板式精馏塔设计

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1、课程名称： 化工原理课程设计 设计题目：列管式换热器 院 系：学生姓名：学 号：专业班级指导教师：2011年11 月22 日课程设计任务书设计题目列管式换热器设计学生姓名所在院系专业、年级、班设计要求：(1) 处理能力lX105t/a热水(2) 设备型式列官式换热器(3) 操作条件 热水:入口温度80C,出口温度60C. 冷却介质:循环水，入口温度32C，出口温度40C. 允许压降:不大于10田a. 每年按330天计算，每天24小时连续运行.(4) 建厂地址天津地区.学生应完成的工作：(1) 根据换热任务和有关要求确认设计方案；(2) 初步确认换热器的结构和尺寸；(3) 核算换热器的传热面积和

2、流体阻力；(4) 确认换热器的工艺结构.参考文献阅读：化工原理课程设计化工原理化工机械设备基础化学化工物性数据手册工作计划：第一周进行列管式换热器相关数据计算，第二周开始画图.任务下达日期：2011 年11月7 日任务完成日期：2011 年11月20日指导教师(签名)：学生(签名)：指导教师评语:课程设计报告成绩：，占总成绩比例：课程设计其它环节成绩：环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 环节名称： ，成绩： ，占总成绩比例： 总成绩：指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日设计题目：列管式换热器目录一、 前言3二、方案设

3、计31、确定设计方案32、确定物性数据43、计算总传热系数44、计算传热面积55、工艺结构尺寸56、换热器核算7三、设计结果一览表10四、对设计的评述11五、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）六、参考文献12七、主要符号说明12附图一、方案简介本设计任务是利用冷流体（水）给热水降温。利用热传递过程中对流传热 原则，制成换热器，以供生产需要。选择换热器时，要遵循经济，传热效果优，方便清洗，复合实际需要等原则。换热 器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热 器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的 换热器适用于不同的场合。而列管式

4、换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、 坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。二、方案设计某厂在生产过程中，需将液体从80C冷却到60C。热水的流量为13889kg/h。 冷却水入口温度32C，出口温度40C。要求换热器的管程和壳程的压降不大于 100kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。1确定设计方案(1) 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度80C，出口温度60C冷流体。冷流体进口温度32C，出口温度40Co从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此 初步

5、确定选用固定管板式换热器。(2) 流动空间及流速的确定由于热水的粘度比水的大，因此冷却水走管程，热水走壳程。另外，这样的 选择可以使热水通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆 流。选用中25X2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=1.6m/ so2 确定物性数据定性温度：可取流体进口温度的平均值。壳程热水的定性温度为：T = 80也 =70C240+32管程流体的定性温度为：40+32 =36C2p 0=977.8 kg/m3根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 热水在70C下的有关物性数据如下： 密度定压比热容cpo=4.187kJ/(kg C)导热系数入=0

6、.6676W/(m C)粘度p =0.0004061Pa so冷却水在36C下的物性数据：密度pi=994kg/m3定压比热容c=4.08kJ/(kg C)pi导热系数入i=0.626W/(mC)粘度pi=0.000725Pa s3 计算总传热系数(1)热流量Q = mc t = 13889x4.187x(80-60) = 1160000kJ/h = 322.2kwOo po o冷却水用量Q 1160000w = = 35539kg / hi c At4.08 x (40 - 32)pi i（3）平均传热温差AtmAt - At(80 - 40) - (60 - 32)=,At ln iAt2

7、ln (80 - 40)n(60 - 32)=33.6C(4)总传热系数K官称传热系数Re二沁二0.02% 16%994二438730.000725九 /du p. a 二 0.023 (1 )0.8idy.il0.6264080 x 0.000725、0.4 = 0.023(43873)0.8()0.4 =6931W/0.020l0.626m2 C壳称传热系数假设壳程的传热数a。=2500W/m2 C;污垢热阻Rsl=0.000344m2 C/WSlRs=0.000344m2 C/W管壁的导热系数九=48.85W/m2 CK =do +R do + bdo +R + 1 a d i d Ad

