化工原理課程設計甲苯冷卻器的設計換熱器的設計

原理課程設計冷卻器的設計熱器的設計)目錄一、設計任書…………….1二、工藝流程草圖及說明….............................................5三、工藝計算及主要設備設計…………….............................................61、確定設計方案……….6

選擇換熱器的類型…………………流程安排……………2、確定物性數(shù)據(jù)……….63、估算傳熱面積……….7

熱流量………………平均傳熱溫差………傳熱面積………………………4、工藝結構尺寸……….7

管徑和管內(nèi)流速……………………7管程數(shù)和傳熱管數(shù)…………………傳熱管排列和分程方法……………殼體內(nèi)徑……………折流板………………其他附件……………接管…………………5、

換熱器核算………….9

熱流量核算…………5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………95.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………95.1.3污垢熱阻和管壁熱阻…………95.1.4傳熱系數(shù)KC………………….105.1.5傳熱面積裕度………………..10

換熱器內(nèi)流體的流動阻力………..115.2.1管程流體阻力………………..115.2.2課程阻力……………………..11四、輔助設備的計算和選型…………...111 換熱器入水管的規(guī)格……… 2 從河邊至工廠的管子的規(guī)格…………………123 4換熱器處離心泵2的規(guī)格……….135蓄水池、涼水塔的設計…………14五、設計結果設計一覽表……………...15六設計評述…………...17

主要符號說明……………………...19（換熱器的設計）（一）設計題目：甲苯冷卻器的設計（二）設計任務及操作條件：題目工廠因工藝擴建，需設計裝置來冷卻甲苯車間的產(chǎn)品甲苯。試根據(jù)以下工藝要求設計合理的輸水工藝（管件布置和輸送機械的選擇）及合適的換熱器。有關工藝和要求如下。①該廠附近有一條小河，但夏季有2——4個月的枯水期，一直改長距離②設計換熱器放置距地面7.5米相應管件與直管總長依據(jù)所測繪工藝流程圖計算水管的直管水道的直管阻力系數(shù)取0.018。設計要求：（三）設計項目2選擇適宜的列管換熱器并進行核算。3畫出工藝設備圖及列管布置圖。工藝流程草圖主要說明：由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。如圖，甲苯經(jīng)泵抽上來，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從管程。兩物質(zhì)在換熱器中進行換熱，甲苯從70℃被冷卻至55℃之后，由接1計方案1.1選擇換熱器的類型：兩流體溫度變化情況：甲苯進口溫度為70℃，出口溫度55℃，冷流體這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式換熱器。1.2:由于循環(huán)冷卻水較易結垢，為便于水垢清洗，應使循環(huán)水走管程，甲2數(shù)據(jù)：2.1定性溫度：可取流體進口溫度的平均值。管程流體的定性溫度為：T

253027.5（℃）2甲苯的定性溫度為：T

705562.5(℃)2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關物性數(shù)據(jù)。甲苯在62.5℃下的有關物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在27.5℃下的物性數(shù)據(jù)密度

=834kg/m3

密度

=995.7kg/m3定壓比熱容導熱系數(shù)

cp=1.80kJ/(kg·K)λo=0.147W/(m·K)

定壓比熱容導熱系數(shù)

cp=4.174kJ/(kg·λi=0.6176W/(m·粘度3熱面積

μo=0.00063Pa·s

粘度

=0.000836Pa·s3.1甲苯流量Ws=21.61073202436007.81KJ/S3.2熱流量Qo=WscpΔt=28116×1.80×(70-55)/3600=210.87kJ/h=210.87(kW) tmm)=210.87103.3平均傳熱溫差

t2

3.4傳熱面積假設K=300W/(m2·K),則估算面積為：A=Q/(K×Δt

3/(30034.76)=20.22(m3.5水的冷卻量

210

i 4構尺寸4.1管徑和管內(nèi)流速選用ф25×2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速0.75m/s4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)

u

d2ui

3.140.020.020.75

43（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：P

20

5.9≈6.0（m）所以按雙管程設計即可，=3mN=86（根）4.3傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側采用正三角t=1.25×25=32(mm)u1 3.142.0后箱中隔板設置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設備課程設計書本圖3-14選取。4.4殼體內(nèi)徑采用管程結構，則殼體內(nèi)徑為D=1.05tNt0.751.0532860.75360mm按卷制殼體的進級擋，圓整可取D=400mm。4.5折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去的圓缺高度為h＝0.25×400=100（mm）折流板數(shù)N=傳熱管長/折流板間距-1=3000/300-1=9(塊)，折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設備課程設計書本圖3-15。4.6其他附件應設置防沖擋板。4.7接管 47.81834 管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速u＝1.5m/s，則接管內(nèi)徑為

410.10995.70.09(m)=90mm。3.141.55.管程流體流通截面積：管程流體流通截面積：=0.785×0.02==6.878810-4 m00.55Pr3 5.1熱流量核算5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計算：h

.

