釜?dú)堃豪鋮s器的設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì) 摘 要化工原理課程設(shè)計(jì)是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁， 是進(jìn)行體察工程實(shí)際問題復(fù)雜性的初 次嘗試。通過化工原理課程設(shè)計(jì)，達(dá)到綜合運(yùn)用化工原理課程的基本知識(shí)，基本原理 和基本計(jì)算，進(jìn)行融會(huì)貫通、獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工單元操作設(shè) 計(jì)任務(wù)，具有初步進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力；達(dá)到熟悉工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工單 元操作設(shè)計(jì)的主要程序和方法；提高和進(jìn)一步培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)際問題的能力。此設(shè)計(jì)為釜?dú)堃豪鋮s劑的初步設(shè)計(jì)，是一鐘列管式換熱器，能將釜?dú)堃簭母邷乩鋮s到適當(dāng)溫度，釜?dú)堃鹤吖艹蹋鋮s劑走殼程。隨著化學(xué)工業(yè)發(fā)展及能源價(jià)格的提高，換熱器在化工生產(chǎn)中占有很重要的地位。列管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)

2、是單位傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊，緊固傳熱效果好，能用多種材料，價(jià)格低廉。根據(jù)以往生產(chǎn)資料作為設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，從而確定具體型號(hào)。并用AutoCAD繪制平面布置圖,主要配置裝配圖及收回控制點(diǎn)的工藝流程圖,最終完成設(shè)計(jì)說明書。關(guān)鍵詞:釜?dú)堃?冷卻器;初步設(shè)計(jì) AbstractPrinciples of chemical engineering course is designed to serve as a bridge between theory and practice, is to observe the complexity of engineering practical probl

3、ems early attempts. Through the principles of chemical engineering course design, the integrated use of basic knowledge of the principles of chemical engineering course, basic principle and basic calculation, to achieve mastery through a comprehensive, independent thinking, within the prescribed tim

4、e to complete the design tasks designated by the chemical unit operations, has the ability of the preliminary engineering design; To familiar with the basic content of engineering design, grasps the chemical single yuan operation design of the main procedures and methods; To improve and further deve

5、lop our ability to analyze and solve practical problems. This design as the kettle surface residue is agent of preliminary design, is a shell and tube heat exchanger, clock can be cooling to the appropriate temperature, the residual liquid from the hot kettle residual liquid tube side, the shell sid

6、e of the coolant walk. With the development of chemical industry and the increase in the price of energy, heat exchanger occupies very important position in the chemical production. Shell and tube heat exchanger is a heat transfer area is large, the advantages of compact structure, tighten the heat

7、transfer effect is good, can use a variety of materials, low prices. Based on previous production as a design of data and calculation, to determine the specific type. Assembly drawing with AutoCAD drawing layout, the main configuration and take back the control points of process flow diagram, finall

8、y complete the design specification.Keywords: kettle residual liquid; Cooler; The preliminary design目 錄摘 要1Abstract21.前言42.設(shè)計(jì)目的及要求52.1目的52.2要求53.設(shè)計(jì)任務(wù)書63.1設(shè)計(jì)題目63.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件63.3設(shè)計(jì)已知條件63.4設(shè)計(jì)內(nèi)容64.設(shè)計(jì)方案84.1列管式換熱器的計(jì)算84.2輔助設(shè)備的計(jì)算及選擇85.換熱器設(shè)計(jì)工藝計(jì)算95.1初選設(shè)備規(guī)格95.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸105.3換熱器核算115.4計(jì)算壓強(qiáng)降126.輔助設(shè)備的選擇156.1換熱器封頭的選擇和

