化工原理(上)课程设计.docx

化工原理（上）课程设计化工原理（上）课程设计L目录2 .前言13 .设计任务23.1 课题23.2 工艺要求23.3 流程23.4 要求24 .计算结果明细表25 .计算过程35.1 选择合适的换热器35.1.1 热力学数据的获取35.1.2 计算热负荷。和4州245.1.3 计算温差与和估计传热系数K估45.1.4 估算换热面积并选择标准换热器55.1.5 计算管程压降M及给热系数名55.1.6 计算壳程压降与及给热系数465.1.7 计算传热系数Kil75.1.8 校核传热面积75.2 安排管路和选择合适的离心泵85.2.1 管径初选85.2.2 压头He85.2.3 泵的选择96 .附录96.1 相关流体的物性参数96.2 选用的管壳式换热器基本参数96.3 选用的IS50-32-200型离心泵基本性能参数97 .主要符号说明108 .设计说明119 .参考文献112.前言热交换器(heatexchanger)是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门，尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大。据统计,这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题。本设计任务书对指定有机物进行冷却选择合适的换热器，并且合理安排操作管路以及选择合适的离心泵作出详细的计算说明。3.设计任务3.1 课题管壳式换热器选型3.2 工艺要求将温度为78°C的某液态有机物冷却至60,此有机物的流量为095kHs°现拟用温度为L=ZTC的冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧的压降皆不应超过().1MPa。已知有机物在69C时的物性数据如下：p=997kgm3=0.6mPas;Cp=2.22kJ(kg);2=0.16W(m)3.3 流程管路布置如图(参考图)，已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米,(均不包括局部阻力损失)。3.4 要求(1)选用一个合适的换热器：(2)合理安排管路；(3)选用一台合适的离心泵。4.计算结果明细表项目结果单位冷却剂出口温度35循环水定性温度30热负荷37.962kW冷却水质量流量0.91kg/s并流对数平均温差37.3逆流对数平均温差38.9估算换热面积1.62m2管程流动面积0.(X)27m2管内冷却水流速0.34m/s管程给热系数2407.1W(m2)摩擦系数0.039管程压降707.9Pa壳程流动面积0.0(X)954m2壳程有机物流速0.999m/s当量直径0.0173m壳程给热系数1815.0W(m2)壳程压降30484.8Pa核算传热系数680.5W(m2)校核传热面积1.43m2冷却水流量3.312m3h总局部阻力系数18.54阻力损失1.96m压头（扬程）12.06m5.计算过程5.1 选择合适的换热器5.1.1 热力学数据的获取冷却剂：河水。从o°c及防止水中盐类析出为原则，考虑到夏季天气炎热，且G一般小于45°C。选择入口温度为"=25。出口温度为，2=35°C循环水的定性温度：口=G+G）/2=（25+35）/2=30°C有机物的定性温度：Tlll=（Tx+T2）2=（78+60）/2=69冷热两流体的温差：=69-30=39X<50C（无需考虑温度补偿换热器）两流体在定性温度下的物性数据如下物性温度f密度/7粘度比热容Cp导热系数；I流小、kgm3mPaskJ(kg0C)W(m0C)有机物（1）699970.62.220.16循环水（2）30995.70.80124.1740.61715.1.2 计算热负荷。和心2由热量衡算Q=mcp一72)=Qm2cp2(t2-)Q=qftacpi(T-T2)=0.95X2.22×(78-60)=37.962kWQ37.962ai1/qnP=7；=0.91kg/sCp2(Z2-Z1)4.174x(35-25)5.1.3 计算温差加和估计传热系数K估若并流：5=78-25=53。Cr2=60-35=25。