孙志伟化工原理课程设计.doc

辽宁科技学院 课程设 计 课课 程程 名名称称 化工原理化工原理 课课程程设设计计题题目目 有机循环液冷却器的设计有机循环液冷却器的设计 专专 业业 环境工程环境工程 学学 生生 姓姓 名名 孙志伟孙志伟 班班 级级 环境环境 BG112BG112 学号 学号 64111112276411111227 指指导导教教师师姓姓 名名 田景利田景利 设设计计完完成成时时 间间 20142014 年年 1 1 月月 8 8 日日 辽宁科技学院本科生课程设计 第 I页 化工原理课程设计任务书 一 设计题目 一 设计题目 有机循环液冷却器的设计 二 设计条件 二 设计条件 1 1 处理能力 45000kg h 有机循环液 2 2 设备型式 标准列管换热器 3 3 操作条件 1 有机液 入口温度 65 出口温度 50 2 冷却介质 水 入口温度 25 流量 26000 kg h 3 允许压强降 管程压强降小于 70kPa 4 4 物性参数 物性参数表物性参数表 流体t kg m3 mPa s 残油50 659501 0 井水10 4010000 742 流体 cp kJ kg W m r kJ kg 残油2 260 172 井水4 180 621 三 设计计算内容 三 设计计算内容 1 1 传热面积 换热管根数 2 2 确定管束的排列方式 程数 折流板的规格和数量等 3 3 壳体的内径 4 4 冷 热流体进 出口管径 5 5 核算总传热系数 辽宁科技学院本科生课程设计 第 II页 6 6 管壳程流体阻力校核 辽宁科技学院本科生课程设计 第 III页 四 设计成果 四 设计成果 设计说明书一份 五 设计时间五 设计时间 一周 六 参考文献六 参考文献 1 申迎华 郭晓刚 化工原理课程设计 北京 化学工业出版社 2009 2 柴城敬 化工原理课程设计指导 天津 天津大学出版社 1999 3 林大钧 于传浩 杨静 化工制图 北京 高等教育出版社 2007 4 中国石化集团 化工工艺设计手册 北京 化学工业出版社 2009 七 设计人 七 设计人 学号 6411111227 姓名 孙志伟 八 设计进程 八 设计进程 指导教师布置实践题目 0 5 天 设计方案确定 0 5 天 工艺计算 2 0 天 绘图 0 5 天 编写实践说明书 1 0 天 答辩 0 5 天 应用化学教研室 辽宁科技学院本科生课程设计 第 IV页 2014 年 1 月 6 日 辽宁科技学院本科生课程设计 第 V页 目录 化工原理课程设计任务书 I 1 换热器基本介绍 1 1 2 固定管板式 1 1 3 设计要求 2 2 确定换热器规格 2 2 1 初选换热器规格 2 3 换热面积核算 5 3 1 计算传热系数 5 3 2 计算热阻核算传热面积 6 4 管程和壳程压力降的核算 7 4 1 计算压强降 7 4 1 2 计算壳程压降 7 5 壳程及管程的外部接管 8 5 1 计算壳程外接管管径 8 5 2 计算管程管径 8 设计结果汇总表 9 设计评述 10 参考文献 11 附录 12 辽宁科技学院本科生课程设计 第 1页 1 换热器基本介绍换热器基本介绍 换热器是化工 炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备 在化工厂 换热 器的费用约占总费用的 10 20 在炼油厂约占总费用 35 40 换热器 在其他部门如动力 原子能 冶金 食品 交通 环保 家电等也有着广泛的 应用 因此 设计和选择得到使用 高效的换热器对降低设备的造价和操作费 用具有十分重要的作用 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器 即简称换热器 是将 热流体的部分热量传递给冷流体的设备 换热器的类型按传热方式的不同可分为 混合式 蓄热式和间壁式 其中 间壁式换热器应用最广泛 1 2 固定管板式固定管板式 因设计需要 下面简单介绍一下固定管板式换热器 固定管板式即两端管板和壳体连结成一体 因此它具有结构简单造价低廉 的优点 但是由于壳程不易检修和清洗 因此壳方流体应是较为洁净且不易结 垢的物料 当两流体的温度差较大时 应考虑热补偿 有具有补偿圈 或称膨 胀节 的固定板式换热器 即在外壳的适当部位焊上一个补偿圈 当外壳和管 束的热膨胀程度不同时 补偿圈发生弹性变形 拉伸或压缩 以适应外壳和管 束的不同的热膨胀程度 这种热补偿方法简单 但不宜用于两流体温度差太大 不大于 70 和壳方流体压强过高 一般不高于 600kPa 的场合 1 挡板 2 补偿圈 3 放气嘴 图 2 2 1 固定管板式换热器的示意图 辽宁科技学院本科生课程设计 第 2页 1 3 设计要求设计要求 完善的换热器在设计和选型时应满足以下各项基本要求 1 合理地实现所规定的工艺条件 可以从 增大传热系数 提高平均 温差 妥善布置传热面等三个方面具体着手 2 安全可靠 换热器是压力容器 在进行强度 刚度 温差应力以及疲劳寿命计算时 应遵循我国 钢制石油化工压力容器设计规定 和 钢制管壳式换热器设计规 定 等有关规定与标准 3 有利于安装操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备 