化工原理优秀课程设计.doc

班级：黔化升121
《化工原理课程设计》

题目 制糖厂糖汁加热
固定管板式换热器

专 业 化学工程和工艺

学 生

指 导 教 师

8月16日

目录

一、设计条件..................................................................................................................3
二、确定定性参数...........................................................................................................3
三、 估算传热面积.........................................................................................................4

1.热流量.................................................................................................................4
2.平均传热温差......................................................................................................4
3.传热面积..............................................................................................................5
4.蒸汽用量..............................................................................................................5
四、 工艺结构尺寸.........................................................................................................5

1.管程.................................................. .... ......................................................5
2.壳体....................................................................................................................6
3.封头....................................................................................................................7
4.折流板................................................................................................................7
5.管板....................................................................................................................7
6.拉杆及挡板........................................................................................................8
7.接管....................................................................................................................8
8.鞍座选择及安装位置确定................................................................................8
五、 换热器核实...............................................................................................................9

1.壳程流体传热系数..............................................................................................9
2.管程流体传热系数..............................................................................................9
3.污垢热阻和管壁热阻........................................................................................10
4.传热系数............................................................................................................11
5.传热面积裕度....................................................................................................11六、换热器关键结构尺寸和计算结果...........................................................................11七、参考文件.....................................................................................................................13
一 设计条件
1 每小时66900 kg糖汁从90℃加热至120℃。糖汁浓度为16％， 定压热容为3.77 kJ/kg▪℃;
2 加热蒸汽用锅炉房送出饱和蒸汽，其压力为P=4.5 kgf/cm2;
3 列管用Φ33×1.5碳钢管，长3m,有效长2.93 m;
4 设计压力：4.5 kgf/cm2;
5 步骤安排：从两物体看，饱和水蒸汽通入壳程，便于排出冷凝水；糖 汁入管程，便于提升流速，增大传热膜系数；
二 确定定性参数
饱和水蒸汽压力为4.5 kgf/cm2时查知其温度为147 ℃
1 定性温度
取进出口温度平均值
饱和蒸汽：T=(147+147)/2=147 ℃
糖汁：t=(90+120)/2=105 ℃
2 由定性温度得：
147 ℃饱和水蒸汽：
汽化潜热：Lv=2125 kJ/kg
密度： p=2.415 kg/m3
105 ℃浓度为16%糖汁：
密度:ρ=10.66 kg/m3
比热容：C=3.77 kJ/kg▪℃
粘度：υ=1.5×10-3 Pa▪S
热导率：=0.53 W/(m▪K)
三 估算传热面积
1 热流量
Φ=qmcpt
=66900×3.77×(120-90)
=7.566×106 kJ/h=2102 KW
2 平均传热温差
T1=T2=147 ℃ t1=90 ℃ t2=120 ℃
Δt1=T1-t1=147-90=57 ℃
t2=T2-t2=147-120=27 ℃
tm=40 ℃
3 传热面积
因为糖汁粘度，依据经验数据，传热系数K取500 W/m2▪k
则传热面积：A=Φ/k▪tm==105.1m2
4 蒸汽用量：
考虑到热损失，则Q2=1.05Q1
v=Φ/Lv==3756 kg/h
四 工艺尺寸结构
1 管程
（1 )管子数
n:选Φ33×1.5碳钢管，管长3 m
Sn=nπd 均Ln
n==362.656≈363 (根）
（2）管程数
因为传热管为3m，按经验符合要求，所以则可用2程, 每 程182根，则所需管数为364根。
( 3 ) 管子排列
采取正三角形排列
取管心距t=1.25d0,则
t=1.25×33=41.25≈42 (mm)
2 壳体
（1）内径
采取多管程结构，进行壳体内径估算。取管板利用率η=0.75 ， 则壳体内径为：
D=1.05t=1.05×42×=970 mm
取壳体内径D=1000 mm.
（2） 壁厚
材料选择Q235，计算壁厚为
=+C
取式中P设计压力，取P=1.6 MPa
D=1000 mm
Ф=0.7
[σ]=113 MPa
=0.31 mm
=+0.31=10.53≈12 mm
3 封头壁厚
=+C
=+0.31
=10.48≈12 mm
则上下封头均选择标准椭圆形封头，依据JB/T 4746---标准， 封头为DN1000×12，曲面高度h1=250 mm，直边高度h2=40 mm，材料选择20钢。
4 折流板
采取弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径25%，则切去圆缺高度为
h=0.25×1000=250 mm.
取折流板间距B=0.3D,厚度12 mm则
B=0.3×1000=300 mm
折流板外径D=DNー12=988 mm
折流板数NB:
NB=ー1=ー1=9 块
5 管板
选择固定式换热器管板，由固定式管板尺寸表查得管板厚度为56mm, b1=47mm.
固定管板外径： mm
6 拉杆及挡板：
依据换热器拉杆选择标准，本换热器壳体内径D=10000，可选择拉杆直径16，拉杆数6个。
壳程入口处，应设置防冲挡板。
7 接管
管程流体进出口接管，取管内糖汁流速v1=1.0 m/s, 则
接管内径：
D1====0.599 m
圆整后可取管内径为600mm.
壳程流体进出口接管，取接管内流体流速v2=10 m/s
D2====0.2345 m
圆整后可取管内径为235 mm.
8 鞍座选择及安装位置确定：
鞍座选择JB/T4712-92鞍座BI1400-F/S；
安装尺寸如《化工单元过程及设备课程设计》（化学工业出版社出版）： 图4-44所表示
其中：
取：
五 换热器核实
1 壳程流体传热系数
设换热器管外壁温tw=140 ℃，则冷凝液膜平均温度： （tw+ts)/2=(147 ℃+140 ℃)/2=143.5 ℃.
膜温在143.5 ℃下物性参数：
P0=925 kg/m3
=1.9×10-5 pa▪s
=0.684 w/m.k
c=1.1(Nt)0.5=1.1×(24)×0.5=5.3889

