华东理工化工原理优秀课程设计.docx

华东理工大学级化工原理课程设计温乐斐 10103638 复材101一序言 1.换热器相关说明换热器（heat exchanger），是将热流体部分热量传输给冷流体设备，又称热交换器。是进行热交换操作通用工艺设备。被广泛应用于化工、石油、动力、食品及其它很多工业部门通用设备，在生产中占相关键地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用愈加广泛。换热器种类很多，依据使用目标可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；依据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；尤其是依据冷、热流体热量交换原理和方法基础上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。据统计,这类换热器占总用量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可靠性和广泛适应性,在长久操作过程中积累了丰富经验,其设计资料比较齐全,在很多国家全部有了系列化标准。多年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器挑战,但因为管壳式热交换器含有结构简单、牢靠、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器现在仍是化工、石油和石化行业中使用关键类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。怎样确定最好换热器,是换热器优化问题。2泵评价和选择泵性能参数关键有流量和扬程，另外还有轴功率、转速和必需汽蚀余量。流量是指单位时间内经过泵出口输出液体量，通常采取体积流量；扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口能量增量，对于容积式泵，能量增量关键表现在压力能增加上，所以通常以压力增量替换扬程来表示。3.设计任务书作用本设计书对指定有机物进行冷却，怎样选择适宜换热器，怎样合理安排操作管路和怎样选择适宜离心泵作出具体计算说明。二设计任务一工艺要求要求将温度为78某液态有机物冷却至60，此有机物流量为9.85kg/s。现拟用温度为t1=20冷水进行冷却。要求换热器管壳两侧压降皆不应超出0.1Mpa。已知有机物在69时物性数据以下：二步骤： 管路部署图（右方参考图），已知泵进口段管长L进=5米，泵出口段管长L出=15米，（均不考虑局部阻力损失）三 要求1. 选择一个适宜换热器2. 合理安排管路3. 选择一台适宜离心泵三计算结果明细表（1） 管壳式换热器规格公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数N中心排管数管程流通面积/m2换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m2325288100.007830002515.2（2） 离心泵型号规格型号转速n/(r/min)流量扬程/m效率功率必需气蚀量（NPSH）r/m质量（泵/底座）/kgm3/hL/s轴功率电机功率IS65-50-1252900154.1721.8581.5432.050/41256.9420691.972.5308.3318.5682.223.0（3）计算数据结果统计 项目 结果单位冷却剂出口温度36循环水定性温度28热负荷393.606kW冷却水质量流量5.894并流对数平均温差38.53逆流对数平均温差40.99估算换热面积14.77管程流动面积0.0078管内冷却水流速0.759管程给热系数3891.74摩擦系数0.0358管程压降8741.72Pa壳程流动面积0.0264壳程有机物流速0.659当量直径0.0144m壳程给热系数1568.06壳程压降4903.46Pa核实传热系数757.18校核传热面积12.68冷却水流量29.736总局部阻力系数18.65阻力损失4.57m压头（扬程）16.236m四计算过程一选择适宜换热器1.确定物性数据设计方案：冷却水：用温度t1=20河水进行冷却，从tm10及预防水中盐类析出为标准，选择出口温度为36。考虑到冬季使用时，其进口温度较低，换热器管壁温和壳体壁温之差较大；夏季时河水温度改变也不是很大，所以选择管壳式换热器。从二种流体物性来看，因为冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加紧污垢增加速度，使换热器热流量下降，所以从综合考虑，应使冷却水走管程，有机液态化合物走壳程，而且确保冷却水流速不宜过慢。入口温度为t1=20，出口温度为t2=36冷却水定性温度为tm=（20+36）/2=28两流体温差Tm-tm=69-28=41两流体在定性温度下物性数据以下物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)有机物699970.62.220.16循环水28995.70.80124.1740.61712.计算热负荷和由热量衡算换热器总换热量:冷却水所需流量：3.