化工原理课程设计-甲苯冷却器的设计

学号化工原理课程设计

说明书专业：化学工程与工艺学生班级：级—班学生姓名：指导教师：201年_月_日目录TOC\o"1-5"\h\z一、设计任书.1二、工艺流程草图及说明5三、工艺计算及主要设备设计6确定设计方案.6选择换热器的类型6流程安排6确定物性数据.6估算传热面积.7热流量7平均传热温差7传热面积7冷却水用量7工艺结构尺寸.7管径和管内流速7管程数和传热管数7传热管排列和分程方法8壳体内径8折流板8其他附件8接管8换热器核算.9热流量核算9壳程表面传热系数9管内表面传热系数9污垢热阻和管壁热阻9传热系数Kc.10传热面积裕度..10换热器内流体的流动阻力..11管程流体阻力..11课程阻力..11四、辅助设备的计算和选型...111换热器入水管的规格112从河边至工厂的管子的规格12离心泵1的规格12换热器处离心泵2的规格13蓄水池、凉水塔的设计14五、设计结果设计一览表...15六设计评述...17七主要符号说明...19一、化工原理课程设计任务书（换热器的设计）（一）设计题目：甲苯冷却器的设计（二）设计任务及操作条件：题目工厂因工艺扩建，需设计装置来冷却甲苯车间的产品甲苯。试根据以下工艺要求设计合理的输水工艺（管件布置和输送机械的选择）及合适的换热器。有关工艺和要求如下。①该厂附近有一条小河，但夏季有2——4个月的枯水期，一直改长距离河岸最短约为2公里，该厂与河液面海拔高度约为4——6米。②设计换热器放置距地面7.5米相应管件与直管总长依据所测绘工艺流程图计算水管的直管水道的直管阻力系数取0.018。③进水管的直管阻力系数取0.025。设计要求：①换热器管壳层压降均不超过0.1atm.②水的入口温度为25C。③甲苯温度从70c下降为55c产量21.6万吨。（三）设计项目2选择适宜的列管换热器并进行核算。3画出工艺设备图及列管布置图。工艺流程草图及说明甲笨工艺流程草图主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。如图，甲苯经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，甲苯从70c被冷却至55c之后，由接管D流出；循环冷却水则从19c变为15C,由接管B流出。三、工艺计算及主要设备设计1、确定设计方案选择换热器的类型：两流体温度变化情况：甲苯进口温度为70C,出口温度55C,冷流体进口温度25C,出口温度35C;冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。流程安排：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。选用4)25X2.5的碳钢管(换热管标准：GB8163。2、确定物性数据：定性温度：可取流体进口温度的平均值。管程流体的定性温度为：T="当=27.5(C)2甲苯的定性温度为：t=70^55=62.5(C)根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲苯在62.5C下的有关物性数据循环冷却水在27.5C下的物性数据密度.3po=834kg/m密度pi=995.7kg/m3定压比热容cpo=1.80kJ/(kg•K)定压比热容cpi=4.174kJ/(kg•K)导热系数入o=0.147W/(m•K)导热系数入i=0.6176W/(m-K)粘度wo=0.00063Par粘度阴=0.000836Pa・s3、估算传热面积甲苯流量Ws=21.6M107/320M24M3600=7.81KJ/S热流量QO=Wcp0A10=28116X1.80x(70-55)/3600=210.87kJ/h=210.87(kW)平均传热温差△tl一△tl一：t2lJ■:t2(70-30)-(50-25)170-25In55-30=34.76(C)传热面积假设K=300W/(rh・K),则估算面积为：Ap=Q/(Kx△m)=210.87X103/(300x34.76)=20.22(m2)水的冷却量Q0210.87Wi===10.10(kg/s)cpi.：ti7.174(30-25)4、工艺结构尺寸管径和管内流速选用4)25X2.5mm较高级冷拔传热管(碳钢10),取管内流速Ui=0.75m/s管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数Ns二qVNs二qV二X2diu410.10/995.7平0.020.020.75(根)按单程管计算，所需的传热管长度为:,Ap20.22L=-^匚==5.9=6.0(m)二d0ns3.140.02543所以按双管程设计即可，L=3mNt=86(根)传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正三角形排列。(见化工过程及设备课程设计书本图3-13)取管心距t=1.25d0,则t=1.25X25=32(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22(mm。各程相邻的管心距为44mm管束的分程方法，每程各有传热管43根，其前

