純苯冷卻器設計—課程設計

1、 課程設計 課程設計題目：課程設計題目： 純苯冷卻器設計 系系 部：部： 生物與化學工程系生物與化學工程系 專專 業(yè)：業(yè)： 應用化學應用化學 學學 生生 姓姓 名：名： 班班 級：級：化化 b051b051 學號學號 2626 指導教師姓名：指導教師姓名： 職稱職稱 職稱職稱 設計完成時間設計完成時間 ： 20132013 年年 7 7 月月 1010 化工原理課程設計任務書化工原理課程設計任務書 一、一、設計題目：純苯冷卻器設計 二、設計任務及操作條件: 1 、設計任務：處理能力： 20000kg/h 設備型式： 列管式 2、操作條件：純苯液：入口溫度 80，進口溫度為 55； 1 c 0

2、c 0 冷卻介質(zhì)：35（入口）循環(huán)水； 2 c 0 允許壓強降：管、殼程壓強降不超過 10kpa; 3 3、物性參數(shù)： 物 性 流體 溫度 kg/m mpas cp kj/(kg)c 0 w/(m )c 0 kj/kg 苯 67828.60.3521.8410.129394 水 3910000.674.1740.6322258 3.設計計算內(nèi)容： （1）傳熱面積、換熱管根數(shù)； （2）確定管束的排列方式、程數(shù)、折流板等； （3）殼體的內(nèi)徑； （4）冷熱流體進出口管徑； （5）核算總傳熱系數(shù)； （6）管殼程流體阻力校核； 4設計成果； （1）設計說明書一份； （2）換熱器工藝條件圖； 三、設計內(nèi)容

3、及時間安排 設計動員 0.5 天 1、概述 2、設計方案的選擇 3、確定物理性質(zhì)數(shù)據(jù) 0.5 天 4、設計計算內(nèi)容： 計算總傳熱系數(shù)；計算傳熱面積 1.5 天 5、主要設備工藝尺寸設計 （1）管徑尺寸和管內(nèi)流速的確定 （2）傳熱面積、管程數(shù)、管數(shù)和殼程數(shù)的確定 （3）接管尺寸的確定 1 天 6、設計結(jié)果匯總 7、換熱器工藝條件圖 1 天 8、設計評述 答辯 0.5 天 四、圖紙要求 列管式換熱器工藝條件圖 五、參考資料 1.上海醫(yī)藥設計院?；すに囋O計手冊(上、下).北京：化學工 業(yè)出版社，1986 目錄 程設計成績評定表.ii 化工原理課程設計任務書.3 第 1 章 概述.7 第 2 章 設

4、計條件及主要物性參數(shù).7 21 設計條件.8 22 物性參數(shù).8 第 3 章 確定設計方案.8 31 選擇換熱器的類型.8 32 流體空間選擇.8 第 4 章 工藝計算.9 41 確定物性數(shù)據(jù).9 42 估算傳熱面積 .9 4.2.1 計算熱負荷（忽略熱損失）.9 4.2.3 平均溫度差 m t 的計算 .9 4.2.4 估算傳熱面積.9 4.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 .10 431 選管子規(guī)格.10 432 總管數(shù)和管程數(shù).10 433 確定管子在管板上的排列方式.10 444 殼體內(nèi)徑的確定.10 4.3.5 確定實際管子數(shù).11 436 折流板的確定及繪管板布置圖.12 4.3.7 接管口徑計算

5、.12 438 拉桿設置.12 第 5 章 傳熱器校核.13 51 傳熱面積校核.13 511 傳熱溫差校正：.13 512 總傳熱系數(shù) k 的計算.13 5221 管內(nèi)傳熱膜系數(shù).13 5222 管外傳熱膜系數(shù).13 5223 污垢熱阻和管壁熱阻.14 5224 總傳熱系數(shù) k .14 513 傳熱面積校核 .15 52 核算管、殼程流動阻力.15 521 管程.15 522 殼程.15 53 壁溫的計算.16 第 6 章 設計結(jié)果匯總表.17 設計評述設計評述.18 設備圖設備圖.18 參考文獻參考文獻.18 附錄附錄 a a .19 附錄 b .20 第 1 章 概述 本設計的主要任務是

