化工原理課程設(shè)計說明書甲苯冷卻器的設(shè)計（換熱器的設(shè)計）

1、學(xué)號08218江西理工大學(xué)化工原理課程設(shè)計說明書專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 學(xué)生班級： 二 代八 級 二 班學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 材料與化學(xué)工程學(xué)院2011 年 3 月 1 日目錄一、 設(shè)計任書.1二、 工藝流程草圖及說明.5三、 工藝計算及主要設(shè)備設(shè)計.61、 確定設(shè)計方案.61.1 選擇換熱器的類型61.2 流程安排62、 確定物性數(shù)據(jù).63、 估算傳熱面積.73.1 熱流量73.2 平均傳熱溫差73.3 傳熱面積73.4 冷卻水用量74、 工藝結(jié)構(gòu)尺寸.74.1 管徑和管內(nèi)流速74.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)74.3 傳熱管排列和分程方法84.4 殼體內(nèi)徑84.5 折流板84.6 其他附件84

2、.7 接管85、 換熱器核算.95.1 熱流量核算95.1.1 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.105.2 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(shè)備的計算和選型.111 換熱器入水管的規(guī)格 11 2 從河邊至工廠的管子的規(guī)格 123 離心泵1的規(guī)格.124 換熱器處離心泵2的規(guī)格.135 蓄水池、涼水塔的設(shè)計14五、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表.15六 設(shè)計評述.17七 主要符號說明.19一、化工原理課程設(shè)計任務(wù)書（換熱器的設(shè)計）（一） 設(shè)計題

3、目：甲苯冷卻器的設(shè)計（二） 設(shè)計任務(wù)及操作條件：題目工廠因工藝擴建，需設(shè)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(shè)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(guān)工藝和要求如下。 該廠附近有一條小河，但夏季有24個月的枯水期，一直改長距離河岸最短約為2公里，該廠與河液面海拔高度約為46米。 設(shè)計換熱器放置距地面7 .5 米相應(yīng)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。 進水管的直管阻力系數(shù)取0.025。設(shè)計要求： 換熱器管殼層壓降均不超過0.1atm . 水的入口溫度為10。 甲苯溫度從90下降為75用水量30th。（三） 設(shè)計

4、項目2 選擇適宜的列管換熱器并進行核算。3 畫出工藝設(shè)備圖及列管布置圖。二、 工藝流程草圖及說明工藝流程草圖主要說明：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，經(jīng)加熱器加熱后，再經(jīng)管道從接管c進入換熱器殼程；冷卻水則由泵抽上來經(jīng)管道從接管a進入換熱器管程。兩物質(zhì)在換熱器中進行換熱，甲苯從90被冷卻至75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。三、 工藝計算及主要設(shè)備設(shè)計1、確定設(shè)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90，出口溫度75，冷流體進口溫度10，出口溫度15；冬季操作時，其進口溫度會降低

5、，考慮到這一因素，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流程安排: 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252.5的碳鋼管（換熱管標準：gb8163）。2、確定物性數(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：（）甲苯的定性溫度為： ()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)。 甲苯在82.5下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在12.5下的物性數(shù)據(jù)密度o=809 kg/m3密度i=999.4 kg/m3定壓比熱容cpo=1.902 kj/(kgk)定壓比熱容cpi=4.189 kj/(kg

6、k)導(dǎo)熱系數(shù)o=0.121 w/(mk)導(dǎo)熱系數(shù)i=0.58w/(mk)粘度o=0.000305 pas粘度i=0.000123pas3、估算傳熱面積3.1熱流量qo=m0cp0t0=300002.22(140-40) /3600=627000kj/h=174.54 (kw)3.2平均傳熱溫差()3.3傳熱面積 假設(shè)k=300w/(m2k),則估算面積為：ap=q0/(ktm)=174540103/(30039)=8.33(m2) 3.4甲苯的冷卻量（kg/h）4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.1 管徑和管內(nèi)流速選用252.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速ui= 0.75m/s4.2 管程數(shù)和

