化工原理課程設(shè)計(jì)---甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</p><p>　　專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 </p><p>　　學(xué)生班級(jí)： 級(jí) 班</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>&

2、lt;p><b>　　201年 月 日</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任書(shū)…………………………………………………………….1</p><p>　　工藝流程草圖及說(shuō)明………………….............................................5&l

3、t;/p><p>　　工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)…………….............................................6</p><p>　　確定設(shè)計(jì)方案……………………………………………………….6</p><p>　　選擇換熱器的類(lèi)型…………………………………………………6</p><p>　　流程安排…………………

4、…………………………………………6</p><p>　　確定物性數(shù)據(jù)……………………………………………………….6</p><p>　　估算傳熱面積……………………………………………………….7</p><p>　　熱流量………………………………………………………………7</p><p>　　平均傳熱溫差…………………………………………………

5、……7</p><p>　　傳熱面積……………………………………………………………7</p><p>　　冷卻水用量…………………………………………………………7</p><p>　　工藝結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………………………….7</p><p>　　管徑和管內(nèi)流速……………………………………………………7</p>

6、<p>　　管程數(shù)和傳熱管數(shù)…………………………………………………7</p><p>　　傳熱管排列和分程方法……………………………………………8</p><p>　　殼體內(nèi)徑……………………………………………………………8</p><p>　　折流板………………………………………………………………8</p><p>　　其他附件…

7、…………………………………………………………8</p><p>　　接管…………………………………………………………………8</p><p>　　換熱器核算………………………………………………………….9</p><p>　　熱流量核算…………………………………………………………9</p><p>　　殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)………………………………

8、……………9</p><p>　　管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………………………………9</p><p>　　污垢熱阻和管壁熱阻…………………………………………9</p><p>　　傳熱系數(shù)KC………………………………………………….10</p><p>　　傳熱面積裕度………………………………………………..10</p>&l

9、t;p>　　換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力………………………………………..11</p><p>　　管程流體阻力………………………………………………..11</p><p>　　課程阻力……………………………………………………..11</p><p>　　輔助設(shè)備的計(jì)算和選型…………………………………………...11</p><p>　　換熱

10、器入水管的規(guī)格……………………………………… 11 </p><p>　　從河邊至工廠的管子的規(guī)格………………………………… 12</p><p>　　離心泵1的規(guī)格………………………………………………….12</p><p>　　4 換熱器處離心泵2的規(guī)格……………………………………….13</p><p>　　5 蓄水池、涼水

11、塔的設(shè)計(jì)…………………………………………14</p><p>　　五、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表……………………………………………...15</p><p>　　六 設(shè)計(jì)評(píng)述…………………………………………………………...17</p><p>　　七 主要符號(hào)說(shuō)明……………………………………………………...19</p><p>　　一、化工原

12、理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</p><p><b>　　（換熱器的設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：甲苯冷卻器的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：</p><p><b>　　題目</b></p><p>　　工廠因工藝擴(kuò)建，需設(shè)計(jì)裝置來(lái)冷卻甲苯車(chē)間的產(chǎn)品甲苯。

13、試根據(jù)以下工藝要求設(shè)計(jì)合理的輸水工藝 （管件布置和輸送機(jī)械的選擇）及合適的換熱器。有關(guān)工藝和要求如下。</p><p>　　該廠附近有一條小河，但夏季有2——4個(gè)月的枯水期，一直改長(zhǎng)距離河岸最短約為2公里，該廠與河液面海拔高度約為4——6米。</p><p>　　設(shè)計(jì)換熱器放置距地面7 .5 米相應(yīng)管件與直管總長(zhǎng)依據(jù)所測(cè)繪工藝流程圖計(jì)算水管的直管水道的直管阻力系數(shù)取0.018。</p

14、><p>　　進(jìn)水管的直管阻力系數(shù)取0.025。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　換熱器管殼層壓降均不超過(guò)0.1atm .</p><p>　　水的入口溫度為25℃。</p><p>　　甲苯溫度從70℃下降為55℃產(chǎn)量21.6萬(wàn)噸。</p><

