化工原理课程设计甲苯冷却器的设计.docx
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化工原理课程设计甲苯冷却器的设计
学号
化工原理课程设计
说明书
专业：
化学工程与工艺
学生班级：
级班
学生姓名：
指导教师：
201年月日
目录
一、设计任书…………………………………………………………….1
二、工艺流程草图及说明………………….............................................5
三、工艺计算及主要设备设计…………….............................................6
1、确定设计方案……………………………………………………….6
1.1选择换热器的类型…………………………………………………6
1.2流程安排……………………………………………………………6
2、确定物性数据……………………………………………………….6
3、估算传热面积……………………………………………………….7
3.1热流量………………………………………………………………7
3.2平均传热温差………………………………………………………7
3.3传热面积……………………………………………………………7
3.4冷却水用量…………………………………………………………7
4、工艺结构尺寸……………………………………………………….7
4.1管径和管内流速……………………………………………………7
4.2管程数和传热管数…………………………………………………7
4.3传热管排列和分程方法……………………………………………8
4.4壳体内径……………………………………………………………8
4.5折流板………………………………………………………………8
4.6其他附件……………………………………………………………8
4.7接管…………………………………………………………………8
5、换热器核算………………………………………………………….9
5.1热流量核算…………………………………………………………9
5.1.1壳程表面传热系数……………………………………………9
5.1.2管内表面传热系数……………………………………………9
5.1.3污垢热阻和管壁热阻…………………………………………9
5.1.4传热系数KC………………………………………………….10
5.1.5传热面积裕度………………………………………………..10
5.2换热器内流体的流动阻力………………………………………..11
5.2.1管程流体阻力………………………………………………..11
5.2.2课程阻力……………………………………………………..11
四、辅助设备的计算和选型…………………………………………...11
1换热器入水管的规格………………………………………11
2从河边至工厂的管子的规格…………………………………12
3离心泵1的规格………………………………………………….12
4换热器处离心泵2的规格……………………………………….13
5蓄水池、凉水塔的设计…………………………………………14
五、设计结果设计一览表……………………………………………...15
六设计评述…………………………………………………………...17
七主要符号说明……………………………………………………...19
一、化工原理课程设计任务书
（换热器的设计）
（一）设计题目：
甲苯冷却器的设计
（二）设计任务及操作条件：
题目
工厂因工艺扩建，需设计装置来冷却甲苯车间的产品甲苯。
试根据以下工艺要求设计合理的输水工艺（管件布置和输送机械的选择）及合适的换热器。
有关工艺和要求如下。
1该厂附近有一条小河，但夏季有2——4个月的枯水期，一直改长距离河岸最短约为2公里，该厂与河液面海拔高度约为4——6米。
2设计换热器放置距地面7.5米相应管件与直管总长依据所测绘工艺流程图计算水管的直管水道的直管阻力系数取0.018。
3进水管的直管阻力系数取0.025。
设计要求：
1换热器管壳层压降均不超过0.1atm.
2水的入口温度为25℃。
3甲苯温度从70℃下降为55℃产量21.6万吨。
（三）设计项目
2选择适宜的列管换热器并进行核算。
3画出工艺设备图及列管布置图。
二、工艺流程草图及说明
工艺流程草图
主要说明：
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。
如图，甲苯经泵抽上来，经加热器加热后，再经管道从接管C进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。
两物质在换热器中进行换热，甲苯从70℃被冷却至55℃之后，由接管D流出；循环冷却水则从19℃变为15℃，由接管B流出。
三、工艺计算及主要设备设计
1、确定设计方案
1.1选择换热器的类型：
两流体温度变化情况：
甲苯进口温度为70℃，出口温度55℃，冷流体进口温度25℃，出口温度35℃；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和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式换热器。
1.2流程安排:
由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，应使循环水走管程，甲苯走壳程。
选用ф25×2.5的碳钢管（换热管标准：
GB8163）。
2、确定物性数据：
2.1定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
管程流体的定性温度为：
（℃）
甲苯的定性温度为：
（℃）
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
甲苯在62.5℃下的有关物性数据
循环冷却水在27.5℃下的物性数据
密度
ρo=834kg/m3
密度
ρi=995.7kg/m3
定压比热容
cpo=1.80kJ/（kg·K）
定压比热容
cpi=4.174kJ/（kg·K）
导热系数
λo=0.147W/（m·K）
导热系数
λi=0.6176W/（m·K）
粘度
μo=0.00063Pa·s
粘度
μi=0.000836Pa·s
3、估算传热面积
3.1甲苯流量Ws=
KJ/S
3.2热流量