9、尺寸156.2管箱166.3隔板166.4法蘭的選取166.5設(shè)置法蘭墊片186.6接口法蘭186.7排水孔法蘭186.8拉桿直徑及拉桿數(shù)196.9支座197.數(shù)據(jù)匯總208.主要符號(hào)表229.附錄2310.參考文獻(xiàn)2511設(shè)計(jì)心得體會(huì)261.前言化工原理課程設(shè)計(jì)是化工原理教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用本門課程和有關(guān)先修課程所學(xué)知識(shí)，完成以單元操作為主的一次設(shè)計(jì)實(shí)踐。通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本程序和方法，并在查閱技術(shù)資料、選用公式和數(shù)據(jù)、用簡潔文字和圖表表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果、制圖以及計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算等能力方面得到一次基本訓(xùn)練，在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和實(shí)事求是、嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作

10、作風(fēng)。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體：一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的差別管殼式換熱器(shell and tube heat exchanger)又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。在管殼式換熱器中，傳遞熱量的間壁為圓管形。一些小直徑的管子固定在管板上形成一組管束，管束外套有圓筒形薄殼，冷熱流體分別走管內(nèi)與管間，這兩種流體通過間壁的熱傳

11、導(dǎo)和間壁表面上流體的對(duì)流而進(jìn)行熱量交換。由于管束和殼體結(jié)構(gòu)的不同，管殼式換熱器可以進(jìn)一步劃分為固定管板式、浮頭式、填料函式和U型管式。這種換熱器結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，可用各種結(jié)構(gòu)材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應(yīng)用最廣的類型。2.設(shè)計(jì)目的及要求2.1目的熟悉查閱文獻(xiàn)資料，搜集有關(guān)數(shù)據(jù)，正確選用公式。在兼顧技術(shù)先進(jìn)性，可行性，經(jīng)濟(jì)上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定化工工藝流程，進(jìn)行設(shè)備選型，并提出保證過程正常，安全更有所需要的檢測(cè)盒測(cè)量參數(shù)，同事還要考慮環(huán)境保護(hù)的有效措施。準(zhǔn)確而迅速的進(jìn)行過程計(jì)算和主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算。用精煉的語言，簡潔的文字，清晰地圖表來表

12、達(dá)自己的設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果。通過化工原理設(shè)計(jì)可以鞏固CAD制圖何從課外的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)自學(xué)的能力，以及學(xué)習(xí)的方向通過化工原理課程設(shè)計(jì)，可以復(fù)習(xí)已經(jīng)學(xué)過的換熱器內(nèi)容，可以更好的了解換熱器。2.2要求通過化工原理設(shè)計(jì)，要求能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識(shí)，進(jìn)行融匯貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間完成指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。通過化工原理設(shè)計(jì)，要求能了解工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計(jì)的主要程序和方法，培養(yǎng)血紅色呢過分析和解決工程實(shí)際問題的能力。通過化工原理的課程設(shè)計(jì)，能梳理正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。學(xué)生要了解自己所設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在設(shè)計(jì)中要用到CAD的知識(shí)，所

13、以要對(duì)CAD有一定的了解。在制作圖紙的（利用CAD）過程中，要考慮和利用到工程制圖的標(biāo)準(zhǔn)。這要求工程制圖要有一定的功底和認(rèn)識(shí)。3.設(shè)計(jì)任務(wù)書3.1設(shè)計(jì)題目釜?dú)堃豪鋮s器的設(shè)計(jì)3.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、 設(shè)計(jì)任務(wù)處理能力（釜?dú)堃毫髁浚?6.01 kgs設(shè)備型式 列管式換熱器 2、 操作條件釜?dú)堃?入口溫度102.3,出口溫度40 冷卻介質(zhì)水入口溫度30,出口溫度40 管程和殼程的壓強(qiáng)降 不大于130kPa 換熱器的熱損失 忽略 3、 廠 址 齊齊哈爾地區(qū) 3.3設(shè)計(jì)已知條件1、定性溫度下兩流體的物性參數(shù)（1）釜?dú)堃憾ㄐ詼囟萾m=71.15 密度h=986kg/m3；比熱容Cph=4190J/(k

