化工原理課程設計-------換熱器

1、<p>　　化工原理課程設計說明書</p><p>　　專 業(yè)： 化學工程與工藝 </p><p>　　學生班級： 二○○ 代八 級 二 班</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： &

2、lt;/p><p><b>　　材料與化學工程學院</b></p><p>　　2011 年 3 月 1 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設計任書…………………………………………………………….1</p><p>　　工藝流程草圖及說明…………

3、……….............................................5</p><p>　　工藝計算及主要設備設計…………….............................................6</p><p>　　確定設計方案……………………………………………………….6</p><p>　　選擇換熱器的類型………

4、…………………………………………6</p><p>　　流程安排……………………………………………………………6</p><p>　　確定物性數(shù)據(jù)……………………………………………………….6</p><p>　　估算傳熱面積……………………………………………………….7</p><p>　　熱流量…………………………………………………………

5、……7</p><p>　　平均傳熱溫差………………………………………………………7</p><p>　　傳熱面積……………………………………………………………7</p><p>　　冷卻水用量…………………………………………………………7</p><p>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………………….7</p>

6、<p>　　管徑和管內(nèi)流速……………………………………………………7</p><p>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)…………………………………………………7</p><p>　　傳熱管排列和分程方法……………………………………………8</p><p>　　殼體內(nèi)徑……………………………………………………………8</p><p>　　折流板……

7、…………………………………………………………8</p><p>　　其他附件……………………………………………………………8</p><p>　　接管…………………………………………………………………8</p><p>　　換熱器核算………………………………………………………….9</p><p>　　熱流量核算………………………………………

8、…………………9</p><p>　　殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………………………………9</p><p>　　管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………………………………9</p><p>　　污垢熱阻和管壁熱阻…………………………………………9</p><p>　　傳熱系數(shù)KC………………………………………………….10</p>&l

9、t;p>　　傳熱面積裕度………………………………………………..10</p><p>　　換熱器內(nèi)流體的流動阻力………………………………………..11</p><p>　　管程流體阻力………………………………………………..11</p><p>　　課程阻力……………………………………………………..11</p><p>　　輔助設備的

10、計算和選型…………………………………………...11</p><p>　　換熱器入水管的規(guī)格……………………………………… 11 </p><p>　　從河邊至工廠的管子的規(guī)格………………………………… 12</p><p>　　離心泵1的規(guī)格………………………………………………….12</p><p>　　4 換熱器處離心泵2的規(guī)

11、格……………………………………….13</p><p>　　5 蓄水池、涼水塔的設計…………………………………………14</p><p>　　五、設計結(jié)果設計一覽表……………………………………………...15</p><p>　　六 設計評述…………………………………………………………...17</p><p>　　七 主要符號說明……

12、………………………………………………...19</p><p>　　一、化工原理課程設計任務書</p><p><b>　?。〒Q熱器的設計）</b></p><p>　　設計題目：甲苯冷卻器的設計</p><p>　　設計任務及操作條件：</p><p><b>　　題目</b&g

13、t;</p><p>　　工廠因工藝擴建，需設計裝置來冷卻甲苯車間的產(chǎn)品甲苯。試根據(jù)以下工藝要求設計合理的輸水工藝 （管件布置和輸送機械的選擇）及合適的換熱器。有關工藝和要求如下。</p><p>　　該廠附近有一條小河，但夏季有2——4個月的枯水期，一直改長距離河岸最短約為2公里，該廠與河液面海拔高度約為4——6米。</p><p>　　設計換熱器放置距地面7 .

14、5 米相應管件與直管總長依據(jù)所測繪工藝流程圖計算水管的直管水道的直管阻力系數(shù)取0.018。</p><p>　　進水管的直管阻力系數(shù)取0.025。</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p>　　換熱器管殼層壓降均不超過0.1atm .</p><p>　　水的入口溫度為10℃。</p>

15、<p>　　甲苯溫度從90℃下降為75℃用水量30t∕h。</p><p><b>　　設計項目</b></p><p>　　2 選擇適宜的列管換熱器并進行核算。</p><p>　　3 畫出工藝設備圖及列管布置圖。</p><p>　　二、 工藝流程草圖及說明</p><p><