15、p><b>　　設(shè)計(jì)項(xiàng)目</b></p><p>　　2 選擇適宜的列管換熱器并進(jìn)行核算。</p><p>　　3 畫(huà)出工藝設(shè)備圖及列管布置圖。</p><p>　　二、 工藝流程草圖及說(shuō)明</p><p><b>　　工藝流程草圖</b></p><p>　　主要說(shuō)明

16、：由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。如圖，甲苯經(jīng)泵抽上來(lái)，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管C進(jìn)入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來(lái)經(jīng)管道從接管A進(jìn)入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進(jìn)行換熱，甲苯從70℃被冷卻至55℃之后，由接管D流出；循環(huán)冷卻水則從19℃變?yōu)?5℃，由接管B流出。</p><p>　　工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)</p><p><b>　　

17、1、確定設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　1.1選擇換熱器的類(lèi)型：</p><p>　　兩流體溫度變化情況：甲苯進(jìn)口溫度為70℃，出口溫度55℃，冷流體進(jìn)口溫度25℃，出口溫度35℃；冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮到這一因素，估計(jì)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。</p><p><b>　　1.2流程安

18、排: </b></p><p>　　由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，為便于水垢清洗，應(yīng)使循環(huán)水走管程，甲苯走殼程。選用ф25×2.5的碳鋼管（換熱管標(biāo)準(zhǔn)：GB8163）。</p><p><b>　　2、確定物性數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　2.1定性溫度：可取流體進(jìn)口溫度的平均值。 管程流體的定性溫度為：（℃）</

19、p><p>　　甲苯的定性溫度為： (℃)</p><p>　　根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　估算傳熱面積</b></p><p>　　3.1甲苯流量 Ws=KJ/S</p><p><b>　　3.2熱流量</b>&l

20、t;/p><p>　　Qo=Wscp0Δt0=28116×1.80×(70-55) /3600=210.87kJ/h=210.87(kW)</p><p><b>　　3.3平均傳熱溫差</b></p><p><b>　　(℃)</b></p><p><b>　　3.4

21、傳熱面積 </b></p><p>　　假設(shè)K=300W/(m2·K),則估算面積為：</p><p>　　AP=Q0/(K×Δtm)=210.87×103/(300×34.76)=20.22(m2) </p><p><b>　　3.5水的冷卻量</b></p><p&

22、gt;<b>　?。╧g/s）</b></p><p><b>　　4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸</b></p><p>　　4.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　選用ф25×2.5mm較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速u(mài)i= 0.75m/s</p><p>　　4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)&

23、lt;/p><p>　　依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　?。ǜ?lt;/b></p><p>　　按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：</p><p><b>　　≈6.0（m）</b></p><p>　　所以按雙管程設(shè)計(jì)即可，L=3m</p&g

24、t;<p><b>　　NT=86（根）</b></p><p>　　4.3傳熱管排列和分程方法</p><p>　　采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正三角形排列。（見(jiàn)化工過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書(shū)本圖3-13）取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=32(mm)</p><p>　　隔板中心到離

25、其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。</p><p>　　各程相鄰的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管43根，其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書(shū)本圖3-14選取。</p><p><b>　　4.4殼體內(nèi)徑</b></p><p>　　采用管程結(jié)構(gòu)，則殼體內(nèi)徑為</p&g

26、t;<p><b>　　D=1.05t</b></p><p>　　按卷制殼體的進(jìn)級(jí)擋，圓整可取D=400mm。</p><p><b>　　4.5折流板</b></p><p>　　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</p><p>　　h＝0

27、.25×400=100（mm）</p><p>　　折流板間距B=0.6D,則B=0.6×400=240mm。</p><p>　　折流板數(shù) NB=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=3000/300-1=9(塊)，</p><p>　　折流板圓缺面水平裝配見(jiàn)化工過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書(shū)本圖3-15。</p><p><b>

