甲苯冷卻器的化工原理設(shè)計(jì)

1、西安文理學(xué)院化工化工原理課程設(shè)計(jì) 甲苯冷卻器的設(shè)計(jì) 系 院 名 稱 化學(xué)工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名 張 偉 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 0903140243 專 業(yè) 班 級(jí) 14級(jí)能源1班 指 導(dǎo) 老 師 張 杏 梅 提 交 時(shí) 間 2016 .11.7目 錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書31.1 設(shè)計(jì)目的31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)33.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容方案32 工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)42.1 估算傳熱面積42.1.1 基本物性數(shù)據(jù)查取42.1.2 熱負(fù)荷計(jì)算42.1.3 確定流體流徑52.1.4 計(jì)算平均溫度差52.1.5 選取K值，估計(jì)傳熱面積52.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸52.3 初選換熱器型號(hào)62.4 換熱器核算 72.4.1 熱流量

2、核算82.4.2 壁溫核算92.4.3 換熱器內(nèi)流體流動(dòng)阻力103 設(shè)計(jì)結(jié)果113.1 換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)果12主要符號(hào)說明13參考文獻(xiàn)13 姓名：張偉（地址：西安文理學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，西安郵編：7160065）1 設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)目的 在工廠實(shí)際生產(chǎn)中，由于甲苯產(chǎn)品的溫度較高，需要設(shè)計(jì)裝置來進(jìn)行冷卻。通過對(duì)甲苯產(chǎn)品冷卻的管殼式換熱器設(shè)計(jì)，了解換熱器的種類，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，并且能夠根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋停瑫r(shí)還能根據(jù)傳熱的基本原理，選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力。最后根據(jù)算結(jié)果繪制設(shè)備主體圖和部件圖，掌握一些基本繪圖知識(shí)。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù)：1

3、、處理能力：5 萬噸甲苯/年 2、設(shè)備型式：列管式換熱器 操作條件： 1、甲苯：入口溫度90，出口溫度40。 2、冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度25， 出口溫度35。 3、允許壓強(qiáng)降不大于90kPa。 4、每年按300天，每天24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。設(shè)計(jì)要求： 1、完成換熱器工藝設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2、繪制設(shè)備條件圖； 3、編制設(shè)計(jì)說明書。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容方案 1、選擇設(shè)計(jì)方案：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的條件和要求，通過對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)的調(diào)查或現(xiàn)有的資料的分析對(duì)比，選擇合理的流程方案和設(shè)備類型，初步確定主要設(shè)備的型式，并進(jìn)行計(jì)算。 2、主要設(shè)備的選型和計(jì)算：包括參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4、3、主體設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：包括主體圖（工藝尺寸、技術(shù)特性等）以及部分部件圖 4、編寫設(shè)計(jì)說明書：包括標(biāo)題頁；摘要；目錄；前言；任務(wù)書工藝計(jì)算及主要設(shè)備計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果主要符號(hào)說明參考書目2 工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)2.1 估算傳熱面積 2.1.1 基本物性數(shù)據(jù)查取 甲苯的定性溫度=60 水的定性溫度 =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)表2.1 甲苯、冷卻水的物性參數(shù)甲苯在65下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)循環(huán)冷卻水在30下的物性數(shù)據(jù)密度定壓比熱容導(dǎo)熱系數(shù)粘度h=873 kg/m3Cph=1.57kJ/(kg·)h=0.1273W/(m·)h=0.000454Pa·s密度

5、定壓比熱容導(dǎo)熱系數(shù)粘度c=995.7 kg/m3Cpc=4.174kJ/(kg·)c=0.6176W/(m·)c=0.000801Pa·s2.1.2 熱負(fù)荷計(jì)算甲苯質(zhì)量流量 忽略熱損失，冷卻水耗量2.1.3 確定流體的流徑 該設(shè)計(jì)任務(wù)的熱流體為甲苯，冷卻水為自來水，為使甲苯通過殼壁面向空氣中散熱，提高冷去效果，令甲苯走殼程，水走管程。2.1.4 計(jì)算平均溫度差 暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時(shí)平均溫度差 甲苯 冷卻水 15 2.1.5 選K值，估計(jì)傳熱面積 參照表格，取，則 2.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸 由于兩流體溫度差，可選用固定管板式換熱器。 1、管徑和管內(nèi)流速 選

6、用 25×2.5mm較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼10)，取管內(nèi)流速u0= 0.4m/s。 2、管程數(shù)和傳熱管數(shù) 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=4.5m，則該換熱器的管程數(shù)為=1,每 層管數(shù)為30根。 由上式計(jì)算可知，平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大， 故取單殼程合適。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。 取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.25(mm) 取整t=32(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

7、）。 各程相鄰的管間距為32mm。4、殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下列公式計(jì)算。 , 管子按正三角形排列 則殼體內(nèi)徑為 按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取D=200mm。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 折流板間距 ,則 折流板數(shù) 6、其他附件 本換熱器傳熱管外徑為25mm故其拉桿直徑為10，拉桿數(shù)為4個(gè)。殼程入口處， 應(yīng)設(shè)置防沖擋板。7、接管 殼程流體進(jìn)出口接管： 取接管內(nèi)甲苯流速為u10.4m/s，則接管內(nèi)徑為： 圓整后可取管內(nèi)徑為70mm。 管程流體進(jìn)出口接管： 取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u0.7 m/s，則接管內(nèi)徑為 圓整后可取管內(nèi)徑為9