16、;b>　　工藝流程草圖</b></p><p>　　主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。如圖，甲苯經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管A進入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進行換熱，甲苯從90℃被冷卻至75℃之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從19℃變?yōu)?5℃，由接管B流出。</p><

17、;p>　　工藝計算及主要設備設計</p><p><b>　　1、確定設計方案</b></p><p>　　1.1選擇換熱器的類型：</p><p>　　兩流體溫度變化情況：甲苯進口溫度為90℃，出口溫度75℃，冷流體進口溫度10℃，出口溫度15℃；冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此

18、初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p><b>　　1.2流程安排: </b></p><p>　　由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。選用ф25×2.5的碳鋼管（換熱管標準：GB8163）。</p><p><b>　　2、確定物性數(shù)據(jù)：</b></p>&l

19、t;p>　　2.1定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。 管程流體的定性溫度為：（℃）</p><p>　　甲苯的定性溫度為： (℃)</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　3、估算傳熱面積</b></p><p><b>　　3.1熱流量

20、</b></p><p>　　Qo=m0cp0Δt0=30000×2.22×(140-40) /3600=627000kJ/h=174.54 (kW)</p><p><b>　　3.2平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p>

21、<b>　　3.3傳熱面積 </b></p><p>　　假設K=300W/(m2·K),則估算面積為：</p><p>　　AP=Q0/(K×Δtm)=174540×103/(300×39)=8.33(m2) </p><p><b>　　3.4甲苯的冷卻量</b></p&

22、gt;<p><b>　?。╧g/h）</b></p><p><b>　　4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　4.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用ф25×2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 0.75m/s</p><p>　　4.

23、2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)</p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p>　　=35.4≈36（根）</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為：</p><p>　　=2.95≈3.0（m）</p><p>　　所以按單管程設計即可，</p><p><b

24、>　　NT=36（根）</b></p><p>　　4.3傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。（見化工過程及設備課程設計書本圖3-13）取管心距t=1.4d0，則t=1.4×25=35(mm)</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/

25、2+6=22（mm）。</p><p>　　各程相鄰的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管36根，其前后箱中隔板設置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設備課程設計書本圖3-14選取。</p><p><b>　　4.4殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用單管程結(jié)構(gòu)，則殼體內(nèi)徑為</p><p>　　D=t（n

26、c -1）+2b</p><p>　　nc =1.1=6.6</p><p>　　b=1.4=1.4*25=35mm</p><p>　　D=35*(6.6-1)+2*35=266mm</p><p>　　按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=300mm。</p><p><b>　　4.5折流板</b>

27、;</p><p>　　采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去的圓缺高度為</p><p>　　h＝0.25×300=75（mm）</p><p>　　折流板間距B=0.7D,則B=0.7×300=210mm。</p><p>　　折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=3000/210-1=13

28、(塊)，</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設備課程設計書本圖3-15。</p><p><b>　　4.6其他附件</b></p><p>　　拉桿數(shù)量與直徑按化工過程及設備課程設計書本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為ф16，拉桿數(shù)為4個。殼程入口處，應設置防沖擋板。</p><

29、p><b>　　4.7接管</b></p><p>　　殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)甲苯流速為u＝0.42m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　D1=（m），圓整后可取管內(nèi)徑為23mm。</p><p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p><b&

30、gt;　　(m)=84mm。</b></p><p><b>　　5. 換熱器核算</b></p><p><b>　　5.1熱流量核算</b></p><p>　　5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計算：</p><p>　　當量直徑，由正三角排列得：</p><

31、p><b>　　de=（m）</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p>　　=0.018（m2）</p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　u0=（m/s）</b></p><p

32、>　　Re0==32418</p><p>　　普朗特數(shù)：Pr=；粘度校正：</p><p>　　h0==764〔W/(m2·K) 〕</p><p>　　5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：</p><p><b>　　hi</b></p><p>　　管程流體流通截面積：Si=0.78

33、5×0.022×36=0.011304（m2）</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p>　　ui==0.738（m/s）</p><p>　　Rei==11993</p><p><b>　　普朗特數(shù)：Pr=</b></p><p>　　hi=0.0

