華南農(nóng)業(yè)大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)

21/21<<化工原理>>課程設(shè)計(jì)說明書1.任務(wù)書…………32.工藝生產(chǎn)流程線………………52.流程及方案的說明和論證……63.換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算及說明……64.主要符號(hào)表……………………75.物性數(shù)據(jù)表……………………96.設(shè)計(jì)核算……………………127.主要結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果表………188.設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及討論……………209.參考文獻(xiàn)………21附圖：主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖和花版設(shè)計(jì)圖一．任務(wù)書一.設(shè)計(jì)題目：列管式冷卻器設(shè)計(jì)二.設(shè)計(jì)任務(wù)：將自選物料用河水冷卻或自選熱源加熱至生產(chǎn)工藝所要求的溫度三.設(shè)計(jì)條件：1.處理能力：G=學(xué)生學(xué)號(hào)最后兩位×300t物料/d2.冷卻器用河水為冷卻介質(zhì)，考慮廣州地區(qū)可取進(jìn)口水溫度為20~3503.允許壓降：不大于105Pa；4.傳熱面積安全系數(shù)5～15％5.每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。四.設(shè)計(jì)要求：1.對(duì)確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡要論述；2.物料衡算、熱量衡算；3.確定列管殼式冷卻器的主要結(jié)構(gòu)尺寸；4.計(jì)算阻力；5.選擇合宜的列管換熱器并運(yùn)行核算；6.用Autocad繪制列管式冷卻器的結(jié)構(gòu)（3號(hào)或4號(hào)圖紙）、花板布置圖（3號(hào)圖紙）；7.編寫設(shè)計(jì)說明書（包括：①.封面；②.目錄；③.設(shè)計(jì)題目；④.流程示意圖；⑤.流程及方案的說明和論證；⑥設(shè)計(jì)計(jì)算及說明；⑦主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；⑧設(shè)計(jì)結(jié)果概要表；⑨對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)及問題討論；⑩參考文獻(xiàn)。）五.設(shè)計(jì)進(jìn)度安排：二周內(nèi)完成（按10個(gè)工作日計(jì)算）設(shè)計(jì)階段內(nèi)容工作日1.準(zhǔn)備布置任務(wù)、現(xiàn)場參觀，老師介紹有關(guān)內(nèi)容，借閱資料0.52.擬定設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)步驟閱讀有關(guān)資料，確定自己的流程及設(shè)計(jì)方案、步驟2.03.設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行具體計(jì)算并調(diào)整3.04.編寫說明書整理計(jì)算結(jié)果并繪圖4.05.交流總結(jié)0.5備注：參考文獻(xiàn)格式：期刊格式為：作者姓名.出版年.論文題目.刊物名稱.卷號(hào)（期號(hào)）：起止頁碼。專著格式為：作者姓名.出版年.專著書名.出版社名.起止頁碼。1．啤酒工藝生產(chǎn)流程：啤酒生產(chǎn)過程主要分為四個(gè)部分。糖化→發(fā)酵→濾酒→包裝麥芽在送入釀造車間之前，先被送到粉碎塔。在這里，麥芽經(jīng)過輕壓粉碎制成釀造用麥芽。糊化處理即將粉碎的麥芽/谷粒與水在糊化鍋中混合。在糊化鍋中，麥芽和水經(jīng)加熱后沸騰，這是天然酸將難溶性的淀粉和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成為可溶性的麥芽提取物，稱作"麥芽汁"。然后麥芽汁被送至稱作分離塔的濾過容器。麥芽汁在被泵入煮沸鍋之前需先在過濾槽中去除其中的麥芽皮殼，并加入酒花和糖。在煮沸鍋中，混合物被煮沸以吸取酒花的味道，并起色和消毒。在煮沸后，加入酒花的麥芽汁被泵入回旋沉淀槽以去處不需要的酒花剩余物和不溶性的蛋白質(zhì)。潔凈的麥芽汁從回旋沉淀槽中泵出后，被送入熱交換器冷卻。麥芽汁中被加入酵母，開始進(jìn)入發(fā)酵的程序。2．流程及方案的說明和論證2．1設(shè)計(jì)方案的說明和論證1.確定流程；2.計(jì)算定性溫度以確定物性數(shù)據(jù)；3.計(jì)算熱負(fù)荷；4.按純逆流計(jì)算平均傳熱溫差，然后按單殼程多管程計(jì)算溫度校正，如果溫差校正系數(shù)小于0.8，應(yīng)增加殼程數(shù)；5.選擇適當(dāng)?shù)目倐鳠嵯禂?shù)K以估算傳熱面積；6.計(jì)算冷卻水用量；7.確定兩流體流經(jīng)管程或殼程，選定管程流體速度，由流速和流量估算單程管的管子根數(shù)，由管子根數(shù)和估算的傳熱面積，估算管子長度和直徑，再由系列標(biāo)準(zhǔn)選用適當(dāng)型號(hào)換熱器。