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1、精品学习资源化工原理课程设计课程名称 : 化工原理课程设计设计题目 : 年产 4 万吨苯冷却器的工艺设计院系 : 化学与生物工程学院专业班级 : 化艺 1001 班姓名：陈炜杰目录一、设计任务书3 一设计题目 3 二设计条件 3 三设计步骤及要求 3欢迎下载精品学习资源 四设计成果4 五时间支配4 六设计考核4 七参考资料4二、文件综述0三、年产 4 万吨苯冷却器的工艺设计8 一确定设计方案： 8 二确定流体的流淌空间：8 三运算定性温度，确定流体的物性参数：8 四初步估算传热面积 81. 苯的流量及热负荷： 92. 冷却水的用量： 93. 平均传热温差： 94. 初算传热面积： 9 五工艺结
2、构和尺寸 101. 管径和管内流速： 102. 管程数和传热管数： 103. 传热管排列和分程方法： 104. 壳体直径： 105. 折流板： 106. 接管： 11 六核算 111. 传热面积核算： 111管程传热膜系数： 112壳程传热膜系数： 113污垢热阻和管壁热阻： 124总传热系数核算： 125传热面积核算： 122. 换热器流体阻力缺失： 131管程阻力： 132壳程阻力： 133. 管长与管径比： 14七附属结构的选型 14八换热器主要工艺结构尺寸和运算结果一览表15九符号说明 15十参考文献 17欢迎下载精品学习资源一、 设计任务书一设计题目年产 4 万吨苯冷却器的工艺设计二
3、设计条件1. 生产才能 4104 吨每年粗苯2. 设备形式：列管换热器3. 操作压力：常压4. 苯的进出口温度：进口 80，出口 355. 换热器热缺失为热流体热负荷的3.5 6. 每年按 330 天计，每天 24 小时连续生产7. 建厂地址：兰州地区8. 要求管程和壳程的阻力都不大于104Pa9. 非标准系列列管式换热器的设计三设计步骤及要求1. 确定设计方案1) 挑选列管换热器的类型2) 挑选冷却剂的类型和进出口温度3) 查阅介质的物性数据4) 挑选冷热流体流淌的空间及流速5) 挑选列管换热器换热管的规格6) 换热管排列方式7) 换热管和管板的连接方式8) 挑选列管换热器折流挡板的形式9)
4、 材质的挑选2. 初步估算换热器的传热面积 S3. 结构尺寸的运算1) 确定管程数和换热管根数及管长2) 平均温差的校核3) 确定壳程数欢迎下载精品学习资源4) 确定折流挡板、隔板规格和数量5) 确定壳体和各管口的内径并圆整4.校核1核算换热器的传热面积，要求设计裕度不小于10，不大于 202核算管程和壳程的流体阻力缺失3管长和管径之比为 610假如不符合上述要求重新进行以上运算5. 附属结构如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型6. 将运算结果列表 见下表）四设计成果1. 设计说明书 A4纸）1) 内容包括封面、任务书、目录、正文、参考文献、附录2)
5、格式必需严格依据兰州交通高校毕业设计的格式打印2. 换热器工艺条件图 2 号图纸） 手绘）五时间支配1) 第十九周其次十二周2) 其次十二周的星期五 7 月 20 日）下午两点本人亲自到指定地点交设计成果，最迟不得晚于星期五的十八点钟六设计考核1) 设计是否独立完成2) 设计说明书的编写是否规范3) 工艺运算与图纸正确与否以及是否符合规范4) 答辩七参考资料1. 化工原理课程设计 贾绍义 柴诚敬天津科学技术出版社2. 换热器设计手册化学工业出版社3. 化工原理夏清天津科学技术出版社欢迎下载精品学习资源参数管程壳程操作压力 MPa）定压比热 kJ/ ）对流传热系数 w/m）热负荷 w）传热总系数
6、 w/m）传热面积 ）换热器主要工艺结构尺寸和运算结果一览表操作条件物料名称流量 /h ） 操作温度 ）定性温度 ）物性参数密度 /m3）粘度mPa s）导热系数 w/m）流速 m/s）主要工艺性能参数2污垢热阻 m2 / w ）阻力缺失 MPa）2传热平均温差 ）设计裕度 %）换热器的型式材质设备结程数规格 mm）直径mm）构参数换热管长度 m） 数目 个） 排列方式管心距 mm）折流挡板型式数目间距 mm）欢迎下载精品学习资源二、 文件综述1. 换热器简介：换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高就放出热量，反之就吸取热量；换热器依据传热原理和实现热交
7、换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类；其中间壁式换热器应用最广；它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等；其中以管式 ；特殊是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承担高压强的优点，在超高压生产过程例如操作压力为 3000 大气压的高压聚乙烯生产过程 中所用的换热器几乎全部是套管式；5) 管壳式换热器：管壳式又称列管式 换热器是最典型的间壁式换热器；管壳式换热器主要有壳体，管束，管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束， 管束两端固定于管板上，在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流 动，其行程称为管程；一种在管外流淌，其行程称为壳程；