14、g.) 導(dǎo)熱系數(shù)h=0.662W/(m) 粘度h=0.00054Pa.s(2) 水定性溫度tm=35.0 密度c=996kg/m3比熱容Cpc=4180J/(kg.) 導(dǎo)熱系數(shù)c=0.618W/(m) 粘度c=0.000804Pa.s2、管內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻分別是Rsi= Rso =1/4600( m2)/W 3、管壁導(dǎo)熱系數(shù)w=17.5 W/( m)3.4設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明2、工藝計(jì)算3、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì) （1）冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸的確定 （2）傳熱面積、兩側(cè)流體壓降校核 （3）接管尺寸的確定4、輔助設(shè)備選型與計(jì)算5、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總6、換熱器裝配圖(1號(hào)圖紙)7、設(shè)計(jì)評(píng)述8、參考

15、資料*總傳熱系數(shù)K暫取為600W/m2。(是多次試算后得出的值,設(shè)計(jì)任務(wù)書中不含此項(xiàng))4.設(shè)計(jì)方案4.1列管式換熱器的計(jì)算4.1.1試算初選設(shè)備規(guī)格4.1.1.1根據(jù)流體物性及工藝要求，確定流體通入的空間。4.1.1.2計(jì)算流體的定性溫度，以確定流體的物性數(shù)據(jù)。4.1.1.3根據(jù)從傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷。4.1.1.4計(jì)算平均溫度差，并校核。4.1.1.5依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)范圍，選定總傳熱系數(shù)K選值。4.1.1.6由總傳熱速率方程m=KSt，初步標(biāo)出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸，選擇設(shè)備規(guī)格。4.1.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸的選定和計(jì)算4.1.2.1根據(jù)傳熱器規(guī)格，選定固定管板式換熱規(guī)格尺寸即確定管

16、程數(shù)，管數(shù)，管長以及管直徑，并確定管程數(shù)。4.1.2.2計(jì)算其他的管件，拉桿，接管。4.1.3計(jì)算總傳熱系數(shù) 計(jì)算殼程對(duì)流體傳熱系數(shù)i和o，確定污垢熱阻和RSo，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)，若(K計(jì)-K選)/選*100%，在10%25%范圍內(nèi)，則初選設(shè)備合格。4.1.4設(shè)計(jì)殼程壓強(qiáng)降4.1.4.1計(jì)算管程流體阻力。4.1.4.2計(jì)算殼程流體阻力。4.2輔助設(shè)備的計(jì)算及選擇4.2.1設(shè)備參數(shù)的計(jì)算換熱器封頭，管箱，隔板，法蘭，墊片的選擇，并畫圖。5.換熱器設(shè)計(jì)工藝計(jì)算5.1初選設(shè)備規(guī)格5.1.1流程安排由于釜?dú)堃咕哂懈g性，應(yīng)該走管程，這樣可以節(jié)約耐腐蝕材料，降低換熱器成本 5.1.2確定物性數(shù)據(jù) 物

17、性入出釜?dú)堃?02.340冷卻水3040 采用逆流：t1=102.3-40=62.3 t2=40-30=10 定性溫度：釜液Tm=（102.3）+40/2=71.15 水Tm=(40+30)/2=355.1.3估算傳熱面積4.3.1.1熱負(fù)荷:關(guān)內(nèi)釜液溫度計(jì)算: Q=WnCp(T1-T2)=6.01×4190×(102.3-40)=1.569×106w4.3.1.2平均傳熱溫度: tm= 又因?yàn)?R= P= 由<<化工原理>>(高教出版)得到øt =0.87 故tm=øt×tn=0.87×28.59=