设备与部件应便于运输与 拆卸 在厂房移动时不会受到楼梯 梁 柱的妨碍 根据需要可添置气 液排 放口 检查孔与敷设保温层 4 经济合理 评价换热器的最终指标是 在一定时间内 通常 1 年内的 固定费用 设 备的购置费 安装费等 与操作费 动力费 清洗费 维修费 等的总和为最 小 在设计或选型时 如果有几种换热器都能完成生产任务的需要 这一标准 就尤为重要了 辽宁科技学院本科生课程设计 第 3页 2 2 确定换热器规格确定换热器规格 2 1 初选换热器规格初选换热器规格 2 1 1 确定流体的定性温度 物性温度 选择列管换热器的类型 W423750 5065 1026 2 3600 45000 3 21h TTCWQ ph 根据热量衡算式 2121 ttCWTTCWQ pccphh 3 12 1018 4 3600 45000 423750 t CW Q t pcc Ct 41 2 有机液的定性温度 5 572 5065 2 21 TTTm 水的定性温度 332 4125 2 21 tttm 两流体温度差 5 24335 57 由于两流体温度差小于 50 故选用固定管板式换热器 物料定性温度 质量流量 Kg h 比热 Kj kg 密度 Kg m3 导热系数 W m2 粘度 10 Pa s 有机液57 5450002 269500 1720 742 水33 1260004 1810000 6211 2 1 2 计算热负荷量 Q 按管间有机液计算 W423750 5065 1026 2 3600 45000 3 21h TTCWQ ph 耗水量 kg s02 101018 4 3600 2541 26000 423750 3 12 p CttQW 辽宁科技学院本科生课程设计 第 4页 2 1 3 计算平均温差 并计算壳程数 逆流温差 5 24 4165 2550 ln 4165 2550 1 2 ln 12 t t tt tR m 4 0 93 0 1112 1221 tTttP ttTTR 初步决定选用单壳程 偶数管程的列管式换热器 查得98 0 符合 0 8 的要求 得到 01 2498 0 5 24 mm tt 所以 可以使用单壳程列管换热器 初步估算总一个总传热速率常数 K 估 计算传热面积 A 估 确定管程数根据管 内为水 壳程内为有机液 K 值范围为 275W m2 则估算传热面积为 A 估 Q K估 tm 3 77 105 275 24 5 35 3m2 取管内水流的速度为 0 9m s2 选用 25 2 5mm 管中心距 t 32mm 单程管数为 n Vs 0 785di2u 10 2 1000 0 785 0 022 0 9 32 单程管长为 l S d0n 31 5 3 14 0 025 32 12 5m 所以选择管长为标准管长 L 6m 管程数 Np l L 12 5 6 2 传热管总根数 n 32 2 64 管子正三角形排列 2 1 4 初选换热器规格具体参数 换热器具体参数 辽宁科技学院本科生课程设计 第 5页 壳径 mm400管子尺寸 25 2 5mm 公称压力 0 60 106 管长 m6 实际面积 m243 5管子总数106 管程数4管子排列方式正三角形 壳程数1折流挡板形式圆缺形 换热器的实际传热面积 A实际 n d0 L 0 1 106 3 14 0 025 6 0 1 49 1m2 该换热器要求的总传热系数为 K实际 Q A实际 tm 3 78 105 49 1 26 675 216W m2 辽宁科技学院本科生课程设计 第 6页 3 3 换热面积核算换热面积核算 3 1 计算传热系数计算传热系数 3 1 1 计算管程 壳程对流传热系数 Wc 26000 3600 7 22 kg s Vc Wc e 5 57 1000 0 0072m s Ai n 2 di2 4 106 2x0 785x0 022 0 09152m2 Ui Vc Ai 0 0072 0 09152 0 16 m s Rei di ui i 0 041 0 38 1000 0 001 7551 C W m1935 4 074 6 7551 02 0 621 0 023 0 4 0PrRe 023 0 74 6 621 0 1010187 4 r 8 0 8 0 33 ii pi da CP 换热器中心附近管排中流体流通截面积为 2 00 m05 0 032 0 025 0 1 4 06 0 1 tdDhA 心距 对 25 2 5mm 的管子 t 32mm Wh 45000kg h 12 5kg s Vh Wh 12 5 950 0 0132m3 s U0 Vh A0 0 0132 0 05 0 3m s 由正三角形排列 m0202 0 025 0 14 3 4025 0 14 3 22032 0 34 4 2 2 3 4 2 0 2 0 ddtde 522110742 0 9500202 0 Re 3 00 u de Re0在 2 103 1 106范围内 故可以用以下式计算 a0 a0 0 36 de Re0 0 55Pra1 3 u uw 0 14 辽宁科技学院本科生课程设计 第 