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化工原理课程设计 目录 I 目录目录 1 设计任务书设计任务书 1 1 1 设计题目 1 1 2 设计任务及操作条件 1 1 3 设计已知条件 1 1 4 设计内容 2 2 设计目的及要求设计目的及要求 3 2 1 目的 3 2 2 要求 3 3 概述及简介概述及简介 5 4 设计方案简介设计方案简介 6 4 1 试算并初选设备规格 6 4 2 计算管程 壳程压强降 7 5 工艺计算工艺计算 8 5 1 流体走法确定 8 5 2 计算和初选换热器的规格 8 5 3 核算总传热系数 10 化工原理课程设计 目录 II 5 4 核算压强降 13 6 辅助设计辅助设计 17 6 1 换热器主要尺寸的确定 17 6 2 法兰的确定及垫片的确定 17 6 3 支座的确定 18 6 4 筒体的确定 19 6 6 拉杆及定距管的确定 19 6 7 分程隔板的确定 20 6 8 管板尺寸的确定 20 6 9 折流板的确定 20 6 10 接管尺寸的确定 20 6 11 浮头主要尺寸的确定 21 6 12 滑板结构 21 7 计算结果汇总计算结果汇总 23 7 1 计算结果 23 7 1 计算结果 24 8 评述评述 26 化工原理课程设计 目录 III 9 重要符号说明重要符号说明 28 10 参考文献参考文献 30 化工原理课程设计 1 设计任务书 第 1 页 共 30 页 1 1 设计任务书设计任务书 1 11 1 设计题目设计题目 煤油冷却器的设计 1 21 2 设计任务及操作条件设计任务及操作条件 1 设计任务 处理能力 煤油流量 6000 kg h 设备型式 列管式换热器 2 操作条件 煤油 入口温度 140 出口温度 40 冷却介质河水 入口温度 30 出口温度 40 管程 壳程的压强降 不大于 16kPa 换热器的热损失 忽略 3 厂 址 齐齐哈尔地区 1 31 3 设计已知条件设计已知条件 1 定性温度下两流体的物性参数 1 煤油 定性温度 tm 90 密度 h 825kg m3 比热容 Cph 2 22kJ kg 导热系数 h 0 140W m 粘度 h 0 000715Pa s 2 河水 化工原理课程设计 1 设计任务书 第 2 页 共 30 页 定性温度 tm 35 0 密度 c 994kg m3 比热容 Cpc 4 08kJ kg 导热系数 c 0 626W m 粘度 c 0 000725Pa s 2 管内外两侧污垢热阻分别是 Rsi 6 8788 10 4 m2 W Rso 1 7197 10 4 m2 W 3 管壁导热系数 w 48 85 W m 1 41 4 设计内容设计内容 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 参考资料 总传热系数总传热系数 K K 暂取为暂取为 200W m200W m2 2 是多次试算后得出的值是多次试算后得出的值 设设 计任务书中不含此项计任务书中不含此项 化工原理课程设计 2 设计目的及要求 第 3 页 共 30 页 2 2 设计目的及要求设计目的及要求 2 12 1 目的目的 1 熟悉查阅文献资料 搜集有关数据 正确选用公式 2 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和测量参数 同时还要考虑环 境保护的有效措施 3 准确而迅速的进行过程计算和主要设备的工艺设计计算 4 用精炼的语言 简洁的文字 清晰地图表来表达自己的设计思想 及计算结果 5 通过化工原理设计可以巩固 CAD 制图和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设计 可以复习已经学过 的换热器的内容 可以更好的了解换热器 6 通过化工原理设计 可以复习已经学过的换热器的内容 可以更 好的了解换热器 2 22 2 要求要求 1 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 进行融会贯通的独立思考 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 2 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 化工原理课程设计 2 设计目的及要求 第 4 页 共 