7、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)=35.436（根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為：=2.953.0（m）所以按單管程設(shè)計即可， nt=36（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(cè)采用正方形排列。（見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-13）取管心距t=1.4d0，則t=1.425=35(mm)隔板中心到離其最近一排管中心距離s=t/2+6=32/2+6=22（mm）。各程相鄰的管心距為44mm。管束的分程方法，每程各有傳熱管36根，其前后箱中隔板設(shè)置和介質(zhì)的流通順序按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-14選取。4.4殼體內(nèi)徑采用單管程結(jié)構(gòu)，則

8、殼體內(nèi)徑為d=t（nc -1）+2bnc =1.1=6.6b=1.4=1.4*25=35mmd=35*(6.6-1)+2*35=266mm按卷制殼體的進級擋，圓整可取d=300mm。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h0.25300=75（mm）折流板間距b=0.7d,則b=0.7300=210mm。折流板數(shù) nb=傳熱管長/折流板間距-1=3000/210-1=13(塊)，折流板圓缺面水平裝配見化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖3-15。4.6其他附件拉桿數(shù)量與直徑按化工過程及設(shè)備課程設(shè)計書本圖表3-9選取，本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑

9、為16，拉桿數(shù)為4個。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。4.7接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)甲苯流速為u0.42m/s，則接管內(nèi)徑為：d1=（m），圓整后可取管內(nèi)徑為23mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u1.5 m/s，則接管內(nèi)徑為(m)=84mm。5. 換熱器核算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：當量直徑，由正三角排列得：de=（m）殼程流通截面積：=0.018（m2）殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：u0=（m/s）re0=32418普朗特數(shù)：pr=；粘度校正：h0=764w/(m2k) 5.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：hi管程流體流通截面積：si=0.7850.

10、02236=0.011304（m2）管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：ui=0.738（m/s）rei=11993普朗特數(shù)：pr=hi=0.023=2928w/ (m2k)5.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻知可取：管外側(cè)污垢熱阻 r0=0.0005159 m2k/w管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 ri=0.000334394 m2k/w管壁熱阻 查有關(guān)文獻知碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50w/(mk)。故rw=0.0025/50=0.00005（m2k/w）5.1.4計算傳熱系數(shù)kc：kc=365w/（m）計算傳熱面積ac:ac=q/(kctm)=174540/（36569.88）=6.843（m2）該換熱器的

11、實際傳熱面積a：a=3.140.025336=8.4（m2）5.1.5該換熱器的面積裕度為：h=100%=100%=23.9%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。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：pt=（pi+pr）nsnpfs其中ns=1, np=2，fs=1.5; pi=由re=11993，傳熱管相對粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄圖得=0.041，流速u=0.738m/s，=999.4kg/m3，故 pi=1665（pa）；pr=812（pa） pt=（1665+812）11.5=3716（pa）104 pa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。5.3.

12、2殼程阻力 ps=（p0+pi）fsns其中 fs=1 ；ns=1 ；p0= ff0ntc(nb+1) ;f=0.5,f0=534218-0.228=0.2511, ntc=1.1 nt0.5=1.1360.5=6.6nb=13;u0（按流通面積s0=b(d- ntcd0)計算）=0.42m/s則流體流經(jīng)管束的阻力：p0=0.50.25116.6（13+1）8090.422/2828（pa）流體流過折流板缺口的阻力pi =nb（3.5-2b/d）其中b=0.15m; d=0.3m； pi=13（3.5-20.21/0.3）8090.422/21948（pa），則總阻力： ps=828+1948

13、=2776（pa）104 pa。故殼程流體的阻力也適宜。（四）、管道設(shè)計1、換熱器入水管的規(guī)格由公式選用管徑為的無縫鋼管。（見化工原理上冊 天津大學(xué)出版社 附錄23）與該管相連的離心泵的入水管可選管徑為的無縫鋼管。2、 從河邊至工廠的管子的規(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(shè)方式。 由于考慮到當?shù)氐谋鶅鼍€的深度，決定將管路埋在地面以下0.5m處。 從河邊抽水到蓄水池中，管子管徑一般比較大，可選用管徑為的無縫鋼管，與該管相連的離心泵的入水管徑可取的無縫鋼管。 從河邊至蓄水池的管路中應(yīng)設(shè)置一些管路，以達到熱補償?shù)淖饔?，否則管子受熱易爆裂。 取河邊至工廠的