8、so ai iimo亦而+.000344 %0.025 + 0.0025 x 0.0250.020 十 48.85 x 0.0225+0.000344+12500=708.7W/(m2 C)4 计算传热面积QKAtm322200 二 13.5m 2708.7 x 33.6考虑 15 0：的面积裕度,S=1.15xS=1.15x 13.5=15.55 工艺结构尺寸1）管径和管内流速及管长选用巾25 X 2.5mm传热管（碳钢），取管内流速叫=1.6m/s2）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35539 x 4479 x 4n = 19.8 沁 20根s 兀d 2u 3.14x

9、3600x994x 0.02x 0.02x 1.6i按单管程计算，所需传热管长度为L = 9.9m兀d n3.14x0.025 x 20o采用多管程结构，现取传热管长度L=3m，则该换热器的管程数为N = = 9.9 沁 4 （管程）p l 3传热管总根数N=80（根）（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数40 - 32P = 0.16780 - 32按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得 平均传热温差At “ -At二0.98x33.6二33CmAtm（4）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，隔板两侧采用正方形排列。取管 心距 t=1.25

10、 d0，贝Ut=1.25 X 25=32（mm）横过管束中心线的管数nc 二 1.19 V80 二 10.6 沁 11根5）壳体内径采用多管程结构，取管板利用率n =0.7,则壳体内径为1 TN80D 二 1.05t 二 1.05 x 32 二 359.2mm耳0.7圆整可取D = 400mm6）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=0.25X 400= 100mm。取折流板间距B = 0.3D，则B = 0.3X400= 120mm,可取B为150。折流板数”8=传热管长/折流板间距-1=3000/150-1=19（块） 折流板圆缺面水平装配

11、。7）接管壳程流体进出口接管：取接管内硝基苯流速为u=1.0 m/s,则接管内径为3.14 x 1.0：4X 13889/(3600x977 二0.071m圆整后可取管内径为80mm管程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u=1.5 m/s，则接管内径为=0.092m：4 x 35539 / 3600 x 994)3.14 x 1.5I圆整后可取管内径为100mm6 换热器核算(1)热量核算壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式九a = 0.36 Re o.55Pri/3( )o4o d oew当量直径，由正三角形排列得3兀 3兀4(12 d 2)4(X 0.0322 0.0252)d

12、二 24 o 二 24二 0.020me兀 d3.14 x 0.025o壳程流通截面积S = BD(1 do)= 0.15X0.4x(1 0.025 ) = 0.01313mot0.032壳程流体流速及其雷诺数分别为13889 /(3600 x 977.8)/=0.3m / s0.01313.020 X 3 X 97 = 144470.0004061普兰特准数Pr=2.55粘度校正(旦)14沁1wa = 0.36X 0.6676X 144470.55 x2.551/3 x 1 = 3176W/(m2 -C) o0.02管程对流传热系数九a = 0.023 Re0.8 Pr0.4idi管程流通截

13、面积S = 0.785 X 0.022 X 80/4 = 0.00628m2i管程流体流速35539/(3600 x 994)0.00628=1.58m/sRei0.02 X1.58 x 9940.000725=43325普兰特准数Pr = 4.08 x103 x O000725 = 4.73,AP2片 P-u20.626a i = 0023 x 监x 433250-8 x 4J30-4 =6864W /(m 2 -传热系数KK =-do +R do + 化 +R + 1a d i d九dso ai iimo10.025+0.000344 x 0.025 + 0.0025 x 0.025 +0

14、.000344+ 16864 x 0.0200.02048.85 x 0.02253176=753.0W/(m2 -C)传热面积Sc Q 322200“ cS = 13.0m 2KAt753.0 x 33m该换热器的实际传热面积SpS 二兀d L(N-n) = 3.14x0.025x(3-0.06)x(80-11) = 15.9m2 poc)该换热器的面积裕度为” S S 15.9-13.0 ,H = =x 100(/ = 22.30，S 13.000传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。2)换热器内流体的压力降管程流动阻力E A Pi=(A P1+A P2) FtNsNpNs=l, N