30 页 设计的主要程序和方法 培养学生分析和解决工程实际问题的能 力 3 通过化工原理的课程设计 能树立正确的设计思想 培养学生分 析和解决工程实际问题的能力 4 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 以要对 CAD 有一定的了解 5 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 化工原理课程设计 3 概述及简介 第 5 页 共 30 页 3 3 概述及简介概述及简介 化工原理课程设计使我们向红芬理解到化工原理课程的重要性和 实用性 更特别是对换热器原理及其操作各方面的了解和设计 对实 际单元操作设计中所设计的各方面要注意问题都有所了解 换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备 通过这种设备 使物料能达到指定的温度以满足工艺要求 在目前大型化工及石油化 工装置中 采用各种换热器的组合 就能充分合理地利用各种等级的 能量 使产品的单位能耗降低 从而降低产品的成本以获得好的经济 效益 因而 在大型化工及石油化工生产过程中 换热器得到越来越 广泛的应用 在工厂建设投资中 换热器所占比例也有明显提高 成 为最重要的单元设备之一 换热器种类繁多 形势多样 列管式换热器在化工生产中主要作 为加热 冷却 器 冷凝器 蒸发器和再沸器使用 列管式换热器有 固定管板式 浮头式换热器 U 形管式换热器 填料函式换热器四种 类型 此次设计的换热器是根据任务说明书中的数据计算得到的 应选 用浮头式换热器 浮头式换热器的主要特点是管束可以从壳体中抽出 便于清洗管 内和管间 管束可以再壳体内自由伸缩 不会产生温差反应 单位体 积较大的传热面积 传热效果也好 使用安全 浮头式换热器的缺点 是结构复杂 价格较贵 而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况 所以装配时一定要注意密封性能 根据化工原理并结合实际操作的需要应该选用该种换热器 化工原理课程设计 4 设计方案简介 第 6 页 共 30 页 4 4 设计方案简介设计方案简介 从设计任务书可知 此次须设计一台浮头式换热器 欲用河水将 6500kg h 的煤油从 145 冷却到 35 故选用浮头式换热器可减少管 束与壳体的温差应力 首先进行工艺计算 决定水走管程 煤油走壳程 原因如下 本 题为两流体均不发生相变的传热过程 根据两流体的情况 引用的对 流传热系数比较大 且易结垢 故选用水走管程 煤油走壳程 其次 进行辅助设备选型 最后 准备工作就绪后 画出工艺图 4 14 1 试算并初选设备规格试算并初选设备规格 4 1 1 确定流体在换热器中的流体途径 4 1 2 根据传热量计算热负荷 Q 4 1 3 确定流体在换热器两端的温度 选择列管换热器的形式 计算定性温度并确定在定性温度下的流体特征 化工原理课程设计 4 设计方案简介 第 7 页 共 30 页 4 1 4 计算平均温度差 并根据温度差校正系数不应小于 0 8 的原则 决定壳程数 4 1 5 依据总传热系数的经验值范围 或按生产实际情况 选 定总传热系数 K 值 4 1 6 依据总热速率方程 Q 初步算出传热面积 S 并 m tKS 确定换热器的基本尺寸 如 D L N 及管子在板上的排列等 或按系列标准选择设备规格 4 24 2 计算管程 壳程压强降计算管程 壳程压强降 根据初定的设备规格 计算管程 壳程流体的流速和压强降 检 查计算结果是否合理或满足工艺要求 若压强降不符合要求 要调整 流速 再确定管程数和折流板间距 或选择另一规格的换热器 重新 计算压强直至满足要求为止 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 8 页 共 30 页 5 5 工艺计算工艺计算 5 15 1 流体走法确定流体走法确定 两流体均不发生相变的过程 因河水的对流产热系数一般较大 且易沉积结垢 故选择河水走换热器的管程 没有走换热器的壳程 5 25 2 计算和初选换热器的规格计算和初选换热器的规格 5 2 1 确定物性数据 定性温度 可取流体进口温度的平均值 壳程煤油的定性温度为 T 145 35 2 90 管程流体的定性温度为 t 25 35 2 30 煤油在 90 下的有关物性数据 定性温度 Tm 90 密度 h 825kg m3 比热容 