化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

化工原理課程設(shè)計(jì)列管式換熱器設(shè)計(jì)說明書班級：指導(dǎo)教師：

學(xué)號：完成時(shí)間：設(shè)計(jì)任務(wù)書：……….同組人姓名：……………………..化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)生物工程教研室編20236目錄第1章概論 1\l“_TOC_250006“化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求 1\l“_TOC_250005“化工原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 1第2章列管式換熱器設(shè)計(jì) 5\l“_TOC_250004“設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)考慮的問題 5\l“_TOC_250003“管殼式換熱器的給熱系數(shù) 6\l“_TOC_250002“流體通過換熱器的阻力損失 8\l“_TOC_250001“對數(shù)平均溫差的修正 8\l“_TOC_250000“管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用步驟 10第3章篩板精餾塔設(shè)計(jì) 12收集根底數(shù)據(jù)工藝流程的選擇做全塔的物料平衡確定操作條件確定回流比理論板數(shù)與實(shí)際板數(shù)確定冷凝器與再沸器的熱負(fù)荷初估冷凝器與再沸器的傳熱面積塔徑計(jì)算及板間距確定堰及降液管的設(shè)計(jì)塔板布置及篩板塔的主要構(gòu)造參數(shù)篩板塔的水力學(xué)計(jì)算塔盤構(gòu)造塔高--12-第一章緒論化工原理課程設(shè)計(jì)的目的和要求課程設(shè)計(jì)是《化工原理》課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培育學(xué)生綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的根本學(xué)問去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整個(gè)教學(xué)打算中，它也起著培育學(xué)生獨(dú)立工作力量的重要作用。課程設(shè)計(jì)不同于尋常的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)展過程和設(shè)備計(jì)算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最抱負(fù)的方案和合理的設(shè)計(jì)。所以，課程設(shè)計(jì)是培育學(xué)生獨(dú)立工作力量的有益實(shí)踐。通過課程設(shè)計(jì),學(xué)生應(yīng)當(dāng)留意以下幾個(gè)力量的訓(xùn)練和培育：查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的力量；(2)樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并留意到操作時(shí)的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際問題的力量；快速準(zhǔn)確的進(jìn)展工程計(jì)算的力量；用簡潔的文字，清楚的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的力量?；ぴ碚n程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟〔1〕課程設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容①設(shè)計(jì)方案簡介對給定或選定的工藝流程，主要的設(shè)備型式進(jìn)展簡要的論述；計(jì)算及構(gòu)造設(shè)計(jì)；③典型關(guān)心設(shè)備的選型和計(jì)算包括典型關(guān)心設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號規(guī)格的選定；④帶掌握點(diǎn)的工藝流程簡圖以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備和關(guān)心設(shè)備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測量點(diǎn)；⑤主體設(shè)備工藝條件圖圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接收表；完整的課程設(shè)計(jì)由說明書和圖紙兩局部組成。說明書是設(shè)計(jì)的書面總結(jié)，也是后續(xù)設(shè)計(jì)工作的主要依據(jù)，應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：①封面〔課程設(shè)計(jì)題目、班級、姓名、指導(dǎo)教師、時(shí)間；②名目；③設(shè)計(jì)任務(wù)書；④設(shè)計(jì)方案簡介；⑤工藝設(shè)計(jì)計(jì)算；⑥關(guān)心設(shè)備的計(jì)算及選型；⑦設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表；⑧設(shè)計(jì)評述及設(shè)計(jì)者對本設(shè)計(jì)有關(guān)問題的爭論；⑨工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖；⑩參考資料?！?