化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書6084

化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院一、化工原理課程設(shè)計(jì)的重要性化工原理課程設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)完基礎(chǔ)課程以及化工原理課程以后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合運(yùn)用化工原理和相關(guān)先修課程的知識(shí)，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐。通過這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握單元操作設(shè)計(jì)的基本程序和方法，熟悉查閱技術(shù)資料、國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，正確選用公式和數(shù)據(jù)，運(yùn)用簡(jiǎn)潔文字和工程語(yǔ)言正確表述設(shè)計(jì)思想和結(jié)果；并在此過程中使學(xué)生養(yǎng)成尊重實(shí)際問題向?qū)嵺`學(xué)習(xí)，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，逐步樹立正確的設(shè)計(jì)思想、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的工作作風(fēng)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。二、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和程序化工原理課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容有：1、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。2、主要設(shè)備的工藝計(jì)算：物料衡算、能量衡算、工藝參數(shù)的選定、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。3、輔助設(shè)備的選型：典型輔助設(shè)備主要工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)備規(guī)格型號(hào)的選定。4、工藝流程圖：以單線圖的形式描繪，標(biāo)出主體設(shè)備與輔助設(shè)備的物料方向、物流量、主要測(cè)量點(diǎn)。5、主要設(shè)備的工藝條件圖：圖面應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸，技術(shù)特性表和接管表。6、編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書：可按照以下幾步進(jìn)行：⒈課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作①有關(guān)生產(chǎn)過程的資料；②設(shè)計(jì)所涉及物料的物性參數(shù)；③在設(shè)計(jì)中所涉及工藝設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法；④設(shè)備設(shè)計(jì)的規(guī)范及實(shí)際參考圖等。⒉確定設(shè)計(jì)方案⒊工藝設(shè)計(jì)計(jì)算⒋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)⒌工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書⑴封面：課程設(shè)計(jì)題目、學(xué)生班級(jí)及姓名、指導(dǎo)教師、時(shí)間。⑵目錄⑶設(shè)計(jì)任務(wù)書⑷概述與設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)介⑸設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表⑹工藝設(shè)計(jì)計(jì)算⑺輔助設(shè)備的計(jì)算及選型⑻設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表⑼設(shè)計(jì)評(píng)述⑽工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖⑾參考資料1⑿主要符號(hào)說(shuō)明三、列管式換熱器設(shè)計(jì)內(nèi)容1、確定設(shè)計(jì)方案（1）選擇換熱器的類型；（2）流程安排2、確定物性參數(shù)（1）定性溫度；（2）定性溫度下的物性參數(shù)3、估算傳熱面積（1）熱負(fù)荷；（2）平均傳熱溫度差；（3）傳熱面積；（4）冷卻水用量4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）管徑和管內(nèi)流速；（2）管程數(shù)；（3）平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)；（4）傳熱管排列和分程方法；（5）殼體內(nèi)徑；（6）折流板；（7）其它附件；（8）接管5、換熱器核算（1）傳熱能力核算；（2）壁溫核算；（3）換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力四、設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件某廠用井水冷卻從反應(yīng)器出來(lái)的循環(huán)使用的有機(jī)液。