化工原理课程设计--水冷却25%甘油的设计.docx

化工原理课程设计设计题目：水冷却25%甘油的设计目录一.设计题目和设计条件3L设计题目:换热器的设计一一水冷却甘油32 .设计条件33 .设计任务4二.设计方案简介41 .选择换热器的类型42 .管程安排43 .流向的选择4三.流体物性的确定51 .流体定性温度的确定52 .定性温度下流体的物性5四.试算和初选换热器的规格5L计算热负荷和冷却水流量52 .计算两流体的平均温度差63 .初选换热器规格64 .折流板7五.核算总传热系数7L管程的给热系数72 .壳程的给热系数83 .污垢热阻94 .计算总传热系数K95 .传热面积裕度10六.压力损失的计算10L管程压力损失102.壳程压力损失11七.辅助设备的计算及选型H1 .封头H2 .接管113 .导流筒124 .放气孔、排气孔12八,设计结果一览表12九.对设计的评述13参考文献14附录:参考图纸一、设计题目和设计条件1、设计题目：用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计2、设计条件(1)甘油处理量：14.16kg/s、进口温度：100、出口温度：40、压强降：101.3kPa(2)冷却水进口温度：25、出口温度：35,压强降：VlOL3kPa3、设计任务：(1)根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板数目、形式等。(2)绘制列管式换热器的装配图。(3)编写课程设计说明书。二、设计方案简介1、选择换热器的类型：两流体温的变化情况:热流体（甘油）进口温度I（XrC出口温度40C；冷却流体（水）进口温度25出口温度35,该换热器用循环冷却水冷水，冬季操作时,其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之温度之差较大，因此初步确定选定浮头式换热器。2、管程安排：从两物流的操作压力看，应使甘油走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降；又因为被冷却的流体走壳程，便于散热。所以从总体上综合考虑，应使冷却循环水走管程，甘油走壳程。3、流向的选择：当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然，在一般情况下，逆流操作总是优于并流。故选择逆流为流向。三、流体物性的确定1、流体定性温度的确定对于一般气体和水等低黏度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。壳程25%甘油的定性温度为：=ZLm=100+40=70oC22管程冷却水的定性温度为：t="l=带生=30。C2、定性温度下流体的物性查知，在70。C下，甘油的比热容CP=2.66kJ(ZgK),水的比热容CPa=4.167kJ(jK);在30。C下，水的比热容仁二4.174kJ()K)。即在70。C下，25%甘油的比热容CPl=c/fl×0.25+C/,×0.75=2.66×0.25+4.167×0.75=3.790kJ(K)表1:定性温度下流体的物性3流体物性温度密度Pkg/11Q黏度UPas比热容CPKJ/(kgC)热导率入W/(m2)25%甘油7010480.00072553.7900.5700水30995.70.00080124.1740.6176四、工艺计算及主体设备设计计算及选型1、计算热负荷和冷却水量:热负荷Q=qmlCpl(-2)=14f16×(373-313)=3219.984U/s冷却水量%=zQF=3219984=77.144kg/sCp2(2i)4.174x(35-25)/2、计算两流体的对数平均温度。(暂按单壳程、多管程进行计算。)逆流时，t1=T1-t2=100-35=65oC;t2=T2-t1=40-25=15oC对数平均温度为Atm =r 1 - r2 65-1515/?=VZ7L = 100-40 =635-25Tl-tl 100-2535-25 =0.133查图表2(由2得)得，温差修正系数为：=0,9l: mr3 .IW 空二3QWafZmKl通"*嗯fti保熊熊球1道催ii MNu4*遇*lHi弱轨轴同蚓岁tiMS出图器isH焉邕一普翦国一ii翩MH潮割>1立布黑He露霉釉废Itibq鼻鼻裂 ;那铝瓢常务事看通立izi器第匐替夏噩也赢甘猫N3E 礴舁黠强赫轴噌强!常攀篥 曾隰侬疆醺40鼐黏鹏描停除i黑翻旧li*jS需!海h*能-幅黏垂典f'IMt舞£忠工工工:柒强富蜜HI瓢穗Hl/哂雷唯*戮船蛾萧推看魅谓 所鼬:建越旧墙舞於鞋、疝&睢酬 加皤然时暹噬黑翼；烟瞳班1 i但IOai辑邮n野Mm明H港棚书和餐潮监1; ：兽里： :u工rFc-"占lr.ri 维奖龄典E一不.:.