8傳熱管排列和分程方法；9計(jì)算殼體內(nèi)徑和折流板間距、折流板數(shù)；10計(jì)算殼程流體傳熱膜系數(shù)；11計(jì)算管程流體流速，若結(jié)果與前面設(shè)定的流速不接近，則要從頭在設(shè)定一個(gè)速度，再開始算過，直到兩者相互接近；12計(jì)算管內(nèi)傳熱膜系數(shù)；13溫核算，結(jié)果如果大于50℃，要設(shè)置溫差補(bǔ)償裝置；如果超過105Pa，則要從頭開始再設(shè)數(shù)據(jù)算，直到結(jié)果不大于105Pa為止14計(jì)算傳熱面積安全系數(shù)，必須滿足5％－15％的安全度，若不在此范圍內(nèi)，則要再改數(shù)據(jù)再試算，直到符合要求；15計(jì)算殼程接管內(nèi)徑，選取殼程流體進(jìn)出口接管規(guī)格；16計(jì)算管程接管內(nèi)徑，選取管程流體進(jìn)出口接管規(guī)格；2．2確定設(shè)計(jì)方案及流程2．2．1選擇物料本實(shí)驗(yàn)選擇經(jīng)過煮沸后的啤酒作為熱流體，選擇沒經(jīng)過處理的河水作為冷流體.2．2．2確定兩流體的進(jìn)出口溫度熱流體的進(jìn)出口溫度分別為900C、冷流體的進(jìn)出口溫度分別是250C、2．3．3確定流程由于豆?jié){較易結(jié)垢，對(duì)流傳熱系數(shù)較大，若流速太低，將會(huì)加快污垢增長速度，使換熱器的傳熱速率下降，同時(shí)，為便于清洗污垢，熱流體豆?jié){應(yīng)該走管程，冷流體應(yīng)走殼程。2．3．4換熱器類型的選擇從兩流體的溫度來看，該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時(shí)，由于其進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)該換熱器的管壁溫之差較大，因此初步確定選用浮頭式式換熱器。3．設(shè)計(jì)計(jì)算及說明3．1設(shè)計(jì)符號(hào)說明表一主要符號(hào)說明表序號(hào)名稱符號(hào)單位序號(hào)名稱符號(hào)單位1熱流體溫度T℃19粘度μPa·s2冷流體溫度t℃20密度kg/m33平均傳熱溫差?tm℃21導(dǎo)熱系數(shù)Kw/m·℃4流通截面積Am222污垢熱阻Rm2·℃/w5直徑dm23對(duì)流傳熱系數(shù)αw/m2·℃6管當(dāng)量直徑m24導(dǎo)熱系數(shù)Kw/m2·℃7接管直徑徑m25定壓比熱容CPkJ/kg·℃8單程傳熱管長Lm26折流板數(shù)NB9分程后的管長lm27總傳熱管數(shù)NT10實(shí)際傳熱面積m228管程數(shù)NP11理論傳熱面積Sm229串聯(lián)殼程數(shù)Ns12熱流量Qkw30雷諾數(shù)Re13質(zhì)量流量mkg/s31管壁粗糙度14流速um/s32普蘭特?cái)?shù)Pr15壓強(qiáng)PPa33單管程時(shí)傳熱管數(shù)ns16折流板間距hmm34橫過管速中心管速Nc17管心距amm35殼體厚度Bmm18殼體內(nèi)徑Dmm36對(duì)數(shù)平均溫差校正系數(shù)37殼體流程的摩擦系數(shù)38E管速中線上最外層管中心到殼體內(nèi)壁的距離3．2確定物性數(shù)據(jù)3．2．1定性溫度啤酒的定性溫度為：Tm=(80+40)/2=60℃管程流體的定性溫度為：Tm=(20+30)/2=30℃3．2．2啤酒與選用河水的物性數(shù)據(jù)表二密度kg/m3比熱kJ/kg·℃粘度Pa·傳熱系數(shù)w/m·℃啤酒10004.191.30×10-30.580河水9964.180.84×10-30．61393．2．3估算傳熱面積根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，換熱器的處理能力G＝11×300＝3300t物料/d（1）熱負(fù)荷Qi——熱負(fù)荷，kW；Mi——熱流體的流量，kg/s；?ti——熱流體的溫度差，℃cρ,i——熱流體的黏度，kJ/kg·℃。（2）平均傳熱溫度按逆流計(jì)算得℃?t1，?t2——分別是換熱器兩端冷熱流體的溫差（3）傳熱面積假設(shè)K=1000w/m2·℃，則估算的傳熱面積為：（4）冷卻水用量?to——冷流體的溫度差，K。cp,o——冷流體熱容，kJ/kg·℃3．3工藝結(jié)構(gòu)尺寸3．3．1徑和管內(nèi)流速選用管徑為ф25×2.5較高級(jí)傳熱管，取管內(nèi)流速ui=1.5m/s。3．3．2管程數(shù)和傳熱管數(shù)根按單程管計(jì)算，現(xiàn)取傳熱管長=5m，則管程根ns——單程傳熱管數(shù)；L——傳熱管長度，m；NP——換熱器的管程數(shù)；NT——傳熱管總根數(shù)；ρi——熱流體密度，kg/m33．3．3平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：按單殼程，2管程，查對(duì)數(shù)平均溫度差校正系數(shù)值表，得平均傳熱溫差：℃由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，所以取單殼程較合適。4．設(shè)計(jì)核算4．