化工原理课设

5、列管式换热器的校核…………………………………………11
5.1 校核总传热系数……………………………………………………………11 5.1.1 管程对流传热系数α1…………………………………………………12 5.1.2 壳程对流传热系数α2…………………………………………………12 5.2 核算总传热系数……………………………………………………………12 5.3 计算传热面积………………………………………………………………13 5.4 压力降计算…………………………………………………………………13
盐水
比汽化热 r=300.8KJ/Kg 3.2 传热面积的初定 3.2.1 计算传热量（热负荷） Q=qmr= qm1·r =0.521×1000×300.8=1.572×105 w 3.2.2 冷却介质流量 Q= qm1·r=qm2Cp2(t1-t2) qm2 =
Q Cp 2(t1−t2)
=1.572×105 /(2.89×103×13）
按照逆流算出对数平均温度差△tm, 再乘以温差校正系数 R＝
T1 T2 ＝0 t 2 t1
8
P＝
t 2 t1 ＝ 0.684 T1 t1
取单壳程，查图可得平均传热系数大于 0.8，可行。 △tm= t ×△tm’ =1×11.28=11.28( ℃ )
3.3 估算传热面积 A 估=
4、 主要工艺尺寸的确定……………………………………………9
4.1 换热管的类型、尺寸及材料的确定…………………………………………9 4.1.1换热管规格和排列的选择………………………………………………9 4.1.2 换热管排列的选择……………………………………………………10
2
4.2 实际选择……………………………………………………………………10
Q ∆tmK 估
由化工原理 P152 表 4-7
列表式换热器中 K 值得大致范围，两流体为有机物和
-3
水，氯乙烯的 μ=0.188×10 Pa·s<0.5mPa·s,K 值范围 为 300~800W·m−2 ·K −1 ,所以取 K 范围中间值 600K。 A 估=23.2m2
4、主要工艺尺寸的确定
6
易结垢液体 气 体
＞1 5 ～30
＞0.5 2 ～15
不同黏度液体在列管换热器中的流速 液体黏度/mPa·s ＞1500 1500～ 500 最大流速/(m/s) 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 500～100 100～35 35～1.0
3、换热过程工艺计算
根据任务书所下达的换热任务，进行完整的换热过程的工艺计算。其目的是 确定设备的主要工艺尺寸和参数，如换热器的换热面积，换热管管径、长度、根 数， 管程数和壳程数， 换热管的排列和壳体直径， 以及管、 壳程流体的压强降等， 为结构设计提供依据。 3.1 设计条件 3.1.1 设计条件：
=4.17kg/s 3.2.3 平均推动力△tm 当流体逆流式，可按下式计算： tm=
t 1 t 2 ln（t 1 ） t 2
，△t2=T2—t1=24—18=6℃
△t1=T1—t2=24—5=19℃
△t1/△t2 =19/6＞2，所以△tm=
t 1 t 2 =11.28℃ t 1 ln（ ） t 2
1.1 设计题目………………………………………………………………………4 1.2 设计条件………………………………………………………………………4 1.3 设计要求………………………………………………………………………4
2、 设计方案简介……………………………………………………5
2.1 确定列管式换热器的型式……………………………………………………5 2.2 换热器内流体的流经空间……………………………………………………5 2.3 换热器内流体的流动方向……………………………………………………6 2.4 安装方式………………………………………………………………………6 2.5 流速的选择……………………………………………………………………6
化工原理课程设计
学 专 班 学
院：环境与市政工程 业：应 级： 号： 用 化 学
2011122 201112212 杜浩 曹永
学 生 姓 名：
指 导 老 师： 李新宝
设计起止日期 2013 年 12 月 23 日～ 2014 年 1 月 5 日
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目录
1、 应用化学专业化工原理课程设计任务书…………………Baidu Nhomakorabea…4