并= / 253-25=37.325若逆流：Af=78-35=43°C2=60-25=35 243-35勿空r2加生35=38.9在相同条件下，逆流流型具有相对较大的传热温差，且无特殊要求时一般都采用逆流,以获得最大传热速率。一选择逆流根据冷、热流体流动通道的选择原则：不洁净和易结垢的液体（工业硬水）宜走管程,便于管内清洗；被冷却的流体（液态有机物）宜走壳程，便于散热。管程走循环水,壳程走有机物由表6-8,当热流体为轻油、冷流体为水时，管壳式换热器的传热系数K值大致范围是340910W(m20C)o一暂估传热系数K=600W(m2oc)5.1.4 估算换热面积并选择标准换热器Q=37.9gxl0：=163m2KJ逆600x38.9根据A估，并查表一选择下述标准换热器:公称宜径公称压力管程数管子根数中心排管数管程流通面积换热管长度换热面积DN/mmPN/MPaNnm2L/mmAZm21591.6011550.002720001.7其他相关信息：管子为正三角形排列：换热管：19mm×2m:管心距2=25r三管内冷却水流速0.91 995.7 x 0.0027Reid%p? _ 0.015x0.34x995.70.8012 XIO-3二 63385.1.5 计算管程压降及给热系数4根据标准换热器提供的参数管程流动面积A=0.0027m2=0.34s= 5.42ncpii4.174×103×0.8012×103Pr=管程给热系数ai=0.023ARePr04=0.023XX633808×5.4204=2047.lW(m2),di,0.015'f取钢的管壁粗糙度为e=0lmm,则摩擦系数寻割"信+悬丁=。39管程压降州干半(2、9957×0342=0.039×+3×1.5×1×-=707.9Pa<OJMPa(0.015)25.1.6计算壳程压降APS及给热系数4挡板间距取B=0.025m,又壳体直径D=O.159mA?=BD"1-1=0.025×0.1590.000954m2V0.025)0.95-0.000954×997=0.999m/s9A1Pl4×-×0.0252-0.785×0.019223.14×0.019=0.0173Wd/oPAi0.0173×0.999×9970.6Ul(T3=28718dcp2.22×IO3×0.6×103r=40.16壳程中有机物被冷却，=0.95壳程给热系数Iz×0.14I4=0.362Re055P户幺=0.36×°16X28718°55×8.325、X0.95deIkAvJ0.0173=1815.0W(m2)管子总数NT=I5对于正三角形排列，横过管束中心线的管子数N7c=Ll(Nr严5=1.1×1505=4壳程流动面积A2=B(D-NKdJ=0.025×(0.159-4×0.019)=0.002075m0.95997×0.002075=0.459 m/sReOd()"oP从0.019×0.459×9970.6 × W3= 14491因 ReO > 500, fo =5.ORo228 =5.O×(14491)-0228 =0.563管子排列为正三角形，F =0.5 , =1.15挡板数NzfL-I B0.025-1 = 79壳程压降/、12=必Nn(NB+1)+Nj3.5 一引卜 竽; U CuC 2x0.025Yl -U 997×0.4592=0.5×0.563×4×(79 +1)+79× 3.5 J × 1.15×= 30484.8Pa< OJMPa5.1.7计算传热系数K计污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻R外=0.000 176m 2-oOW管内侧污垢热阻R内=0.00021m2 ow取钢管壁厚S = 2xlTrn,热导率4 = 45.4W K-= 680.5W(m2oC)12x10-3+ 0.000176+ 0.00021 +2047.145.411815.05.1.8校核传热面积37.962 × IO3 680.5x38.9=1.43m2A 1 7所选换热器：A = 1.7m2, = = 1.19 ,介于L15L25之间A 计1.43一选择的换热器符合要求5.2 安排管路和选择合适的离心泵5.2.1 