纯苯冷却器设计

课程设计课程设计题目：纯苯冷却器设计系部：生物与化学工程系专业：应用化学学生姓名：全君班级：化B051学号26指导教师姓名：职称职称设计完成时间：2013年7月10

课程设计成绩评定表系（部）：学生姓名学号班级专业指导教师姓名设计题目评语：（包括以下方面，①学习态度、工作完成情况、材料的完整性和规范性；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③综合运用知识能力和创新能力；）设计表现（20分）分值：规范性(25分)分值：基础理论和专门知识(25分)分值：答辩(30分)分值：合计分值：评定成绩分值：指导教师签字：年月日化工原理课程设计任务书一、设计题目：纯苯冷却器设计二、设计任务及操作条件:1、设计任务：处理能力：20000kg/h设备型式：列管式2、操作条件：eq\o\ac(○,1)纯苯液：入口温度80，进口温度为55；eq\o\ac(○,2)冷却介质：35℃（入口）循环水；eq\o\ac(○,3)允许压强降：管、壳程压强降不超过10Kpa;3、物性参数：物性流体温度℃kg/mmPa·sCpkJ/(kg)W/(m)kJ/kg苯67828.60.3521.8410.129394水3910000.674.1740.63222583.设计计算内容：（1）传热面积、换热管根数；（2）确定管束的排列方式、程数、折流板等；（3）壳体的内径；（4）冷热流体进出口管径；（5）核算总传热系数；（6）管壳程流体阻力校核；4．设计成果；（1）设计说明书一份；（2）换热器工艺条件图；三、设计内容及时间安排设计动员0.5天1、概述2、设计方案的选择3、确定物理性质数据0.5天4、设计计算内容：计算总传热系数；计算传热面积1.5天5、主要设备工艺尺寸设计（1）管径尺寸和管内流速的确定（2）传热面积、管程数、管数和壳程数的确定（3）接管尺寸的确定1天6、设计结果汇总7、换热器工艺条件图1天8、设计评述答辩0.5天四、图纸要求列管式换热器工艺条件图五、参考资料1.上海医药设计院。化工工艺设计手册(上、下).北京：化学工业出版社，1986目录TOC\o"1-4"\h\z\u程设计成绩评定表 II化工原理课程设计任务书 3第1章概述 7第2章设计条件及主要物性参数 72．1设计条件 82．2物性参数 8第3章确定设计方案 83．1选择换热器的类型 83．2流体空间选择 8第4章工艺计算 94．1确定物性数据 94．2估算传热面积 94.2.1计算热负荷（忽略热损失） 94.2.3平均温度差的计算 94.2.4估算传热面积 94.3工艺结构尺寸 104．3．1选管子规格 104．3．2总管数和管程数 104．3．3确定管子在管板上的排列方式 104．4．4壳体内径的确定 104.3.5确定实际管子数 114．3．6折流板的确定及绘管板布置图 124.3.7接管口径计算 124．3．8拉杆设置 12第5章传热器校核 135．1传热面积校核 135．1．1传热温差校正： 135．1．2总传热系数K的计算 135．2．2．1管内传热膜系数 135．2．2．2管外传热膜系数 135．2．2．3污垢热阻和管壁热阻 145．2．2．4总传热系数K 145．1．3传热面积校核 155．2核算管、壳程流动阻力 155．2．1管程 155．2．2壳程 155．3壁温的计算 16第6章设计结果汇总表 17设计评述 18设备图 18参考文献 18附录A 19附录B 20TOC\o"1-4"\u第1章概述本设计的主要任务是设计纯苯液冷却器设计，处理能力为20000kg/h,纯苯液的入口温度80，进口温度为55；冷却介质为35（入口）循环水：允许压强降为管、壳程压强降不超过10Kpa;根据苯和水的物性参数，假设水的出口温度为43，根据这些条件选择换热器，列管式换热器的类型主要有四种：固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器和填料函式换热器，在这个设计中选固定管板式换热器。固定管板式换热器的特点：两端管板和壳体连接成一体，结构简单、紧凑、布管多，更换、造价低，管内便于清洗，应用广泛。壳程不易清洗，因此壳方流体应是较洁净且不易结垢的物料。所以纯苯液走壳程，循环水走管程。适合在管壳壁温差不大于50的情况下使用，当温差相差较大时可设置膨胀节。