Qo=Wscp0Δt0=28116×1.80×（70-55）/3600=210.87kJ/h=210.87（kW）
3.3平均传热温差
（℃）
3.4传热面积
假设K=300W/（m2·K）,则估算面积为：
AP=Q0/（K×Δtm）=210.87×103/（300×34.76）=20.22（m2）
3.5水的冷却量
（kg/s）
4、工艺结构尺寸
4.1管径和管内流速
选用ф25×2.5mm较高级冷拔传热管（碳钢10），取管内流速ui=0.75m/s
4.2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）
按单程管计算，所需的传热管长度为：
≈6.0（m）
所以按双管程设计即可，L=3m
NT=86（根）
4.3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，隔板两侧采用正三角形排列。
（见化工过程及设备课程设计书本图3-13）取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=32（mm）
隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22（mm）。
各程相邻的管心距为44mm。
管束的分程方法，每程各有传热管43根，其前后箱中隔板设置和介质的流通顺序按化工过程及设备课程设计书本图3-14选取。
4.4壳体内径
采用管程结构，则壳体内径为
D=1.05t
按卷制壳体的进级挡，圆整可取D=400mm。
4.5折流板
采用弓形折流板，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
h＝0.25×400=100（mm）
折流板间距B=0.6D,则B=0.6×400=240mm。
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=3000/300-1=9（块），
折流板圆缺面水平装配见化工过程及设备课程设计书本图3-15。
4.6其他附件
拉杆数量与直径按化工过程及设备课程设计书本图表3-9选取，本换热器传热管外径为25mm故其拉杆直径为ф16，拉杆数为8个。
壳程入口处，应设置防冲挡板。
4.7接管
壳程流体进出口接管：
取接管内甲苯流速为u＝2.0m/s，则接管内径为：
D1=
（m），圆整后可取管内径为80mm。
管程流体进出口接管：
取接管内循环水流速u＝1.5m/s，则接管内径为
（m）=90mm。
5.换热器核算
5.1热流量核算
5.1.1壳程表面传热系数，用克恩法计算：
当量直径，由正三角排列得：
de=
（m）
壳程流通截面积：
=0.018（m2）
壳程流体流速及其雷诺数分别为：
u0=
（m/s）
Re0=
普朗特数：
Pr=
；粘度校正：
h0=
〔W/（m2·K）〕
5.1.2管内表面传热系数：
hi
管程流体流通截面积：
Si=0.785×0.022×43=0.0135（m2）
管程流体流速及其雷诺数分别为：
ui=
=0.738（m/s）
Rei=
普朗特数：
Pr=
hi=0.023×
〔W/（m2·K）〕
5.1.3污垢热阻和管壁热阻查有关文献知可取：
管外侧污垢热阻R0=
m2·K/W
管内侧污垢热阻Ri=
m2·K/W
管壁热阻查有关文献知碳钢在该条件下的热导率为50W/（m·K）。
管壁厚度b=0.0025m
5.1.4计算传热系数KC：
KC=
=427〔w/（m·℃）〕
计算传热面积AC:
AC=Q/（KC×△tm）=210870/（427×34.76）=14.207（m2）
该换热器的实际传热面积A：
A=
=3.14×0.025×3×86=20.253（m2）
5.1.5该换热器的面积裕度为：
H=
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
5.3换热器内流体的流动阻力
5.3.1管程流体阻力计算公式如下：
△Pt=（△Pi+△Pr）NSNpFS
其中NS=1,Np=2，FS=1.4;△Pi=
由Re=17889，传热管相对粗糙度0.2/20=0.01，查莫狄图得
=0.043，流速u=0.751m/s，ρ=995.7kg/m3，故
△Pi=
（Pa）；
△Pr=
（Pa）
△Pt=（1758+842）×1×1.4=3640（Pa）<104Pa
管程流体阻力在允许范围之内。
5.3.2壳程阻力
△PS=（△P0+△Pi）FSNS
其中FS=1.15；NS=1；△P0=Ff0NTC（NB+1）
;
F=0.5,f0=5×9824-0.228=0.61,NTC=1.1
=10.2
NB=9;u0（按流通面积S0=B（D-NTCd0）计算）=0.41m/s则流体流经管束的阻力：
△P0=0.5×0.61×10.2×（9+1）×834×0.412/2≈2181（Pa）
流体流过折流板缺口的阻力
△Pi=NB（3.5-2B/D）
其中B=0.3m;D=0.4m；
△Pi=9×（3.5-2×0.3/0.4）×834×0.412/2≈1262（Pa），
则总阻力：
PS=2181+1262=3443（Pa）<104Pa。
故壳程流体的阻力也适宜。
（四）、管道设计
1、换热器入水管的规格
由公式
选用管径为
的无缝钢管。
（见《化工原理》上册天津大学出版社附录23）
与该管相连的离心泵的入水管可选管径为
的无缝钢管。
2、从河边至工厂的管子的规格
由于工厂距河边2km,较远，再加上考虑地形和经济因素，决定初步采用地下铺设方式。
由于考虑到当地的冰冻线的深度，决定将管路埋在地面以下0.5m处。
从河边抽水到蓄水池中，管子管径一般比较大，可选用管径为
的无缝钢管，与该管相连的离心泵的入水管径可取
的无缝钢管。
从河边至蓄水池的管路中应设置一些管路，以达到热补偿的作用，否则管子受热易爆裂。
取河边至工厂的管路全长为2100m。
3、河边离心泵1的规格
为满足工厂用水需要，取水流量Q=37360kg/h
则水流速
管路阻力：
=
=24.2m
因为该厂与河液面海拔高度差约
--6m
所以所选泵的压头H应不低于24.2+6=30.2m
参考《化工原理》上册天津大学出版社附录24，可选型号IS80-65-160的离心泵。
其参数如下：
转速2900r/min,流量50
扬程32m，效率73%，轴功率5.97kw,电机功率7.5kw，必需气蚀量2.5m,质量（泵/底座）为48/66kg.
