化工原理课程设计-用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计

《化工原理课程设计》设计题目：用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计设目录第一章设计任务书41.1设计题目41.2设计条件41.2.1甘油41.2.2冷却水41.3设计任务：4第二章设计方案简介52.1列管式换热器型式选择52.2流体流通路径的选择52.3流体流向选择5第三章工艺计算及主体设备设计计算及选型63.1设计条件确定63.1.1甘油63.1.2水63.2流体定性温度确定63.3流体在定性温度下的物性数据63.4热负荷和冷却水流量的计算73.5平均温度差的计算73.6初选换热器规格8第四章总传热系数的核算94.1核算总传热系数K094.1.1计算管程对流传热系数α294.1.2壳程对流传热系数α194.2污垢热阻计算104.3核算总传热系数K计104.4壁温核算11第五章计算压强降125.1管程的压强降125.2壳程的压强降12第六章辅助设备的计算及选型146.1管箱146.2封头146.3旁路挡板146.4折流板146.5接管146.6导流筒146.7放气孔、排气孔15第七章设计结果一览表16第八章对设计的评述17参考文献18附录：换热器图纸第一章设计任务书1.1设计题目用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计1.2设计条件1.2.1甘油处理量：学号后四位平均值*10kg/h进口温度：100～120℃出口温度：40～45℃压强降：＜101.3kPa

1.2.2冷却水进口温度：（20～25范围选择）℃出口温度：（30～35范围选择）℃压强降：＜101.3kPa1.3设计任务：（1）根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板数目、形式等。（2）绘制列管式换热器的装配图。（3）编写课程设计说明书。第二章设计方案简介2.1列管式换热器型式选择考虑清洗和检修的方便，以及换热器对热应力的消除情况。因此，考虑选用浮头式换热器。2.2流体流通路径的选择在流体流通路径的选择中，易结垢的液体易走管程，便于清洗，而冷却水易结垢；同时，水用于冷却25%甘油，冷却水走管内有利于减少冷量流失，使冷却效果有所提升。所以综合考虑冷却水走管内，25%甘油走壳程。2.3流体流向选择在各种流动方式中，顺流和逆流可以看作是两个极端情况。在流体的进、出口温度相同的条件下以逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，其他各种流动方式的平均温差均介于顺流、逆流之间。因此，在逆流操作时平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，可减小所需的传热面，或者在传热面相同时逆流可传递较多的热量。因此综合考虑，选择逆流为流体流向。第三章工艺计算及主体设备设计计算及选型3.1设计条件确定3.1.1甘油处理量：54395kg/h进口温度：T1=100℃出口温度：T2=40℃3.1.2水进口温度：t1=25℃出口温度：t2=35℃3.2流体定性温度确定定性温度是指某种介质(冷介质或热介质)在求物性参数时使用的温度,如果介质粘度不大，取进出口温度的算术平均温度。因此：25%甘油的定性温度：T=T1+冷却水的定性温度：t=t1+t3.3流体在定性温度下的物性数据冷却水的定性温度为30℃，可通过查[1]得水在该温度下的物性数据。通过查[2]可查得甘油的物性数据，其中25%甘油的比热容通过计算得到，计算方法如下：水在70℃下的比热容：Cp1=4.187kJ/（kg·℃25%甘油在70℃下的比热容：Cp2=2.66kJ/（kg·℃根据C=Cp2w+Cp1(1-w),其中Cp1为水在70℃下的比热容，CP2为纯甘油的比热容,wC=Cp2×25%+Cp1×75%=2.66×0.25+4.187×0.75=3.805将水和25%甘油在其定性温度下的物性数据记录入表1:表1水和25%甘油在定性温度下的物性数据流体温度/℃ρ/(kg/m3)μ/Pa·sCp/[kJ/（kg·℃）]λ/[W/（m·℃）]25%甘油7010480.7255×10-33.8050.570水30995.70.8007×10-34.1740.61763.4热负荷和冷却水流量的计算热负荷计算：Q=qm1CP1(T1冷却水流量的计算：qm2=QCp23.5平均温度差的计算计算两流体的平均温差，暂按单壳程，偶管程计算。