TOC\o"1-5"\h\z后箱中隔板设置和介质的流通顺序按化工过程及设备课程设计书本图3-14选取。壳体内径采用管程结构，则壳体内径为D=1.05tNt1.053286360mm0.750.75按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=400mm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%,则切去的圆缺高度为h=0.25X400=100(mm折流板间距B=0.6D,贝UB=0.6X400=240mm折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=3000/300-1=9(块)，折流板圆缺面水平装配见化工过程及设备课程设计书本图3-15其他附件拉杆数量与直径按化工过程及设备课程设计书本图表3-9选取，本换热器传热管外径为25mm^其拉杆直径为巾16,拉杆数为8个。壳程入口处，应设置防冲挡板。接管壳程流体进出口接管：取接管内甲苯流速为u=2.0m/s,则接管内径为:D=D=4V_，47.81834.00076Dl=00.076\.u1、3.142.0(n),圆整后可取管内径为80mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s,则接管内径为D24D2410.10-995.73.141.5=0.09(m)=90mm5.换热器核算热流量核算0.14壳程表面传热系数，用克恩法计算：h0=0.36&Re0°.55Pr-13‘工”de当量直径，由正三角排列得：4(3t2-d02)4(30.0322-0.7850.0252)de=—24=2=0.0181(ma3.140.025壳程流通截面积：S0=BD(1一支)=0.20.3(1—0025)=0.02262=0.018(m2)

t0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为：U0=——78——=041(m/s)8340.022620.01810.41834Re)==98240.00063普朗特数：Pr普朗特数：Pr=*合77；粘度校正：用0.14:0.95h0=0.36x0.147X9824055X7.7"3x0.95=860〔W/(吊,K)〕0.0181管内表面传热系数：hi-0.023—Re0.8Rr0.4di管程流体流通截面积：Si=0.785X0.022X43=0.0135(吊)管程流体流速及其雷诺数分别为:Ui=—30—=0.751=0.738(m/s)995.7--0.0135Re=0.020.751995.7<-0.836103=17889普朗特数：Pr=4」740.836=5.650.6176=3583.4〔W/(m2•K)〕hi=0023X0.6176X17889=3583.4〔W/(m2•K)〕0.02污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取:2官外侧河垢热阻R0=1.719710m-K/W管内侧污垢热阻Ri=6.8788x10-4m2-K/W

管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为50W(m•K)。管壁厚度b=0.0025mKc=Kc=11.719710411.7197104—8606.8788103583.40.0200.020500.02=427〔w/(m•C)〕计算传热面积Ac：Ac=Q/(KcX△tm)=210870/(427X34.76)=14.207(n2)该换热器的实际传热面积A:A』xd°MlMNt=3.14X0.025X3X86=20.253(m)该换热器的面积裕度为：A20.253

H===1.43Ac14.207传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.3换热器内流体的流动阻力管程流体阻力计算公式如下：△R=(△£+△R)NSNPFsi2其中NS=1,Np=2,Fs=1.4;APf=?.-x-u-di2=0.043,由Re=17889传热管相对粗糙度0.2/20=0.01,查莫狄图得％流速u=0.751m/s,p=995.7kg/m3,=0.043,△P=0.043m旦.995%0.751=1758(R)；0.022△口：2995.70.7512△R=；——=3=842(Pa)22△Pt=(1758+842)X1X1.4=3640(Pa)<104Pa管程流体阻力在允许范围之内。5.3.2壳程阻力△PS=(AP0+APi)FsNS其中Fs=1.15;N=1;AP0=Ff0Ntc(Nb+1)以F=0.5,fo=5X98240228=0.61,NtC=1.1.86=10.2N=9；uo(按流通面积So=B(D-Nrcd。)计算)=0.41m/s则流体流经管束的阻力：△Po=0.5X0.61X10.2X(9+1)x834X0.412/2^2181(R)流体流过折流板缺口的阻力A/、PUC2△R=Nb(3.5-2B/D)号其中B=0.3m;D=0.4m;△R=9X(3.5-2X0.3/0.4)X834X0.412/2^1262(R),则总阻力：Ps=2181+1262=3443(Pa)<104Pa。故壳程流体的阻力也适宜（四）、管道设计1、换热器入水管的规格由公式ws=uA：-'-u—d2：4=0.115m=115mm=d=4ws=47.81=0.115m=115mm，二u：3.140.75995.7，选用管径为啊21mmM7mm的无缝钢管。（见《化工原理》上册天津大学出版社附录23）与该管相连的离心泵的入水管可选管径为啊21mmM6mm的无缝钢管。2、从河边至工厂的管子的规格由于工厂距河边2km,较远，再加上考虑地形和经济因素，决定初步采