〕課程設(shè)計(jì)的步驟①發(fā)動和布置任務(wù)；②閱讀指導(dǎo)書和查閱資料；③設(shè)計(jì)計(jì)算,繪圖和編寫說明書；④考核和辯論。整個(gè)設(shè)計(jì)是由論述、計(jì)算和繪圖三局部組成。論述應(yīng)當(dāng)條理清楚，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所用數(shù)據(jù)必需注明出處；圖表應(yīng)能簡要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。帶掌握點(diǎn)的工藝流程圖的繪制帶掌握點(diǎn)的工藝流程圖是一種示意性的圖樣,管路、附件和儀表自控等，借以表達(dá)出一個(gè)生產(chǎn)中物料及能量的變化始末。工藝流程圖繪制范圍如下：必需反映出全部工藝物料和產(chǎn)品所經(jīng)過的設(shè)備；①應(yīng)全部反映出主要物料管路，并表達(dá)出進(jìn)出裝置界區(qū)的流向；②冷卻水、冷凍鹽水、工藝用的壓縮空氣、蒸汽(不包括副產(chǎn)品蒸汽)及蒸汽冷凝液系統(tǒng)等的整套設(shè)備和管線不在圖內(nèi)表示，僅示意工藝設(shè)備使用點(diǎn)的進(jìn)出位置；③標(biāo)出有助于用戶確認(rèn)及上級或有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審批用的一些工藝數(shù)據(jù)(例如:質(zhì)量流量或體積流量、密度、換熱量等)；④包括繪制圖例，圖畫上必要的說明和標(biāo)注，并按圖簽規(guī)定簽署；⑤必需標(biāo)注工藝設(shè)備，工藝物流線上的主要掌握點(diǎn)符及調(diào)整閥等。這里指的掌握點(diǎn)符包括被測變量的儀表功能(,就地儀表等)。流程圖的繪制步驟如下：①用細(xì)實(shí)線(0.3mm)1:100或1:50過高(如精餾塔)，過大或過小，則可適當(dāng)放大或縮??；②常用設(shè)備外形可參照圖1-1所示，對于無例如的設(shè)備可繪出其象征性的簡潔外形，說明設(shè)備的特征即可；③用粗實(shí)線(0.9mm)畫出連接設(shè)備的主要物料管線，并注出流向箭頭；④物料平衡數(shù)據(jù)可直接在物料管道上用細(xì)實(shí)線引出并列成表；⑤關(guān)心物料管道(如冷卻水、加熱蒸汽等)，用中粗實(shí)線(0.6mm)表示；⑥設(shè)備的布置原則上按流程圖由左至右，圖上一律不標(biāo)示設(shè)備的支腳、支架和平臺等，一般狀況下也不標(biāo)注尺寸。工藝物料的介質(zhì)代碼自行編制，一般以分子式及其編寫字母表示。關(guān)心物料如公用系統(tǒng)介1-1。1-1關(guān)心物料和共用系數(shù)介質(zhì)代號代號中文名稱 代號中文名稱W水 S蒸汽BW鍋爐給水 HS高壓蒸汽BR鹽水 LS低壓蒸汽BRR鹽水回水 MS中壓蒸汽BRS鹽水補(bǔ)給水 C冷凝液CW(循環(huán))冷卻水 PWW生產(chǎn)廢水CWR(循環(huán))冷卻回水 CS化學(xué)污水RW冷卻水RW冷凍回水(用于零度以上)圖上應(yīng)標(biāo)注單元設(shè)備的代號，單元設(shè)備分類代號見表1-2。1-2單元設(shè)備分類代號單元設(shè)備代號 單元設(shè)備代號現(xiàn)場裝置,根底,混凝土構(gòu)件A 爐子B轉(zhuǎn)化器,反響器,再生器D 換熱器C槽、儲罐F 塔E泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、驅(qū)動機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)J 管道M特別裝置L 電氣N儀表Q主體設(shè)備工藝條件圖(此局部內(nèi)容教師可依據(jù)具體題目有選擇的要求)主體設(shè)備是指在每個(gè)單元操作中處于核心地位的關(guān)鍵設(shè)備，如傳熱中的換熱器，蒸發(fā)中的蒸發(fā)器，蒸餾和吸取中的塔設(shè)備(板式塔和填料塔)，枯燥中的枯燥器等。一般，主體設(shè)備在不同單元操作中是不同的，即使同一設(shè)備在不同單元操作中其作用也不一樣，如某一設(shè)備在某個(gè)單元操作中為主體設(shè)備，而在另一單元操作中就可變?yōu)殛P(guān)心設(shè)備。例如，換熱器在傳熱中為主體設(shè)備，而在精餾或枯燥操作中就變?yōu)殛P(guān)心設(shè)備。泵、壓縮機(jī)等也有類似狀況。主體設(shè)備工藝條件圖是將設(shè)備的構(gòu)造設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算結(jié)果用一張總圖表示出來。圖面上應(yīng)包括如下內(nèi)容:①設(shè)備圖形 指主要尺寸(外形尺寸、構(gòu)造尺寸、連接尺寸)、接收、人孔等；②技術(shù)特性 指裝置的用途、生產(chǎn)力量、最大允許壓強(qiáng)、最高介質(zhì)溫度、介質(zhì)的毒性和爆炸危急性；③設(shè)備組成一覽表注明組成設(shè)備的各部件的名稱等。