6、設計純苯液冷卻器設計，處理能力為 20000kg/h, 純苯液的入口溫度 80，進口溫度為 55；冷卻介質(zhì) c 0 c 0 為 35（入口）循環(huán)水：允許壓強降為管、殼程壓強降不超過 c 0 10kpa;根據(jù)苯和水的物性參數(shù)，假設水的出口溫度為 43，根據(jù)這 c 0 些條件選擇換熱器，列管式換熱器的類型主要有四種： 固定管板式換熱器、浮頭式換熱器、u 型管式換熱器和填料函 式換熱器，在這個設計中選固定管板式換熱器。 固定管板式換熱器的特點： 兩端管板和殼體連接成一體，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、布管多，更換、 造價低，管內(nèi)便于清洗，應用廣泛。 殼程不易清洗，因此殼方流體應是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。 所以純苯

7、液走殼程，循環(huán)水走管程。 適合在管殼壁溫差不大于50的情況下使用，當溫差相差較大 c 0 時可設置膨脹節(jié)。由于此設計的溫差小于50,所以可以不用考慮 c 0 熱補償. 第 2 章 設計條件及主要物性參數(shù) 21 設計條件 （1）處理能力：20000kg（純苯液）/h； （2）設備類型：列管換熱器； （3）操作條件： 純苯液：入口溫度 80，進口溫度為 55； 1 冷卻介質(zhì)：35（入口）循環(huán)水； 2 允許壓強降：管、殼程壓強降不超過 10kpa; 3 22 物性參數(shù) 物 性 流體 溫度 kg/m mpas cp kj/(kg) w/(m ) kj/kg 苯 67828.60.3521.8410.1

8、29394 水 3910000.674.1740.6322258 第第 3 3 章章 確定設計方案確定設計方案 31 選擇換熱器的類型 兩流體溫度變化情況： 熱流體進口溫度 80，出口溫度 55。 冷流體進口溫度 35，假設出口溫度為 43。 從兩流體的溫度看，換熱器的管壁溫度和殼體溫度差不大，因此初 步采用固定管板換熱器。 32 流體空間選擇 因為熱流體為苯，冷流體為水，為了使苯通過殼體壁面向空氣 中散熱，提高冷卻效果，故使苯走殼程，另外，水也較易結(jié)垢，為 便于提高流速減少污垢生成，以及便于清洗，故使水走管程。 第 4 章 工藝計算 41 確定物性數(shù)據(jù) 苯的定性溫度：c tt 021 5 .

9、 67 2 5580 2 水的定性溫度：c tt 021 39 2 4335 2 42 估算傳熱面積 4.2.1 計算熱負荷（忽略熱損失） q=1.841（80-55）=2.56j 2111 ttcq pm 20000 3600 3 10 5 10 公式 1（參見附錄，下同） 4.2.2 冷卻水用量（忽略熱損失） /s kg ttc q q p m 67 . 7 35431017 . 4 1056 . 2 3 5 122 2 4.2.3 平均溫度差的計算 m t 選取逆流流向 =27.64 公 m t 12 21 1221 ln )()( tt tt tttt 3555 4380 ln )35

10、55()4380( 式 2 4.2.4 估算傳熱面積 參照傳熱系數(shù) k 的大致范圍，取 k=500 w/（） =18.52 公 估 a m tk q 6 . 27500 10 2.56 5 式 3 取實際面積為估算面積的 1.15 倍，則實際估算面積為： =18.521.15=21.30 實 a 4.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 431 選管子規(guī)格 選取 252.5無縫鋼管，管長 l=3m。 432 總管數(shù)和管程數(shù) 總管數(shù) n=90.490 根 ld a 0 實 3025 . 0 14 . 3 3 .21 單程流速 u=0.55m/s nd qv 2 4 9002 . 0 4 14 . 3 6 . 992

11、 67 . 7 2 單程流速可以達到傳熱效果，故采用單管程 433 確定管子在管板上的排列方式 采用正三角形排列，管子與管板用焊接結(jié)構(gòu)。 444 殼體內(nèi)徑的確定 殼體內(nèi)徑為： 公式bntd c 21 4 管心距: t=1.25=1.252532 0 d =1.1=1.1=10.411 根 c nn90 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離： b=1.5=0.038 0 d 所以 dm396 . 0 03820111032 . 0 按殼體標準圓整取 d=400mm 4.3.5 確定實際管子數(shù) 管板布置圖見設備圖 1 換熱器的實際傳熱面積 a=n（l-0.1）=903.140.025(3-0

