化工原理课程设计--水冷却25%甘油的列管式换热器的设计.docx

水冷却25%甘油的列管式换热器的设计目录1说明书21.1 设计题目21.2 设计条件31.3 设计任务32设计方案简介32.1 选择换热器的类型32.2 管程安排32.3 流向的选择33流体物性的确定43.1 流体定性温度的确定43.2 定性温度下流体的物性44工艺计算及主体设备设计计算及选型44.1 计算热负荷和冷却水量54.2 计算两流体的对数平均温度（暂按单壳程、多管程进行计算）54.3 初选换热器规格54.4 折流板65核算总传热系数65.1 管程传热系数a265.2 壳程传热系数四75.3 污垢系数85.4 总传热系数K85.5 传热面积裕度85.6 管壁温度人86压力损失的计算96.1 管程的压力损失96.2 壳程的压力损失97辅助设备的计算及选型97.1 管箱97.2 封头107.3 旁路挡板107.4 接管107.5 导流筒107.6 放气孔、排气孔108设计结果一览表119对设计的评述12参考文献131说明书用水冷却25%甘油的列管式换热器的设计1.2 设计条件(1)甘油处理量：Wc=58960kgh>进口温度：100,出口温度：40、压强降：VIOI.3kPa(2)冷却水进口温度：25,出口温度：35、压强降：<101.3kPa1.3 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。2设计方案简介2.1 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Io(TC出口温度40;冷却流体(水)进口温度25C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。2.2 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。2.3 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O故选择逆流为流向。3流体物性的确定3.1 流体定性温度的确定甘油的定性温度为T=二旦=10°+4°=7022水的定性温度为殳="土生=30C22温度差为At=TT=70-30=40°C3.2 定性温度下流体的物性查表可知，在定性温度70时，100%甘油的比热容为2.620KJ(kg.°C),水的比热容为4.187KJ/(kg.°C),甘油的热导率为0.286W(m.K),水的热导率为0.667W(m.K),30时水的比热容为4.187KJ(kg.°C),水的热导率为0.617lW(m.K)o在定性温度下25%甘油的比热容为：CP=CP油X0.25+CP水X0.75=2.62×0.25+4.187×0.75=3.80KJ(kg.°C)1A=勺区+心(1一%)-1.4打(1一%)(公一勺一0.2)-0.0014%(1%)(720)=0.286×0.25+0.667×(1-0.25)-1.4×0.25×(1-0.25)(0.667-0.286-0.2)-0.0014×0.25X0.75X50=0.515W(m.K)%八Lk分别为25%甘油水溶液、甘油、水的热导率PH为甘油水溶液的质量分数，TmiX为混合甘油的溶液的温度具体各个温度下的各个物质的物性参数如下表：表一流体T/(Kgm3)/Pa.sCpKJ(kg.)W(m.)甘油701228.3556.5*1OT2.6200.286水70977.80.4061*1034.1870.667水30995.70.8007*1034.1780.61725%甘油701040.440.7225*1033.800.5154工艺计算及主体设备设计计算及选型4.1 计算热负荷和冷却水量热负荷Q=q(1一笃)=16.378×3.8×IO3×(100-40)=3734184V3734184= 89.473 Kg/s冷却水量2=%，(Ti-T2)=。2-G即cp2×(t-t2)4.178×105×(35-25)4.2 计算两流体的对数平均温度（暂按单壳程、多管程进行计算）r,l _(- 一幻- Tl) _ (I(X) -35)-(40-25) 而逆一一一ln40-25= 34.10CR = X =竺上”=6p=0133tl 3525图1壳侧单程、管侧2程或2n程的换热器温差修正系数由上图可查得温度修正系数e=0.925>0.8合理，故可用单壳程。矫正后的温度=Z”诞=0.925X34.10=31.54°C4.3 初选换热器规格设总传热系数Ko=513W(>oQ,故所需要传热面积为= 230.79wz2Q3734184K°Af513×31.54据此，由换热器系列标准选定换热器，相关参数如下表：壳径(mm)1100管子直径(mm)25x2.5公称压强MPa2.5管长(m)4.5管程数(N)4管子总数(n)716换热管材料碳钢管管子排列方法正方形斜转45°管程流通面积(in?)0.0562表二BES1100-2.5-243.4-4I型浮头式换热器25根据上述所选换热器，其总传热面积可以查得为，则在此条件下总传热面积K = -A×t3734184243.4×31.54= 486.4W(zn2oC)4.4 折流板本设计中采用圆缺形挡板，挡板切口高度与直径之比一般是0.15飞.45之间,且常见的是0.20和0.25这两种，故选用0.25型。即挡板高度人=0.25x1100=275/%/挡板间距B=150mmt折流挡板数乂=至-1=29块。cB0.155核算总传热系数5.1管程传热系数%由图表一可知30时水的物性常数0水=995.7=0.617W(m,oC)；出=252x2.5=20/用,2=4.187KJ(.oC)/=0.8007×103Pt75.每程管程的侧面积：At=-d2-=-×0.022X=0.056川'4N44管程冷却水的体积流量：/=纭=色丝=0.0899/3sp995.79管程冷却水流速：%=2=鳍更=L60而s(0.5,3)之间，故符合要求；A,0.056Re=也e=%沙丝孕2=39793.18KXXX),故管程内流体运动属于湍0.8007×103流区对于管程中的冷却水来说其被加热，故管程传热系数2=0.023X(也产×(2产=0.023竺X(竺出”字产X(4.178x0.8007产=66762y酒2J20.02O.8OO7×1O30.6175.2壳程传热系数四取管心距为t=53.28加o则流体通过管间最大面积为Ne+120+1SmaX=以1-，)=0.15×l.ll×(l-)=0.07360.05328qn,=pqv.