欲將6000kg/h的有機(jī)液從140℃冷卻到40℃，井水進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。若要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa，試選擇合適型號(hào)的列管式換熱器。定性溫度下有機(jī)液的物性參數(shù)列于附表。中附表項(xiàng)密度，比熱，粘度，Pa·s熱導(dǎo)率，目kg/m植物KJ/(kg·℃)kJ/(m·℃)30.742×9502.2610.17210-3油五、主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（示例）根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，可選擇其它形式的列管換熱器。六、設(shè)計(jì)進(jìn)度1設(shè)計(jì)動(dòng)員，下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書0.5天；2搜集資料，閱讀教材，擬定設(shè)計(jì)進(jìn)度1.5天；3設(shè)計(jì)計(jì)算（包括電算，編寫說(shuō)明書草稿）5-6天；4繪圖3-4天；5整理，抄寫說(shuō)明書2天；6設(shè)計(jì)小結(jié)及答辯1天。2七、設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分體系考核成績(jī)分為五檔：優(yōu)秀（90-100分）、良好（80-89分）、中等（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（＜60分）。評(píng)定方法：答辯成績(jī)占30%，設(shè)備圖占30%，說(shuō)明書占35%，平時(shí)成績(jī)占5%。兩位任課教師分別評(píng)分，總評(píng)成績(jī)?nèi)晌蝗握n教師的平均分。概述與設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)介換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，早期的換熱器只能采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。換熱器中流體的相對(duì)流向一般有順流和逆流兩種。順流時(shí)，入口處兩流體的溫差最大，并沿傳熱表面逐漸減小，至出口處溫差為最小。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在冷、熱流體的進(jìn)出口溫度一定的條件下，當(dāng)兩種流體都無(wú)相變時(shí)，以逆流的平均溫差最大順流最小。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。本設(shè)計(jì)方案為：確定設(shè)計(jì)方案，包括選擇換熱器的類型、流程安排；確定物性參數(shù)，包括定性溫度、定性溫度下的物性參數(shù)；估算傳熱面積，包括熱負(fù)荷、平均傳熱溫度差、傳熱面積、冷卻水用量；確定工藝結(jié)構(gòu)尺寸，包括管徑和管內(nèi)流速、管程數(shù)、平均傳熱溫度差校正及殼程數(shù)、傳熱管排列和分程方法、殼體內(nèi)徑、折流板、其它附件、接管；換熱器核算，包括傳熱能力核算、壁溫核算、換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力。最后畫出工程圖。設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表將6000kg/h的有機(jī)液從140℃冷卻到40℃，井水進(jìn)、出口溫度分別為20℃和40℃。要求換熱器的管程和殼程壓強(qiáng)降均不大于35kPa。3性質(zhì)密度，kg/m3比熱，KJ/(kg·℃)粘度，Pa·s熱導(dǎo)率，kJ/(m·℃)植物油熱流體9502.2614.1740.742×10-30.801×10-30.1720.618井水冷流體995.7工藝設(shè)計(jì)計(jì)算一、確定設(shè)計(jì)方案1．選擇換熱器的類型兩流體的變化情況：熱流體進(jìn)口溫度140℃，出口溫度40℃；冷流體進(jìn)口溫度20℃，出口溫度40℃。考慮冷熱流體間溫差大于50℃，初步確定選用浮頭式換熱器。2．流程安排與有機(jī)液相比，井水易于結(jié)垢，如果其流速太小，會(huì)加快污垢增長(zhǎng)速度使換熱器傳熱速率下降。有機(jī)液被冷卻，走殼程便于散熱。因此，冷卻水走管程，有機(jī)液走殼程。二、確定物性數(shù)據(jù)1．定性溫度對(duì)于粘度低的流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。所以，14040殼程流體的定性溫度為：T=90℃22040管程流體的定性溫度為：t=30℃22．物性參數(shù)定性溫度下，管程流體(井水)、殼程流體（有機(jī)液）有關(guān)物性參數(shù)由《主要物性參數(shù)表》得出。三、估算傳熱面積1.熱流量mctQ=11p11=6000×2.261×(140-40)=1.3566×106kj/h=376.833kw2.平均傳熱溫差先按照純逆流計(jì)算，得(14040)(4020)ln144002040=49.7℃tm塑43.傳熱面積由于殼程有機(jī)液的壓力較高，故可選取較大的K值。假設(shè)K=395W/(㎡·℃)則估算的傳熱面積為：376.8331039549.7QKt319.19m2A=1m考慮到估算性質(zhì)的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實(shí)際傳熱面積為：A1.15A22.07m2p==376.8331034.