=11.146×103 W/(m2▪K)
2 管程流体传热系数：

管程流体流通截面积：
Si=nd2=0.785×364×0.032=0.2572 m2
管程流体流速：
υi==6.78 m/s
雷诺数：
Rei==1445
普朗特数：
Pri==10.67
353.5 W/(m2 ▪K)
3 污垢热阻和管壁热阻：
经查得
管内侧污垢热阻Ri=1.72×10-4m2℃/w
管壁热阻查得碳钢在该条件下热导率为45 w/(m·K)。
所以
4 传热系数有：
Kc==295 W/(m2 ▪K)
5 传热面积裕度：
计算传热面积Ac：
AC===178.14 m2
该换热器实际传热面积为：
AP==3.14×0.033×3×364=113.15 m2
该换热器面积裕度为:
H===57.44％
传热面积裕度适宜，该换热器能够完成生产任务。
六 换热器关键结构尺寸和计算结果见下表：
参数
管程
壳程
流率/ (kg/h)
66900
3756
进/出口温度/℃
90/120
147
压力/Pa
2.37×104
4.5×105
物性
定性温度/℃
105
147
密度/（kg/m3）
10.66
2.415
定压比热容/[kJ/（kg•K）]
3.77

粘度/（Pa•s）
1.5×

热导率（W/m•K）
0.53

普朗特数
10.67

设备结构参数
形式
固定管板式
壳程数
1
壳体内径/㎜
1000
台数
1
管径/㎜
Φ33×1.5
管心距/㎜
42
筒体壁厚
12
管板厚
56
封头厚
12
折流板厚
12
管程接管内径
600
拉杆直径
16
壳程接管内径
250
拉杆数量
6
管长/㎜
3000
管子排列
正三角形排列
管数目/根
364
折流板数/个
9
传热面积/㎡
105.1
折流板间距/㎜
300
管程数
2
材质
碳钢
关键计算结果
管程
流速/（m/s）
6.78
表面传热系数/[W/（㎡•K）]
353.5
污垢热阻/（㎡•K/W）
1.72×
热流量/KW
2102
传热温差/K
40
传热系数/[W/（㎡•K）]
295
裕度/%
57.44

七 参考文件：
1.姚玉英 . 化工原理 ,上册,1版.天津:天津大学出版社,1999
2. 柴诚敬.化工原理课程设计. 1版.天津:天津大学出版社,1994
3.匡国柱.化工单元过程及设备课程设计. 1版.北京:化学工业出版 社,
4.李功祥.常见化工单元设备设计.1版.广州:华南理工大学出版社,