSo，再计算总传热系数K计，若(K计-K选)/选*100%，在10%25%范围内，则初选设备合格。4.1.4设计壳程压强降4.1.4.1计算管程流体阻力。4.1.4.2计算壳程流体阻力。4.2辅助设备的计算及选择4.2.1设备参数的计算换热器封头，管箱，隔板，法兰，垫片的选择，并画图。5.换热器设计工艺计算5.1初选设备规格5.1.1流程安排由于釜残夜具有腐蚀性，应该走管程，这样可以节约耐腐蚀材料，降低换热器成本 5.1.2确定物性数据 物

17、性入出釜残液102.340冷却水3040 采用逆流：t1=102.3-40=62.3 t2=40-30=10 定性温度：釜液Tm=（102.3）+40/2=71.15 水Tm=(40+30)/2=355.1.3估算传热面积4.3.1.1热负荷:关内釜液温度计算: Q=WnCp(T1-T2)=6.01×4190×(102.3-40)=1.569×106w4.3.1.2平均传热温度: tm= 又因为 R= P= 由<<化工原理>>(高教出版)得到øt =0.87 故tm=øt×tn=0.87×28.59=

18、24.87 传热面积:采用K=600w/m2,则估算传热面积S0: S0=105.15m25.2工艺结构尺寸5.2.1根据换热器规格,依据<<换热器原理及计算>>附录16(清华大学出版)得出,固定管板式换热器规格尺寸如下 管程数: 4,管数: 242 管长: 6m 管直径: 25×2.5mm 壳程数的确定:由于1.3.2中的=0.87>0.8,采用单壳程式列管换热器5.2.1.1传热管排列和分形方法:正三角形排列方法5.2.1.2管距t=1.25,则t=1.25×25=31.2532mm5.2.1.3壳体内径D=1.05×32

19、5;600mm5.2.1.4折流板:采用方形折流板折流板切去的圆缺高度h=25%×600=150mm折流板间距B=0.3D=0.3×600=180mm取得B=200mm;折流板数N=传热管长/折流板间距-1=-1=29块5.2.2计算其他附件:5.2.2.1拉杆:换热器壳体直径D=600mm,拉杆直径=12mm,可用8根5.2.2.2接管:课程流体进出口5.2.2.2.1管程接管直径; d=其中u=1.98m/s则d1=62.6mm,于是选取标准法兰Pg16Dj100HG5012-58壳程接管直径:d'=Vs=5.3换热器核算5.3.1管程流体流通截面积:管程流体流

20、速: 普兰特数:Pri= 则i=由于液体被冷却,所以n=0.3 i=5.3.2计算壳程对流传热系数0用克恩法计算 当量直径: 壳程流通截面积： 壳程流体流速u: Wc=0.3754kg/s 雷诺数： 普兰特数：由于液体被加热，取，则 污垢热阻和管壁热阻： 5.3.4总传热系数K： 5.3.5要求过程的总传热系数为k0 换热器的实际传热面积： 所选择的换热器的安全系数为： 该换热器传热面积的裕度符合要求。5.4计算压强降 计算流体流经管壳式换热器阻力，应该管壳和壳程分别计算。 5.4.1管程压强降计算 其中p1为直管摩擦阻力引起的压降，Pa： p2为回弯阻力引起的压降，pa; Ft为管程污垢校正

21、系数； Ns为串联的壳程数 Np为管程数 求p1：由于不锈钢壁粗糙度（P48，化工原理高教版） 取e=0.1mm， 则 由化工原理高教P50： 则： Np=4 Ns=1 Ft=1.4（对于25×2.5mm的管） 则 5.4.2壳程流动阻力计算 采用埃索计算公式： 其中 Fs壳程结构矫正系数，对于液体Fs=1.15 F 管子排列方式对压降的矫正系数，对三角形排列 F=0.5 Nb折流当班数（Nb=29） Z 折流挡板间距（Z=B=200mm=0.2m） u0 壳程流通截面积A0=Z(D-ncd0) nc位于管束中心线上的管数 则 由上得知该管程和壳程均小6.辅助设备的选择 6.1换热器