Cph 2 22kJ kg 导热系数 h 0 140W m 粘度 h 0 000715Pa s 河水在 30 下的有关物性数据 定性温度 tm 35 密度 c 994kg m3 比热容 Cpc 4 08kJ kg 导热系数 c 0 626W m 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 9 页 共 30 页 粘度 c 0 000725Pa s 5 2 2 计算热负荷和冷却水流量 W TTcmQ phh 5 3 21 107 3 3600 401401022 2 6000 hkg ttCQm pci 103 3 30401008 4 3600107 3 4 35 21 5 2 3 计算两流体的平均温度差 暂按单壳程 多壳程进行计算 逆流时的平均温度差为 m t 1 2 12 ln t t tt 1 39 3040 40140 ln 3040 40140 而平均传热温度差校正系数 10 3040 40140 09 0 30140 3040 1221 1112 ttTTR tTttP 根据 化工原理 天津大学出版社 232 页温度系数校正图得 81 0 t 所以 78 33 7 4181 0 mtm tt 因为8 081 0 t 所以此换热器选单壳程 5 2 4 初选换热器的规格 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 10 页 共 30 页 水走管程 煤油走壳程 假设 k 200 W m 25 8 54 78 33200 107 3 mtKQA m 由于50 552 4030 2 40140 mm tT 因此需要考虑热补偿 据此 由换热器系列标准中选定 FB 500 65 25 2 型换热器 有关参数如下 壳径 mm 500 管子尺寸 mm 5 225 公称压强 25 管长 m 6 公称面积 m2 65 管子总数 124 管程数 2 管子排列方法正方形转 45 实际传热面积 2 45 57 1 06 025 0 14 3 124mdlnSc 若采用此传热面积的换热器 则要求过程的总传热系数为 W m88 199 78 33 8 54 107 3 5 m tAQK 5 35 3 核算总传热系数核算总传热系数 5 3 1 计算管程对流体传热系数 管程流通面积 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 11 页 共 30 页 22 2 0195 0 2 124 02 0 4 14 3 4 m N N dA p t ii 管程流体流速 smAV ss 55 0 0195 0 9943600 108 3 u 4 i 雷诺数 15081 000725 0 99455 0 02 0 湍流 c ici ei ud R 普兰特准数 73 4 626 0 000725 0 1008 4 3 c cpc c P ri 根据公式 由于液体被冷却 4 0 8 0 PrRe23 0 i i i i d 所以 n 0 3 即 W m22 2526 73 4 15081 02 0 626 0 023 0 PrRe23 0 2 3 08 04 0 8 0 i i i d 5 3 2 计算壳程对流系数 14 0 3 1 55 0 00 PrRe36 0 we d 取换热器管心距 t 32 mm 壳程流通截面积为 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 12 页 共 30 页 1 0 tdhDA 取 t N TD05 1 7 0 mmmD4472 0 2 447 7 0 124 3205 1 圆整取 D 0 5 m h 0 3D 0 15 m 所以 2 0 0164 0 032 0 025 0 1 15 0 mA 壳程流体流速 smAVc 12 0 0164 0 8253600 6000 u 00 当量直径按正方形排列有 m ddt 027 0 025 0 14 3 4 025 0 14 3 032 0 4 4 4d 22 0 2 0 2 e 雷诺准数 3738 000715 0 82512 0 027 0 Re 0 0 c ce ud 普兰特准数 34 11 14 0 10715 0 1022 2 Pr 33 0 c cpc c 粘度校正 煤油被冷却95 0 14 0 wh 所以 W m42 36895 