應(yīng)予以指出，以上設(shè)計(jì)全過程統(tǒng)稱為設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)。完整的設(shè)備設(shè)計(jì)，應(yīng)在上述工藝設(shè)計(jì)根底上再進(jìn)展機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)，最終供給可供加工制造的施工圖。這一環(huán)節(jié)在高等院校的教學(xué)中，屬于化工機(jī)械專業(yè)中的專業(yè)課程，在設(shè)計(jì)部門則屬于機(jī)械設(shè)計(jì)組的職責(zé)。1-1流程圖設(shè)備外形圖例其次章 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用化工生產(chǎn)中所用的換熱器類型很多，按其用途分，有加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。按其構(gòu)造分，有列管式、板式等。不同類型換熱器，其性能各異，因此要了解各種換熱器的特點(diǎn)，以便依據(jù)工藝要求選用適當(dāng)類型，同時(shí)還要依據(jù)傳熱的根本原理，選擇流程，確定換熱器的根本尺寸，計(jì)算傳熱面積以及計(jì)算流體阻力等。本章著重對列管式換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)展具體介紹。2.1概述列管式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的一種換熱設(shè)備，設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)考慮的問題冷熱流體流淌通道的選擇a、不干凈或易結(jié)垢的液體宜在管程，因管內(nèi)清洗便利，但U形管式的不宜走管程；b、腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時(shí)受到腐蝕；c、壓力高的流體宜在管內(nèi)，以免殼體承受壓力；d、飽和蒸汽宜走殼程，飽和蒸汽比較清潔，而且冷凝液簡潔排出；e、被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱；f、假設(shè)兩流體溫差大，對于剛性構(gòu)造的換熱器，宜將給熱系數(shù)大的流體通入殼程，以減小熱應(yīng)力；gRe100的，假設(shè)流淌阻力損失允許，將這種流體通入管內(nèi)并承受多管程構(gòu)造，反而會得到更高的給熱系數(shù)。以上各點(diǎn)常常不行能同時(shí)滿足，而且有時(shí)還會相互沖突，故應(yīng)依據(jù)具體狀況，抓住主要方面，作出適宜的打算。流淌方式的選擇當(dāng)流量肯定時(shí)，管程或殼程越多，對流傳熱系數(shù)越大，對傳熱過程越有利。但是，承受多管程或多殼程必導(dǎo)致流體阻力損失，即輸送流體的動力費(fèi)用增加。因此，在打算換熱器的程數(shù)時(shí)，需權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的損失。當(dāng)承受多管程或多殼程時(shí)，列管式換熱器內(nèi)的流淌形式簡單，對數(shù)平均值的溫差要加以修正。換熱管規(guī)格和排列選擇換熱管直徑越小，換熱器單位容積的傳熱面積越大。因此對于干凈的流體可完管徑可取得小些。但對于不干凈或易結(jié)垢的流體，管徑應(yīng)取的大些，以免堵塞。為了制造和修理的便利，我國目前試行的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定承受19×2mm和25×2.5mm1.5、2.0、3.0、6.0m，排列方式：正三角形、正方形直列和錯(cuò)列排列，見圖2-1。2-1換熱管排列方式各種排列方式的優(yōu)點(diǎn)：正方形排列：易清洗，但給熱效果較差正方形錯(cuò)列：可提高給熱系數(shù)等邊三角形：排列緊湊，管外流體湍流程度高，給熱系數(shù)大折流擋板安裝折流擋板的目的是為提高殼程對流傳熱系數(shù)，為取得良好的效果，擋板的外形和間距必需適當(dāng)。圖2-2可以看出，弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生“死區(qū)“，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。擋板的間距對殼體的流淌亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外外表傳熱系數(shù)下降；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內(nèi)徑的0.2～1.0倍。a.切除過少 b.切除適當(dāng) c.切除過多2-2擋板切除對流淌的影響管殼式換熱器的給熱系數(shù)給熱系數(shù)包括管內(nèi)流淌的給熱系數(shù)和殼程給熱系數(shù)，管內(nèi)流體的給熱系數(shù)前面已經(jīng)學(xué)過，殼程中由于設(shè)有折流擋板，流體在殼程中橫向穿過管束，流向不斷變化，湍動增加，當(dāng)Re100即可到達(dá)湍流狀態(tài)。流體在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制湍流Nu0.023Re0.8Prk du c0.023 (d

