化工原理设计说明书.docx
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化工原理设计说明书
化工原理设计说明书
1.设计任务
1.1设计题目
煤油冷却器的设计
1.2设计任务及操作条件
(1)处理能力198000t/a煤油
(2)设备型式列管式换热器
(3)操作条件
①煤油:
入口温度140°C,出口温度40°C
②冷却介质:
循环水,入口温度30°C,出口温度40°C
③允许压降:
不大于105Pa
④每年按330天计,每天24小时连续运行
2.设计内容
2.1设计方案的确定
2.2.1选择换热器的类型
两流体温度变化情况:
热流体进口温度140°C,出口温度40°C;冷流体(循环水)进口温度30°C,出口温度40°C。
该换热器用循环冷却水冷却,冬季操作时进口温度会降低,考虑到这一因素,因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。
2.1.2流动空间及流速的确定
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,油品走壳程。
选用Φ25×2.5mm的碳钢管,管内流速取Ui=0.5m/s。
2.2确定物性数据
定性温度:
可取流体进口温度的平均值.
壳程油的定性温度为
T=(140+40)/2=90(°C)
管程流体的定性温度为
t=(30+40)/2=35(°C)
根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据
煤油90°C下的有关物性数据如下:
密度 ρ。
=825kg/m3
定压比热容 Cpc=2.22kJ/(kg·°C)
导热系数 λ。
=0.1W/(m·°C)
粘度 µc=7.15×10-4Pa·s
冷却循环水在35°C下的物性数据:
密度 ρi =994kg/m3
定压比热容 Cpi =4.08kJ/(kg·°C)
导热系数 λi =0.626W/(m·°C)
粘度 µi =7.25×10-4Pa·s
2.3计算总传热系数
2.3.1热流量
m。
=198000t/a
Q。
=m。
Cp。
t。
=25000×2.22×(140-40) =5.55×106kJ/h=1541.7(kw)
2.3.2平均传热温差
Δt’m=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2)=(140-40)-(40-30)/ln[(140-40)/(40-30)] =39(°C)
2.3.3冷却水用量
Wi =Q。
/CpiΔti=5.55×106/4.08×(40-30)=136029(Kg/h)
2.3.4总传热系数K
管程传热系数
Re=ρidiui/μi=(994×0.02×0.5)/0.000725=13670
αi=0.023(λi/di)(ρidiui/μi)0.8(Ciμi/λi)0.4
=0.023×(0.626/0.020)(13670)0.8[(4.08×2.6175)/0.626]0.4=2731W/(m2·°C)
壳程传热系数
假设传热系数α。
=290W/(m2·°C);
污垢热阻
Rsi=0.000344m2·k/w
Rso=0.000172m2·k/w
管壁的导热系数λ=45W/(m·°C)
K=1/[d。
/(αidi)+Rsid。
/di+bd。
/(λdi)+Rso+1/α。
]
=1/[0.025/(2731×0.020)+0.000344×0.025/0.020+0.0025
×0.025/(45×0.0225)+0.000172+1/290]
=219.5W/(m2·°C)
2.4计算传热面积
S’=Q/KΔtm=1541.7×103/(219.5×39)=180.1(m2)
考虑15%的面积裕度
S=1.15×S’=1.15×180.1=207.1(m2)。
2.5工艺结构尺寸
2.5.1管径和管内流速
选用Φ25×2.5mm的碳钢管,管内流速取Ui=0.5m/s.
2.5.2.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
ns=V/(π/4×di2u)
=[136029/(994×3600)]/(0.785×0.022×0.5)=242.1≈243(根)
按单程管计算,所需的传热管长度为
L=S/(πd。
ns)=207.1/(3.14×0.025×243)≈10.9(m)
按单管程设计,传热管过长,宜采用多程管结构。
现取传热管长L=6m
则该换热器管程数为
Np=L/l=10.9/6≈2(管程)
传热管总根数
N=243×2=486(根)
2.5.3平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
R=(T1-T2)/(t2-t1)=(140-40)/(40-30)=10
P=(t2-t1)/(T1-t1)=(40-30)/(140-30)=0.091
按单壳程,双管程结构,温差校正系数应查有关图表。
但R=10得点在图上难以读出,因而相应以1/R替代R,PR代替P,查同一图线,可得
ΦΔt=0.82
Δtm=ΦΔtΔt’m=0.82×39=32°C
2.5.4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=1.25d。
则
t=1.25×25=31.25≈32(mm)
横过管束中心线的管数
nc=1.19.=1.19×=27(根)
2.5.5壳体内径
采用多程管结构,取管板利用率η=0.7,则壳体内径为
D=1.05t=1.05×32=885.3(mm)
圆整可取D=900mm.
2.5.6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=0.25×900=225(mm),故可取h=220mm.
取折流板间距B=0.3D,则B=0.3×900=270(mm),可取B=150mm.
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=6000/270-1=22(块)
折流板圆缺面水平装配。
2.5.7接管
壳程流体进出口接管:
取接管内柴油流速为u=1.0m/s,则接管内径为
d===0.104(m)
取标准管径为100mm.
管程流体进出口接管:
取接管内原油流速为u=1.0m/s,则接管内径为
d==0.180(m)
取标准管径为180mm.