计算温差和估量传热系数并流时，t1=T1-t1=78-20=58，t2=T2-t2=60-36=24逆流时，t1=T1-t2=78-36=42，t2=T2-t1=60-20=40因为在相同流体进出口温度下，逆流流型含有较大传热温差，所以选择逆流。因为水和中有机物传热系数K在290698 之间, 故取总传热系数K现暂取：4.估算换热面积 5.依据条件选择适宜换热器依据能够选择下述标准换热器（查附录得）： 公称直径DN/mm公称压力PN/MPa管程数N管子根数N中心排管数管程流通面积/m2换热管长度L/mm管心距/mm换热面积/m2325288100.007830002515.2.传热管排列和分程方法：采取组合排列法，即每程内均根据正三角形排列，隔板两侧采取正方形排列。取管心距l=1.25d0则l=1.25*19=23.75mm 取l=24mm隔板中心到离其最近一排管中心距离为：S=l /2+6=24/2+6=18mm 则各程相邻管管心距为36mm管束分程方法，每程各有传热管44根，其前后管箱中隔板设置和介质流通次序按书上图所表示. 壳体内径：采取多壳程结构，其壳程内径：取管板利用率 =0.7 则D=282.55mm 按卷制壳体进级挡可取D=300mm. 折流板间距：挡板间距对壳程流动相关键影响，间距太大，不能确保流体垂直流过管束，使管外给热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。通常取挡板间距为壳体内径0.21.0 倍。故取B=240mm6.计算管程压降t及给热系数依据标准换热器提供参数管程流动面积: 管内冷却水流速: 管程给热系数： 取钢管壁粗糙度为0.1mm，则管程压降：7. 计算壳程压降s及给热系数壳程中有机物被冷却，其大于估算K值,故可行。管束中心线管数壳程流动面积：因管子排列为三角形，F=0.5，fs=1.15壳程压降：8.计算传热系数污垢热阻和管壁热阻：管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻取钢管壁厚，热导率9.校核传热面积所选换热器：所以选择换热器符合要求。二安排管路和选择适宜离心泵1管径初选初取水适宜流速 因为71.36mm不是标准管径，所以确定d=73mm壁厚3mm热轧无缝钢管符合经济流速范围故确定： d=73mm壁厚3mm2.压头He在水槽液面及压力表处列柏努利方程取，查图得局部阻力： 底阀一个标准90弯头3个 球心阀1个（全开）另外：忽然减小=0.5，忽然增大=1.0故 换热器压降 对泵压头安全系数取1.1，=1.114.76=16.236m对流量安全系数取1.4，qve=1.421.24=29.7363.泵选择因为是输送河水，而且依据和和IS型离心泵系列特征曲线能够选择清水泵，由以上数据查表得取泵：IS65-50-125其参数为：转速：2900 r / min 流量30 m3 / h扬程：H=18.5m 效率：68%轴功率：2.22kW 必需汽蚀余量:3m五附录（1）相关流体物理性质物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)有机物699970.62.220.16循环水28995.70.80124.1740.6171（2）计算使用物理数据管外侧污垢热阻 ：管内侧污垢热阻 ：钢管热导率 ：六符号说明关键符号说明符号意义计量单位A面积m2定压比热容d管径mg重力加速度m/s2单位重量流体机械能损失ml管路长度mm质量kg虚拟压强Pap流体压强Papa大气压PaB挡板间距mT周期时间st时间st温度u流速m/sqv体积流量m3/sqm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密度Kg/m3He有效压头mD换热器壳径mf校正系数f0壳程流体摩擦系数K传热系数NT管子总数Q热流量W或J/S给热系数热导率数群Gr格拉私霍夫数Nu努塞尔数Pr普朗特数Re雷诺数下标g气体m平均w壁面s壳程t管程有有机物七设计说明需要冷却有机物走壳程，冷却剂走管程；有机物能够采取逆流方法；换热器说明：1.采取光滑管 光滑管结构简单，制造轻易。缺点是它强化传热性能不足。为了提升换热器传热系数，可采取结构形式多样化管子，如异性管，翅片管，螺纹管等。2.选择 换热管。3.本设计中采取3米长换热管。4.管子排列形式：本设计中采取正三角形错列排列方法，而在隔板两侧采取正方形直列。5.采取多管程，故管板中间要留有隔板位置。6.许可折流板间距和管径相关，取折流板间距B=0.15m管路部署图所表示：（1） 管路选择73mm3mm钢管，最少使用下列零件：底阀1个；标准90弯头3个；球心阀1个。（2） 因为计算所得有效压头为14.76m，（安全压头为16.236m）；有效流量为21.24m3/h（安全流量为29.736 m3/h），依据离心泵特征曲线和工作点，选择型号为IS65-50-125离心泵。八参考文件1 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋 化工原理第三版（上册）化学工业出版社2 王元文，陈连.管壳式换热器优化设计J.贵州化工，30（1）：27-31.3匡国柱，史启才。化工单元过程及设备课程设计 版