其允许安装高度：
其中
为水的饱和蒸汽压，为4247.4Pa
（见《化工原理》上册天津大学出版社附录8）
通常为安全起见，离心泵的实际安装高度应比允许安装高度低0.5-1m
4、换热器处离心泵2的规格
取管路总长为150mm（含弯头、阀门的当量长度）；
压头损失：
=..
又因换热器离地面7.5m
故所需压头不应小于7.5+0.64=8.14m
参考《化工原理》上册附录24，可选用型号为IS80-65-125的离心泵，其参数如下：
转速2900r/min,流量50
扬程20m，效率75%，轴功率3.63kw,电机功率7.5kw，必需气蚀量2.5m,质量（泵/底座）为48/66kg.
其允许安装高度：
=
=7.2m
通常为安全起见，离心泵的实际安装高度比允许高度低0.5-1m
5、蓄水池、凉水塔的设计
（1）、蓄水池设计
考虑对工厂内土地利用情况和地下水出水深度，确定修建容积为
的长方形蓄水池，深5m,长10m,宽10m。
（2）凉水塔设计
凉水塔可建成两层的楼房状，但其高度应低于换热器的高度。
水从楼顶喷洒而下，至楼底再汇集，然后通过管道流回蓄水池。
此时不用水泵，而是通过水位差使循环水达到降温并最终流回蓄水池的目的。
五、设计结果设计一览表
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表
参数
管程
壳程
流率/（kg/s）
10.10
7.81
进/出温度/℃
25/30
70/55
压力/MPa
≤0.1
≤0.1
物
性
定性温度/℃
27.5
67.5
密度/（kg/m3）
995.7
834
定压比热容/（kJ/（kg·K））
4.174
1.80
粘度/（Pa·s）
0.000836
0.00063
热导率/〔w/（m·K）〕
0.6176
0.147
普朗特数
5.65
7.7
设
备
结
构
参
数
形式
管层式
台数
1
壳体内径/mm
400
壳程数
1
管径/mm
ф25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
3000
管子排列
△
管数目/根
86
折流板数/个
9
传热面积/m2
20.22
折流板间距/mm
300
管程数
2
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.751
0.41
表面传热系数/〔w/（m2·K）〕
3583
764
污垢阻力/（w/m2·K）
0.00068788
0.00017197
阻力/Pa
5306
2788
热流量/kJ/S
210.87
传热温差/K
传热系数/〔w/（m2·K）〕
427
裕度/%
1.43
2管道设计与离心泵设计规格
设备参数
离心泵1
离心泵2
型号
IS80-65-160
IS-80-60-125
转速r/min
2900
2900
流量m3/h
50
扬程m
32
20
效率%
73
75
轴功率kw
5.97
3.63
电机效率kw
7.5
7.5
必须汽蚀余量m
2.5
3.0
质量（泵/底座）kg
48/66
44/46
离心泵1出水管规格
Ф121×7mm
离心泵1进水管规格
Ф121×6mm
离心泵2出水管规格
Ф146×9mm
离心泵2进水管规格
Ф155×10mm
离心泵1允许安装高度
7.4m
离心泵2允许安装高度
7..76m
蓄水池大小
5m×10m×10m
六、设计评述
本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。
下面就是对本次设计的一些评述。
本设计所需要的换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，故本次设计确定选用浮头式换热器。
易析出结晶、沉淀、淤泥及其他沉淀物的流体，最好通入比较容易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，不会产生热效应力。
对于浮头式换热器，一般易在管内空间进行清洗。
所以选择浮头式换热器较合适。
本设计选择了冷却水走管程，煤油走壳程的方案。
由于本设计所要冷却的煤油的流量不是很大，故选择所需的换热器为单壳程、单管程，可以达到了设计的要求，且设计的列管式换热器所需的换热面积较合适，计算得的面积裕度也较合适，这样所损耗的热量相对来说不会很大。
至于本设计能否用在实践中生产，或者生产的效率是否会很低，这些只有在实践中才能具体的说明。
通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。
了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。
通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。
通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。
但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。
七、主要符号说明
P——压力，Pa;Q——传热速率，W；
R——热阻，㎡·K/W；Re——雷诺准数；
S——传热面积，㎡；t——冷流体温度，℃；
T——热流体温度，℃；u——流速，m/s;
——质量流速，㎏/h;
——表面传热系数W/（㎡·K）;
——有限差值；
——导热系数，W/（m·K）;
——粘度，Pa·s;
——密度，㎏/m3;
——校正系数。
r——转速，n/（r/min）
H——扬程，m
——必须汽蚀余量，m
A——实际传热面积，
Pr——普郎特系数
NB——板数，块K——总传热系数，W/（㎡·K）
——体积流量Nt——管数，根
Np——管程数l——管长，m
KC——传热系数，W/（m·K）△tm——平均传热温差，℃
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