0.14當量直徑，由正三角排列得： 4 t2 d=2 40 殼程流通截面積：

0.03220.7850.0252)

0.0181（m）

BD(1

d

)0.20.3(1

0.0250.032

)0.02262=0.018（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0= 7.81 0.41（m/s）Re=0.01810.418349824 0.00063

1.80.630.147

0.147.7；粘度校正：

0.95

0.1470.0181

98240.557.7130.95860〔W/(m2·K)〕5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

Re0.8Rr0.4i2×43=0.0135（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u

10.10

0.751=0.738（m/s）普朗特數(shù)：Pr=4.1740.8365.650.6176h=0.023×

0.61760.02

178890.85.650.43583.4〔W/(m2·K)〕5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻查有關文獻知可取：管外側污垢熱阻

R=1.719710-4 m管內(nèi)側污垢熱阻

2C管壁熱阻查有關文獻知碳鋼在該條件下的熱導率為50W/(m·K)。管壁厚度b=0.0025m

0.0253583.40.020

6.878810-40.025 0.00250.02500.020 500.02

1.719710-4

860

計算傳熱面積AC:×△tm)=210870/（427×34.76）=14.207（m2）該換熱器的實際傳熱面積A：A=dlN=3.14×0.025×3×86=20.253（m2）0 5.1.5該換熱器的面積裕度為：H=A20.2531.43 傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。5.3換熱器內(nèi)流體的流動阻力5.3.1管程流體阻力計算公式如下： SpS

u2流速u=0.751m/s，ρ=995.7kg/m3，故△P=0.0430.

△P=

2

3

管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。5.3.2殼程阻力 SS其中F=1.15；N=1；△P=FfN(N+1) 0TC

阻力：

F=0.5,f=5×9824-0.228=0.61,N=1.186=10.2 TC0 流體流過折流板缺口的阻力△P（3.5-2B/D）其中B=0.3m;D=0.4m； 則總阻力： 1水管的規(guī)格由公式w

uAu d24d

47.813.140.75995.7

（見《化工原理》上冊天津大學出版社附錄23）2的規(guī)格由于工廠距河邊2km,較遠，再加上考慮地形和經(jīng)濟因素，決定初步采 ( 用地下鋪設方式。處。從河邊抽水到蓄水池中，管子管徑一般比較大，可選用管徑為從河邊至蓄水池的管路中應設置一些管路，以達到熱補償?shù)淖饔茫駝t管子受熱易爆裂。取河邊至工廠的管路全長為2100m。為滿足工廠用水需要，取水流量Q=37360kg/h則水流速uQ管路阻力：H 1 u2 llu2 e g g 入2 d

(0.5

210012 0. =24.2m因為該廠與河液面海拔高度差約4--6m參考《化工原理》上冊天津大學出版社附錄24，可選型號IS80-65-160的離心泵。度：

PV(NPSH) r

,

101.331034247.42.57.4m(見《化工原理》上冊天津大學出版社附錄8）通常為安全起見，離心泵的實際安裝高度應比允許安裝高度低0.5-1m壓頭損失：H

入

u22g

l

u22g又因換熱器離地面7.5m故所需壓頭不應小于7.5+0.64=8.14m其參數(shù)如下：其允許安裝高度：

PV(NPSH) r

101.331031226.63.0=7.2m通常為安全起見，離心泵的實際安裝高度比允許高度低0.5-1m5設計（1）、蓄水池設計考慮對工廠內(nèi)土地利用情況和地下水出水深度，確定修建容積為（2）涼水塔設計涼水塔可建成兩層的樓房狀，但其高度應低于換熱器的高度。水從樓頂噴灑而下，至樓底再匯集，然后通過管道流回蓄水池。此時不用水泵，而是通過水位差使循環(huán)水達到降溫并最終流回蓄水池的目的。算結果見下表參數(shù) 管程 殼程/kg/s進/出溫度/℃壓力/MPa定性溫度/℃

10.10≤0.127.5995.7

7.81≤0.167.5（kJ/

4.174

1.80/普朗特數(shù)

0.0008360.61765.65

0.000630.147形式 管層式 臺數(shù)

殼體內(nèi)徑/mm管徑/mm管長/mm管數(shù)目/根/m管程數(shù)

ф25×2.5300020.22

殼程數(shù)管心距/mm管子排列/間距/mm材質(zhì)

1碳鋼主要計算結果流速/（m/s污垢阻力/（w/m2·K）阻力/PaJ/S

管程35830.0006878853060.000171972788210.87裕度/% 2管道設計與離心泵設計規(guī)格設備參數(shù)型號流量m3/h揚程m效率%軸功率kw電機效率kw

離心泵165-16029005032737.5

離心泵20-60-125290020757.5質(zhì)量（泵/底座）kg 48/66

Ф121×7mmФ121×6mmФ146×9mm蓄水池大小

7.4m7..76m5m×10m×10m本次化工課程設計是對列管式換熱器的設計，通過查閱有關文獻資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復計算核實，本列管式換熱器的設計可以說基本完成了。下面就是對本次設計的一些評述。本設計所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時進口溫度會降低，考慮這一因素，估計該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設計確定選用浮頭式換熱器。易析出結晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流體，最好通入比較容易進行機械清洗的空間，而浮頭式換熱器的管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生熱效應力。對于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。本設計選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設計所要冷卻的煤油的流量不是很大，故選擇所需的換熱器為單殼程、單管程，可以達到了設計的要求，且設計