8、管束的壁面即为传 热面；为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装肯定数量的横向折流档板，折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，仍迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加；常用的档板有圆缺形和圆盘形两种， 前者应用更为广泛；流体在管内每通过管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程；为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成如干组；这样，流体可每次只通过部分管子而来回管束多次，称为多管程；同样，为提高管外流速，可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间，称多壳程；在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同， 壳体和管束的温度也不同；如两者温差很
9、大，换热器内部将显现很大的热应欢迎下载精品学习资源力，可能使管子弯曲，断裂或从管板上松脱；因此，当管束和壳体温度差超过50时，应实行适当的温差补偿措施，排除或减小热应力；2.2. 混合式换热器：混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式防止了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情形良好，就有较大的传热速率；故凡答应流体相互混合的场合，都可以采纳混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等；它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调剂工程以及其它很多生产部门中；依据用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：1
10、) 冷却塔或称冷水塔 ：在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益；例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用；2) 气体洗涤塔 或称洗涤塔 ：在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸取气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等；但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多；空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式；喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且仍可对其进行加热处理；但是
11、，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用；但是，在以调剂湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使 用；3) 喷射式热交换器：在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流 体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户；4) 混合式冷凝器：这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝；2.3. 蓄热式换热器：欢迎下载精品学习资源蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备；内装固体填充物，用以贮蓄热量；一般用耐火砖等砌成火格子 有时用金属波形带等）；换热分
12、两个阶段进行；第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来；其次阶 段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热；这两个阶段交替进行；通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器；常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室；也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉；蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合；3. 列管式换热器设计一般要求：列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：1) 依据换热任务和有关要求确定设计方案；2) 初步确定换热器的结构和尺寸；3) 核算换热器的传热面积和流淌阻力；4) 确定换热器的工艺结构；4. 管
13、壳式换热器设计时应考虑的问题4.1. 流体通道的挑选原就：1) 不干净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检修和清洗；3) 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节约壳体金属的消耗量；4) 饱和蒸汽宜走壳程，以便于准时排出冷凝液，且蒸汽较干净，不易污染壳程；5) 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却成效；6) 有毒流体宜走管程，以削减流体泄漏；7) 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流淌时，由于流体流向和流速不断转变，在很低的雷诺数Re100）下即可达到湍流，可提高对流传热系数；但是有时在动力
