化工原理课程设计-材料与化工学院

化工原理课程设计学院：化学工程学院班级：姓名：学号：指导教师：2010年06月任务书I化工原理课程设计《换热器》设计任务书班级精化07-1姓名一、设计题目：无相变列管式换热器的设计二、设计任务及操作条件某生产过程中，用循环冷却水冷却柴油。1、柴油入口温度：140℃，出口温度：60℃2、柴油流量：6500kg/h，压力：0.3MPa3、循环冷却水压力：0.4MPa，入口温度：29℃，出口温度：39℃已知柴油的有关物性数据：密度ρ1=994kg/m3；定压热比容cp，1=2.22kJ/(kg·℃)；热导率λ1=0.14W/(m·℃)；黏度μ1=7.15×10-4Pa·s三、设计项目(说明书格式)1、封面、任务书、目录。2、设计方案简介：对确定的换热器类型进行简要论述。3、换热器的工艺计算：1)确定物性数据2)估算传热面积3)工艺结构尺寸4)换热器核算：包括传热面积核算和换热器压降核算4、换热器的机械设计5、绘制列管式换热器结构图（CAD）。6、对本设计进行评述。7、参考文献成绩评定指导教师2010年6月8日任务书2目录1设计方案简介......................................11.1选择换热器类型................................11.2冷热流体流动通道的选择........................12换热器的设计计算..................................22.1确定物性数据..................................22.2估算传热面积..................................22.2.1热流量...................................22.2.2平均传热温差.............................22.2.3冷却水用量...............................32.2.4总传热系数...............................32.2.5计算传热面积.............................32.3工艺结构尺寸..................................32.4换热器核算....................................52.4.1热量核算.................................52.4.2换热器内流体的流动阻力...................73换热器机械设计...................................103.1壳体壁厚.....................................103.2管板尺寸.....................................103.3接管尺寸.....................................123.4换热器封头选择...............................123.5膨胀节选择...................................133.6其他部件.....................................134评述.............................................154.1可靠性评价...................................154.2个人感想.....................................155参考文献.........................................16化工原理课程设计11设计方案简介1.1选择换热器类型两流体温度变化情况：热流体柴油入口温度140℃，出口温度60℃；冷流体入口温度29℃，出口温度39℃。221ttt，t冷=（29+39）/2=34℃，t热=（140+60）/2=100℃，t热-t冷=100-34=66℃，温差较大，但是柴油压力为0.3Mpa，冷却水压力为0.4Mpa，压力偏低，故可以选用固定管板式换热器，采用逆流1.2冷热流体流动通道的选择从两物流的操作压力看，应使冷却水走管程，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，所以冷却水走管程，柴油走壳程，以便散热。选用φ25×2.5的碳钢管，管内流速设为ui=1.0m/s。化工原理课程设计22换热器的设计计算2.1确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程柴油的定性温度：t热=（140+60）/2=100℃管程流体的定性温度：t冷=（29+39）/2=34℃根据定性温度，查化工原理书附录[1]，利用内插法计算壳程和管程流体的有关物性数据。柴油的有关物性数据如下：密度ρ1=994kg/m3定压比热容Cp1=2.22kJ/(kg·℃)热导率λ1=0.14W/(m·℃)粘度µ1=7.15×10-4Pa·s冷却水在34℃的有关物性数据如下：密度ρi=994.3kg/m3定压比热容Cpi=4.174kJ/(kg·K)热导率λi=0.6241W/(m·K)粘度µi=0.0007428Pa·s2.2估算传热面积2.2.1热流量Q1=m1Cp1t1=6500×2.22×（140-60）=1.15×106kJ/h=319.4kW2.2.2平均传热温差2121lntttttm化工原理课程设计3Δt1=60-29=31K，Δt2=140-39=101K所以，Δtm=(101-31)/ln(101/31)=59.27K2.2.3冷却水用量流量wi=Q1/Cpi/Δti=1.15×106/4.174/(39-29)=2.755×104kg/h2.2.4总传热系数利用化工原理附表，根据两种流体的性质，可查出换热器总传热系数，取其值为350)K·/(2mW。