12、.1)=20.49 0 d 2 m =452 w/（） 估 k m ta q 64.2749.20 10 2.56 5 計算得的與之前設的值有較大差異，所以要重新進行上述 估 k 計算： 總管數(shù) n=87 根 ld a 0 實 3025 . 0 14 . 3 49.20 單程流速 u=0.57m/s nd qv 2 4 8702 . 0 4 14 . 3 6 . 992 67 . 7 2 殼體內(nèi)徑為： bntd c 21 管心距: t=1.25=1.252532 0 d =1.1=1.1=10.311 根 c nn87 管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離： b=1.5=0.038 0

13、d 所以： dm396 . 0 03820111032 . 0 按殼體標準圓整取 d=400mm 436 折流板的確定及繪管板布置圖 折流板與殼體間隙：3.5mm 折流板直徑：d=400-23.5=393mm 采用弓形折流擋板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的 25%，則切去圓缺高度：10040025 . 0 25 . 0 dh 折流板數(shù)：-1=-1=13.514 b n 0 1 . 0 h l 20 1 . 03000 折流板間距：=200mm （0.2d d） 0 h 0 h 4.3.7 接管口徑計算 管程流體進出口接管。取管內(nèi)流速 u=1.8m/s 則接管內(nèi)徑 m u q d v 074

14、.0 8 . 114 . 3 6 . 992 67 . 7 4 4 1 按管子標準取管程流體進出口接管規(guī)格為 813.5無縫 鋼管。 殼程流體進出口接管。取管內(nèi)流速 u=1.8m/s 折接管內(nèi)徑 =0.0689m 2 d u qv 4 8 . 114 . 3 6 . 8283600 20000 4 按管子標準圓整，取殼程流體進出口接管規(guī)格為 753 無縫鋼管。 438 拉桿設置 選拉桿直徑為 16，拉桿數(shù)量為 4 根。 第第 5 5 章章 傳熱器校核傳熱器校核 51 傳熱面積校核 511 傳熱溫差校正： =0.178 =3.125 公式 5p 11 12 tt tt 3580 3543 r 1

15、2 21 tt tt 3343 5580 根據(jù) p、r 值，查溫差校正系數(shù)圖=0.96，因0.8，所 t t 以選用單殼程可行。 512 總傳熱系數(shù) k 的計算 5221 管內(nèi)傳熱膜系數(shù) =16889 e r du 3 1067 . 0 6 . 99257 . 0 02 . 0 公式 6 =4.42 公 r p p c 632 . 0 1067 . 0 10174 . 4 33 式 7 流體被加熱，取 n=0.4 =0.023=3171w/() i 4 . 08 . 04 . 0 8 . 0 42 . 4 16889 02 . 0 632 . 0 023 . 0 re i pr d 公式 8

16、5222 管外傳熱膜系數(shù) 管子按正三角形排列，則傳熱當量直徑為 m d dt de02 . 0 025 . 0 14 . 3 )025 . 0 4 14 . 3 032 . 0 2 3 (4) 42 3 (4 22 0 2 0 2 公式 9 殼程流通截面積 s=d（1-）=0.20.4（1-）=0.0176 0 h t d0 032 . 0 025 . 0 公式 10 殼程流體流速 = i usm s qv /38 . 0 0176 . 0 6 . 8283600 20000 r =26835 e ude 3 10352 . 0 6 . 82857 . 0 02 . 0 p =5.02 r p

17、 c 129 . 0 10352 . 0 10841 . 1 33 殼程中苯被冷卻，?。ǎ?0.95 w 14 . 0 =0.36 公 0 14 . 0 3/155 . 0 )( w re e pr d 式 11 =0.36268355.020.95=1077w/() 0 02 . 0 129 . 0 0553/1 5223 污垢熱阻和管壁熱阻 查表管內(nèi)、外側(cè)熱阻分別：r =2.010 i 4 /w，r =1.7210 0 4 /w。已知管壁厚度 =0.0025m;導熱系數(shù) =45.4w/（m） 。 5224 總傳熱系數(shù) k k= 公式 12 0 0 000 1 1 r d d d d r d

18、 d mi i ii = 1077 1 000172 . 0 5 . 22 4 . 45 250025 . 0 20 25 0002 . 0 203171 25 1 =564w/（） 513 傳熱面積校核 所需的傳熱面 a =16.4 m tk q 64.27564 1056 . 2 5 所以 =1.25 a a 4 . 16 49.20 即換熱器有 25%的面積裕度，在 10%25%范圍內(nèi)，能完成生產(chǎn) 任務。 52 核算管、殼程流動阻力 5 52 21 1 管程；管程； p =（p +p ）fn n i12t sp 公式 13 已知 f=1.4；n =1；n =1；u =0.57m/s; ;

