化工原理課程設(shè)計---甲苯冷卻器的設(shè)計(換熱器的設(shè)計)

1、<p><b>　　換熱器工藝初步設(shè)計</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書D16</p><p><b>　　一、設(shè)計題目</b></p><p>　　某人用循環(huán)冷卻水甲苯從80℃冷卻到60℃，甲苯年處理能力為30500t/a，壓力為6.5Mpa，循環(huán)冷卻水的入口溫度問誒25℃，出口溫度為35℃，

2、要求冷凝器允許壓降不大于500000Pa；試設(shè)計一臺管殼式臥式換熱器完成該生產(chǎn)任務(wù)。每年按330天計算，每天按24h連續(xù)運行。</p><p><b>　　二、設(shè)計要求</b></p><p><b>　　1、標(biāo)題頁</b></p><p><b>　　2、目錄</b></p><

3、p><b>　　3、確定設(shè)計方案</b></p><p><b>　　4、傳熱面積計算</b></p><p>　　5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算</p><p><b>　　6、換熱器校核</b></p><p>　　7、換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計結(jié)果一覽表</p>

4、<p>　　8、換熱器工藝條件圖</p><p>　　9、自設(shè)計使用該換熱器的工藝流程圖</p><p>　　10、對本設(shè)計的評價</p><p><b>　　11、參考文獻</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、 工藝流程草圖及

5、說明5</p><p>　　二、確定設(shè)計方案5</p><p>　　2.1選擇換熱器的類型5</p><p><b>　　2.2流程安排5</b></p><p>　　三、確定物性數(shù)據(jù)6</p><p><b>　　3.1定性溫度6</b></p>

6、<p>　　四、估算傳熱面積6</p><p><b>　　4.1熱流量6</b></p><p>　　4.2平均傳熱溫差7</p><p><b>　　4.3傳熱面積7</b></p><p><b>　　4.4冷卻水量7</b></p>&

7、lt;p>　　五、工藝結(jié)構(gòu)尺寸7</p><p>　　5.1 管徑和管內(nèi)流速7</p><p>　　5.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)7</p><p>　　5.3傳熱管排列和分程方法8</p><p><b>　　5.4殼體內(nèi)徑8</b></p><p><b>　　5.5折流板

8、8</b></p><p><b>　　5.6其他附件8</b></p><p><b>　　5.7接管9</b></p><p>　　六. 換熱器核算9</p><p>　　6.1熱流量核算9</p><p>　　6.1.1管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)10<

9、;/p><p>　　6.1.2污垢熱阻和管壁熱阻10</p><p>　　6.1.3計算傳熱系數(shù)KC11</p><p>　　6.1.4該換熱器的面積裕度11</p><p>　　6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力11</p><p>　　6.2.1管程流體阻力11</p><p>　　6.2.

10、2殼程阻力12</p><p>　　七、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表12</p><p>　　7.1換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表12</p><p>　　7.2 管道設(shè)計與離心泵設(shè)計規(guī)格14</p><p><b>　　八、設(shè)計評述15</b></p><p>　　九、主要符號說明15&

11、lt;/p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡稱傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因為化工生產(chǎn)中的很多過程和單元操作，多需要進行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進行，

12、為了達到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問題，由此可見；傳熱過程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?？傊瑹o論是在能源，宇航，化工，動力，冶金，機械，建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。</p><p>　　應(yīng)予指

13、出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)變成另一個平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴展。</p><p>　　1、 工藝流程草圖及說明</p><p><b>　　工藝流程草圖</b></p><p>　　主要說明：由

14、于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)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80℃被冷卻至60℃之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從25℃變?yōu)?5℃，由接管B流出。</p><p><b>　　2、確定設(shè)計方案</b></p><p&

15、gt;　　2.1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80℃，出口溫度60℃，冷流體進口溫度25℃，出口溫度35℃；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，因此初步確定選用浮頭式換熱器。</p><p><b>　　2.2流程安排</b></p><p>　　由于循

16、環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)：GB8163）。</p><p><b>　　3、確定物性數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　3.1定性溫度</b></p><p>　　可取流體進口溫度的平均值。 管程流體的定性溫度為：（℃）<

17、/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(guān)物性數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　4、估算傳熱面積</b></p><p><b>　　4.1熱流量</b></p><p>　　Qo=m0cp0Δt0=3851&

18、#215;1.91×(80-60) /3600=147000kJ/h=40.833(kW)</p><p><b>　　4.2平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p><b>　　4.3傳熱面積 </b></p><p>　　

19、假設(shè)K=338W/(m2·K),則估算面積為：</p><p>　　AP=Q0/(K×Δtm)=408333.33 /(338×38)=3.179() </p><p>　　取安全系數(shù)為1.15</p><p>　　A`=3.179×1.15=3.656()</p><p><b>　　4.4

20、冷卻水量</b></p><p><b>　?。╧g/s）</b></p><p><b>　　5、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　5.1 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= 0.5m/s</

21、p><p><b>　　L=3m</b></p><p>　　5.2 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><b>　　=21≈24（根）</b></p><p>　　所以按雙程設(shè)計即可，</p><p&g

22、t;<b>　　NT=24（根）</b></p><p>　　5.3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。取管心距Pt=1.25d0，則Pt=1.25×25=32(mm)</p><p>　　隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22（mm）

23、。</p><p><b>　　5.4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=Pt（b -1）+2e</p><p>　　nc =1.1=5.39</p><p>　　b=1.5=1.5*25=37.5mm</p><p>