2.2.5计算传热面积2'15.427.59350319400mtKQSm考虑15%的面积裕度，S=1.15×S=1.15×15.4=17.7m22.3工艺结构尺寸2.3.1管径和管内流速选用φ25×2.5传热管（碳钢），取管内流速smui/.012.3.2管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数根25102.04/4.13)3.9943600/(2755042uddVniis按单程管计算，所需的传热管长度mndSLso9.0225025.014.317.7按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=6m，则该换热器管程数为化工原理课程设计4269.02lLNp（管程）传热管总根数50225N根2.3.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数304.025140256086.22256060140PR按单壳程，四管程结构，温差校正系数为)(81.0183.2283.221304.0/2183.2283.221304.0/2ln/83.22304.01304.01ln183.22183.2211/211/2ln/11ln11222222CRRpRRppRpRRt构换热器，所以可采用单壳程结8.081.0t平均传热温差Cttmtm.0487.25981.0'2.3.4传热管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。取管心距odt25.1，则mmt3225.312525.1横过管束中心线的管数8501.11.1Nnc根化工原理课程设计52.3.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率75.0，则参考《化工单元过程及设备课程设计》[2],壳体内径mmNtD74.3275.0/503205.1/05.1根据国家标准，圆整可取mmD400。2.3.6折流板采用弓形折流板（水平圆缺），取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的%25，则切去的圆缺高度为mmh10040025.0。取折流板间距DB5.0，则mmB2004005.0根据国家标准取板间距为200mm。折流板数29120060001BLNB块，折流板圆缺水平装配。2.3.7接管壳程流体进出口接管：取接管内循环油品流速为smu/0.1，则接管内径为muVd048.00.114.3)9943600/(650044取标准管径为mm50。管程流体进出口接管：取接管内循环水流速为smu/5.2，则接管内径为muVd060.05.214.3)3.9943600/(2755044取标准管径为mm60。2.4换热器核算2.4.1热量核算1)壳程对流传热系数化工原理课程设计6对圆缺形折流板，可采取克恩公式14.03/155.0PrRe36.0wooeood当量直径，由正三角形排列得mddtdooe020.0025.014.3025.0414.3032.023442342222壳程流通截面积20175.0032.0025.014.02.01mtdBDSoo壳程流体流速及其雷诺数分别为smuo/1038.00175.0)9943600/(65002886.1105.179941038.0020.0Re4o普兰特准数34.1114.0105.171022.2Pr43粘度校正95.014.0w)k·/(6.34305.9034.112886.102.014.036.023/155.0mWo2)管程对流传热系数4.08.0023.0iipiiiiiiiicudd管程流通截面积2200785.025002.0785.0mSi管程流体流速及其雷诺数分别为smu/8.9000785.0)3.9943600/(27550i26236.20007428.03.9948.90020.0Re普兰特准数化工原理课程设计768.946241.00007428.010174.4Pr3)·/(4672.5)68.94()26236.2(020.06241.0023.024.08.0CmWi3)传热系数K根据化工原理附录，可取管外侧污垢热阻Rsi=0.000172m2·℃/W管内侧污垢热阻Rso=0.000344m2·℃/W)K·/(306.976.34301000172.0020.045025.00025.0020.0025.0000344.0020.04672.5025.011b12mWRddddRddKosomoiosiiio4)传热面积S256.177.259306.97319400mtKQSm该换热器的实际传热面积pS223.55506025.014.3mLNdSop该换热器的面积欲度H=（Sp-S）/S=(23.55-17.56)/17.56=0.34=34%而一般换热器的面积欲度大于15%~20%，就可以满足要求。故所设计的换热器较为合适。2.4.2换热器内流体的流动阻力（1）管程阻力PstiNNFPPP)(211sN，2PN，管程结垢校正系数4.1tF221udlPi，222uP化工原理课程设计8由26236.2Re，查《化工原理》书表1-2得传热管相对粗糙度为005.0201.0，再查图1-27得)/(