28、　　4.6其他附件</b></p><p>　　拉桿數(shù)量與直徑按化工過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)書(shū)本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為ф16，拉桿數(shù)為8個(gè)。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。</p><p><b>　　4.7接管</b></p><p>　　殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)甲苯流速為u＝2.0m/s，則接管內(nèi)徑

29、為：</p><p>　　D1=（m），圓整后可取管內(nèi)徑為80mm。</p><p>　　管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u＝1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為</p><p><b>　　(m)=90mm。</b></p><p><b>　　5. 換熱器核算</b></p>&l

30、t;p><b>　　5.1熱流量核算</b></p><p>　　5.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計(jì)算：</p><p>　　當(dāng)量直徑，由正三角排列得：</p><p><b>　　de=（m）</b></p><p><b>　　殼程流通截面積：</b></p

31、><p>　　=0.018（m2）</p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p><b>　　u0=（m/s）</b></p><p><b>　　Re0=</b></p><p>　　普朗特?cái)?shù)：Pr=；粘度校正：</p><p>　

32、　h0=〔W/(m2·K) 〕</p><p>　　5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：</p><p><b>　　hi</b></p><p>　　管程流體流通截面積：Si=0.785×0.022×43=0.0135（m2）</p><p>　　管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p>

33、<p>　　ui==0.738（m/s）</p><p><b>　　Rei=</b></p><p><b>　　普朗特?cái)?shù)：Pr=</b></p><p>　　hi=0.023×〔W/ (m2·K)〕</p><p>　　5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)

34、知可?。?lt;/p><p>　　管外側(cè)污垢熱阻 R0= m2·K/W</p><p>　　管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri= m2·K/W</p><p>　　管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m·K)。管壁厚度b=0.0025m</p><p>　　5.1.4計(jì)算傳熱系數(shù)KC：</

35、p><p><b>　　KC=</b></p><p>　　=427〔w/（m·℃）〕</p><p><b>　　計(jì)算傳熱面積AC:</b></p><p>　　AC=Q/(KC×△tm)=210870/（427×34.76）=14.207（m2）</p>

36、<p>　　該換熱器的實(shí)際傳熱面積A：</p><p>　　A==3.14×0.025×3×86=20.253（m2）</p><p>　　5.1.5該換熱器的面積裕度為：</p><p><b>　　H=</b></p><p>　　傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。&

37、lt;/p><p>　　5.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力</p><p>　　5.3.1管程流體阻力 計(jì)算公式如下：</p><p>　　△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS</p><p>　　其中NS=1, Np=2，F(xiàn)S=1.4; △Pi=</p><p>　　由Re=17889，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/20=0.

38、01，查莫狄圖得=0.043，流速u(mài)=0.751m/s，ρ=995.7kg/m3，故</p><p><b>　　△Pi=（Pa）；</b></p><p><b>　　△Pr=（Pa）</b></p><p>　　△Pt=（1758+842）×1×1.4=3640（Pa）<104 Pa</

39、p><p>　　管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　5.3.2殼程阻力 </p><p>　　△PS=（△P0+△Pi）FSNS</p><p>　　其中 FS=1.15 ；NS=1 ；△P0= Ff0NTC(NB+1) ;</p><p>　　F=0.5,f0=5×9824-0.228=0.