1管程流體壓強(qiáng)降管程流體流通截面積m2管程流體流速m/s雷諾數(shù)ΔP1、ΔP2——分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降，Pa；Ft——結(jié)垢校正系數(shù)，無因次，對(duì)于ф25×2.5mm由Re=，傳熱管相對(duì)粗糙度為0.005，查得λ=0.038，流速ui=2.269m/s<105Pa4．2殼程流體壓強(qiáng)降ΔP1'——流體橫過管束的壓強(qiáng)降，Pa；ΔP2'——流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降，Pa；Fs——?dú)こ虊簭?qiáng)降的結(jié)垢校正因數(shù)，無因次，液體可取1.15。F——管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對(duì)正三角形排列F=0.5；f0——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re0>500時(shí)，f0=5.0Re0-0.228；nc——橫過管束中心線的管子數(shù)；;NB——折流擋板數(shù)；（塊）h——折流擋板間距，m；h=0.6m其中有Ns=1，F(xiàn)s=1.15；4.2.1流體流經(jīng)管束的阻力損失m,在這里a=0.032m則：m㎡u0=（4.471×）/(3600×996.2×0.0825)=1.51m/s>5004.2.2流體流過折流板缺口的阻力損失Pa<Pa由上述計(jì)算表明，管程和殼程的壓強(qiáng)降都滿足方案要求。4．3傳熱面積安全系數(shù)的計(jì)算及檢驗(yàn)4．3．1管程對(duì)流傳熱系數(shù)當(dāng)時(shí)，流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流，所以：普蘭特?cái)?shù)當(dāng)Re>10000，Pr=0.7~120，L/di=10.7/0.02=535>60時(shí)=0.023=0.023=6634.4w/m·℃di——管內(nèi)徑，m；μi——熱流體黏度，Pa·S；λi——熱流體傳熱系數(shù)，w/m·℃ai——管內(nèi)傳熱膜系數(shù)，w/m·℃4．3．2殼程對(duì)流傳熱系數(shù)因?yàn)楣茏訛檎切闻帕校瑒t當(dāng)量直徑為==0.020m殼程流通截面積m2殼程流體流速m/s雷諾數(shù)為=普蘭特?cái)?shù)=取=1.05時(shí)=0.36=0.36×=2350.4w/m·℃d0——管外徑，m；ρ0——河水的密度，kg/m3；μ0——冷流體黏度，Pa·S；λ0——冷流體傳熱系數(shù)，w/m·℃a0——?dú)こ塘黧w傳熱膜系數(shù)，w/m·℃4．3．4總傳熱系數(shù)K'=1/（）=512.01w/m2·℃4．3．5傳熱面積裕度（1）所需要的傳熱面積（2）該換熱器的實(shí)際傳熱面積（3）該換熱器的面積裕度為可見此安全系數(shù)在5％～15％范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。5.換熱器其它結(jié)構(gòu)大小的確定5．1偏轉(zhuǎn)角5．2接管管程流體進(jìn)出口接管取管內(nèi)流速u1＝1.497m/s則接管內(nèi)徑：Di＝m取殼程流體管內(nèi)流速u2＝1.25m/s則殼程接管內(nèi)徑：Do＝m殼壁厚度：6．換熱器結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)圖6．1換熱器主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表三換熱器主要結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果名稱管程殼程物料名稱啤酒干凈河水流量,kg/h1.4×105溫度，℃進(jìn)/出80/4020/30物性定性溫度℃6025密度kg/m31000996熱容kJ/（kg℃）4.194．18黏度Pa·s1.30×10-30.84×10-3傳熱系數(shù)w/m·℃0.5800．6139普蘭特?cái)?shù)5.725.80設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)管程進(jìn)出口直徑mm150殼程進(jìn)出口直徑mm350類型浮頭式放置方法臥式管程數(shù)2殼程數(shù)1管徑mmф25×2.5管心距mm32管長mm1079管子排列正三角型管數(shù)目（根）166折流板數(shù)（個(gè)）9傳熱面積m2120.7折流板間距mm600殼體內(nèi)徑mm1000材料碳鋼殼體壁厚mm15主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速m/s1.51．26傳熱膜系數(shù)w/(m2·K)5860．02350．4阻力降Pa88352.8875814.23傳熱量kW2.30×106傳熱溫差℃32.7總傳熱系數(shù)512.01w/m2·℃?zhèn)鳠崦娣e安全系數(shù)14.8%6．2主體設(shè)備結(jié)構(gòu)圖(見附圖)8．設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與討論優(yōu)點(diǎn)：本設(shè)計(jì)選用浮頭式換熱器，其一端管板不與殼體相連，可沿軸向自由伸縮，這種結(jié)構(gòu)不但可完全消除溫差應(yīng)力，而且整個(gè)管束可以從殼體中抽出，