0 34 113738 027 0 14 0 36 0 2 3 1 55 0 0 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 13 页 共 30 页 5 3 3 污垢热阻 查表得 W m107197 1 W m108788 6 24 24 so si R R 5 3 4 总传热系数 k0 0043 0 42 368 1 107197 1 5 2285 48 25105 2 20 25 108788 6 2097 2526 25 1b k 1 4 3 4 so0 om o i o si ii o R d d d dR d d 所以 232 9W m k 2 0 由前面计算可知 选用换热器时要求过程得总传热系数为 199 88 在规定条件下 计算出得 k0 为 232 9 故选 W m 2 W m 2 择的换热器是合适的 安全系数为 16 52 100 9 88199 88 19 232 9 100 k k0 k 5 45 4 核算压强降核算压强降 5 4 1 管程压强降 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 14 页 共 30 页 spt iNNFPPP 21 其中 为直管摩擦阻力引起的压降 1P aP 为回弯阻力引起的压降 2P aP 为管程污垢校正系数 t F 为串联的壳程数 s N 为管程数 p N 结垢校正系数对mm 的管子取 t F5 225 4 1 t F2 p N1 s N 设管壁的粗糙粘度 mm1 0 所以 05 0 20 1 0 i d 通过计算的12833 ei R 由关系图查得 e R 03 0 所以 a 3 1304 2 54 0 994 02 0 6 03 0 2 22 1 P u d L p a 8 434 2 54 0 994 3 2 3 22 2 P u P 所以 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 15 页 共 30 页 a 5 4869 24 1 8 434 3 1304 21 P NFPPP pti 5 4 2 壳程压强降 采用埃索计算公式 ss FNPPP 210 其中 Fs 是壳程压强降结垢校正因数 液体取 1 15 Ns 是壳程数 为 1 1 01 Bc NnFfP 2 2 o u 管子为正方形斜转 450排列 F 0 4 位于中心线上管数 25 131241 11 1 nNc 取折流板间距 h 0 15m 折流挡板数 39115 0 61 Nb hL 壳程流通面积 0253 0 025 0 25 135 0 15 0 A 00 dNDh c 壳程流通速度 smAVc 080 0 0253 0 8253600 6000 u 00 雷诺准数 69 2307 1015 7 825080 0 025 0 Re 4 0 0 c eu d 86 0 69 23070 5Re5 228 0 228 0 00 f 化工原理课程设计 5 工艺计算 第 16 页 共 30 页 所以 Pa NNFfP Bc 3 481 2 080 0 825 139 25 1386 0 4 0 1 2 01 Pa u D h NP o B 58 298 2 080 0 825 5 0 15 0 25 3 39 2 2 5 3 2 2 2 所以 Pa NF ss 9 896 115 1 58 298 3 481 P PP 210 计算表明 壳程和管程的压强的压降均小于 16kpa 即满足设计要求 故选择的换热器合适 化工原理课程设计 6 辅助设计 第 17 页 共 30 页 6 6 辅助设计辅助设计 6 16 1 换热器主要尺寸的确定换热器主要尺寸的确定 根据 化工工艺设计手册 上 国家医药管理总局上海医药设计 院编 化学工业出版社 135 137 页 查得换热器的主要尺寸如下 Dg 截面积 GBDEHdgCFS mmcm2mmmmmmmmmmmmmmmmmm 500194510027563532520615012544408 6 26 2 法兰的确定及垫片的确定法兰的确定及垫片的确定 6 2 1 管箱法兰的与壳体连接的法兰哈接管发的尺寸由 材料 与零部件 433 页查得 JB1158 73 凹凸法兰 1 管箱法兰 DgDD1D2D3D4baad 规 格 数 量 重量 50061558055054053825151318M162415 