由于此设计的温差小于50,所以可以不用考虑热补偿.第2章设计条件及主要物性参数2．1设计条件（1）处理能力：20000kg（纯苯液）/h；（2）设备类型：列管换热器；（3）操作条件：eq\o\ac(○,1)纯苯液：入口温度80℃，进口温度为55℃；eq\o\ac(○,2)冷却介质：35℃（入口）循环水；eq\o\ac(○,3)允许压强降：管、壳程压强降不超过10Kpa;2．2物性参数物性流体温度℃kg/mmPa·sCpkJ/(kg℃)W/(m℃)kJ/kg苯67828.60.3521.8410.129394水3910000.674.1740.6322258第3章确定设计方案3．1选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度80℃，出口温度55℃。冷流体进口温度35℃，假设出口温度为43℃。从两流体的温度看，换热器的管壁温度和壳体温度差不大，因此初步采用固定管板换热器。3．2流体空间选择因为热流体为苯，冷流体为水，为了使苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果，故使苯走壳程，另外，水也较易结垢，为便于提高流速减少污垢生成，以及便于清洗，故使水走管程。第4章工艺计算4．1确定物性数据苯的定性温度：水的定性温度：4．2估算传热面积4.2.1计算热负荷（忽略热损失）Q=×1.841××（80-55）=2.56×J公式1（参见附录，下同）4.2.2冷却水用量（忽略热损失）/s4.2.3平均温度差的计算选取逆流流向===27.64℃公式24.2.4估算传热面积参照传热系数K的大致范围，取K=500W/（㎡·℃）===18.52㎡公式3取实际面积为估算面积的1.15倍，则实际估算面积为：=18.52×1.15=21.30㎡4.3工艺结构尺寸4．3．1选管子规格选取Φ25㎜×2.5㎜无缝钢管，管长l=3m。4．3．2总管数和管程数总管数n===90.4≈90根单程流速u===0.55m/s单程流速可以达到传热效果，故采用单管程4．3．3确定管子在管板上的排列方式采用正三角形排列，管子与管板用焊接结构。4．4．4壳体内径的确定壳体内径为：公式4管心距:t=1.25=1.25×25≈32㎜=1.1=1.1×=10.4≈11根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：b=1.5=0.038所以按壳体标准圆整取D=400mm4.3.5确定实际管子数管板布置图见设备图1换热器的实际传热面积A=n（l-0.1）=90×3.14×0.025×(3-0.1)=20.49===452W/（㎡·℃）计算得的与之前设的值有较大差异，所以要重新进行上述计算：总管数n===87根单程流速u===0.57m/s壳体内径为：管心距:t=1.25=1.25×25≈32㎜=1.1=1.1×=10.3≈11根管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：b=1.5=0.038所以：按壳体标准圆整取D=400mm4．3．6折流板的确定及绘管板布置图折流板与壳体间隙：3.5mm折流板直径：D=400-2×3.5=393mm采用弓形折流挡板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去圆缺高度：折流板数：-1=-1=13.5≈14折流板间距：=200mm（0.2D〈〈D）4.3.7接管口径计算管程流体进出口接管。取管内流速u=1.8m/s则接管内径按管子标准取管程流体进出口接管规格为Φ81㎜×3.5㎜无缝钢管。壳程流体进出口接管。取管内流速u=1.8m/s折接管内径===0.0689m按管子标准圆整，取壳程流体进出口接管规格为Ф75㎜×3㎜无缝钢管。4．3．8拉杆设置选拉杆直径为16㎜，拉杆数量为4根。第5章传热器校核5．1传热面积校核5．1．1传热温差校正：===0.178===3.125公式5根据P、R值，查温差校正系数图=0.96，因＞0.8，所以选用单壳程可行。5．1．2总传热系数K的计算5．2．2．1管内传热膜系数===16889公式6===4.42公式7流体被加热，取n=0.4=0.023=3171W/(㎡·℃)公式85．