34、23×=2928〔W/ (m2·K)〕</p><p>　　5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關文獻知可?。?lt;/p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.0005159 m2·K/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.000334394 m2·K/W</p><p>　　管壁

35、熱阻 查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為50W/(m·K)。故</p><p>　　RW=0.0025/50=0.00005（m2·K/W）</p><p>　　5.1.4計算傳熱系數(shù)KC：</p><p><b>　　KC=</b></p><p>　　=365〔w/（m·℃）〕&l

36、t;/p><p><b>　　計算傳熱面積AC:</b></p><p>　　AC=Q/(KC×△tm)=174540/（365×69.88）=6.843（m2）</p><p>　　該換熱器的實際傳熱面積A：</p><p>　　A==3.14×0.025×3×36=8.4

37、（m2）</p><p>　　5.1.5該換熱器的面積裕度為：</p><p>　　H=×100%=×100%=23.9%</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p>　　5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>　　5.3.1管程流體阻力 計算公式如下

38、：</p><p>　　△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS</p><p>　　其中NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.5; △Pi=</p><p>　　由Re=11993，傳熱管相對粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄圖得=0.041，流速u=0.738m/s，ρ=999.4kg/m3，故</p><p>　　△Pi==1665（Pa）；

39、</p><p>　　△Pr==812（Pa）</p><p>　　△Pt=（1665+812）×1×1.5=3716（Pa）<104 Pa</p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　5.3.2殼程阻力 </p><p>　　△PS=（△P0+△Pi）FSNS

40、</p><p>　　其中 FS=1 ；NS=1 ；△P0= Ff0NTC(NB+1) ;</p><p>　　F=0.5,f0=5×34218-0.228=0.2511, NTC=1.1 NT0.5=1.1×360.5=6.6</p><p>　　NB=13;u0（按流通面積S0=B(D- NTCd0)計算）=0.42m/s則流體流經(jīng)管束的阻力

41、：</p><p>　　△P0=0.5×0.2511×6.6×（13+1）×809×0.422/2≈828（Pa）</p><p>　　流體流過折流板缺口的阻力</p><p>　　△Pi =NB（3.5-2B/D）</p><p>　　其中B=0.15m; D=0.3m；</p>

42、;<p>　　Pi=13×（3.5-2×0.21/0.3）×809×0.422/2≈1948（Pa），</p><p><b>　　則總阻力：</b></p><p>　　PS=828+1948=2776（Pa）<104 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。</p><p><b>

43、;　?。ㄋ模?、管道設計</b></p><p>　　1、換熱器入水管的規(guī)格</p><p><b>　　由公式</b></p><p>　　選用管徑為的無縫鋼管。</p><p>　　（見《化工原理》上冊 天津大學出版社 附錄23）</p><p>　　與該管相連的離心泵的入水管可

44、選管徑為的無縫鋼管。</p><p>　　從河邊至工廠的管子的規(guī)格</p><p>　　由于工廠距河邊2km,較遠，再加上考慮地形和經(jīng)濟因素，決定初步采用地下鋪設方式。</p><p>　　由于考慮到當?shù)氐谋鶅鼍€的深度，決定將管路埋在地面以下0.5m處。</p><p>　　從河邊抽水到蓄水池中，管子管徑一般比較大，可選用管徑為的無縫鋼管，與

45、該管相連的離心泵的入水管徑可取的無縫鋼管。</p><p>　　從河邊至蓄水池的管路中應設置一些管路，以達到熱補償?shù)淖饔?，否則管子受熱易爆裂。</p><p>　　取河邊至工廠的管路全長為2100m。</p><p><b>　　河邊離心泵1的規(guī)格</b></p><p>　　為滿足工廠用水需要，取水流量Q=31000k

46、g/h</p><p><b>　　則水流速</b></p><p><b>　　管路阻力：</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　=9.77m≈9.8m</p><p>　　因為該廠與河液面海拔高度差約--6m</p

47、><p>　　所以所選泵的壓頭H應不低于9.8+6=14.8m</p><p>　　參考《化工原理》上冊 天津大學出版社 附錄24 ，可選型號IS80-65-160的離心泵。</p><p>　　其參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速2900r/min,流量50,揚程32m，效率73%，軸功率5.97kw,電機功率7.5kw，必需氣蝕量2.5m,質(zhì)量（泵/底座）為48/66kg.<