2.6换热器核算
2.6.1热量核算
(1)壳程对流体传热系数,对圆缺形折流板,可采用公式
α。
=0.36(λ。
/de)Re00.55Pr1/3(µ。
/µw)0.14
当量直径,由正三角形排列得
de=4[(/2)t2-(π/4)d02]/(πd。
)
=4[(/2)×0.0322-0.785×0.0252]/(3.14×0.025)=0.020(m)
壳程流通截面积
S。
=BD(1-d。
/t)=0.27×0.9(1-0.025/0.032)=0.05316(m2)
壳程流体流速及其雷诺数分别为
u。
=25000/(3600×825)]/0.01476=0.158(m/s)
Re。
=(0.020×0.158×825)/0.000715=3646
普兰特准数
Pr=cµ/λ=2.22×103×715×10-6/0.140=11.34
粘度校正(µ/µw)0.14≈1
α。
=0.36×(0.140/0.02)×36460.55×11.341/3=515W/(m2·°C)
(2)管程对流传热系数
αi=0.023(λi/di)Re0.8Pr0.4
管程流通截面积
Si=0.785×0.022×486/2=0.0763(m2)
管程流体流速
ui=[136029/(3600×994)]/0.0763=0.498(m/s)
Re=0.02×0.498×715/0.00064=13656
普兰特准数
Pr=cµ/λ=4.08×103×0.725×10-3/0.626=4.73
αi=0.023×(6.626/0.02)×136560.8×4.730.4=2721W/(m2·°C)
传热系数K
K=1/[d。
/(αidi)+Rsid。
/di+bd。
/(λdi)+Rso+1/α。
]
=1/[0.025/(2721×0.020)+0.000344×0.025/0.020+0.0025×
0.025/(45×0.0225)+0.000172+1/515]=310.2W/(m2·°C)
传热面积S
S=Q/KΔtm=1541.7×103/(310.2×32)=155.3(m2)
该换热器的实际传热面积Sp
Sp=πd。
L(N-nc)=3.14×0.025×(6-0.06)×(486-27)=214(m2)
该换热器的面积裕度为
H=(Sp-S)/S×100%=(214-155.3)/155.3×100%=37.8%
传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务.
2.6.2换热器内流体的流动阻力
(1).管程流动阻力
∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)FtNsNp
Ns=1;(串联的壳程数) Np=2;(管程数) Ft=1.5(结垢校正因数)
ΔP1=λil/d×ρu2 /2, ΔP2=ζρu2 /2
由Re=13656,传热管相对粗糙度0.01/20=0.005,查得λi=0.037W/(m·°C)
流速ui=0.498m/s,ρi =994kg/m3,所以
ΔP1=λil/d×ρu2 /2=0.037×6/0.02×(994×0.4782 /2)=1362.7(Pa)
ΔP2=ζρu2 /2=3×994×0.4982 /2=368.3(Pa)
∑ΔPi=(1362.7+368.3)×1.5×2=5193(Pa)<10Kpa
管程流动阻力在允许范围之内.
(2).壳程阻力
∑ΔP。
=(ΔP’1+ΔP’2)FtNs
Ns=1; Ft=1.15
流体流经管束的阻力
ΔP1=Ff。
nc(NB+1)ρu02 /2
F=0.5(管子排列方法对压强降的校正因数,对正三角形排列F=0.5)
f。
=5×3161-0.228=0.7962
nc=27, NB=40, u。
=0.158
ΔP’1=0.5×0.7962×27×(22+1)×825×0.1372 /2=1914(Pa)
流体流过折流板缺口的阻力
ΔP’2=NB(3.5-2B/D)ρu02 /2,
B=0.27m, D=0.9m.
ΔP’2=40×(3.5-2×0.27/0.9)×825×0.1372 /2,=898(Pa)
总阻力
∑ΔP。
=1914+898=2812(Pa)<105(Pa)
壳程流动阻力在允许范围之内.
(3)换热器主要结构尺寸和计算结果表
换热器主要结构尺寸和计算结果
换热器的类型:
固定管板式
换热面积(m2):
214
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
循环水
油
操作压力,MPa
0.4
0.3
操作温度,°C
30/40
140/40
流量,kg/h
136029
25000
流体密度,kg/m3
994
825
流速,m/s
0.498
0.158
传热量,kw
1541.7
总传热系数,W/(m2·°C)
310.2
对流传热系数W/(m2·°C)
2721
515
污垢传热系数,m2·k/w
0.000344
0.000172
阻力降,MPa
0.005193
0.002812
程数
2
1
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Φ25×2.5
管数 486
管长mm
6000
管间距,mm
32
排列方式
正三角形
折流板型式
上下
切口高度25%
间距mm
270
壳体内径,mm
900
保温层的厚度mm
参考文献
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天津大学出版社,2002
[2]大连理工大学化工原理教研室.化工原理课程设计.大连:
大连理工大学出版社,1994
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化学工业出版社,1998
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化学工业出版社,1996
[5]潘国昌,郭庆丰.化工设备设计.北京:
清华大学出版社,1996
[6]上海医药设计院.化工工艺设计手册.北京:
化学工业出版社,2000
[7]路秀林,王者相等.塔设备.北京:
化学工业出版社,2004
心得:
在这次的课程设计中,我们小组的课题是煤油冷却器的设计由于专业知识有限,在设计过程中遇到了很多问题,但在指导老师的和同组同学的帮助下通过查阅各种参考资料顺利完成。
通过这次课程设计使我们更加巩固了我们的专业理论知识,同时也加深了我们对冷却器结构理论原理的认识,动手完成自己的设计,可以让我们更有经验的查阅参考资料,所以课程设计是一种可以加深我们知识,拓展我们动手能力的一项实验,对我们提高自身能力有着很大的帮助,因此我们应该把课程设计当成是一种锻炼,认真的完成。
同时永远都不会忘记老师和同学们的帮助,在此衷心的向他们表示感谢:
“谢谢你们。
”
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