* EI3M富力W1!;置图表1壳侧单程、管侧2程的换热器温差修正系数Atm=材tm=0.9×34.10=30.69oC3、初选换热器规格：设总传热系数Ko=405W(m2)则所需的传热面积为A0=-5-3219.984xK)3=259020K0Atrn405×30.69据此，由换热器系列标准(设换热器为浮头式)1中选定换热器，有关参数见图表3。表3：换热器的相关参数1换热管长度L(mm)4500管数N71006公称压强PN(MPa)2.50公称壳径D(mm)1000管程数NP2管子排列方法正方形旋转45°管程流通面积(肝)0.0890中心排管数C24管子尺寸d(mm)019x2计算换热面积260.6则总传热面积为A=2606/根据表6中换热器的相关参数可得实际传热面积:Ai=117idl=1006×3.14×0.019×4.5=270.08m24、传热管的排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。则管间距：壳体直径D_1000ZIrV、0二中心排管数+1=词=罚=40(“M5、折流板采用圆缺型折流板，去圆缺形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为H=0.25×1000=250mm选取折流挡板间距8=180SL45折流板板数M=2-1=上-1=24块，折流板圆缺水平装配B0.18五、核算总传热系数1、管程传热系数必p=995.7kg1而-0.8012加PaS2=0.6171W(nK)水的质量流速：=77.144kg/s每程管的流通面积：A=-/2=-×0.0152×=0.08884m24Np42水的体积流速：q=%2=四竺=0.07748m3AP995.7水的流速：ui=0,07748=0.8721mis,A0.08884则ReL会”镖背*6267"(湍流)PUc&M4.174K)308007xlO3TF-0.6176=5.42即有ReDlO)0.7<Pri<120,则有:08=0.023××16267.88°8×5.42040.015=4296.76fm2ocl2、壳程传热系数。壳程：采用焊接法流体通过管间最大截面积为A)=(O-力4*=(10-24X0.019)×0.18=0.09792m2查3得,定性温度7=7tfC下，甘油的物性：/o=O.7255mPas=0.570W(mk)查3得,25%廿油的密度夕.af,14.16流速：。二素二讼792XKM8W380必正方形排列，管间距为40mm时，管群的当量直径:4卜科J4x(0.042-×0.01927rd0×0.0190.0883mdeuopoQ.Q883×0.1380×1048o0.7255x103Cp.3.79xl37255x1()70.570壳程中甘油被冷却风=0.95,由200(KReOIO',则有:4 = 0.36 & Re；° deo;0.55 prO33 AlO 57= 0.36× X17600.10 55× 4.824033 X 0.95 0.0883= 802.60W(m2oc)3、污垢系数得:查2得管侧、壳侧的污垢热阻分别取Ri = 0.000353°C/ WRo = 0.000172w2 / W查1得，不锈钢管的热导率为：M=I7.4W/（m。）4、总传热系数K管壁热阻可忽略时，该换热器的总传热系数K计为+ 0.000172+0.000352× +802.60=463. 26 W(n2 )15 4296.76×155、传热面积裕度则计算所需传热面积为AI= 226.48n2Q3219.984×IO3KMJ463.26x30.69所以实际传热面积与计算面积比为：且=义尬=1.151A计226.48在1.15,25之间。Al=270.08m2为实际传热面积A计裕度：H=4一小×100%=27W2648XIOo%=1925%A计226.48即传热面积裕度合适，且裕度为H=19.25%,该换热器能够完成生产任务。6、壁温核算查得,v=7t!% + ao70x802.60+30x4296.76802.60 + 4296.7636.3°C查36.3下水的黏度和甘油的黏度分别为:juq=0.7053×103Pa.sw=1.4×103Pa.Sz0.14Z,0.14对壳侧住=fO17O53xlO-q=0IaJI1.4×10-3J所以计算壳侧时假定=0.95是正确的。壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=70CCo壳体壁温和传热管壁温之差为r=70-37.5=32.5。该温差较大，故需要设温度补偿装置。由于换热器壳程压力较大，因此，选用浮头式换热器，是正确的。六、压力损失的计算1、管程的压力损失- + 3 FNNDdd ) , p 2.0.015 0.01 L-0.009 0.008 0Jj-L LLL J10, T 4U就代室«0.(XXX)5000005O(XKX)I4 6 105 2雷诺数Ke0.00020.00010.0020.001 0.00080.0006住80001,1.11 4 6 l(K 24 6 IO7 220.006图表4摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度/d的关系1设不锈钢管管壁粗糙度=05mfn=0.01di15又Re,=16267.88,查图表4得，摩擦阻力系数;I。