14、管路全長為2100m。3、 河邊離心泵1的規(guī)格為滿足工廠用水需要，取水流量q=31000kg/h則水流速管路阻力： = =9.77m9.8m因為該廠與河液面海拔高度差約-6m所以所選泵的壓頭h應(yīng)不低于9.8+6=14.8m參考化工原理上冊 天津大學(xué)出版社 附錄24 ，可選型號is80-65-160的離心泵。其參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速2900r/min,流量50,揚程32m，效率73%，軸功率5.97kw,電機功率7.5kw，必需氣蝕量2.5m,質(zhì)量（泵/底座）為48/66kg.其允許安裝高度： 其中為水的飽和蒸汽壓，為1226.2pa(見化工原理上冊 天津大學(xué)出版社 附錄8）通常為安全起見，離心泵的實際

15、安裝高度應(yīng)比允許安裝高度低0.5-1m4、 換熱器處離心泵2的規(guī)格取管路總長為150mm(含彎頭、閥門的當量長度）；壓頭損失：= 又因換熱器離地面7.5m故所需壓頭不應(yīng)小于7.5+0.68=8.18m參考化工原理上冊附錄24，可選用型號為is80-65-125的離心泵，其參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速2900r/min,流量30,揚程22.5m，效率64%，軸功率2.87kw,電機功率5.5kw，必需氣蝕量3.0m,質(zhì)量（泵/底座）為44/46kg.其允許安裝高度： = =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、 蓄水池、涼水塔的設(shè)計（1） 、蓄水池設(shè)計考慮對工廠內(nèi)土地利用情況

16、和地下水出水深度，確定修建容積為的長方形蓄水池，深5m,長10m,寬10m。（2） 涼水塔設(shè)計 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。五、設(shè)計結(jié)果設(shè)計一覽表換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表參數(shù)管 程殼 程流率/（kg/h）3000022023進/出溫度/10/1590/75壓力/ mpa0.10.1物性定性溫度/12.582.5密度/（kg/m3）999.4809定壓比熱容/（kj/（kgk）4.1891.902粘度/（pas）0.0001230.000

17、305熱導(dǎo)率/w/（mk）0.1210.58普朗特數(shù)4.88.88設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式浮頭式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm300殼程數(shù)1管徑/mm252.5管心距/mm35管長/mm3000管子排列管數(shù)目/根36折流板數(shù)/個13傳熱面積/m28.4折流板間距/mm210管程數(shù)1材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.7360.42表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2k）2928764污垢阻力/（w/m2k）0.000349340.0005159阻力/pa37162776熱流量/kw1542傳熱溫差/k68.88傳熱系數(shù)/w/（m2k）365裕度/%23.92 管道設(shè)計與離心泵設(shè)計規(guī)格設(shè)備參數(shù)離心泵1離心泵2型號

18、is80-65-160is-80-60-125轉(zhuǎn)速r/min29002900流量m3/h5030揚程 m3222.5效率 %7364軸功率kw5.972.87電機效率kw7.55.5必須汽蝕余量 m2.53.0質(zhì)量（泵/底座）kg48/6644/46離心泵1出水管規(guī)格1337mm離心泵1進水管規(guī)格1336mm離心泵2出水管規(guī)格1469mm離心泵2進水管規(guī)格15510mm離心泵1允許安裝高度7.7m離心泵2允許安裝高度7.2m蓄水池大小5m10m10m六、設(shè)計評述本次化工課程設(shè)計是對列管式換熱器的設(shè)計，通過查閱有關(guān)文獻資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計算核實，本列管式換熱器的設(shè)計可以說基本完成了。下面就是對本次設(shè)計的一些評述。本設(shè)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(shè)計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(yīng)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(shè)計選擇了冷卻水走管程，煤油走殼程的方案。由于本設(shè)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