18、24.87 傳熱面積:采用K=600w/m2,則估算傳熱面積S0: S0=105.15m25.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸5.2.1根據(jù)換熱器規(guī)格,依據(jù)<<換熱器原理及計(jì)算>>附錄16(清華大學(xué)出版)得出,固定管板式換熱器規(guī)格尺寸如下 管程數(shù): 4,管數(shù): 242 管長: 6m 管直徑: 25×2.5mm 殼程數(shù)的確定:由于1.3.2中的=0.87>0.8,采用單殼程式列管換熱器5.2.1.1傳熱管排列和分形方法:正三角形排列方法5.2.1.2管距t=1.25,則t=1.25×25=31.2532mm5.2.1.3殼體內(nèi)徑D=1.05×32

19、5;600mm5.2.1.4折流板:采用方形折流板折流板切去的圓缺高度h=25%×600=150mm折流板間距B=0.3D=0.3×600=180mm取得B=200mm;折流板數(shù)N=傳熱管長/折流板間距-1=-1=29塊5.2.2計(jì)算其他附件:5.2.2.1拉桿:換熱器殼體直徑D=600mm,拉桿直徑=12mm,可用8根5.2.2.2接管:課程流體進(jìn)出口5.2.2.2.1管程接管直徑; d=其中u=1.98m/s則d1=62.6mm,于是選取標(biāo)準(zhǔn)法蘭Pg16Dj100HG5012-58殼程接管直徑:d'=Vs=5.3換熱器核算5.3.1管程流體流通截面積:管程流體流

20、速: 普蘭特?cái)?shù):Pri= 則i=由于液體被冷卻,所以n=0.3 i=5.3.2計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0用克恩法計(jì)算 當(dāng)量直徑: 殼程流通截面積： 殼程流體流速u: Wc=0.3754kg/s 雷諾數(shù)： 普蘭特?cái)?shù)：由于液體被加熱，取，則 污垢熱阻和管壁熱阻： 5.3.4總傳熱系數(shù)K： 5.3.5要求過程的總傳熱系數(shù)為k0 換熱器的實(shí)際傳熱面積： 所選擇的換熱器的安全系數(shù)為： 該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。5.4計(jì)算壓強(qiáng)降 計(jì)算流體流經(jīng)管殼式換熱器阻力，應(yīng)該管殼和殼程分別計(jì)算。 5.4.1管程壓強(qiáng)降計(jì)算 其中p1為直管摩擦阻力引起的壓降，Pa： p2為回彎阻力引起的壓降，pa; Ft為管程污垢校正

21、系數(shù)； Ns為串聯(lián)的殼程數(shù) Np為管程數(shù) 求p1：由于不銹鋼壁粗糙度（P48，化工原理高教版） 取e=0.1mm， 則 由化工原理高教P50： 則： Np=4 Ns=1 Ft=1.4（對(duì)于25×2.5mm的管） 則 5.4.2殼程流動(dòng)阻力計(jì)算 采用埃索計(jì)算公式： 其中 Fs殼程結(jié)構(gòu)矯正系數(shù)，對(duì)于液體Fs=1.15 F 管子排列方式對(duì)壓降的矯正系數(shù)，對(duì)三角形排列 F=0.5 Nb折流當(dāng)班數(shù)（Nb=29） Z 折流擋板間距（Z=B=200mm=0.2m） u0 殼程流通截面積A0=Z(D-ncd0) nc位于管束中心線上的管數(shù) 則 由上得知該管程和殼程均小6.輔助設(shè)備的選擇 6.1換熱器

22、封頭的選擇和尺寸 根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（化學(xué)工業(yè)出版社）上二版637頁橢圓封頭（TB1154-73） 封頭厚度的計(jì)算 Di<1200mm用版整塊鋼板沖壓成型,此時(shí)=1 所以選用厚度為800mm的封頭 封頭曲面高度h1=150mm 封頭的直邊高度h0=40mm 封頭的公稱直徑Dg=600mm 封頭的示意圖如下： 6.2管箱 根據(jù)<<化工原理課程標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)>>查的圖 6.3隔板 由于換熱器采用四管程,所以選用三個(gè)隔板. 密封方式如下圖:(隔板與管板)6.4法蘭的選取6.4.1設(shè)備法蘭的選擇 查<<壓力容器與化工設(shè)備使用手冊(cè)>>表3-3-1<