8、0mm。2.3 初選換熱器型號(hào) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果及固定管板式換熱器的系列標(biāo)準(zhǔn)，初選換熱器型號(hào)為 G400II-1.6-31.7。主要參數(shù)如下： 外殼直徑 213mm 公稱壓力 2.5MPa 管子尺 管子數(shù)n 30 管長(zhǎng)L 4500mm 管中心距 32mm 管程數(shù)Np 1 管子排列方式 正三角形 管程流通面積 0.0119m2 采用此換熱面積的換熱器，要求過程的總傳熱系數(shù)為： 2.4 換熱器核算2.4.1 熱流量核算 a 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，用克恩法計(jì)算 當(dāng)量直徑，由正三角排列得： 殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：普朗特?cái)?shù)：粘度校正： b 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：管程流體流通截面積：管程流體

9、流速及其雷諾數(shù)分別為： 普朗特?cái)?shù)： c 污垢熱阻和管壁熱阻 查有關(guān)文獻(xiàn)知可取：管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.000172 m2·/W管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.000170m2·/W管壁熱阻可忽略 d 總傳熱系數(shù)K 故所選擇的換熱器是合格的，安全系數(shù)為2.4.2 壁溫核算 液體的平均溫度和分別 傳熱管平均壁溫 殼體壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即=65 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為： t=65-33.3=31.7 該溫差較小，無需溫度補(bǔ)償裝置。由于殼程換熱器流體壓力較小，因此，選用 固定管板式換熱器較適宜。2.4.3 換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力a 管程流體阻力 ，其中 由Re=30

10、194，傳熱管相對(duì)粗糙度0.2/0.02=0.01，查莫狄圖得=0.04， 流速ui=1.2145m/s b 殼程阻力 則 則 ，其中, 則 計(jì)算結(jié)果表明，管程和殼程的壓力降均能滿足設(shè)計(jì)條件。4 設(shè)計(jì)結(jié)果4.1 換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)果 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表表4.1參數(shù)管 程殼 程流率/（kg/s）23.8017.54進(jìn)/出溫度/25/3590/40壓力/ kPa9090物性定性溫度/3065.5密度/（kg/m3）995.7809比熱容/（kJ/（kg·K）4.1741.890粘度/（Pa·s）0.0008010.000355熱導(dǎo)率/w/（m·K

11、）0.61760.145普朗特?cái)?shù)5.414.63設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式固定管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm213殼程數(shù)1管徑/mm25×2.5管心距/mm32管長(zhǎng)/mm4500管子排列管數(shù)目/根30折流板數(shù)/個(gè)29傳熱面積/m214.14折流板間距/mm100管程數(shù)1材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）1.620.82表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/（m2·K）67411353污垢阻力/（w/m2·K）0.0001700.000172阻力/Pa8780220456熱流量/kW995傳熱溫差/K48.29傳熱系數(shù)/w/（m2·K）764主要符號(hào)說明：P壓力，Pa ；Q傳熱速

12、率，W；R熱阻，m2·K/W；Re雷諾準(zhǔn)數(shù)；S傳熱面積，m2；t冷流體溫度，；T熱流體溫度，；u流速，m/s；質(zhì)量流速，kg/h；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2·K)；有限差值；導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；粘度，Pa·s；密度，kg/m3；校正系數(shù)R轉(zhuǎn)速，n/(r/min)H揚(yáng)程，mtm平均傳熱溫差，A實(shí)際傳熱面積，m2Pr普郎特系數(shù)NB板數(shù)，塊K總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)體積流量Nt管數(shù)，根Np管程數(shù)l管長(zhǎng)，mKC傳熱系數(shù)，W/(m·K) 參考書目1 伍越寰,沈曉明.有機(jī)化學(xué)M.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社. 2 柴誠(chéng)敬,張國(guó)亮.化工原理M（第二

13、版）上、下冊(cè). 高等教育出版社. 3 陳聲宗. 化工設(shè)計(jì)M（第二版）化學(xué)工業(yè)出版社. 4 陳敏恒,叢德茲.化工原理M（第三版）上、下冊(cè).化學(xué)工藝出版社. 5 高俊亭,畢萬全.工程制圖M （第三版）高等教育出版.謝辭通過這次設(shè)計(jì)對(duì)我們獨(dú)自解決問題的能力也有所提高。在整個(gè)過程中，我查閱了相關(guān)書籍及文獻(xiàn)，取其相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)應(yīng)用到課設(shè)中，而且其中有很多相關(guān)設(shè)備選取標(biāo)準(zhǔn)可以直接選取，這樣設(shè)計(jì)出來的設(shè)備更加符合要求。這次課設(shè)的書寫中對(duì)格式的要求也很嚴(yán)格，在老師的指導(dǎo)下我們按照畢業(yè)設(shè)計(jì)的格式要求完成課設(shè)。這就為我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。     在此感謝我們的張杏梅老