48、/p><p><b>　　其允許安裝高度：</b></p><p>　　其中為水的飽和蒸汽壓，為1226.2Pa</p><p>　　(見《化工原理》上冊 天津大學出版社 附錄8）</p><p>　　通常為安全起見，離心泵的實際安裝高度應比允許安裝高度低0.5-1m</p><p>　　換熱器處

49、離心泵2的規(guī)格</p><p>　　取管路總長為150mm(含彎頭、閥門的當量長度）；</p><p><b>　　壓頭損失：</b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　又因換熱器離地面7.5m</p><p>　　故所需壓頭不應小于7.5+0.6

50、8=8.18m</p><p>　　參考《化工原理》上冊附錄24，可選用型號為IS80-65-125的離心泵，其參數(shù)如下：</p><p>　　轉(zhuǎn)速2900r/min,流量30,揚程22.5m，效率64%，軸功率2.87kw,電機功率5.5kw，必需氣蝕量3.0m,質(zhì)量（泵/底座）為44/46kg.</p><p><b>　　其允許安裝高度：</b

51、></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=7.2m</b></p><p>　　通常為安全起見，離心泵的實際安裝高度比允許高度低0.5-1m</p><p>　　蓄水池、涼水塔的設計</p><p><b>　　、蓄水池設計&l

52、t;/b></p><p>　　考慮對工廠內(nèi)土地利用情況和地下水出水深度，確定修建容積為的長方形蓄水池，深5m,長10m,寬10m。</p><p><b>　　涼水塔設計</b></p><p>　　涼水塔可建成兩層的樓房狀，但其高度應低于換熱器的高度。水從樓頂噴灑而下，至樓底再匯集，然后通過管道流回蓄水池。此時不用水泵，而是通過水位差

53、使循環(huán)水達到降溫并最終流回蓄水池的目的。</p><p>　　五、設計結(jié)果設計一覽表</p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表</p><p>　　2 管道設計與離心泵設計規(guī)格</p><p><b>　　六、設計評述</b></p><p>　　本次化工課程設計是對列管式換熱器的

54、設計，通過查閱有關文獻資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復計算核實，本列管式換熱器的設計可以說基本完成了。下面就是對本次設計的一些評述。</p><p>　　本設計所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設計確定選用浮頭式換熱器。易析出結(jié)晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流體，最好通入比較容易進行機械清洗的空間，而浮頭式換熱器的管束可以從殼體中抽出，便

55、于清洗管間和管內(nèi)管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱效應力。對于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。本設計選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設計所要冷卻的煤油的流量不是很大，故選擇所需的換熱器為單殼程、單管程，可以達到了設計的要求，且設計的列管式換熱器所需的換熱面積較合適，計算得的面積裕度也較合適，這樣所損耗的熱量相對來說不會很大。至于本設計能否用在實踐中生產(chǎn)，或者生產(chǎn)的效率是否會很低，這些只有

56、在實踐中才能具體的說明。</p><p>　　通過本次設計，我學會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設計不但鞏固了對主體設備圖的了解，還學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更

57、深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于本課程設計屬我第一次設計，而且時間比較短，查閱的文獻有限，本課程設計還有較多地方不夠完善，不能夠進行有效可靠的計算。</p><p><b>　　七、主要符號說明</b></p><p>　　P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W；</p><p>

58、;　　R——熱阻，㎡·K/W； Re——雷諾準數(shù)；</p><p>　　S——傳熱面積，㎡； t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　T——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s;</p><p>　　——質(zhì)量流速，㎏/h; ——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡·K);</p

59、><p>　　——有限差值； ——導熱系數(shù)，W/(m·K);</p><p>　　——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3;</p><p>　　——校正系數(shù)。 r——轉(zhuǎn)速，n/(r/min)</p><p>　　H——揚程，m

60、 ——必須汽蝕余量，m</p><p>　　A——實際傳熱面積， Pr——普郎特系數(shù)</p><p>　　NB——板數(shù)，塊 K——總傳熱系數(shù)，W/(㎡·K) </p><p>　　——體積流量 Nt——管數(shù)，根</p><p>　　Np——管程數(shù)