22、封头的选择和尺寸 根据化工设备机械基础（化学工业出版社）上二版637页椭圆封头（TB1154-73） 封头厚度的计算 Di<1200mm用版整块钢板冲压成型,此时=1 所以选用厚度为800mm的封头 封头曲面高度h1=150mm 封头的直边高度h0=40mm 封头的公称直径Dg=600mm 封头的示意图如下： 6.2管箱 根据<<化工原理课程标准图册>>查的图 6.3隔板 由于换热器采用四管程,所以选用三个隔板. 密封方式如下图:(隔板与管板)6.4法兰的选取6.4.1设备法兰的选择 查<<压力容器与化工设备使用手册>>表3-3-1<

23、<压力容器法兰分类>>查得工程压力PN=1.6Mpa,由于凹凸面对中性好,所以常在换热器法兰封面上使用,换管法兰应采取对焊平面法兰。查表得到法兰参数如下：6.4.1.1管法兰 （1）壳程法兰数据如下（HG5012-58）Pg=16kg/cm2 DNADKLdFCH重量（kg）螺栓数量直径20021934029522266224628.512M20 （2）管程法兰数据如下 DNADKLdFCH重量（kg）螺栓数量直径10010822018018156222525.108M16DNADKLdFCH重量（kg）螺栓数量直径600630840770367202549580.330M3

24、36.4.1.2壳体法兰：选取允许的压力为Pg=16kg/cm2 壳体选用对焊凸面法兰6.5设置法兰垫片 根据<<压力容器与化工设备使用手册>>491页密封垫片选用非金属垫片(TB4704-92) Dn=616mm D=644mm h=3mm d=600mm Pn=1.6Mpa 耐油石棉垫片使用温度：-20200 垫片如下图： 6.6接口法兰 壳程流体进出口接管规格为76×4mm 取管程流体进出口接管规格为219×6mm5 6.7排水孔法兰 查<<化工设备机械基础>>279页表10-22得称 径 N管径连续尺寸办事平焊法兰兰盖

25、兰补径D孔中心圆直径D孔直径L孔数量N纹Th兰内径B1口宽度b兰厚度C兰质量Kg厚度C质量Kg25335010816352652126.8拉杆直径及拉杆数 壳体直径mm拉杆直径mm最少拉杆数600124 查化工设备基础15页表1-6得 拉杆直径及板数 折流板，螺栓，挡板等一些辅助设备 挡板，定具等都选取国标 折流板：采用弓形折流板 挡板法兰等长双头螺栓选取M16 GB901-88 定具螺母选取M16 GB41-86 接管补强圈取GBR09-736.9支座 查<<压力容器与化工设备使用手册>>563页表 3-3-1,选取重型号BIII型式鞍座,焊制,120°包角

26、,不带垫片,查565表3-3-4 Dn=500900mm,鞍式支座(JB1167-73) 其尺寸数据如下 : DgB1LBIK1BM重量(kg)6001805501202604209022026.3 7.数据汇总 名称壳程管程质量流量kg/s37.546.01温度 进/出30/40102.3/40物性定性温度3571.15密度kg/m³996986比热容kJ/kg·4.184.19粘度 pa·s0.804×10-30.54×10-3导热系数w/m·0.6180.662普兰特数5.4383.418设备结构参数型号固定管板式台数1壳体内径600壳程数1管径25×2.5管心距32管长60000管子排列方式正三角形管根数（根）242折流挡板数29传热面积112.0折流板距200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速m/s0.3210.957传热膜系数w/·18875205污垢热阻·/w1/46051/4596阻力损失pa401039630热负荷w1569000传热温差T24.87传热系数k0 w/·562.