)0.8(p )k使用范圍：Re>10000，0.7<Pr<160，<2×10-5Pa.s，l/d>50留意事項(xiàng)：定性溫度取流體進(jìn)出溫度的算術(shù)平均值t；m特征尺寸為管內(nèi)徑d；i流體被加熱時(shí)，k＝0.4，流體被冷卻時(shí)，k＝0.3；上述n取不同值的緣由主要是溫度對近壁層流底層中流體粘度的影響。當(dāng)管內(nèi)流體被加熱時(shí)，靠近管壁處層流底層的溫度高于流體主體溫度；而流體被冷卻時(shí)，狀況正好相反。對于液體，其粘度隨溫度上升而降低，液體被熱時(shí)層流底層減薄，大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升也有所削減，但不顯著，總的結(jié)果使對流傳熱系數(shù)增大。液體被加熱時(shí)的對流傳熱系數(shù)必大于冷卻時(shí)的對流傳熱系數(shù)。大多數(shù)液體的Pr>1,Pr0.4>Pr0.3。因此，液體被加熱時(shí)，n0.4；冷卻時(shí)，n取0.3。對于氣體，其粘度隨溫度上升而增大，氣體被加熱時(shí)層流底層增厚，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度上升也略有上升，總的結(jié)果使對流傳熱系數(shù)削減。氣體被加熱時(shí)的對流傳熱系數(shù)必小于冷卻時(shí)的對流傳熱系數(shù)。由于大多數(shù)氣體的Pr<1，即Pr0.4<Pr0.3，故同液體一樣，氣體被加熱時(shí)n0.4，冷卻時(shí)n0.3。通過以上分析可知，溫度對近處層流底層內(nèi)流粘度的影響，會引起近壁流層內(nèi)速度分布的變化，故整個(gè)截面上的速度分布也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。特征速度為管內(nèi)平均流速。以下是對上面的公式進(jìn)展修正：高粘度 du c 0.027 (