40、61, NTC=1.1 =10.2</p><p>　　NB=9;u0（按流通面積S0=B(D- NTCd0)計(jì)算）=0.41m/s則流體流經(jīng)管束的阻力：</p><p>　　△P0=0.5×0.61×10.2×（9+1）×834×0.412/2≈2181（Pa）</p><p>　　流體流過(guò)折流板缺口的阻力<

41、/p><p>　　△Pi =NB（3.5-2B/D）</p><p>　　其中B=0.3m; D=0.4m；</p><p>　　Pi=9×（3.5-2×0.3/0.4）×834×0.412/2≈1262（Pa），</p><p><b>　　則總阻力：</b></p>

42、<p>　　PS=2181+1262=3443（Pa）<104 Pa。故殼程流體的阻力也適宜。</p><p><b>　　（四）、管道設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1、換熱器入水管的規(guī)格</p><p><b>　　由公式</b></p><p>　　選用管徑為的無(wú)縫鋼管。&

43、lt;/p><p>　?。ㄒ?jiàn)《化工原理》上冊(cè) 天津大學(xué)出版社 附錄23）</p><p>　　與該管相連的離心泵的入水管可選管徑為的無(wú)縫鋼管。</p><p>　　從河邊至工廠的管子的規(guī)格</p><p>　　由于工廠距河邊2km,較遠(yuǎn)，再加上考慮地形和經(jīng)濟(jì)因素，決定初步采用地下鋪設(shè)方式。</p><p>　　由于考慮

44、到當(dāng)?shù)氐谋鶅鼍€的深度，決定將管路埋在地面以下0.5m處。</p><p>　　從河邊抽水到蓄水池中，管子管徑一般比較大，可選用管徑為的無(wú)縫鋼管，與該管相連的離心泵的入水管徑可取的無(wú)縫鋼管。</p><p>　　從河邊至蓄水池的管路中應(yīng)設(shè)置一些管路，以達(dá)到熱補(bǔ)償?shù)淖饔?，否則管子受熱易爆裂。</p><p>　　取河邊至工廠的管路全長(zhǎng)為2100m。</p>

45、<p><b>　　河邊離心泵1的規(guī)格</b></p><p>　　為滿足工廠用水需要，取水流量Q=37360kg/h</p><p><b>　　則水流速</b></p><p><b>　　管路阻力：</b></p><p><b>　　=</b

46、></p><p><b>　　=24.2m</b></p><p>　　因?yàn)樵搹S與河液面海拔高度差約--6m</p><p>　　所以所選泵的壓頭H應(yīng)不低于24.2+6=30.2m</p><p>　　參考《化工原理》上冊(cè) 天津大學(xué)出版社 附錄24 ，可選型號(hào)IS80-65-160的離心泵。</p>

47、;<p>　　其參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速2900r/min,流量50,揚(yáng)程32m，效率73%，軸功率5.97kw,電機(jī)功率7.5kw，必需氣蝕量2.5m,質(zhì)量（泵/底座）為48/66kg.</p><p><b>　　其允許安裝高度：</b></p><p>　　其中為水的飽和蒸汽壓，為4247.4Pa</p><p>　　(見(jiàn)《化工原理》

48、上冊(cè) 天津大學(xué)出版社 附錄8）</p><p>　　通常為安全起見(jiàn)，離心泵的實(shí)際安裝高度應(yīng)比允許安裝高度低0.5-1m</p><p>　　換熱器處離心泵2的規(guī)格</p><p>　　取管路總長(zhǎng)為150mm(含彎頭、閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度）；</p><p><b>　　壓頭損失：</b></p><p&

49、gt;<b>　　=.. </b></p><p>　　又因換熱器離地面7.5m</p><p>　　故所需壓頭不應(yīng)小于7.5+0.64=8.14m</p><p>　　參考《化工原理》上冊(cè)附錄24，可選用型號(hào)為IS80-65-125的離心泵，其參數(shù)如下：</p><p>　　轉(zhuǎn)速2900r/min,流量50,揚(yáng)程20m

50、，效率75%，軸功率3.63kw,電機(jī)功率7.5kw，必需氣蝕量2.5m,質(zhì)量（泵/底座）為48/66kg.</p><p><b>　　其允許安裝高度：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=7.2m</b></p><p>　　通常為