井水用量：mQ14.51kg/s16250.8kg/h4.1741034020ctpii四、工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.管徑和管內(nèi)流速。選用選用Φ25×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u=0.75m/s12.管程數(shù)和傳熱管數(shù)可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：V16250.8/(3600995.7)Ns=20（根）0.7850.020.7524diu2Apdn22.073.140.0252014.0515m按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為：L=os按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)L152現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)L=8m，則該換熱器的管程數(shù)為：Np=（管程）l8傳熱管總根數(shù)：Nt=20×2=40（根）計(jì)，3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均溫差校正系數(shù)：R=144002040540200.2P=14040t0.85按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查圖得：tt0.8549.742.24℃m平均傳熱溫差tm塑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，故取單殼程合適。4.傳熱管排列和分程方法采用正方形錯(cuò)列。取管心距t=1.25d0，則t=1.25×25=31.25≈32mm隔板中心到離其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22mm5各程相鄰管的管心距為：22×2=44mm5.殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率η=0.85，則殼體內(nèi)徑為：/1.053240/0.85275mmD=1.05tNTD=300mm按卷制殼體的進(jìn)級(jí)檔，可取6.折流板采用弓形折流板,取弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：H=0.25×300=75m取折流板間距B=0.3D，則B=0.3×300=90mm古可取B=100mm傳熱管長(zhǎng)17000169N折流板數(shù)目：折流板間距100B7.其他附件拉桿數(shù)量與直徑按表選取，本換熱器殼體內(nèi)徑為300mm，故：拉桿直徑為Ф12，拉桿數(shù)量不得少于4。8.接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速為u1=2m/s，則接管內(nèi)徑為：46000/(3600950)0.032m3.1424VD11管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)液體流速u2=2.5m/s，則接管內(nèi)徑為：46000/34200003.142.5D20.030m圓整后，取殼程流體進(jìn)出口接管（熱軋無(wú)縫鋼管）規(guī)格為：Φ150×10取管程流體進(jìn)出口接管（熱軋無(wú)縫鋼管）規(guī)格為：Φ150×10四、換熱器核算1.傳熱能力核算（1）殼程流體傳熱膜系數(shù)0.361Re0.55Pr13()0.14用克恩法計(jì)算：0d0ew4[t2d2]4o0.02m當(dāng)量直徑：d=deo6sBD(1o)0.10.3(10.025)0.0073m2d殼程流通截面積：ot0.032u6000/(3600950)0.24m/s殼程流體流速：0.0073oRe0.020.249506145.56雷諾數(shù)：o0.7421032.2611030.74210Pr普朗特?cái)?shù)：39.75380.172()0.95粘度校正：0.14w0.1726145.569.7538得：0.360.02130.95709.1w/m2K0.55o（2）管內(nèi)傳熱膜系數(shù)0.023Re0.8Pr0.4idii40管程流體流通截面積：S0.7850.0220.00628m22i16250.8/(3600995.7)u0.7219m/s管程流體流速：0.006288iRe0.020.7219995.717943雷諾數(shù)：i0.80121034.1741030.801210Pr普朗特?cái)?shù)：35.410.6180.0230.020.618174930.85.410.33520.6w/m2.k得：i（3）污垢熱阻和管壁熱阻0.00058m2k/w管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：Ro（井水）0.000176m2k/w管外側(cè)污垢熱阻：Ri（有機(jī)液）管壁熱阻：碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為52.34w/(m·K)0.00250.00005m2k/w則R52.34w（4）傳熱系數(shù)71Ke1)410.5w/mRdoRdoRiwddok2d(doiiimo（5）傳熱面積裕度376.83310410.549.7mQKt318.5m2Ac所計(jì)算傳熱面積為：1eAdlN3.140.02584025.12m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積為：poTAApAH該換熱器的面積裕度為：c22.0718.518.6%19.19c傳熱面積裕度合適（15%~20%），該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.