)0.8(

)0.33( )0.14d w 要考慮壁面溫度變化引起粘度變化對的影響〔是在t 下；而 是在 m W w由于壁溫難以測得，工程上近似處理為：對于液體，加熱時(shí)：(w

)0.14

1.05(w

0.95過渡區(qū)2300<Re<10000時(shí)，先按湍流計(jì)算，然后乘以校正系數(shù)6105f1.0

1Re0.8過渡區(qū)內(nèi)流體比猛烈的湍流區(qū)內(nèi)的流體的Re減小。流體在彎管中的對流傳熱系數(shù)ff(1

d1.77 )R式中 d──管徑；R──彎管的曲率半徑。由于彎管處受離心力的作用，存在二次環(huán)流，湍動加劇，增大。流體在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制層流特點(diǎn)：1〕2〕層流的對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴(yán)峻使得對流傳熱系數(shù)提高3實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對流傳熱系數(shù)提高。〔1〕Gr<25000時(shí)，自然對流影響小可無視d Nu1.86(RePr )1/3(l

)0.14w適用范圍：Re<2300(RePrd)10，l/d>60l定性溫度、特征尺寸取法與前一樣，按壁溫確定，工程上可近似處理為：w對于液體，加熱時(shí)：(w

)0.14

1.05(w

0.952Gr>25000時(shí)，自然對流的影響不能無視時(shí)，乘以校正系數(shù)f01001Gr1/3)在換熱器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避開在強(qiáng)制層流條件下進(jìn)展傳熱，由于此時(shí)對流傳熱系數(shù)小，從而使總傳熱系數(shù)也很小。流體在換熱器管殼間流淌一般在列管換熱器的殼程加折流擋板，折流擋板分為圓形和圓缺形兩種。由于裝有不同形式的折流擋板，流淌方向不斷轉(zhuǎn)變，在較小的Re下〔Re=100〕即可到達(dá)湍流。圓缺形折流擋板，弓形高度25%D，的計(jì)算式：1 N 0.36Re0.55Pr3(u w

)0.14適用范圍：Re=2×103～106。定性溫度：進(jìn)、出口溫度平均值；tw

→μ。w1〕當(dāng)量直徑de參2-3正方形排列：

2)d e d0

2-3d的計(jì)算e34(3正三角形排列：d e

t20.785d2)0d0〔2〕流速u依據(jù)流體流過的最大截面積S 計(jì)算maxSmax

hD(1d0)t式中 h——相鄰擋板間的距離；D——?dú)んw的內(nèi)徑。提高殼程的措施：提高殼程uhu2，h；d；加強(qiáng)殼程的湍動程度，如加折流擋板或填充物。

f f e流體通過換熱器的阻力損失管程阻力損失包括各程直管阻力損失h 回彎阻力損失h 及換熱器進(jìn)出口阻力損失h 構(gòu)成其中hf1 f2 f3 f3可無視不計(jì)。h (h h )fNft f1 f2 t p式中 f——管程結(jié)垢校正系數(shù)，對三角形排列取1.5，正方形排列取1.4；tN ——管程數(shù)；ph

l u2i式中 l——換熱管長度，m；

f1 d 2iih 3u2if2 2〔h 包括回彎和進(jìn)出口局部阻力及封頭內(nèi)流體轉(zhuǎn)向的局部阻力之和，取阻力系數(shù)為3〕f2管程阻力損失也可寫成

l 由于ui

N ，所以pp

ptN3。P

d d

3 fN it p 2t對同一換熱器，假設(shè)單程改為雙程，阻力損失劇增為原來的8倍，而給熱系數(shù)只增為原來的1.74殼程阻力損失殼程由于流淌狀態(tài)比較簡單，構(gòu)造參數(shù)較多，提出的公式較多，但可歸結(jié)為u2h ofs 2不同的計(jì)算公式，打算和uo的方法不同，計(jì)算結(jié)果往往不全都。對數(shù)平均溫差的修正前面學(xué)過的對數(shù)平均溫差t 僅適用于純并流或純逆流的狀況當(dāng)承受多管程或多殼程時(shí)，m由于其內(nèi)流淌形式簡單，平均推動力t 的計(jì)算式相當(dāng)簡單。為了便利，可將這些簡單流型的m平均推動力的計(jì)算結(jié)果與進(jìn)出口溫度一樣的純逆流相比較，求出修正系數(shù)，即t tm m逆其中的求法為：

f(P,R)1Pt2t 1

冷流體溫升Tt1 1TT

兩流體最初溫差熱流體溫降R＝1 2t t2 1

冷流體溫升PR值由圖查出各種狀況的值。2-4對數(shù)平均溫度差校正系數(shù)的值〔a〕單殼程(b)二殼程(c)三殼程(d