51、安全起見(jiàn)，離心泵的實(shí)際安裝高度比允許高度低0.5-1m</p><p>　　蓄水池、涼水塔的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　、蓄水池設(shè)計(jì)</b></p><p>　　考慮對(duì)工廠內(nèi)土地利用情況和地下水出水深度，確定修建容積為的長(zhǎng)方形蓄水池，深5m,長(zhǎng)10m,寬10m。</p><p><b>　　涼水塔設(shè)計(jì)&l

52、t;/b></p><p>　　涼水塔可建成兩層的樓房狀，但其高度應(yīng)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(guò)管道流回蓄水池。此時(shí)不用水泵，而是通過(guò)水位差使循環(huán)水達(dá)到降溫并最終流回蓄水池的目的。</p><p>　　五、設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)一覽表</p><p>　　換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表</p><p>　　2

53、管道設(shè)計(jì)與離心泵設(shè)計(jì)規(guī)格</p><p><b>　　六、設(shè)計(jì)評(píng)述</b></p><p>　　本次化工課程設(shè)計(jì)是對(duì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)，通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計(jì)算核實(shí)，本列管式換熱器的設(shè)計(jì)可以說(shuō)基本完成了。下面就是對(duì)本次設(shè)計(jì)的一些評(píng)述。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所需要的換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)進(jìn)口溫度會(huì)降低，考慮

54、這一因素，估計(jì)該換熱器的管壁溫和殼體壁溫之差較大，故本次設(shè)計(jì)確定選用浮頭式換熱器。易析出結(jié)晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流體，最好通入比較容易進(jìn)行機(jī)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(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)力。對(duì)于浮頭式換熱器，一般易在管內(nèi)空間進(jìn)行清洗。所以選擇浮頭式換熱器較合適。本設(shè)計(jì)選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設(shè)計(jì)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

55、程、單管程，可以達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，且設(shè)計(jì)的列管式換熱器所需的換熱面積較合適，計(jì)算得的面積裕度也較合適，這樣所損耗的熱量相對(duì)來(lái)說(shuō)不會(huì)很大。至于本設(shè)計(jì)能否用在實(shí)踐中生產(chǎn)，或者生產(chǎn)的效率是否會(huì)很低，這些只有在實(shí)踐中才能具體的說(shuō)明。</p><p>　　通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何根據(jù)工藝過(guò)程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，及計(jì)算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)及數(shù)據(jù)

56、。了解到了工藝設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中要進(jìn)行工藝參數(shù)的計(jì)算。通過(guò)設(shè)計(jì)不但鞏固了對(duì)主體設(shè)備圖的了解，還學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過(guò)本次設(shè)計(jì)不但熟悉了化工原理課程設(shè)計(jì)的流程，加深了對(duì)冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會(huì)了更深入的利用圖書(shū)館及網(wǎng)上資源，對(duì)前面所學(xué)課程有了更深的了解。但由于本課程設(shè)計(jì)屬我第一次設(shè)計(jì)，而且時(shí)間比較短，查閱的文獻(xiàn)有限，本課程設(shè)計(jì)還有較多地方不夠完善，不能夠進(jìn)行有效可靠的計(jì)算。</p><p><b>

57、　　七、主要符號(hào)說(shuō)明</b></p><p>　　P——壓力，Pa ; Q——傳熱速率，W；</p><p>　　R——熱阻，㎡·K/W； Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)；</p><p>　　S——傳熱面積，㎡； t——冷流體溫度，℃；</p><p>　　T

58、——熱流體溫度，℃； u——流速，m/s;</p><p>　　——質(zhì)量流速，㎏/h; ——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(㎡·K);</p><p>　　——有限差值； ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);</p><p>　　——粘度，Pa·s; ——密度，㎏/m3;&

59、lt;/p><p>　　——校正系數(shù)。 r——轉(zhuǎn)速，n/(r/min)</p><p>　　H——揚(yáng)程，m ——必須汽蝕余量，m</p><p>　　A——實(shí)際傳熱面積， Pr——普郎特系數(shù)</p><p>　　NB——板數(shù)，塊 K——總傳熱系數(shù)