7页 0 36 0 172 0 0202 5221 0 55 2 261 103 0 742 10 3 0 172 1 3 1 05 771 W m 3 2 计算热阻核算传热面积计算热阻核算传热面积 3 1 2 确定污垢热阻 确定污垢热阻 根据经验水的污垢热阻为 Rsi 0 00026m2 W 有机物污垢热阻可取 Rs0 0 000176m2 W 求总传热系数 CW m376 02 0 1935 025 0 00026 0 00026 0 0225 0 45 025 0 0025 0 000176 0 771 1 1 a 1 1 2 00000 iiiim dadddRsddRsK 3 1 3 核算传热面积 2 m 7 37 578 26376 33 3768833 m tkQA 所选择的换热器的面积裕度为 A实际 A A 43 5 37 8 37 7 15 1 15 则该换热器传热面积的裕度符合要求 辽宁科技学院本科生课程设计 第 8页 4 4 管程和壳程压力降的核算管程和壳程压力降的核算 4 1 计算压强降计算压强降 4 1 1 计算管程压强降 FtNpNsPPPi 21 前已经算出 ui 0 38m s Rei 7551 取钢碳管壁粗糙度 为 0 2mm 则 d 0 2 20 0 01 由内摩擦系数查表得 0 042 Pa 6 2162 38 0 100032 23 Pa91002 0 2 38 0 10006042 02 2 2 2 2 1 i ii uP duLP 对于 25x2 5mm 的管子 Ft 1 5 且 Np 2 Ns 1 Pa3379125 1 6 216910 21i FtNpNsPPP 4 1 2 计算壳程压降 FsNsPPP 210 其中 Fs 1 15 Ns 1 2 1 2 001 uNBncFfP 管子正三角形排列 取 F 0 5 对于正三角形排列 NTC 1 1 NT 0 5 94 0 5 11 折流挡板数 NB L h 1 6 0 6 1 9 块 Pa2242 112 0 950 19 11774 0 5 02 1 774 0 228 0 Re5 500357610742 0 95011 0 025 0 Re m s13 0 105 0 9503600 45000 m0105 0 025 0 94 0 6 0 2 0 01 00 3 0 00 2 0 NBNTCFfP f deUo AVhU doNDhA TC Pa86 252 112 0 950 4 0 6 025 3 92 25 3 2 02 DhNBP 辽宁科技学院本科生课程设计 第 9页 Pa86 250115 1 86 25244 210 FsNsPPP 由计算可知 该换热器管程的压强降均满足要求 故所选换热器合适 5 壳程及管程的外部接管壳程及管程的外部接管 5 1 计算壳程外接管管径计算壳程外接管管径 壳程流体进出口接管 去接管内有机物流速为 5 6m s 则接管内径为取标 准管径为 m05 0 36006 5100014 3 400004 4 1 nuWHd 取标准管径 50mm 5 2 计算管程管径计算管程管径 管程流体进出口接管 取接管内水流为 0 6m s 则接管内径为 m14 06 03600100014 3 200004 4d2 uWh 取标准管径 140mm 辽宁科技学院本科生课程设计 第 10页 设计结果汇总表设计结果汇总表 壳径 mm400管子尺寸 25 2 5mm 公称压力 kpa 0 60 106 管长 m6 实际面积 m243 5管子总数94 管程数2管子排列方 式 正三角形 壳程数1折流挡板形 式 圆缺形 9 块 出口接管50mm进出口接管140mm 流体通入的空间冷却水走换热器管程 有机液走 换热器壳程 流动方式逆流 列管换热器的形式固定管板式换热器 管程对流传热系数 1935W m 壳程对流传热系数 771W m 折流挡板间距600mm 管子排列方式正三角形 水 0 00026 m2 W污垢热阻 有机物 0 000176 m2 W 总传热系数 K 376W m2 核算传热面积37 7m2 管程压强降3379Pa 壳程压降250 86Pa 辽宁科技学院本科生课程设计 第 11页 设计评述设计评述 化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知 识去解决某一设计任务的一次训练 也起着培养学生独立工作能力的重要作用 在换热器的设计过程中 我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升 主 要有以下几点 1 掌握了查阅资料 选用公式和搜集数据 包括从已发表的文献中和从生产 现场中搜集 的能力 2 树立了既考虑技术上的先进性与可行性 又考虑经济上的合理性 并注 意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想 在这种设计思想的指导下 去分析和解决实际问题的能力 3 培养了迅速准确的进行工程计算的能力 4 学会了用简洁的文字 清晰的图表来表达自己设计思想的能力 从设计结果可看出 若要保持总传热系数 温度越大 换热管数越多 折 流