23、<壓力容器法蘭分類>>查得工程壓力PN=1.6Mpa,由于凹凸面對(duì)中性好,所以常在換熱器法蘭封面上使用,換管法蘭應(yīng)采取對(duì)焊平面法蘭。查表得到法蘭參數(shù)如下：6.4.1.1管法蘭 （1）殼程法蘭數(shù)據(jù)如下（HG5012-58）Pg=16kg/cm2 DNADKLdFCH重量（kg）螺栓數(shù)量直徑20021934029522266224628.512M20 （2）管程法蘭數(shù)據(jù)如下 DNADKLdFCH重量（kg）螺栓數(shù)量直徑10010822018018156222525.108M16DNADKLdFCH重量（kg）螺栓數(shù)量直徑600630840770367202549580.330M3

24、36.4.1.2殼體法蘭：選取允許的壓力為Pg=16kg/cm2 殼體選用對(duì)焊凸面法蘭6.5設(shè)置法蘭墊片 根據(jù)<<壓力容器與化工設(shè)備使用手冊(cè)>>491頁密封墊片選用非金屬墊片(TB4704-92) Dn=616mm D=644mm h=3mm d=600mm Pn=1.6Mpa 耐油石棉墊片使用溫度：-20200 墊片如下圖： 6.6接口法蘭 殼程流體進(jìn)出口接管規(guī)格為76×4mm 取管程流體進(jìn)出口接管規(guī)格為219×6mm5 6.7排水孔法蘭 查<<化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)>>279頁表10-22得稱 徑 N管徑連續(xù)尺寸辦事平焊法蘭蘭蓋

25、蘭補(bǔ)徑D孔中心圓直徑D孔直徑L孔數(shù)量N紋Th蘭內(nèi)徑B1口寬度b蘭厚度C蘭質(zhì)量Kg厚度C質(zhì)量Kg25335010816352652126.8拉桿直徑及拉桿數(shù) 殼體直徑mm拉桿直徑mm最少拉桿數(shù)600124 查化工設(shè)備基礎(chǔ)15頁表1-6得 拉桿直徑及板數(shù) 折流板，螺栓，擋板等一些輔助設(shè)備 擋板，定具等都選取國標(biāo) 折流板：采用弓形折流板 擋板法蘭等長雙頭螺栓選取M16 GB901-88 定具螺母選取M16 GB41-86 接管補(bǔ)強(qiáng)圈取GBR09-736.9支座 查<<壓力容器與化工設(shè)備使用手冊(cè)>>563頁表 3-3-1,選取重型號(hào)BIII型式鞍座,焊制,120°包角

26、,不帶墊片,查565表3-3-4 Dn=500900mm,鞍式支座(JB1167-73) 其尺寸數(shù)據(jù)如下 : DgB1LBIK1BM重量(kg)6001805501202604209022026.3 7.數(shù)據(jù)匯總 名稱殼程管程質(zhì)量流量kg/s37.546.01溫度 進(jìn)/出30/40102.3/40物性定性溫度3571.15密度kg/m³996986比熱容kJ/kg·4.184.19粘度 pa·s0.804×10-30.54×10-3導(dǎo)熱系數(shù)w/m·0.6180.662普蘭特?cái)?shù)5.4383.418設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)型號(hào)固定管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑600殼程數(shù)1管徑25×2.5管心距32管長60000管子排列方式正三角形管根數(shù)（根）242折流擋板數(shù)29傳熱面積112.0折流板距200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速m/s0.3210.957傳熱膜系數(shù)w/·18875205污垢熱阻·/w1/46051/4596阻力損失pa401039630熱負(fù)荷w1569000傳熱溫差T24.87傳熱系數(shù)k0 w/·562.