4.1 换热管的类型、尺寸及材料的确定 4.1.1换热管规格和排列的选择 换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体 管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考 虑到制造和维修的方便， 加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定 采用 Φ25×2.5和 Φ19×2两种规格， 对一般流体是适应的。 此外， 还有 Φ38×2.5， φ57×2.5的无缝钢管和 φ25×2, Φ38×2.5的耐酸不锈钢管。 按选定的管径和流速确定管子数目， 再根据所需传热面积， 求得管子长度。 实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、 9m，故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m 和9m 六种，其中以3m 和6m
参 类型
数
质量流量 （标准 kg/s） －
进口温度 （℃） 5
出口温度 （℃） 18
冷冻盐水（管 内） 纯氯乙烯（管 外）
0.521
24
24
3.1.2 氯乙烯的有关物性数据如下： T1=T2=24℃
物性
密度ρ1 （kg/m3 ）
定压比热容 Cp1 [kJ/(kg.k)]
粘度μ1 （Pa·s）
导热系数 λ1 （W·m-1·k-1）
1.3 设计要求： （1）确定设计方案：流体走向与流速；冷却器安装方式； （2）确定冷却剂用量, 估算需要的传热面积； （3）进行塔顶冷凝器设计和选型：确定换热器管长、总管数；管程数、壳程数 管间距、排列方式、折流挡板间距、挡板数； （4）校核管程及壳程的压力降, 允许压力降：不大于 30kPa； （5）核算冷却器的传热膜系数、传热面积并进行比较（A 估/A 选） （6）进行运行方案比较 （7）进行结果讨论 （8）编写设计说明书 （9）绘制氯乙烯精馏装置工艺流程图一张：标出主体设备和辅助设备的物料流 向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；设备技术要求、主要参数、 接管表、部件明细表、标题栏。
ρ=904.94kg/m3;
cp=21.98cal/mol.k)=1.472kJ/(kg.K);
μ=0.188×10-3Pa.s; λ=0.123W/(m.K) ;
r=300.8kJ/kg;
冷却介质: t1=5℃; t2=18℃;
ρ=1237kg/m3;
cp=2.89kJ/(kg.K); μ=3.4×10-3Pa.s; λ=0.575 W/(m.K) ; r=300.8KJ/kg
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2、设计方案简介：
2.1 确定列管式换热器的型式 对于该设计方案我选择了固定管板式换热器。 固定管板式换热器是列管式换 热器的一种，列管式换热器又称管壳式换热器，在化工生产中被广泛使用。它的 结构简单、坚固、制造比较容易，处理能力大，适应性强，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。 固定管板式换热器主要由壳体、 管束、 管板（又称花板） 、封头和折流板等部件组成。这种换热器的特点是壳体与管板 直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。由于两板之间有 管子相互支撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中它的管板最薄，其造价比 较低，因此得到广泛应用。这种换热器管内较易清洗，但管外清洗困难，可以将 不易清洁或易结垢的流体走管内。管壁和壳壁之间的温度差大于 50℃时，需要 在壳体上设置膨胀节， 依靠膨胀节的弹性变形以降低温差应力。但它只能适用于 管、壳壁的温度不大于 70℃和壳程流体压强小于 600kPa 的场合，否则会因膨胀 节过厚难以伸缩而失去温差补偿作用。设计要求中温差小于 50℃、壳程流体压 强小于 600kPa,所以满足条件，器型上选择列管式换热器中的固定管板式换热器。 2.2 换热器内流体的流经空间 在换热器中，哪一种流体经过管内（管程） 、哪一种流体流经管外（壳程） ， 是关系到设备使用是否合理的问题。综合考虑具体设计方案的主要方面，选择氯 乙烯走壳程，冷却介质走管程。