9 60071568065064063825151318M162817 2 2 由 化工 轻工机械设计基础 陈经海等编 405 页查得 管箱接管 化工原理课程设计 6 辅助设计 第 18 页 共 30 页 DgdoSDD1D2D3D4D5D6bb3B4 1001084230190162129149128150281011 fF1 f2d 凸面重凹面重数量直径 KH 34 5236 365 648M2056 筒体接管 DgdoSDD1D2D3D4D5D6bb3b4 1001084230190162129149128150281011 fF1 f2d 凸面重凹面重数量直径 KH 34 5236 365 648M2056 6 2 2 垫片的选定 由 材料与零部件 查得 耐油橡胶石棉板 GB539 65 垫片厚度 s 3mm 其标记为 G44 604 3 JB1161 82 744 704 3 JB1161 82 既外径为 D 615mm 内径为 d 529mm 厚度 s 3mm 外径为 D 715mm 内径为 d 625mm 厚度 s 3mm 6 36 3 支座的确定支座的确定 本设计采用了卧式容器 主要采用鞍式支座 由 化工容器及设 备简单设计手册 贺匡国 主编 609 页 JB T4712 92 查得重型 BI 化工原理课程设计 6 辅助设计 第 19 页 共 30 页 型 DN 500 900 120 包角带垫板或不带垫板鞍式支座结构与尺寸如 下 DNQh L b1 d d L 500159200460150108250 b3d3 弧长 b4d4eL2 鞍座质量 带垫板 120859020063633020 6 46 4 筒体的确定筒体的确定 由 化工工程制图 化工工业部属五院校合编 魏崇光 郑晓梅主 编 183 页 JB1153 73 查得 DN S 曲面高度 h1 mm 重量 kg材料 500 812520 116MnR 600 815028 816MnR 6 66 6 拉杆及定距管的确定拉杆及定距管的确定 由 换热器手册 钱颂文编查得 直径 mm拉杆螺纹直 径 dn mm La mmm1b mm 根数 161620 602 04 定距管的尺寸一般与所在换热管的规格相同 定距管的长度按实 化工原理课程设计 6 辅助设计 第 20 页 共 30 页 际需要确定 尺寸 d 25mm d 2 5 6 76 7 分程隔板的确定分程隔板的确定 由 化工容器及设备简明设计手册 贺匡国主编查得 分隔板厚 度为 8mm 材料为碳素钢及低合金钢 6 86 8 管板尺寸的确定管板尺寸的确定 由 换热器手册 钱颂文 150 页查得 GB151 1999 D mm D2 mmD3 mmD4 mmD5 mmd2 mmBf mmB mm 螺旋 数量 615550500537500182842M1620 6 96 9 折流板的确定折流板的确定 由 化工容器及设备简明设计手册 贺匡国主编 864 页查得折流 板的最小厚度为 5mm 间距 150mm 6 106 10 接管尺寸的确定接管尺寸的确定 由 化工原理 上 姚玉英主编 277 页查得 壳程接管 mm uVsd 74 41 6 114 3 3600825 65004 4 2 1 2 1 管程接管 化工原理课程设计 6 辅助设计 第 21 页 共 30 页 mm uVsd 87 91 6 114 3 3600 7 995 108 34 4 2 1 4 2 1 圆整后 mmd100 6 116 11 浮头主要尺寸的确定浮头主要尺寸的确定 由 化工容器及设备简明设计手册 贺匡国主编 862 页数据及 872 页公式计算浮头的主要尺寸如下 bBlbnb2 bn 1 5 cDi 4 mm3 mm10 mm11 5 mm60 mm500 mm 浮头法兰和钩圈的内直径 mmbnblDD ifi 484 106 500 2 浮头法兰和钩圈的外直径 mmDD ifo 58080 布管限定圈直径 mmbbblDD jL 463 4 5 113 2500 22 外头盖内直径 mmDD i 600100 浮头管板直径 mmblDD io 4942 6 126 12 滑板结构滑板结构 化工原理课程设计 6 辅助设计 第 22 页 共 30 页 滑板焊在折流板或支持板的槽内 在直径方向高出折流板 0 5 1mm 并与管束成一整体 滑板的尺寸可根据换热器直径 长度和管束 重量确定 化工原理课程设计 7 计算结果汇总 第 