=>qv.=_j57n3/srt,1,v,p1040.44qmax00157=0.213n5(0.2,1.5),符合要求0.0736管群排列方式为正方形斜转45°,管群当量直径为由4(r2-J22)4×(0.053282-×0.0252)dt,=支一=-4=0.120md,%X0.025SJl20x0.213x040=36792.2'0.7225×W3nc3.8×103×0.7255×103Pr=-l-=5.350.515壳程中0.25%甘油被冷却，故取(K严=0.95,故4ra=0.36×(±)(R,严5x(pr)3×(JL)=0.36××(36792.2)055×(5.35)7×0.954，,w0120=Ilo7.4W(OC)5.3 污垢系数得查阅相关资料可得，管内外的污垢热阻分别为Rsi=0.000342/./wRs=0.000172w2oCw5.4 总传热系数KDDdlI41cnnneCnnnm。您10.025+RS+R.+L+0.000172+0.000342X+XW"d2a2d21107.40.026676.260.02=591.Sm2oCw5.5 传热面积裕度Ai-3734184=2005"4l=纪”=Ll51(1.15J.25)面积裕度符合要求591.8x31.54Aif.200.055.6 管壁温度小Tax-ta170×1119.12+30×6676.26_.0r>"一a1+a21119.12+6676.26根据相关资料查得35.74C时25*甘油的粘度为4=5.399x10-34.S,7化时甘油的粘度为=3.47X10-3'.$。对于壳体:3.47 × 10 Q1415.39910 3 ；=0.940 0.95故壳体壁温可近似等于壳体流体的定性温度即，壳体壁温和传热管壁温温差*=T-h.=70-35.74=34.26oC,该温差较大，需要温度补偿装置，故选用浮头式比较合理。6压力损失的计算6.1 管程的压力损失设管壁粗糙度为£=0.2"%,则相对粗糙度为£=丝=0(X)8,d225Re=39793.18根据摩擦系数4与雷诺数Re及相对粗造度上的关系图查得a4=0.038,管子排列方式为正方形斜转45°,其中/=1.4,N=4Ini24SQQS7x162pz=(-+3)V-=(0.0038×+3)×1.4×4×：=27.5KPaaO1.3KPad220.022,符合要求。6.2 壳程的压力损失M=/¾Mc(N+l)+N(3.5普)卜耳，其中N=29,n=716,N7c=119()°=31.84,F=O.4v=1.15,y0=5.0Rer0228=5.0x(36792.2)-0228=0.454<”八一olox/2八CCSU2x0.151IlU995.7×0.2132pv=0.4X0.454×31.84×(29÷l)+29×(3.5)×1.15×=6.94KPa10L3KP«符合要求。7辅助设备的计算及选型7.1 管箱因为D=I100mm,在IloonImWD,所以应选选封头管箱。7.2 封头因为D2400m11b所以采用圆形封头。7.3 旁路挡板因为D=I100mm,在800mm120Omm之间，所以旁路挡板数量选3对。7.4 接管管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u=2.0ms,则接管内径为4=抨=后画47995.7=0239,=239,加，圆整后可取管径为25ImmX6.Omm壳程流体进出口接管：取接管内25%甘油流速U2=L5ms,则接管内径为,瓯4×16.38÷1040C1l,加2»15万圆整后可取管内径为6122mmX3.Omm7.5 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。7.6 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。8设计结果一览表表3设计结果一览表参数管程壳程流率(kgs)89.47316.378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)997.051040定压比热容/kj/(kgK)4.1783.80粘度/(Pas)0.8007X1030.7225X103热导率(WmK)0.61710.515普朗特数6.075.35设形式浮头式壳程数1壳体内径mmHOO台数1管径mm25×2.5管心距mm35管长mm4500管子排列正方形斜转45。管数目/根716折流板数/个29中心排管数NC21管程流通截面积Ai11)20.0562传热面积11f243.4折流板间距mm150管程数4材质不锈钢主要计算结果管程壳程流速/(ms)1.600.331表面传热系数/W/(m2k)6676.261275.10污垢热阻/(mikW)0.0001720.000352阻力/KPa82.4322.45传热系数/W/(m2K)638.4裕度/%24.49对设计的评述知识必须运用到实践中去，本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设计。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算,再到CAD图纸绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。我还要感谢老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。参考文献1杨祖荣，刘伟，刘丽英.化工原理M.北京：化学工业出版社，2014.141-166.2钱颂文.换热器设计手册M.北京:化学工业出版社,2002.89-93.3李功样，陈兰英，崔英德.常用化工单元设备的设计M.上海：华南理工大学出版社，2006.25-36.4刘光启，项曙光，马连相，等.化学化工物性数据手册有机卷M.北京：化学工业出版社，2010.375-397.5吴德荣.化工工艺设计手册M.北京：化学工业出版社，2009.595-666