管径初选2=91kgs也=JL2LX3600=3.29m3hP1995.7初取水经济流速u=1.0msA=吐=0.000914m2p2u995.7x1.0.2,砧/4x0.000914八2I.1A1=4=J-=J=0.034m=34mm34mm恰为标准管径T选择外径34mm、壁厚0.4Omm的冷拔无缝钢管U=q,"2=-;=1.06ms符合经济流速范围P2-J2995.7X(X(34-0.40×2)×10-32确定管径4=34mm(壁厚0.4Omm),流速=1.06s5.2.2 压头He在水槽液面及压力表处列柏努利方程4+，=&+z+HPgPg2g取£=0.Imm,d=0.1/33.2=0.003,= 43735Re_dp-,u_0.0332×995.7x1.06e0.8012×105查莫迪图得4=0.024局部阻力：底阀1个标准90。弯头3个球心阀1个（全开）J=8.5J=O.75x3“6.4流入换热器(突然扩大)=(i-Al/A2)2=(1-0.0342/0.1592)2=0.91流出换热器(突然缩小)=0.5(1-A2/A1)=0.5(1-0.0342/0.1592)=0.48=8.5+0.75x3+6.4+0.91+0.48=18.54换热器压降AE=707.9PaHj/ L进+ L出 d=0.024×5 + 150.0332+ 18.541.062X2x9.81707.9+995.7x9.81=1.96m1, p a u2 rHt, =£- + z+ + HPig 2g20×103f 995.7 ×9.81+ 8+1.96 = 12.06m 2×9.81<7v=w£J2=1.06×-×0.03322=0.00092m3s=3.312m,/h5.2.3泵的选择输送循环水一选择常用的离心泵：清水泵根据qv和He以及IS型离心泵系列特性曲线1S50-32-200其性能参数如下：转速：1450rmin；流量：3.75m3h；扬程：13.1m；效率：33%；轴功率：0.4IkW；必需汽蚀余量：2.0m6.附录6.1相关流体的物性参数物性流小、温度/密度0粘度比热容C,导热系数;Ikgm3mPaskJ(kg°C)W(m°C)有机物（I）699970.62.220.16循环水（2）30995.70.80124.1740.61716.2选用的管壳式换热器基本参数公称宜径公称压力管程数管子根数中心排管数管程流通面积换热管长度换热面积DN/mmPNZMPaNnm2L/mmAZm21591.6011550.002720001.7注：管子为正三角形排列：换热管：19mm×2mm：管心距0=25n6.3选用的IS5032200型离心泵基本性能参数转速流量扬程效率轴功率必需汽蚀余量n(rmin)m3hH/m%ZkW(NPSH)rZm14503.7513.1330.412.07.主要符号说明符号意义计量单位A面积2rCP定压比热容kJ(kgoC)d管径mg重力加速度ms2Hf单位重量流体的机械能损失mI管路长度mm质量kgP虚拟压强PaP流体压强PaPa大气压PaB挡板间距mt温度U流速m/s%体积流量m3sqm质量流量Kg/s绝对粗糙度mm局部阻力系数摩擦系数动力黏度mPasP密度Kgm3He有效压头mD换热器壳径mf校正系数fo壳程流体摩擦系数K传热系数W(m2K)Q热流量kWa给热系数W(m2K)热导率W(mK)无量纲数群Pr普朗特数汕Re雷诺数也48.设计说明（1）需要冷却的有机物走壳程，冷却剂（循环水）走管程;（2）采取逆流的方式；（3）换热器说明：A.选用019mmX2mm的管子。B.本设计中采用2米长的换热管。C.管子的排列形式：本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。D.采用单管程。E.挡板的间距与管径有关，取挡板间距B=0.025m（4）管路布置如图所示：（5）管路选择外径34mm壁厚0.4Omm的冷拔无缝钢管，至少使用下列零件：底阀1个；标准90。弯头3个；球心阀1个。（6）由于计算所得有效压头为12.06m,流量为3.312nh,根据离心泵特性曲线和工作点，选取型号为IS50-32-200的清水泵。9.参考文献1陈敏恒等编化工原理（上册）.3版.北京：化学工业出版社，20062陈英南，刘玉兰编.常用化工单元设备的设计.上海：华东理工大学出版社，2005