0.042正方形45。排列，其中E=L5Ns=INp=23=+3卜MNP等/八皿4.5995.7×0.87212=(0.037X+3)×1.5×1×2×0.0152=16016.64Pa<l()1.3kPa2、壳程的压力损失M=/7>(N"+l)+N/(3.5一割EM第M=24,n<=24,M=I对正方形斜转45°,F=0.4；对液体，E=I.15fo=5.0Re228=5.0×l7600.1-0228=0.5383亿=0.4×0.5383x24×(24+l)+24x3.5-×1.15xlx1048x13802=2347.42RKlol.3ZP0壳程流体阻力在允许范围之内。七、辅助设备的计算及选型1、管箱与封头选用侧向有接管的管箱,在清洗、检修时可不必拆下外部管道就可将管卸下。对于封头，有方形和圆形两种，方形用于直径小（一般小于40OnInI）的壳体；圆形用于较大直径的壳体。因为壳体直径D=IoOOmm>40Omnb所以其封头采用圆形封头。2.接管管程流体进、出口接管：取接管内冷却水流速尸L5ms,则接管内径为,瓯4×0.07748CLdi=IL=J=0.256/=256mm,uiV1.5;T圆整后可取管外径为273mm,壁厚为8.5mm壳程流体进出口接管：取接管内25%甘油流速。二lms,则接管内径为,广陛严由邈=O6=131、加OV圆整后可取管外径为140mm,壁厚为4.5mm以上资料均为查5所得。3、导流筒壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必然经过这个空间。4、放气孔、排气孔换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。5、管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。对于浮头式换热器，由于管束要从壳体中抽出，故采用可拆连接方式，即把管板夹于壳体法兰与顶盖法兰之间，用螺栓紧固，必要时卸下顶盖就可把管板连同管束从壳体中抽出。八、设计结果一览表表格5设计结果一览表参数管程壳程流率(kgs)77,14414.16进/出口温度/25/35100/40压力/KPa<101.3<101.3物性定性温度/3070密度/(kgm3)995.71048定压比热容/kJ(kg°C)4.1743.790粘度/(Pas)0.8007X1030.7255X103热导率(Wm°C)0.61760.570普朗特数5.424.824设备结构参形式浮头式壳程数1数壳体内径/mm100O台数1管径mm19*2管心距mm40管长mm4500管子排列正方形斜转450管数目/根1006折流板数/个24传热面积11f260.6折流板间距mm180管程数2材质不锈钢主要计算结果管程壳程流速/(ms)0.87210.1380表面传热系数/W/(m2oC)4296.76802.60污垢热阻/(makW)0.0001720.000352阻力/Pa16016.642347.42传热系数/W/(m2C)463.26裕度/%19.25%九、对设计的评述一开始做这个设计的时后，没有一点头绪，无从下手，只好按照书上即能找到的例子一步步计算，而且比热容、粘度、热导率等等都要查表。因为一个数字的错误选择，就能导致整个设计作废，必须修改重算。在历经多次的重算修改后，终于熟悉整个设计过程,理清了思路。通过设计过程我们懂得了没有科学地规划,只会一直处在盲目地计算、改数字、再次计算等等阶段。这次化工原理课程设计给我留下了极深的印象，也让我们有了很多的收获。化工原理课程设计是旨在学生的工程设计能力，对所学知识进行一次综合性训练。而这次我们进行的是对换热器的设计及选择。本次课程设计是对换热器及其附件一起进行设计的，不能单独只考虑一个或几个基本构件的情况,要综合考虑,对其各个因素进行认真考虑，整体构思。将设计题目、设计内容与生产实践相结合，设计题目来源于生产实际，具有很深的实际意义。在这次课程设计中充分运用了个人努力与团队协作，通过我和同学两人的分工合作，让我们有了更多从事设计工作的经验，也增进了朋友之间的友谊。通过这次设计使我们对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力都得到了提高，为今后的工作做了必要的准备，对我们有很大帮助。参考文献1陈敏恒主编.化工原理（上册）.第三版.北京：化学工业出版社.2010.072马江权，冷一欣主编.化工原理课程设计.第二版.中国石化出版社.20ILI刘光启，马连湘，刑志有主编.化工物性算图手册.北京：化学工业出版社.2002.14陈英南主编.常用化工单元设备的设计.2010.015钱颂文.换热器设计手册M.北京:化学工业出版社,20026壳式换热器GB1511999