壁溫計(jì)算由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作初期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)該按最不利的操作條件考慮，因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。則：Twtmtwcn11cn式中：t0.4×40+0.6×20=28℃mT0.4×140+0.6×40=80℃m3520.6w/㎡·kic709.1/㎡·koht30.43℃平均壁溫：w傳熱管殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=90℃。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為：℃。t9030.4359.57該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置，選用浮頭式換熱器較為適宜。3．換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力8p(pp)NNFs（1）管程流體阻力：tirsplu2,F1.5（Φ25×2.5）N1,Np2,pid2sisi0.31640.027i由柏拉修斯公式：得：Re0.25i流速u=0.75m/s，=995.71kg/m3，所以80.752995.73024.4Pap0.027i0.022u23995.70.75pr2840Pa22p(3024.4840)121.511593.2Pa＜35000Pa則總阻力：1管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。p(pp)FNs（2）殼程阻力：soisN1,F1.15(液體)ssu2pFfN(N1)流體流經(jīng)管束的阻力：oo2oTCBF0.5f5.06145.560.2880.6N27U0.08m/sOoBN1.1N0.51.11400.513TCTp0.5×0.6×13×(27+1)×9500..082=3319.7a2o2Bu2pN(3.5)流體流過折流板缺口的阻力：D2iB=0.2m,D=0.3moBp27(3.520.2)9500.0822216Pa0.32i9p（+2216）×1×1.15=6136.06Pa＜35000Pa則總阻力：3119.7s設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果見下表：參數(shù)kg/h流量殼程管程600013566進(jìn)/出口溫度/℃20/40140/4011593.26136壓力/Pa定性溫度/℃3090密度/（kg/m3）995.7950定壓比熱容/[kj/（kg?k）]4.1742.261物性0.801×0.742×10-3粘度/（Pa?s）103熱導(dǎo)率（W/m?k）0.6180.172普朗特?cái)?shù)5.419.754形式殼體內(nèi)徑/㎜管徑/㎜浮頭式殼程數(shù)1275臺(tái)數(shù)1Φ25×2.5管心距/㎜327000管子排列正三角設(shè)備結(jié)構(gòu)管長(zhǎng)/㎜參數(shù)管數(shù)目/根傳熱面積/㎡40折流板數(shù)個(gè)/6922.07折流板間距/㎜200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼殼程主要計(jì)算結(jié)果流速/（m/s）管程0.750.08表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/（㎡?k）]3520.6709.10.000580.0001769.59kpa6.13kpa356.6污垢熱阻/（㎡?k/W）阻力/Pa熱流量/KW傳熱溫差/K49.7傳熱系數(shù)/[W/（㎡?K）]410.5裕度/%18.6%設(shè)計(jì)評(píng)述在教師下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)后，通過上網(wǎng)和多方查閱資料手冊(cè)，經(jīng)過近一個(gè)月左右時(shí)間緊張有序的設(shè)計(jì)后，終于完成了浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)和校核。通過工藝計(jì)算，計(jì)算出所需要的一些參數(shù)，如總換熱面積為108.85m為154根。這些為后續(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)和繪制裝配圖奠定2，換熱管管數(shù)10了良好的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)是課堂所學(xué)知識(shí)的全面應(yīng)用與考查，既涉及到化工工藝方面，又涉及到設(shè)備設(shè)計(jì)及化工制圖等方面的內(nèi)容。正因?yàn)槿绱?，這次我能順利完成任務(wù)，離不開老師、同學(xué)的支持和幫助，同時(shí)在完成此次過程中，我也學(xué)到了許多書本以外的知識(shí)。通過課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)以前學(xué)習(xí)的各科知識(shí)有了更系統(tǒng)的理解。比如《化工原理》、《工程制圖》等課程。奠定良好的基礎(chǔ)。這些專業(yè)知識(shí)必將為我今后實(shí)習(xí)、就業(yè)總之，此次設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。工藝流程圖及設(shè)備工藝條件圖熱流體有機(jī)液(140℃)經(jīng)泵進(jìn)入換熱器殼程，冷卻至40℃后，進(jìn)入反應(yīng)