且已确定流体的流向为逆流，所以逆流时平均温度差为：∆t逆=（T1-t2）-（T2-t1而P=t2-t1T1-t1=35-25100-25=0.13图11壳程2管程对数平均温度差校正系数φ由图1得修正系数φ=0.95则∆tm=φ∆t逆=3.6初选换热器规格查阅[3]根据传热系数经验值，初选K0=390W/（m2·℃）,故S=QK0∆tm=初选BES900-2.5-279-6/19-2型换热器，有关参数如下:表2BES900-2.5-279-6/19-2型换热器参数壳径/mm900管子规格/mmΦ19×2公称压强/MPa2.50管长/m6计算传热面积/m2279.2管子总数800管程数2管子排列方法正方形斜转45o管程流通截面积/m20.0707管子材料不锈钢中心排管数N22第四章总传热系数的核算4.1核算总传热系数K04.1.1计算管程对流传热系数α2管程流体体积流量：Vc=qm2ρ=297517.45995.7×3600=0.08300（m管程流体速度：u2=VcA管=0.08300雷诺数：Re=d2∙u2因为Re=21898.68>10000所以管内流体流动是充分湍流的。普朗特数：Pr=Cpμλ=所以管程流体对流传热系数为：α2=0.023λd2Re0.8=0.023×0.61760.015×21898.680.8×5.41=5520.23W/(m2∙℃)4.1.2壳程对流传热系数α1换热器列管之中心距t=DNNC+1=90022+1=39.13mm,则取换热器列管中心距为39mm,折流板间距Smax=BD(1−d1t)=0.25×0.9×（1−0.0190.039壳程流体的流速：u1=qv1Smax=当量直径：de=4(t2-π4雷诺数：Re=deu1ρ普朗特数：Pr=Cpμλ=因为壳程中25%甘油被冷却，取（μμw）0.14所以α1=0.36（λde）（deuρμ）0.55（Cp=0.36×0.570.083（14986.91）0.55（4.84）1/3=786.54W/(m2∙℃)4.2污垢热阻计算参考[4]中工业上常用流体形成的污垢热阻的经验值，得管内、外侧污垢热阻分别为:Rs2=0.00034m2∙℃/W(冷却水)Rs1=0.00017m2∙℃/W（有机液体）内管材料热导率λm=17.4W/(m∙℃4.3核算总传热系数K计换热管对数平均直径：dm=d1-dK计=1=1=448.28W/(m2∙℃)按此传热系数，计算所需要的传热面积：A计=QK计∆tm=3449549.58AA计=279.2237.40=1.176在1.15~1.25之间，所以K0=390W/（m2·℃裕度:H=A-A计A计×100%=279.2传热裕度应在15%-25%之间，即传热面积裕度合适，且裕度为H=17.61%，该换热器能够完成生产任务。4.4壁温核算tw=Tα1+tα2α查[5]35℃下水的黏度为：μw=0.7225×10-3Pa.s查[6]35℃下甘油的黏度为：μw=1.5000Pa.s对壳程：μμw0.14=对管程：μμw0.14=0.80070.72250.14=1.01

壳体壁温，可近似取壳体流体的平均温度，即T=70℃.壳体壁温和传热管壁温之差为∆t=70-35=35℃。该温度差不大，但是考虑清洗和检修方便，且第五章计算压强降5.1管程的压强降设管壁粗糙度ε=0.15mmεd=0.1515=0.01查图2得λ=0.041图2摩擦系数λ与雷诺数Re及相对粗糙度εd因为管子排列的方式为正方形斜转45o，所以查[7]得Ft=1.4，NS=1，Np=2∆P2=(λLd=（0.041×60.015+3）×1.4×1×2×=31749Pa=31.749KPa<101.3KPa所以管程流体阻力在允许范围之内5.2壳程的压强降∆P1NB=LB-1=60.25-1=23,NTL=1.19对于正方形斜转45o，F=0.4,对液体fs=1.15，当Re>500f0=5.0=5×14986.91=0.558壳程压力降为：∆P1=2335Pa=2.335KPa<101.3KPa所以壳程流体阻力在允许范围之内第六章辅助设备的计算及选型6.1管箱因为DN=900mm，DN≥900mm,所以应选封头管箱。