19、r =16889(湍流)。 tsp iei 查表得 =0.036 p =0.036=870.7 pa 1 i d l 2 2 i u 02 . 0 3 2 57 . 0 6 . 992 2 公式 14 p =1.5()=3()=241.9 pa 2 2 2 i u 2 57 . 0 6 . 992 2 公式 15 p =(870.7+241.9)1.41=1557.6 pa10kpa i 522 殼程 已知=1.15;n =1; s f s p =(p+p )fsns 公式 0 1 2 16 p =fb(n +1) 1 0 f b 2 2 0 u 公式 17 管子按正三角形排列 f=0.5，b

20、=1.1=1.1=10.3n87 折流擋板間距 =0.2m 0 h 折流擋板數(shù) n =14 b 殼程流通截面積 s=(d-bd )=0.2(0.4-10.30.025) 0 h 0 =0.0285 殼程流速 u =0.235m/s 0 s qv 0285 . 0 6 . 8283600 20000 re =1.3810 500 0 00u d 3 10352 . 0 6 . 828235 . 0 025 . 0 4 =5.0re=5.0(1.3810 )=0.569 0 f 228 . 0 0 4228 . 0 公式 18 所以 p =0.50.56910.3(14+1) 1 =1767pa

21、2 235 . 0 6 . 828 2 p =n (3.5-) 2b d b2 2 2 0 u 公式 19 =19(3.5-)=801pa 4 . 0 15 . 0 2 2 383 . 0 6 . 828 2 p =(1767+801)1.151=2953pa10kpa 0 計算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設計要求。 53 壁溫的計算 換熱器的壁溫可由下式計算 21 21 mm w tt t 公式 20 已知1077w/()；3171w/()； 2 i2 = m tctt 0 21 65556 . 0804 . 06 . 04 . 0 ctttm 0 12 2 . 38356 . 04

22、34 . 06 . 04 . 0 換熱管平均壁溫： ctw 0 45 31711077 2 . 383171651077 殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即。殼體 w tc 0 65 壁溫與傳熱管壁溫之差為： ct 0 204565 該溫差小于，所以不需要設置溫差補償裝置。c 0 50 第第 6 6 章章 設計結(jié)果匯總設計結(jié)果匯總 溫度進/出c 0 80/5535/43 壓力 mpakpa10kpa10 定性溫度 c 67.539 密度 kg/m3 828.6 992.6 熱容 kj/(kg )c 0 1.841 4174 物性 黏度 mpas0.1290.632 型式列管式臺數(shù) 1 殼

23、體內(nèi)徑 mm400 殼程數(shù) 1 管徑 mm 5 . 225 管心距 mm 32 管長 mm 3000 管子排列 管數(shù)目(根) 87 拆流板數(shù)(個) 14 傳熱面積 m2 21.3 拆流板距 mm 200 設備結(jié)構(gòu)參數(shù) 管程數(shù) 1 材質(zhì)不銹鋼 主要計算結(jié)果管程殼程 污垢熱阻 m2c/w 0.0001740.0002 熱負荷 kw 256 傳熱溫差 c 20 傳熱系數(shù) w/m2c 564 裕度% 25% 設計評述設計評述 這項試驗設計綜合性比較強，設計的進行是在兼顧技術上先進 行、可行性，經(jīng)濟合理性的條件下進行的。此次設計涉及的工藝計 算和結(jié)構(gòu)設計比較全面，從多方面考察了我們的知識。從工藝計算 到結(jié)構(gòu)設計，每一個環(huán)節(jié)都集中考察了我們的綜合性應用能力。 設備圖設備圖 設備圖 1： 設備圖 2 參考文獻參考文獻 1陳敏恒 叢德滋 方圖南 齊鳴齋 編 化工原理北京 化學工業(yè) 出版社 2006 2李功詳 陳蘭英 崔英德 編 常用化工單元設備設計廣州 華 南理工出版社 2003 3明輝編化工單元過程課程設計 北京 化學工業(yè)出版社 附錄附錄 a a 符號意義與單位符 號 意義與單位 q 熱負荷 kjn