2．2．2管外传热膜系数管子按正三角形排列，则传热当量直径为公式9壳程流通截面积S=D（1-）=0.2×0.4×（1-）=0.0176㎡公式10壳程流体流速=R===26835P===5.02壳程中苯被冷却，取（）=0.95=0.36公式11=0.36××26835×5.02×0.95=1077W/(㎡·℃)5．2．2．3污垢热阻和管壁热阻查表管内、外侧热阻分别：R=2.0×10㎡·℃/W，R=1.72×10㎡·℃/W。已知管壁厚度δ=0.0025m;导热系数=45.4W/（m·℃）。5．2．2．4总传热系数KK=公式12==564W/（㎡·℃）5．1．3传热面积校核所需的传热面A===16.4㎡所以==1.25即换热器有25%的面积裕度，在10%～25%范围内，能完成生产任务。5．2核算管、壳程流动阻力5．2．1管程；∑△P=（△P+△P）FNN公式13已知F=1.4；N=1；N=1；u=0.57m/s;R=16889(湍流)。查表得=0.036 △P==0.036××=870.7Pa公式14△p=1.5()=3×()=241.9Pa公式15∑△P=(870.7+241.9)×1.4×1=1557.6Pa＜10kpa5．2．2壳程已知=1.15;N=1;∑△P=(△P+△P)FsNs公式16P=Fb(N+1)公式17管子按正三角形排列F=0.5，b=1.1=1.1=10.3折流挡板间距=0.2m折流挡板数N=14壳程流通截面积S`=(D-bd)=0.2(0.4-10.3×0.025)=0.0285㎡壳程流速u===0.235m/sRe===1.38×10＞500=5.0Re=5.0×(1.38×10)=0.569公式18所以△P=0.5×0.569×10.3×(14+1)×=1767PaP=N(3.5-)公式19=19×(3.5-)×=801Pa∑△P=(1767+801)×1.15×1=2953Pa＜10kPa计算结果表明，管程和壳程的压力降均能满足设计要求。5．3壁温的计算换热器的壁温可由下式计算公式20已知1077W/(㎡·℃)；3171W/(㎡·℃)；=换热管平均壁温：壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即。壳体壁温与传热管壁温之差为：该温差小于，所以不需要设置温差补偿装置。第6章设计结果汇总温度进/出80/5535/43压力Mpa物性定性温度C67.539密度kg/m3828.6992.6热容kJ/(kg)1.8414．174黏度MPa·s0.1290.632设备结构参数型式列管式台数1壳体内径mm400壳程数1管径mm管心距mm32管长mm3000管子排列管数目(根)87拆流板数(个)14传热面积m221.3拆流板距mm200管程数1材质不锈钢主要计算结果管程壳程污垢热阻m2·C/w0.0001740.0002热负荷Kw256传热温差C20传热系数w/m2·C564裕度%25%设计评述这项试验设计综合性比较强，设计的进行是在兼顾技术上先进行、可行性，经济合理性的条件下进行的。此次设计涉及的工艺计算和结构设计比较全面，从多方面考察了我们的知识。从工艺计算到结构设计，每一个环节都集中考察了我们的综合性应用能力。设备图设备图1：设备图2参考文献1．陈敏恒丛德滋方图南齐鸣斋编《化工原理》北京化学工业出版社20062．李功详陈兰英崔英德编《常用化工单元设备设计》广州华南理工出版社20033．明辉编《化工单元过程课程设计》北京化学工业出版社附录A符号意义与单位符号意义与单位Q热负荷KJN折流板数管程给热系数w/(㎡·℃)d传热管平均直径m壳程给热系数w/(㎡·℃)η管板利用率%∑△P壳程压力降KpaNs换热器管程数mA实际传热面积ml传热管长度m∑△P壳程压力降kpaTm流体平均温度Cd传热管外径m△t传热温差Cd传热管内径mu流速m/sNp换热器管程数流体导热系数W/（m·C）N传热管总根数根流体密度kg/m△tm实际平均传热温差Cμ流体粘度Pa·S管心距m导热系数W/（m·C）D壳体内径m粗糙度N折流板数块R雷诺准数R管外侧污垢热阻m·C/WR管内侧污垢热阻m·C/WR管壁热阻m·C/WK传热系数W/（m·k）t换热管壁温度℃P普朗特数Cp流体的定压比热容J/(kg·℃)b横过管束中心线的管子数F