15、p=4, Ft=1.4AP = 0.035x 丄x 994x1.582 = 6513.7Pa 1 0.02AP = 3 x 994 x 1.582 = 3722.1Pa2由Re=43325,传热管相对粗糙度0.01/20=0.005,查莫狄图得九i =0.035W/m C, 流速ui = 1.58m/s, p =994 kg/m3,所以2工 AP =(6513.7 + 3722.1) x 1.4 x 4 二 57320.5Pa VlOOkPai管程压力降在允许范围之内。壳程压力降工 AP (AP + AP) FtNs o12Ns = 1, Ft = 1.15流体流经管束的阻力p - u 2AP

16、 = Ffn (N +1)-o1o c B2F = 0.5f = 5.0 x 14447 -0.228on = 11, N = 19, = 0.3cBo977 8 x 0 32AP = 0.5 x 0.5631 x 11x (19 +1) x-= 2725.5Pa1 2流体流过折流板缺口的阻力2BAP2 = NB (35 -方B = 0.15 m, D = 0.4 mAP2 = Nb(3.5 -罟)誉=19 x(3.5 -誉)x= 2299.1Pa总压力降工 AP =(2725.5 + 2299.1)x 1 x 1.15 = 5778.3V100kPao壳程压力降也比较适宜。三、设计结果一览表

17、换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。换热器型式：固定管板式管口表换热面积：13.5m 2符号尺寸用途连接 形式名称管程壳程aDN80冷却水出口平面物料名称循环水热水bDN100热水入口凹面操作压力，MP a0.250.25cDN20排气口凹面操作温度，C32/4080/60dDN100热水出口凸面流里，kg/h3553913889eDN20排净口凸面流速，m/s1.61.0fDN80冷却水入口平面总传热系数W /(m2 - K)753.0传热量，kW322.2对流传热系数，W /(m2 - K)68643176管子 规格0 25 x 2.5管数80管长3000mm污垢系数，W / m2 K0.

18、0003440.000344管间 距mm32排列方式组合阻力降，MP a0.0514080.0057776折流 板形 式上下间距：150切口 咼度 25%程数41壳体 内经mm400推荐使用材料碳钢碳钢四、对设计的评述初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像其他课程一样是实验类的， 听课的时候也一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得 好难。有一段时间都在观望。所以自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数 据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。裕度15%, 在合理范围内，但是，一看压力降，彻底崩溃了，12多千帕，天啊，完全不合 理。

19、再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不同， 果真用这设计的话，也是谋财害命。所以我决定重新来过。这时离交作业还有三天，做出来的裕度居然一直都 在50%以上，重新分析计算的过程中也出现了几次错误，由于急于求成，算出 来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，而且老师给的模板里面 也有一些错误，这样照搬下去的一些公式就除了问题了，只好静下来认真地理解 和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过。因此，有花了一天的时间在计算上。那么接下来就是画图了，由于学过机械制图，以为画图比较简单，5个小时 左右可以完成，谁知道，画图更难，这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑 到

20、画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了 好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。最终，只好把管数安排成易于排列的数目，才解决了这个问题。其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己 真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加 合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才 能达到事半功倍的效果。我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据， 接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错 误的，而且很可能导致严重的后果。六、参考文献化工原理柴诚敬编，高等教育出版社

21、，2006.化工设备机械基础，刁玉伟，王立业，俞建良编著，大连理工大学出版社,1996.化工制图熊洁羽 编，化学工业出版社，2007.化工原理课程设计，贾绍义柴诚敬主编，天津大学出版社，2002.七、主要符号说明热水的定性温度T冷却水定性温度t热水密度P o冷却水密度P i热水定压比热容cPO冷却水定压比热容c . pi热水导热系数入o冷却水导热系数入.i热水粘度M1 o冷却水粘度M i热流量Wo冷却水流量Wi热负荷Qo平均传热温差Atm总传热系数K管程雷诺数Re温差校正系数0At管程、壳程传热系数aaio初算初始传热面积S ”传热管数Ns初算实际传热面积S管程数NP壳体内径D横过中心线官数NC折流板间距B管心距t折流板数Nb接管内径dd1 2管程压力降工APi当量直径de壳程压力降工APo面积裕度H