24、;　　D=32*(5.39-1)+2*1.5=242mm</p><p>　　按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=250mm。</p><p><b>　　5.5折流板</b></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h＝0.25×250=62.5（mm）</p><

25、;p>　　折流板間距B=0.5D,則B=0.5×250=125mm。</p><p>　　折流板數(shù) NB=傳熱管長/折流板間距-1=3000/125-1=23塊)，</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配見。</p><p><b>　　5.6其他附件</b></p><p>　　拉桿數(shù)量與直徑按化工過

26、程及設(shè)備課程設(shè)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(yīng)設(shè)置防沖擋板。</p><p><b>　　5.7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＝0.5m/s，則接管內(nèi)徑為：</p><p>　　D1=（m），圓整后可取管內(nèi)徑為50mm。</p&

27、gt;<p>　　管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝0.3 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p><b>　　(m)=60mm。</b></p><p><b>　　6. 換熱器核算</b></p><p><b>　　6.1熱流量核算</b></p><p

28、>　　6.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)</p><p><b>　　用克恩法計算：</b></p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角排列得：</p><p><b>　　de=（m）</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p><p&

29、gt;　　=0.006836（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><b>　　Re0==7044</b></p><p>　　普朗特數(shù)：Pr=；粘度校正：</p><p>　　h0=

30、=564.6〔W/(·K) 〕</p><p>　　6.1．1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=0.785×0.022×24/4=0.001884（）</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p>

31、;<p>　　ui==0.522（m/s）</p><p>　　Rei==13992</p><p><b>　　普朗特數(shù)：Pr=</b></p><p>　　hi=0.023×=2823〔W/ (·K)〕</p><p>　　6.1.2污垢熱阻和管壁熱阻 </p>&l

32、t;p><b>　　查有關(guān)文獻知可?。?lt;/b></p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.000127 m2·K/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.000344m2·K/W</p><p>　　管壁熱阻 查有關(guān)文獻知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m·K)。故</p

33、><p>　　RW=45.3（·K/W）</p><p>　　6.1.3計算傳熱系數(shù)</p><p><b>　　KC=</b></p><p>　　=354〔w/（m·℃）〕</p><p>　　相對偏差=（354-338）/354=4.5%</p><p&g

34、t;　　6.1.4該換熱器的面積裕度</p><p>　　H=×100%=×100%=13%</p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。</p><p>　　6.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力</p><p>　　6.2.1管程流體阻力 </p><p><b>　　計

35、算公式如下：</b></p><p>　　△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS</p><p>　　其中NS=1, Np=4，F(xiàn)S=1.15; △Pi=</p><p>　　由Re=13992，傳熱摩擦系數(shù)0.008，</p><p>　　△Pi==152.7（Pa）；</p><p>　　△Pr==39

36、（Pa）</p><p>　　△Pt=（152.7+39）×1×4=3716（Pa）<500000Pa</p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　6.2.2殼程阻力 </p><p>　　△PS=（△P0+△Pi）FSNS</p><p>　　其中 FS=1.

37、1 ；NS=1 ；△P0= Ff0NTC(NB+1) ;</p><p>　　F=0.5,f0=5×7044-0.228=0.66, NTC=1.1 NT0.5=1.1×240.5=5.4</p><p>　　NB=23;u0（按流通面積S0=B(D- NTCd0)計算）=0.4m/s則流體流經(jīng)管束的阻力：</p><p>　　△P0=0.5&#

38、215;0.66×5.4×（23+1）×866*0.1^2/2≈1100（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=0.25m；</p><p>　　Pi=23×（3.5-2×0

39、.0625/0.25）×866×0.092/2≈121（Pa），</p><p><b>　　則總阻力：</b></p><p>　　PS=1100+121=1221（Pa）<50000 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。</p><p>　　7、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表</p><p>　　7.1換熱器

40、主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表</p><p>　　7.2 管道設(shè)計與離心泵設(shè)計規(guī)格</p><p><b>　　8、設(shè)計評述</b></p><p>　　本次化工課程設(shè)計是對列管式換熱器的設(shè)計，通過查閱有關(guān)文獻資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計算核實，本列管式換熱器的設(shè)計可以說基本完成了。下面就是對本次設(shè)計的一些評述。</p><

41、;p>　　本設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計選擇了冷卻水走管程

42、，煤油走殼程的方案。由于本設(shè)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(shè)計的要求，且設(shè)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(shè)計能否用在實踐中生產(chǎn)，或者生產(chǎn)的效率是否會很低，這些只有在實踐中才能具體的說明。</p><p>　　通過本次設(shè)計，我學(xué)會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的

43、資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，及計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設(shè)計不但鞏固了對主體設(shè)備圖的了解，還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過本次設(shè)計不但熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學(xué)課程有了更深的了解。但由于本課程設(shè)計屬我第一次設(shè)計，而且時間比較短，查閱的文獻有限，本課程設(shè)計還有較多地方不夠完善，不

44、能夠進行有效可靠的計算。</p><p><b>　　9、主要符號說明</b></p><p>　　P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W；</p><p>　　R——熱阻，㎡·K/W； Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)；</p><p>　　S——傳熱面積，㎡；

45、 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><p>　　——有限差值； ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);</p><p>　　——

46、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 ——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&g

47、t;　　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) l——管長，m</p><p>　　KC——傳熱系數(shù)，W/(m·K) △tm——平均傳熱溫差，℃<