用地下铺设方式由于考虑到当地的冰冻线的深度，决定将管路埋在地面以下0.5m处。从河边抽水到蓄水池中，管子管径一般比较大，可选用管径为6133mmM9mm的无缝钢管，与该管相连的离心泵的入水管径可取@140mmm9mm的无缝钢管。从河边至蓄水池的管路中应设置一些管路，以达到热补偿的作用，否则管子受热易爆裂。取河边至工厂的管路全长为2100m3、河边离心泵1的规格为满足工厂用水需要，取水流量Q=37360kg/h则水流速u=2=37360/3600=1.0m/sA：3.14（0115）2995.7管路阻力：H「」」（■:入《一二^《gg2di219.81(0.5f0.02619.81(0.5f0.026

2_221001、_)0.1152=24.2m因为该厂与河液面海拔高度差约4--6m所以所选泵的压头H应不低于24.2+6=30.2m参考《化工原理》上册天津大学出版社附录24,可选型号IS80-65-160的离心泵。其参数如下：转速2900r/min,流量50m3/h扬程32m,效率73%轴功率5.97kw,电机功率7.5kw,必需气蚀量2.5m,质量（泵/底座）为48/66kg.其允许安装高度：

HgPHgP0—PV-(NPSH)r-Hf,0」一■一一3__-2.5=-2.5=7.4m995.79.81其中PV为水的饱和蒸汽压，为4247.4Pa（见《化工原理》上册天津大学出版社附录8）通常为安全起见，离心泵的实际安装高度应比允许安装高度低0.5-1m4、换热器处离心泵2的规格取管路总长为150mm（含弯头、阀门的当量长度）；压头损失：hfU2%lelU2hf队——十九X一2gdi2g又因换热器离地面7.5m故所需压头不应小于7.5+0.64=8.14m参考《化工原理》上册附录24,可选用型号为IS80-65-125的离心泵,其参数如下：转速2900r/min,流量50m3/h扬程20m,效率75%轴功率3.63kw,电机功率7.5kw,必需气蚀量2.5m,质量（泵/底座）为48/66kg.其允许安装高度：P0-PVHg=-V-（NPSH）r:g_101.33103-1226.6。八=一3.0999.79.81=7.2m通常为安全起见，离心泵的实际安装高度比允许高度低0.5-1m5、蓄水池、凉水塔的设计(1)、蓄水池设计考虑对工厂内土地利用情况和地下水出水深度，确定修建容积为5xi0xi0m3的长方形蓄水池，深5m,长10m,宽10m。(2)凉水塔设计凉水塔可建成两层的楼房状，但其高度应低于换热器的高度。水从楼顶喷洒而下，至楼底再汇集，然后通过管道流回蓄水池。此时不用水泵，而是通过水位差使循环水达到降温并最终流回蓄水池的目的。五、设计结果设计一览表换热器主要结构尺寸和计算结果见下表参数管程壳程流率/(kg/s)10.107.81进/出温度/C25/3070/55压力/MR4.1<0.1物定性温度/C27.567.5密度/(kg/m3)995.7834定压比热容/(kJ/4.1741.80

性(kg•K))粘度/(Pa・s)0.0008360.00063热导率/〔w/(m•K)〕0.61760.147普朗特数5.657.7设备结构参数形式管层式台数1壳体内径/mm400壳程数1管径/mm4)25X2.5管心距/mm32管长/mm3000管子排列△管数目/根86折流板数/个9传热面积/m220.22折流板间距/mm300管程数2材质碳钢主要计算结果irw壳程流速/(m/s)0.7510.41表面传热系数/〔w/(m2•K)〕3583764污垢阻力/(w/m2•K)0.000687880.00017197阻力/Pa53062788热流量/kJ/S210.87传热温差/K传热系数/〔w/(m2•K)〕427

裕度/%1.432管道设计与离心泵设计规格设备参数离心泵1离心泵2型号IS80-65-160IS-80-60-125转速r/min29002900流量m3/h50扬程m3220效率%7375轴功率kw5.973.63电机效率kw7.57.5必须汽蚀余量m2.53.0质量（泵/底座）kg48/6644/46离心泵1出水管规格①121x7mm离心泵1进水管规格中121x6mm离心泵2出水管规格中146X9mm离心泵2进水管规格中155X10mm离心泵1允许安装高度7.4m离心泵2允许安装高度7..76m畜水池大小5mx10mx10m六、设计评述本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。下面就是对本次设计的一些评述。本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，故本次设计确定选用浮头式换热器。易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生热效应力。对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。所以选择浮头式换热器较合适。本设计选择了冷却水走管程，煤油走壳程的