选择考虑如下： (1)不清洁或易结垢的物流应当流经易于清洗的一侧， 对于换热管 束为直管的换 热器，一般应让其走管程，例如冷却水一般通过通过管内，因为冷却水常常用江 河水或井水，比较脏，硬度较高，受热后容易结垢，在管内便于清洗。此外，管 内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的乘积。 (2)采用提高流速来增大对流传热系数的流体应由管程流过，因为管程可以采用 多管程来增大流速。 (3)有腐蚀性的流体或高压流体应在管程流过， 这样秩序管子，管板和封头或管 箱采用耐腐蚀耐压材料， 而壳体及壳外空间的其他零部件，可用其他较便宜的材 料或避免采用高压密封等。 (4)被加热流体一般应走壳程，以提高热的有效利用，被冷却的流体一般应走壳
7
氯乙烯
904.94
1.472
0.188×10
-5
0.123
比汽化热 r=300.8KJ/Kg 3.1.3 冷冻盐水的物性数据如下： t1=5℃,t2=18℃
物性
密度ρ2 （kg/m3） 1237
定压比热容 Cp2 [kJ/(kg.k)] 2.89
粘度μ2 （Pa·s） 3.4×10-3
导热系数 λ2 （W·m-1·k-1） 0.575
5
程，便于热量散失。 (5)有毒流体宜走管程，以减少其泄露的机会。 (6)饱和蒸汽由于比较清洁应由换热器的壳程流过，亦便于冷凝液的排出。 2.3 换热器内流体的流动方向 冷却介质和纯氯乙烯逆向流动换热。选择原则如下： (1)在换热过程中冷、热流体均无相变化，一般应取逆流操作，可获得较大的有 效温度差，以提高传热效率或减少所需的传热面积。 (2)常用载热流体的一般流向：饱和蒸汽应从换热器壳程上方进入，冷凝水由壳 程下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高;冷却介质一般 从换热器下方的入口送入，上方的的出口排出，可减少冷却水流动中的死角，以 提高传热面积的有效利用。 2.4 安装方式 采用卧式，因为冷凝器器型较小，占地面积不大，卧式便于清洗、操作和施 工，供水稳定安全，机房净高要求不高。 2.5 流速的选择 换热器内流体的流速大小，应由经济衡算来确定。增大器内流体的流速， 可增强对流传热，减少污垢在换热表面上沉积的可能性，即降低了污垢的热阻， 使总传热系数增大， 从而可减少换热器的传热面积和设备的投资费，但是流速增 大，又使流体阻力增大，动力消耗也就增多，从而致使操作费用增加，若流速过 大，还会使换热器产生震动，影响寿命，因此，选择适宜的流速是十分重要的。 此外，在选择流速时还要考虑结构说那个的要求，例如：选择较高的流速，可使 管子的数目减少，对于一定的传热面积来说，就可以用较长的管子，而管子太长 又不易清洗，且一般管长都具有一定的标准；若采用增加管数，当然也可以，但 其平均温度差就要降低。总之，适宜流速的确定要作全面考虑。下面介绍列管式 换热器流体常用的流速范围： 列管式换热器内常用的流速范围 流体种类 管程 一般流体 0.5 ～3 流速/m·s −1 壳程 0.2 ～1.5
6、设计结果汇总表…………………………………………13 7、设计小结…………………………………………………14 8、参考文献…………………………………………………16
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1、应用化学专业化工原理课程设计任务书
1.1 设计题目： 1.2 设计条件 （1）处理能力：qm=30.00mol/h(0.521kg/s)； （2） 塔顶蒸汽按纯氯乙烯计，其压强为 0.38MPa(绝压)，温度为 24℃； （3）塔顶为全凝器，泡点回流； （4）冷却介质用 5℃冷冻盐水[25%(质量)CaCl2] （5）已知条件： 氯乙烯：T1=T2=24℃; 氯乙烯生产中高沸塔塔顶冷凝器设计
3、 换热过程工艺计算………………………………………………7
3.1 设计条件………………………………………………………………………7 3.1.1 设计条件…………………………………………………………………7 3.1.2 氯乙烯的有关物性数据…………………………………………………7 3.1.3 冷冻盐水的物性数据……………………………………………………8 3.2 传热面积的初定………………………………………………………………8 3.2.1 计算传热量（热负荷）…………………………………………………8 3.2.2 冷却介质流量……………………………………………………………8 3.2.3 平均推动力△tm…………………………………………………………8 3.3 估算传热面积…………………………………………………………………9