化工原理课程设计__09040070左子玲

1、 * * 化工原课程设计化工原课程设计 * * 换热器工艺初步设计换热器工艺初步设计 学生姓名：学生姓名： 左子玲左子玲 学学 号：号： 专专 业：业： 环境工程环境工程 班班 级：级： 09402 成成 绩：绩： 指导教师：指导教师： 柯斌清老师柯斌清老师 设计时间：设计时间：2011 年年 10 月月 25 日至日至 2011 年年 12 月月 13 日日 环境与生命科学系环境与生命科学系 目 录 1 设计题目.2 2 设计条件.2 3 设计内容和要求.3 4 设计内容.3 4.1 选择换热器的类型.3 4.2 流动方向 .4 4.3 估算传热面积.4 4.3.1.热流量.4 4.3.2.

2、平均传热温差.4 4.3.3.传热面积.4 4.3.4 冷却水用量 .4 4.4 主体构件的工艺结构尺寸 .5 4.4.1 管程数和传热管数 .5 4.4.2 平均传热温差校正 .5 4.4.3 传热管的排列 .5 4.4.4 壳体内径 .5 4.4.5 折流板 .6 4.4.6 计算接口直径 .6 4.5 换热器主要传热参数核算 .7 4.5.1 热量核算 .7 4.5.2 壁温核算 .9 4.5.3 换热器内流体的流动阻力(压降) .9 5 计算结果总汇.10 设计感想.11 参考文献.12 附 录:.13 1 设计题目 管壳式卧式换热器设计 2 设计条件 某厂用循环冷却水甲苯从 80 冷

3、却到 50,甲苯年处理能力为 44500t/a，压力为 6.5MPa，循环冷却水的入口温度为 25，出口温度为 35，要求冷凝器允许压降不大于 Pa； 试设计一台管壳式卧式换热器完成该生产任务。每年按 330 天计算，每天 24h 连续运行。 表 1 主要物性参数 流体 定性温度 / 密 度 kg/m3 粘度 mPas 比 热 容热导率 甲苯 708660.455 191 kJ/(kgK) 0.1273W/(mK) 循环冷却水 30994.30.7424.174 kJ/(kg) 0.624W/(m) 3 设计内容和要求 (1)标题页 (2) 目录 (3) 确定设计方案 (4) 传热面积计算 (

4、5) 工艺结构尺寸计算 (6) 换热器校核 (7) 换热器主要结构参数和设计结果一览表 (8) 换热器工艺条件图 (9) 自设计使用该换热器的工艺流程图 (10)对本设计的评价 (11)参考文献 4 设计内容 4.1 选择换热器的类型 本设计中循环冷却水甲苯选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于 下列情况：温差不大；温差较大但是壳程压力较小；壳程不易结构或能化学清洗。 本次设计条件满足第种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构 紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单， 造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。 采用折流挡

5、板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提 高传热效率。 4.2 流动方向 本冷却器的管程走循环冷却水，壳程走甲苯。热空气和冷却水逆向流动换热。 4.3 估算传热面积 4.3.1.热流量 甲苯的质量流 W=44500t/a=44500103/(33024)=5618.687 kg/h 热流量为 Q=Wcp (T1T2) =5618.6871.91（8060） =.8 kJ/h = 59620.5W 4.3.2.平均传热温差 = =38 m t 22 11 2211 ln )()( tT tT tTtT 4.3.3.传热面积 初步设定设 K=200 Wm-2-1。则估算的传

6、热面积为 m2087 . 8 86.36200 5 . 59620 tm K Q A 取安全系数 1.2，则 A=9.705m 4.3.4 冷却水用量 Wo = kg/h16.5142 2535174 . 4 214633.8 )( 12 ）（ttc Q po 4.4 主体构件的工艺结构尺寸 4.4.1 管程数和传热管数 选用 252.5mm 的传热管(碳钢管)；do=25mm,di=20mm 管子根数：n=Adol=41.242 中心线或中心线附近管子根数 nc=11 取管程数为 2，则 N=n+拉杆+5=42+6+5=53 4.4.2 平均传热温差校正 平均传热温差校正系数 =2 12 2

7、1 tt TT R 2535 6080 =0.182 11 12 tT tt P 6080 2535 温度校正系数为 t 1 1 2 R R )11 (2 )11 (2 ln 1 1 ln 2 2 RRP RRP PR P 0.97 平均传热温差校正为tm=tm=0.9738=36.86( ) t 4.4.3 传热管的排列 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。其中，每 程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动较大， 因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。 4.4.4 壳体内径 取管间距：t 32 mm ，则 2 (/

8、3)/ 22(/8) t t DDDN PD PD 得 D=489.38mm 可取 D 为 509mm 4.4.5 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则 取折流板数 12，则折流板间隔：h= =0.23 1 B l N 4.4.6 计算接口直径 1.计算循环冷却水进出口管径，设流速 u=0.5m/s 1 d 1 2 1 4 v qd u 1 33 3 5142.16/ 1.44 10/ 36003600 994.3/ i v i Wkg h qm s kg m 3 1 4 1.44 10 0.060560.5 3.14 0.5 dmmm 所以选用直径为 65mm

9、 的管子。 2.计算甲苯进出口管径 2 d 2 2 2 4 v qd u 2 33 3 5618.687/ 1.8 10/ 36003600 866/ v Wkg h qm s kg m 3 2 4 1.8 10 0.067867.8 3.14 0.5 dmmm 所以选用直径为 70mm 的管子。 4.5 换热器主要传热参数核算 4.5.1 热量核算 (1)壳程对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式 ho = 14 . 0 3/155 . 0 )(PrRe36 . 0 w o e o d 其中： 当水做冷却剂时，粘度校正为=1.05 14 . 0 )( w o 当量直径，管子为正三角形

10、排列时， de 22 3 4() 24 o o td d 0.0202 m 22 3 4(0.0320.025 ) 24 3.14 0.025 壳程流通截面积 So = hD(1)=0.230.509（1）0.0257 m2 t do0.025 0.032 壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为 Go =5618.6870.0257=.95kg/(sm2) o o S W Reo=2696 oeG d0.0202 60.73 0.000455 普朗特准数 Pr =6.83 o opo c 1910 0.000455 0.1273 因此，壳程水的传热膜系数 ho为 ho = 0.360.1273/0.