23 页 共 30 页 7 7 计算结果汇总计算结果汇总 7 17 1 计算结果计算结果 名称壳程管程 质量流量 kg h 3 100 6 4 108 3 温度 进 出 140 4030 40 定性温度 9035 密度 kg m3 825994 比热容 kJ kg 2 224 08 粘度 Pa s 4 1015 7 4 1025 7 物 性 导热系数 W m 0 1400 626 型号 FB 500 65 25 2 壳体内径 mm 500 管子规格 mm5 225 管长 mm 6000 管根数 124 换热面积 m2 57 45 管程数 12 设 备 结 构 参 数 推荐使用材料碳钢 化工原理课程设计 7 计算结果汇总 第 24 页 共 30 页 折流板形式上下 排列方式正方形斜转 450 管间距 mm 32 折流板间距 mm 150 主要计算结果壳程管程 流速 m s 0 120 55 对流导热系数 W m 2 368 422526 22 污垢热阻 m2 W 4 107197 1 4 108788 6 阻力损失 Pa 6 1021 5 4869 热负荷 w 5 104 4 裕度 16 52 切口高度 25 7 17 1 计算结果计算结果 序号图号标准名称数量材料单重总量 1JB1153 73 筒体 Dg560 x8 1A3F100 2JB1167 81 固定鞍式支架 1A3F10 3JB1158 73 简体法兰 1A310 4 固定管板 1 5JB1158 73 管箱法兰 1A315 9 6 封头 Dg500 x8 1A320 1 7 隔程挡板 116MnR4 7 化工原理课程设计 7 计算结果汇总 第 25 页 共 30 页 8GB T8163 换热管 12416MnR 9 接管 4201 53 0 10JB1158 73 凸凹法兰 4A35 120 4 11GB539 65 垫片 S 3 2 耐油橡胶棉板 12 折流挡板 S 5 29A3F5 1147 9 13 定距管5 225 10100 555 5 14GB01 88 等长双头螺旋 24A32 88 15 筒体法兰 1A32 88 16JB1158 73 外头盖法兰 G10 100 1A317 2 17 浮头钩圈 1A330 18 浮头法兰 1A3 19 无折边球形封头 1 20JB1154 73 封头 Dg600 x8 1A3F 21JB1167 81 活动鞍式支座 1A3F 化工原理课程设计 8 评述 第 26 页 共 30 页 8 8 评述评述 在张老师悉心讲解和指导下 在我们小组成员的精心努力下 经 过两周的紧张奋战 我们终于成功完成了煤油冷却器的设计 整个设 计过程中 我们不仅巩固了以前学过的知识的同时 还学到了很多新 的知识 掌握了很多新技能 更重要的是我们积累了宝贵的设计经验 在我们小组接到任务以后 为了更为有效的利用时间和资源 我 们采用小组成员每人负责一部分 最后进行汇总讨论的方式开展工作 设计的过程就是一个探索的过程 我们在这个过程中不断地查阅资料 上网搜索最新的技术信息 查看各个部件的国际标准 以谋求得到一 个更经济 生产效率更高的换热器 由于一个成品的诞生需要很多的数据作参考 我们最先进行的是 对数据的计算 这是一个相当繁重的任务 而且有许多公式已经忘记 了 但经过我们查阅资料和请教老师 所有的问题都迎刃而解 最终 得到了最理想的数据 在这个过程中 那些以前很长 很难记忆的公 式已经让我们记得滚瓜烂熟了 接下来便是通过数据选取合适的换热 器 及其各种配套的零件 数据有了 换热器也有了 我们开始着手 CAD 画图了 好在我们刚刚学过化工制图 利用起来很方便 在经过 我们反复推敲之后 把 CAD 图给确定下来了 最后我们又用 Word 进行 了排版 这个活相当琐碎 所以我们每人负责其中的一部分 在于用 Word 文档编辑时 我们是煞费苦心呀 特别是在打一些特殊的公式和 符号式 都是在请教同学和上网找资料的情况下现学现卖的 化工设计是对我们运用知识和技能的检验 是对学生进行全面考 化工原理课程设计 8 评述 第 27 页 共 30 页 察的有效手段 也是让我们学习新知识 掌握新技术的有效途径 通 过这次设计 我们了解了许多化工机械方面的知识 迈出了从理论知 识到实际运用的第一步 本次设计使我们在很多方面都得到了锻炼 为我们以后步入社会工作时奠定了基础 通过这次的课程设计 我们找到了自身的不足 认识到了只有不 断学习新知识和巩固旧知识 同时要充分发挥团队