壳程结垢校正系数壳程流体的摩擦系数附录B公式1出自《化工原理》213页公式2出自《化工原理》213页公式3出自《化工原理》213页公式4出自《常用化工单元设备设计》38页公式5自《化工原理》229页公式6自《化工原理》183页公式7出自《化工原理》183页公式8出自《化工原理》184页公式9自《化工原理》227页公式10《化工原理》227页公式11出自《化工原理》226页公式12自《常用化工单元设备设计》19页公式13《化工原理》227页公式14《化工原理》228页公式15自《化工原理》228页公式16《化工原理》229页公式17出自《化工原理》229页公式18自《化工原理》228页公式19《化工原理》228页公式20《化工原理》230页下午13：00—17：00度。全体员工都必须自觉遵守工作时间，实行不定时工作制的员工不必打卡。3.1.2.2打卡次数：一日两次，即早上上班打卡一次，下午下班打卡一次。3.1.2.3打卡时间：打卡时间为上班到岗时间和下班离岗时间；3.1.2.4因公外出不能打卡：因公外出不能打卡应填写《外勤登记表》,注明外出日期、事由、外勤起止时间。因公外出需事先申请，如因特殊情况不能事先申请，应在事毕到岗当日完成申请、审批手续，否则按旷工处理。因停电、卡钟（工卡）故障未打卡的员工，上班前、下班后要及时到部门考勤员处填写《未打卡补签申请表》，由直接主管签字证明当日的出勤状况，报部门经理、人力资源部批准后，月底由部门考勤员据此上报考勤。上述情况考勤由各部门或分公司和项目文员协助人力资源部进行管理。3.1.2.5手工考勤制度3.1.2.6手工考勤制申请：由于工作性质，员工无法正常打卡（如外围人员、出差），可由各部门提出人员名单，经主管副总批准后，报人力资源部审批备案。3.1.2.7参与手工考勤的员工，需由其主管部门的部门考勤员(文员)或部门指定人员进行考勤管理，并于每月26日前向人力资源部递交考勤报表。3.1.2.8参与手工考勤的员工如有请假情况发生，应遵守相关请、休假制度，如实填报相关表单。3.1.2.9外派员工在外派工作期间的考勤,需在外派公司打卡记录;如遇中途出差,持出差证明,出差期间的考勤在出差地所在公司打卡记录;3.2加班管理3.2.1定义加班是指员工在节假日或公司规定的休息日仍照常工作的情况。A．现场管理人员和劳务人员的加班应严格控制，各部门应按月工时标准，合理安排工作班次。部门经理要严格审批员工排班表，保证员工有效工时达到要求。凡是达到月工时标准的，应扣减员工本人的存休或工资；对超出月工时标准的，应说明理由，报主管副总和人力资源部审批。B．因员工月薪工资中的补贴已包括延时工作补贴，所以延时工作在4小时（不含）以下的，不再另计加班工资。因工作需要，一般员工延时工作4小时至8小时可申报加班半天，超过8小时可申报加班1天。对主管(含)以上管理人员，一般情况下延时工作不计加班，因特殊情况经总经理以上领导批准的延时工作，可按以上标准计加班。3.2.2.2员工加班应提前申请，事先填写《加班申请表》，因无法确定加班工时的，应在本次加班完成后3个工作日内补填《加班申请表》。《加班申请表》经部门经理同意，主管副总经理审核报总经理批准后有效。《加班申请表》必须事前当月内上报有效，如遇特殊情况，也必须在一周内上报至总经理批准。如未履行上述程序，视为乙方自愿加班。3.2.2.3员工加班，也应按规定打卡，没有打卡记录的加班，公司不予承认；有打卡记录但无公司总经理批准的加班，公司不予承认加班。3.2.2.4原则上，参加公司组织的各种培训、集体活动不计加班。3.2.2.5加班工资的补偿：员工在排班休息日的加班，可以以倒休形式安排补休。原则上，员工加班以倒休形式补休的，公司将根据工作需要统一安排在春节前后补休。加班可按1：1的比例冲抵病、事假。3.2.3加班的申请、审批、确认流程3.2.3.1《加班申请表》在各部门文员处领取，加班统计周期为上月26日至本月25日。3.2.3.2员工加班也要按规定打卡，没有打卡记录的加班，公司不予承认。各部门的考勤员(文员)负责《加班申请表》的保管及加班申报。员工加班应提前申请，事先填写《加班申请表》加班前到部门考勤员(文员)处领取《加班申请表》，《加班申请表》经项目管理中心或部门经理同意，主管副总审核，总经理签字批准后有效。填写并履行完审批手续后交由部门考勤员(文员)保管。