6.2封头对于封头，有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于400mm）的壳体；圆形用于较大直径的壳体。因为壳体直径D=900mm＞400mm，所以其封头采用圆形封头。6.3旁路挡板因为DN=900mm，在800-1200mm之间，所以旁路挡板数量选3对。6.4折流板折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，并提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。折流板采用25%的圆缺型折流板。折流板间距B=250mm,折板高度H=900×0.25=225mm则折流板数目：N6.5接管（1）管程流体进出口接管：取管内冷却水流速u2=1.5m/sd根据GB/T8163-2008圆整后取接管为Ф325mm×28mm（2）壳程流体进出口接管：取壳内25%甘油流速u1=1.0m/sd根据GB/T8163-2008圆整后取接管为Ф168mm×16mm6.6导流筒壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段不能流动的空间，为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必须经过这个空间。6.7放气孔、排气孔换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。第七章设计结果一览表参数管程(水)壳程（25%甘油）流量/（kg/s）82.6415.11进/出口温度/（℃）25/35100/40压强降/（KPa）<101.3<101.3物性定性温度/（℃）3070密度/（kg/m3）995.71048比热容/[kJ/(kg∙℃)]4.1743.805粘度/（Pa∙s）0.8007×10-30.7255×10-3热导率/（W/m∙℃）0.61760.570普朗特数5.414.84主要计算结果流速/(m/s)1.1740.125对流传热系数/[W/(m2∙℃)]5520.23786.54污垢热阻/(m2∙℃/W)0.000340.00017压强降/（KPa）31.7492.335计算传热面积/(m2)237.40传热面积裕度17.61%设备结构参数形式浮头式台数1壳体内径/mm900折流板间距/mm250管径/mmΦ19×2中心排管数22管长/m6管心距/mm39管数目/根800折流板数/个23传热面积/m2279.2管子排列正方形斜转45o管程数2材质不锈钢壳程数1第八章对设计的评述在本次设计，我们查阅了大量文献，并参考了大量教材及国标。从文献以及教材、国标中确定出设计参数，从而保证了计算的准确性。同时在设计过程中我们积极讨论，参考教材中已有其他类型的设计书，保证了设计及计算步骤的严谨性。设计中通过多次计算与修改我们最终选用了BES900-2.5-279-6/19-2型浮头式换热器。主要考虑了其相比于固定管板式换热器的清洗维修的方便，以及其可完全消除热应力，并且他是工业生产中应用较多的一种换热器结构形式。在本次设计中我们多次因为K值的选择不对而导致重新计算，同时我们也充这种失败中明白了设计是一种全局的概念。比如在这次的课程设计中，我们不仅需要对换热器进行设计选型，还要考虑换热器的辅助设备的设计选型，所以必须将两者综合考虑，才能使设计内容上下相符。如果一处地方错误将可能会导致满盘皆输。同时团队的成员需要仔细认真，最重要的还是要强调团队合作。同时通过这次课程设计加强了我们的专业知识的学习，也加强了我们专业知识与生产实际的结合。但是由于是第一次的化工原理课程设计，经验不足，可能有很多地方还未考虑到，可能也有错误之处，恳请老师批评指正。参考文献[1]杨祖荣，刘丽英等.化工原理[M].第三版.北京：化学工业出版社，2014.392.[2]刘光启，马连湘，刑志有等.化学化工物性算图手册（有机卷）［M］.北京：化学工业出版社，2002.600-604[3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.[4]马江权，冷一欣等.化工原理课程设计[M].第二版.北京：中国石化出版社，2011.66[5]杨祖荣