化工原理課程設計說明書6084

化工原理課程設計任務書甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院一、化工原理課程設計的重要性化工原理課程設計是學生學完基礎課程以及化工原理課程以后，進一步學習工程設計的基礎知識，培養(yǎng)學生工程設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，也是學生綜合運用化工原理和相關先修課程的知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，完成以單元操作為主的一次工程設計的實踐。通過這一環(huán)節(jié)，使學生掌握單元操作設計的基本程序和方法，熟悉查閱技術資料、國家技術標準，正確選用公式和數(shù)據(jù)，運用簡潔文字和工程語言正確表述設計思想和結果；并在此過程中使學生養(yǎng)成尊重實際問題向?qū)嵺`學習，實事求是的科學態(tài)度，逐步樹立正確的設計思想、經(jīng)濟觀點和嚴謹、認真的工作作風，提高學生綜合運用所學的知識，獨立解決實際問題的能力。二、課程設計的基本內(nèi)容和程序化工原理課程設計的基本內(nèi)容有：1、設計方案簡介：對給定或選定的工藝流程、主要設備的型式進行簡要的論述。2、主要設備的工藝計算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算。3、輔助設備的選型：典型輔助設備主要工藝尺寸的計算，設備規(guī)格型號的選定。4、工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標出主體設備與輔助設備的物料方向、物流量、主要測量點。5、主要設備的工藝條件圖：圖面應包括設備的主要工藝尺寸，技術特性表和接管表。6、編寫設計說明書：可按照以下幾步進行：⒈課程設計準備工作①有關生產(chǎn)過程的資料；②設計所涉及物料的物性參數(shù)；③在設計中所涉及工藝設計計算的數(shù)學模型及計算方法；④設備設計的規(guī)范及實際參考圖等。⒉確定設計方案⒊工藝設計計算⒋結構設計⒌工藝設計說明書⑴封面：課程設計題目、學生班級及姓名、指導教師、時間。⑵目錄⑶設計任務書⑷概述與設計方案的簡介⑸設計條件及主要物性參數(shù)表⑹工藝設計計算⑺輔助設備的計算及選型⑻設計結果匯總表⑼設計評述⑽工藝流程圖及設備工藝條件圖⑾參考資料1⑿主要符號說明三、列管式換熱器設計內(nèi)容1、確定設計方案（1）選擇換熱器的類型；（2）流程安排2、確定物性參數(shù)（1）定性溫度；（2）定性溫度下的物性參數(shù)3、估算傳熱面積（1）熱負荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量4、工藝結構尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排列和分程方法；（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管5、換熱器核算（1）傳熱能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動阻力四、設計任務和操作條件某廠用井水冷卻從反應器出來的循環(huán)使用的有機液。欲將6000kg/h的有機液從140℃冷卻到40℃，井水進、出口溫度分別為20℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa，試選擇合適型號的列管式換熱器。定性溫度下有機液的物性參數(shù)列于附表。中附表項密度，比熱，粘度，Pa·s熱導率，目kg/m植物KJ/(kg·℃)kJ/(m·℃)30.742×9502.2610.17210-3油五、主要設備結構圖（示例）根據(jù)設計結果，可選擇其它形式的列管換熱器。六、設計進度1設計動員，下達設計任務書0.5天；2搜集資料，閱讀教材，擬定設計進度1.5天；3設計計算（包括電算，編寫說明書草稿）5-6天；4繪圖3-4天；5整理，抄寫說明書2天；6設計小結及答辯1天。2七、設計成績評分體系考核成績分為五檔：優(yōu)秀（90-100分）、良好（80-89分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（＜60分）。評定方法：答辯成績占30%，設備圖占30%，說明書占35%，平時成績占5%。兩位任課教師分別評分，總評成績?nèi)晌蝗握n教師的平均分。概述與設計方案的簡介換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器的應用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。由于制造工藝和科學水平的限制，早期的換熱器只能采用簡單的結構，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。順流時，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進出口溫度一定的條件下，當兩種流體都無相變時，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設備費，后者可節(jié)省操作費，故在設計或生產(chǎn)使用中應盡量采用逆流換熱。本設計方案為：確定設計方案，包括選擇換熱器的類型、流程安排；確定物性參數(shù)，包括定性溫度、定性溫度下的物性參數(shù)；估算傳熱面積，包括熱負荷、平均傳熱溫度差、傳熱面積、冷卻水用量；確定工藝結構尺寸，包括管徑和管內(nèi)流速、管程數(shù)、平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)、傳熱管排列和分程方法、殼體內(nèi)徑、折流板、其它附件、接管；換熱器核算，包括傳熱能力核算、壁溫核算、換熱器內(nèi)流體的流動阻力。最后畫出工程圖。