14、设备答应的条件下， 将上述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数；4.2. 流体两端温度的挑选：如换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题；如其中一流体仅已知进口温度，就出口温度应由设计者来确欢迎下载精品学习资源定；例如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可依据当地的气温条件作出估量，而其出口温度就可依据经济核算来确定：为了节约冷水量，可使出口温度提高一些，但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，就需要增加冷水 量；两者是相互冲突的；一般来说，水源丰富的地区选用较小的温差，缺水地区选用较大的温差；不过，工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45，由于欢迎下载精
15、品学习资源工业用水中所含的部分盐类 如 CaCO、3CaSO、4MgCO3和 MgSO4等）的溶解度欢迎下载精品学习资源随温度上升而减小，如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污 垢，而使传热过程恶化；假如是用加热介质加热冷流体，可按同样的原就挑选加热介质的出口温度；4.3. 管子的规格和排列方法：小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的 传热面；或者说，当传热面积肯定时，采纳小管径可使管子长度缩短，增强传 热，易于清洗；但是减小管径将使流淌阻力增加，简洁积垢；对于不清洁、易 结垢或粘度较大的流体，宜采纳较大的管径；因此，管径的挑选要视所用材料 和操作条件而定，
16、总的趋向是采纳小直径管子；管长的挑选是以合理使用管材 和清洗便利为原就；国产管材的长度一般为6m，因此管壳式换热器系列标准中换热管的长度分为 1.5 、2、3 或 6m几种，常用 3m或 6m的规格；长管不易清洗，且易弯曲；此外，管长 L 与壳体 D的比例应适当，一般 L/D=46；管子的排列方式有等边三角形、正方形直列和正方形错列三种；等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大；正方形直列比较松散，对流传热系数较三角形排列时低，但管外壁清洗便利，适用于壳程流体易结垢的场 合；正方形错列就介于上述两者之间，对流传热系数较直列高；管子在管板上的间距 a 跟管子与管板的连接方式有关
17、：胀管法一般取a=1.3 1.5 ） do，且相邻两管外壁的间距不小于 6mm；焊接法取 a=1.25do；换热器壳体内径应等于或稍大于管板的直径；通常是依据管径、管数、管间距及管子的排列方式用作 图法确定；欢迎下载精品学习资源图 4. 管子排列方式4.4. 管程和壳程数的确定： 管程数 N按下式运算： N=u/v式中： u管程内流体的相宜流速； v管程内流体的实际流速；5. 主要附件：1) 封头封头有方形和圆形两种，方形用于直径小的壳体，圆形用于大直径的壳体；2) 缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板；3) 导流筒壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体
18、不能流淌的空间死角），为了提高传热成效，常在管束外增设导流筒，使流体进、出壳程时必定经过这个空间；4) 放气孔、牌液孔换热器的壳体上常安有放气孔和排液孔，以排除不凝气体和冷凝液等；5) 拉杆和定距管为了使折流板能够牢靠的保持在肯定的位置上，通常采纳拉杆和定距管；6) 接管换热器中流体进、出口的接管直径按下式运算式中：流体的体积流量 ,u 流体在接管中的流速， m/s流速的体会值对液体可取为： u =1.52 m/s ；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源三、 年产 4 万吨苯冷却器的工艺设计a) 确定设计方案：本设计任务是利用列管式换热器使冷流体水）给苯降温；挑选换热器时，要遵循安全、高效
19、、经济的原就；兰州地区虽然接近黄河，水资源丰富，但是黄河污染较为严峻，而且泥沙含量大简洁结垢，所以宜采纳自来水，但易结垢；兰州年历史最高温 度在 40左右，设冷却水进口温度25，冷却水两端温度差取10. 出口温度为35；热流体进口温度 80, 出口温度 35；冬季操作时进口温度会降低，该换热器的管壁温顺壳体壁温之差较大，最大温差为55，且考虑到冷却水易结垢；故本次设计确定选用浮头式换热器；易析出结晶、沉淀、污泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较简洁进行机械清洗的空间，而浮头式换热器的管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间和管内管束可以在壳体内自由伸缩，不会产生较大热效应力；对于浮头式换热器，一般易在