11、020226960.556.831/31.0 =329.6 W/(m2) (2)管程对流传热系数 其中：hi = 14 . 0 3/155 . 0 )(PrRe36 . 0 w i e i d 管程流通截面积 Si =0.0066 m2 2 42 i dn 管程空气的流速及其雷诺数分别为 Gi =.2kg/(hm2)=216.42 kg/(sm2) i i S W Re=5833.45 i iiG d 0.02 216.42 0.000742 de=0.029m 22 3 4() 24 i i td d 22 3 4(0.0320.02 ) 24 3.14 0.02 普兰特准数 Pr =4.9

12、6 i ipi c 4174 0.000742 0.624 因此，管程空气的传热膜系数 hi为 0.551/3 0.624 0.365833.44.961.0 0.029 i h =1548.64 W/(m2) (3)基于管内表面积的总传热系数 Ki 污垢系数： 管内侧 Ro0.m2W-1 管外侧 Ri0.m2W-1 管子材质金属的导热系数 116.3Wm-1-1 111 () sooo oi owwmii tddd RR Khddh d 1(0.0250.02)/ 20.0250.02510.025 0.00051910.0003440.0048 329.6116.3(0.0250.02)/

13、 20.021548.640.02 =0.0048 解得：208W/ (m2) i K 此计算值与前面的初设值 Ki=200 W/ (m2)的关系： 该换热器的传热系数裕度为 208200 4.17% 200 KK K 满足换热器设计所要求的 5%之内的范围，初选的换热器合适。 (4) 传热面积 换热器的实际传热面积 Sp =3.140.025422.9= 9.56m2 A (1) o n d l 该换热器的面积裕度为 = =18 %100 A AA H 9.568.087 100% 8.087 满足要求的 30%以下的范围，该换热器符合实际生产要求。 4.5.2 壁温核算 因管壁很薄，且管壁

14、热阻很小，该换热器用自来水作为冷却水，设定冷却水进口温度 为 25，出口温度为 35来计算传热管壁温度。 传热管平均壁温 329.6 ()30(7030) (/)1548.64(0.02/0.025)329.6 o wchc iioo h ttTt h ddh =38.439 查的在该温度下甲苯的粘度，水的粘度 3 0.54 10 w Pa s 3 0.668 10 w Pa s 对管侧 0.14 0.14 0.000742 ()1.01 0.000668 w 对壳侧 0.14 0.14 0.000455 ()0.976 0.00054 w 4.5.3 换热器内流体的流动阻力(压降) (1)管

15、程流动阻力 管内流体在 Re=5833.45 时，查的摩擦阻力系数=0.011 t f 直管部分的压降： p1=31.73（kg/m2）=311Pa 22 8 4ln4 0.011 779115.23 2 22 1.27 10 tit ci f G qd 弯管回路中的压降： p2=57.7(kg/m2)=565.46 Pa 22 8 44 779115.22 22 1.27 10994.3 it c G n q 总压降：pi（p1+p2）（311+565.46）876.46Pa (2)壳程阻力： 用概算法： p1= =13.6（kg/m2） 2 8 218625.963 10.410.4 1.

16、27 10866 c c G l q 管侧，壳侧的压力损失均满足要求，该设计可行 5 计算结果总汇 表 2 设计结果一览表 换热器形式： 管壳卧式 换热面积/m ： 8.65 2 工艺参数 名称 物料名称 操作压力/MPa 操作温度/ 流量/（kg/h） 管程 循环水 0.5 45 5142.16 壳程 甲苯 6.5 90 5618.687 流体密度/（kg/m ） 3 994.3866 流速/(m/s)0.50.5 传热量/kw59.6259.62 总传热系数/)/( 2 kmw 208 208 传热系数/)/( 2 kmw 1548.64329.6 污垢系数/)/( 2 wkm 0.0.

17、阻力降 Pa876.46133.416 程数21 推荐使用材料碳钢碳钢 管子规格 252.5 管数 38管长 3000mm 管间距/mm32排列方式正三角形 折流板形式上下间距230mm 壳体内径/mm509切口高度127.25mm 设计感想 此次化工原理课程设计题目是“空气压缩机后冷却器设计” ，因为上学期彭老师对传热与换 热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，加上这学期正好学习了过程设备设计 。另 外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大 的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。 一 数据计算 这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性

18、直接影响到后面的各阶段，这就需要 我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定 需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候， 因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍， 可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。 二 查资料 以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，简单！但是这次课程设计却完全 改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，我这次用到 的参考资料有将近 10 种之多，这在之前是难以想象的。 三 AutoCAD 绘图 这是第一次尝试用专业绘图软件 AutoCAD 进行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌生， 熟悉是因为大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是 凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，