設計條件及主要物性參數(shù)表將6000kg/h的有機液從140℃冷卻到40℃，井水進、出口溫度分別為20℃和40℃。要求換熱器的管程和殼程壓強降均不大于35kPa。3性質(zhì)密度，kg/m3比熱，KJ/(kg·℃)粘度，Pa·s熱導率，kJ/(m·℃)植物油熱流體9502.2614.1740.742×10-30.801×10-30.1720.618井水冷流體995.7工藝設計計算一、確定設計方案1．選擇換熱器的類型兩流體的變化情況：熱流體進口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體進口溫度20℃，出口溫度40℃?？紤]冷熱流體間溫差大于50℃，初步確定選用浮頭式換熱器。2．流程安排與有機液相比，井水易于結垢，如果其流速太小，會加快污垢增長速度使換熱器傳熱速率下降。有機液被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，有機液走殼程。二、確定物性數(shù)據(jù)1．定性溫度對于粘度低的流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。所以，14040殼程流體的定性溫度為：T=90℃22040管程流體的定性溫度為：t=30℃22．物性參數(shù)定性溫度下，管程流體(井水)、殼程流體（有機液）有關物性參數(shù)由《主要物性參數(shù)表》得出。三、估算傳熱面積1.熱流量mctQ=11p11=6000×2.261×(140-40)=1.3566×106kj/h=376.833kw2.平均傳熱溫差先按照純逆流計算，得(14040)(4020)ln144002040=49.7℃tm塑43.傳熱面積由于殼程有機液的壓力較高，故可選取較大的K值。假設K=395W/(㎡·℃)則估算的傳熱面積為：376.8331039549.7QKt319.19m2A=1m考慮到估算性質(zhì)的影響，根據(jù)經(jīng)驗取實際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實際傳熱面積為：A1.15A22.07m2p==376.8331034.井水用量：mQ14.51kg/s16250.8kg/h4.1741034020ctpii四、工藝結構尺寸1.管徑和管內(nèi)流速。選用選用Φ25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u=0.75m/s12.管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：V16250.8/(3600995.7)Ns=20（根）0.7850.020.7524diu2Apdn22.073.140.0252014.0515m按單程管計算，所需的傳熱管長度為：L=os按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，采用標準管設L152現(xiàn)取傳熱管長L=8m，則該換熱器的管程數(shù)為：Np=（管程）l8傳熱管總根數(shù)：Nt=20×2=40（根）計，3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)：R=144002040540200.2P=14040t0.85按單殼程，雙管程結構，查圖得：tt0.8549.742.24℃m平均傳熱溫差tm塑由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法采用正方形錯列。取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.25≈32mm隔板中心到離其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22mm5各程相鄰管的管心距為：22×2=44mm5.殼體內(nèi)徑采用多管程結構，取管板利用率η=0.85，則殼體內(nèi)徑為：/1.053240/0.85275mmD=1.05tNTD=300mm按卷制殼體的進級檔，可取6.折流板采用弓形折流板,取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：H=0.25×300=75m取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×300=90mm古可取B=100mm傳熱管長17000169N折流板數(shù)目：折流板間距100B7.其他附件拉桿數(shù)量與直徑按表選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為300mm，故：拉桿直徑為Ф12，拉桿數(shù)量不得少于4。8.接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)流體流速為u1=2m/s，則接管內(nèi)徑為：46000/(3600950)0.032m3.1424VD11管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為：46000/34200003.142.5D20.030m圓整后，取殼程流體進出口接管（熱軋無縫鋼管）規(guī)格為：Φ150×10取管程流體進出口接管（熱軋無縫鋼管）規(guī)格為：Φ150×10四、換熱器核算1.