20、管内空间进行清洗；所以挑选浮头式换热器较合适；b) 确定流体的流淌空间：考虑到苯为有毒液体，就苯走管程；冷却水较硬易结垢，所以经过处理形成去离子水后走壳程；由于管径的大小影响管内流速的的大小和管内的压强降，如选用252.5mm 的管子会导致成本增加，因此选用管规格为192mm；又苯只对一些塑料有肯定腐蚀性，对一些无机材质，如金属，陶瓷等，基本没有腐蚀性；故挑选碳钢管c) 运算定性温度，确定流体的物性参数：苯：进口温度： 80，出口温度： 35， 定性温度在此温度下的参数：冷却水：进口温度： 25，出口温度： 35， 定性温度：在此温度下的参数：d) 初步估算传热面积欢迎下载精品学习资源1. 苯
21、的流量及热负荷：2. 冷却水的用量：3. 平均传热温差：依据完全逆流运算：有，得由于平均传热温差校正系数大于0.8 ，同时壳程流量较大，故单壳程合适；故有图 5. 温度校正4. 初算传热面积：设 K=280，就估算传热面积为：欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源考虑安全系数和初估性质：e) 工艺结构和尺寸欢迎下载精品学习资源1. 管径和管内流速：选用碳钢管，取管内流速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：按单程管运算，按单程管设计，传热管太长，宜采纳多管程结构；依据设计实际情形，宜采纳标准型设计，现取传热管长 l=3m，就换热管程为：传热管总根数3. 传热管排列和分
22、程方法：由于正三角形排列法易于传热故采纳正三角形排列，取管心距，就，横过管束中心线的管数4. 壳体直径：取管板利用率为，就壳体内径为：，圆整为 500mm；5. 折流板：采纳弓形折流板，取圆缺高度为壳体内径的25%，就切去的圆缺高度为；欢迎下载精品学习资源折流板间距 B=0.15m；就折流板数块；折流板圆缺面水平装配；6. 接管：壳程流体进出口接管：取接管内流速，就接管内径为圆整后，可取管内径为 50mm；管程流体进出口接管：取管内流速为1.5，就接管内径为欢迎下载精品学习资源圆整后，可取管内径为 40mm；f) 核算欢迎下载精品学习资源1. 传热面积核算：1) 管程传热膜系数：管程流体流通截
23、面积：管程流体流速及雷诺准数分别为：2) 壳程传热膜系数：管子按正三角形排列，传热当量直径为：欢迎下载精品学习资源壳程流通截面积：壳程流体流速及雷诺准数分别为：黏度校正3污垢热阻和管壁热阻：查表得数据如下：水：碳钢导热率：苯：管壁厚度： b=0.002m4总传热系数核算：5传热面积核算：换热器实际面积：换热器的面积裕度为：欢迎下载精品学习资源传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务；2. 换热器流体阻力缺失：1) 管程阻力：式中：由，传热管相对粗糙度为 0.005 ，查莫狄图得，流速得：管程流体阻力在答应范畴之内；图 6. 莫狄图2壳程阻力：欢迎下载精品学习资源其中， 流体经管束的阻力：其中
24、， F=0.5，就：流体经过折流板缺口的阻力：其中， B=0.15m， D=0.5m，有，故，总阻力壳程流体阻力在答应范畴内；因此，换热器满意阻力要求；3. 管长与管径比：，满意要求；g) 附属结构的选型本换热器附属结构有封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等；详细附属设备的选型参照热器器设计手册P136-P190；欢迎下载精品学习资源h) 换热器主要工艺结构尺寸和运算结果一览表参数管程壳程物料名称苯水流量 /h ）5050.89792操作温度 ）57.530操作压力 MPa）0.10.1定性温度 ）57.5303密度/m ）839.5995.7定压比热 kJ/
25、 ）1.864.174粘度 mPa s）400.801导热系数 w/m）0.13550.618流速m/s ）0.50.0962对流传热系数 w/m ）592932污垢热阻 m2 / w ）1.7197 10-43.44 10-4阻力缺失 MPa）0.00640.00065热负荷 w）1174002传热总系数 w/m ）339传热平均温差 ）19.31传热面积 ）16.58设计裕度 %）13.77换热器的型式浮头式材质碳钢碳钢程数61规格mm）直径 mm）长度m）3型式换热管数目个） 排列方式144正三角形排列折流板数目 间距 mm）管心距 mm）27操作条件物性参数主要工艺性能参数设备500结
26、构弓型参19数150挡i) 符号说明英文字母：热流体质量流量，冷流体质量流量，；体积流量，；热流体定压比热容，；冷流体定压比热容，热流体进出口温差，；欢迎下载精品学习资源冷流体进出口温差，；高温端温差，；低温端温差，；热负荷，；热缺失；对数平均传热温差，；平均传热温差，；P、R因数；温度校正系数；K总传热系数，；估算传热面积，；传热面积，；管径， mm；管内径， mm；管外径， mm；管内流速， ；单程传热管数； L单程管长， m； l 传热管长， m；圆周率；管程数；传热管总根数；a管心距， mm；横过管束中心线的管数；管板利用率；D壳体内径， mm；壳程接管内径， mm；管程接管内径， mm； h圆缺高度， mm； B折流板间， mm；折流板数目；欢迎下载精品学习资源管程对流传热系数，壳程对流传热系数，管程流通截面积，；壳程流通截面积，；Re雷诺准数； Pr普朗特准数；导热系数，粘度，；当量直径， m；污垢热阻，b管壁厚度， m；估量传热面积，实际传热面积，H面积裕度；压差， Pa；串联的壳程数；结构校正系数；密度，；壳程压强降的结垢校正系数；壳程流体的摩擦系数；F校正系数；相对粗糙度；j) 参考文献3) 化工原理课程设计贾绍义 柴诚敬天津科学技术出版社4) 换热器设计手册钱颂文化学工业出版社5) 化工原理夏清天津科学技术出版社欢迎下载