傳熱能力核算（1）殼程流體傳熱膜系數(shù)0.361Re0.55Pr13()0.14用克恩法計算：0d0ew4[t2d2]4o0.02m當量直徑：d=deo6sBD(1o)0.10.3(10.025)0.0073m2d殼程流通截面積：ot0.032u6000/(3600950)0.24m/s殼程流體流速：0.0073oRe0.020.249506145.56雷諾數(shù)：o0.7421032.2611030.74210Pr普朗特數(shù)：39.75380.172()0.95粘度校正：0.14w0.1726145.569.7538得：0.360.02130.95709.1w/m2K0.55o（2）管內(nèi)傳熱膜系數(shù)0.023Re0.8Pr0.4idii40管程流體流通截面積：S0.7850.0220.00628m22i16250.8/(3600995.7)u0.7219m/s管程流體流速：0.006288iRe0.020.7219995.717943雷諾數(shù)：i0.80121034.1741030.801210Pr普朗特數(shù)：35.410.6180.0230.020.618174930.85.410.33520.6w/m2.k得：i（3）污垢熱阻和管壁熱阻0.00058m2k/w管內(nèi)側污垢熱阻：Ro（井水）0.000176m2k/w管外側污垢熱阻：Ri（有機液）管壁熱阻：碳鋼在該條件下的熱導率為52.34w/(m·K)0.00250.00005m2k/w則R52.34w（4）傳熱系數(shù)71Ke1)410.5w/mRdoRdoRiwddok2d(doiiimo（5）傳熱面積裕度376.83310410.549.7mQKt318.5m2Ac所計算傳熱面積為：1eAdlN3.140.02584025.12m2該換熱器的實際傳熱面積為：poTAApAH該換熱器的面積裕度為：c22.0718.518.6%19.19c傳熱面積裕度合適（15%~20%），該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務。2.壁溫計算由于傳熱管內(nèi)側污垢熱阻較大，會使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計算中，應該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側污垢熱阻為零計算傳熱管壁溫。則：Twtmtwcn11cn式中：t0.4×40+0.6×20=28℃mT0.4×140+0.6×40=80℃m3520.6w/㎡·kic709.1/㎡·koht30.43℃平均壁溫：w傳熱管殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：℃。t9030.4359.57該溫差較大，故需要設溫度補償裝置，選用浮頭式換熱器較為適宜。3．換熱器內(nèi)流體的流動阻力8p(pp)NNFs（1）管程流體阻力：tirsplu2,F1.5（Φ25×2.5）N1,Np2,pid2sisi0.31640.027i由柏拉修斯公式：得：Re0.25i流速u=0.75m/s，=995.71kg/m3，所以80.752995.73024.4Pap0.027i0.022u23995.70.75pr2840Pa22p(3024.4840)121.511593.2Pa＜35000Pa則總阻力：1管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。p(pp)FNs（2）殼程阻力：soisN1,F1.15(液體)ssu2pFfN(N1)流體流經(jīng)管束的阻力：oo2oTCBF0.5f5.06145.560.2880.6N27U0.08m/sOoBN1.1N0.51.11400.513TCTp0.5×0.6×13×(27+1)×9500..082=3319.7a2o2Bu2pN(3.5)流體流過折流板缺口的阻力：D2iB=0.2m,D=0.3moBp27(3.520.2)9500.0822216Pa0.32i9p（+2216）×1×1.15=6136.06Pa＜35000Pa則總阻力：3119.7s設計結果匯總表殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。換熱器主要結構尺寸和計算結果見下表：參數(shù)kg/h流量殼程管程600013566進/出口溫度/℃20/40140/4011593.26136壓力/Pa定性溫度/℃3090密度/（kg/m3）995.7950定壓比熱容/[kj/（kg?k）]4.1742.261物性0.801×0.742×10-3粘度/（Pa?s）103熱導率（W/m?k）0.6180.172普朗特數(shù)5.419.754形式殼體內(nèi)徑/㎜管徑/㎜浮頭式殼程數(shù)1275臺數(shù)1Φ25×2.5管心距/㎜327000管子排列正三角設備結構管長/㎜參數(shù)管數(shù)目/根傳熱面積/㎡40折流板數(shù)個/6922.07折流板間距/㎜200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼殼程主要計算結果流速/（m/s）管程0.750.08表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/（㎡?k）]3520.6709.10.000580.0001769.59kpa6.13kpa356.6污垢熱阻/（㎡?k/W）阻力/Pa熱流量/KW傳熱溫差/K49.7傳熱系數(shù)/[W/（㎡?K）]410.5裕度/%18.6%設計評述在教師下達設計任務后，通過上網(wǎng)和多方查閱資料手冊，經(jīng)過近一個月左右時間緊張有序的設計后，終于完成了浮頭式換熱器的設計和校核。通過工藝計算，計算出所需要的一些參數(shù)，如總換熱面積為108.85m為154根。這些為后續(xù)的機械設計和繪制裝配圖奠定2，換熱管管數(shù)10了良好的基礎。本次設計是課堂所學知識的全面應用與考查，既涉及到化工工藝方面，又涉及到設備設計及化工制圖等方面的內(nèi)容。正因為如此，這次我能順利完成任務，離不開老師、同學的支持和幫助，同時在完成此次過程中，我也學到了許多書本以外的知識。通過課程設計，讓我對以前學習的各科知識有了更系統(tǒng)的理解。比如《化工原理》、《工程制圖》等課程。奠定良好的基礎。這些專業(yè)知識必將為我今后實習、就業(yè)總之，此次設計讓我受益匪淺。工藝流程圖及設備工藝條件圖熱流體有機液(140℃)經(jīng)泵進入換熱器殼程，冷卻至40℃后，進入反應