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2mm的换热管取1.5。
Ns——串联的壳程数;
Np——管程数。
(4)壳程压强降
①壳程无折流挡板,壳程压力降按流体沿直管流动的压力降计算,以壳方的当量直径de代替直管内径di。
②壳程有折流挡板,计算公式如下:
∑ΔPo=(ΔP1´
+ΔP2´
)Fs·
Ns
ΔP1´
=F·
f0·
nc(NB+1)·
ρu2o2
ΔP2´
=NB[3.5–(2BD)]×
(ρ·
uo2)2
NB=LZ–1
f0=5.0×
Reo–0.228
nc=1.1×
n12
Ao=;
D——壳体直径,m;
NB——折流板数目;
uo——按壳程流通截面积So计算的流速,ms。
(5)总传热系数Ko(以外表面积为基准)
初选换热器时,应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取K的经验数值,选定的K的经验值为K选,确定了选用的换热器后,需要对换热器的总传热系数进行核算,
管内对流传热系数
管外对流传热系数
则,总传热系数的计算公式为:
式中K0——基于换热器外表面积的总传热系数,W(m2·
℃);
——换热器列管的内径、外径及平均直径,m;
k——列管管壁的导热系数,W(m·
b——传热管壁厚,m。
由上式计算得到的总传热系数为K计。
(6)接管内径d=(4Vsπu)12
核算流速u=4Vsπd2
d——接管内径,m;
Vs——管程、壳程流体的体积流量,m3s;
u——流体流速,ms。
第二章列管式换热器的工艺计算
2.1原料预热器的工艺计算
已知:
=8744.51Kg(11048.1)=74.8℃(Δtm’>
70℃)
计算R:
R=(T1-T2)(t2-t1)=0无需校正Δtm。
⑤选K值,估算传热面积
取K=700W(m2·
℃)
S=Q(K·
Δtm)=538278(700×
74.8)=10.3m2
⑥初选换热器型号
由于两流体温差大于70℃,可选用浮头式换热器
初选换热器型号为:
JBT325-I-2.5-10.73
主要参数如下:
外壳直径
325mm
公称压力
2.5MPa
公称面积
10.73m2
管子尺寸
2.0
管子数
60
管长
3m
管中心距
25mm
管程数Np
2
管子排列方式
正三角形
管程流通面积
0.0053m2
实际换热面积:
So=nπdoL=60×
3.14×
0.019×
3=10.73m2
采用此换热面积的换热器,则要求过程的总传热系数为:
K=Q(So·
Δtm)=538278(10.73×
74.8)=670.66W(m2·
(2)核算压强降
①管程压强降
∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)Ft·
Np(其中Ft=1.4,Ns=1,Np=2)
∵1ρm=wAρA+wBρB,∴平均密度:
ρm=861.72Kgm3
∵lgμm=∑xi·
lgμi,∴平均粘度:
μm=6.71×
10-4Pa·
s
管程流速:
ui=Wc(ρm·
Ai)=8744.51(861.72×
0.0053×
3600)=0.5318ms
Rei=di·
ρm·
uiμm=(0.015×
861.72×
0.5318)(6.71×
10-4)=10.244×
103
对于碳钢管,取管壁粗糙度ε=0.1,则相对粗糙度为
εdi=0.115=0.007
由教材λ-Re关系图查得,λ=0.041
ΔP1==0.041×
(30.015)×
(861.2×
0.53182)2=774Pa
ΔP2==3×
0.531822=365.55Pa
∑ΔPi=(ΔP1+ΔP2)Ft·
=(999+366)×
1.4×
1×
2=3822Pa(<
50KPa)
所以管程压强降符合设计要求。
②壳程压强降
∑ΔPo=(ΔP1’+ΔP2’)Ft·
Ns(其中Ft=1.0,Ns=1,)
因为壳程走的为水蒸气,不需要加折流挡板
nc=1.1(60)0.5=8.52
壳程流通面积:
Ao=(π4)·
(D2-n·
do2)
=(3.144)×
(0.3252-8.52×
0.0192)
=0.0803m2
壳程流速:
uo=Wh(ρ·
Ao)=891(1.496×
0.0803×
3600)=2.06ms
Reo=do·
ρ·
uoμ
=(0.019×
1.469×
2.06)(1.324×
10-5)=4.343×
103(>500)
Fo=5.0×
Reo-0.228=5.0×
(4.343×
103)-0.228=0.741
管子为正三角形排列F=0.5
ΔP1’=F·
fo·
nc(NB+1)·
ρu2o2
ΔP1’=0.5×
0.741×
8.52×
(1+1)×
1.496×
2.0622=19.7Pa
∑ΔPo=ΔP1·
Fs·
Ns=19.7×
1=19.7Pa(<
100KPa)
计算结果表明,管程和壳程的压降均能满足条件
(3)核算总传热系数
①管程对流传热系数
Cp=(C乙醇+C水)2=3.58KJ(Kg·
k=0.5×
(0.148+0.6625)=0.405W(m·
μm=6.71×
W(m2·
②壳程对流传热系数
=2112.5W(m·
③污垢热阻
由表查得:
Rso=0.859×
10-4(㎡℃)W
Rsi=1.7197×
10-4(㎡℃)W
④总传热系数K:
k=670.66W(m·
dm=(do-di)[ln(dodi)]=0.01692m
=11.66×
10-3
即Ko=837W(m2·
故所选的换热器是合适的
(4)接管
①管程流体进出口接管,取接管内流体流速为:
u=2ms,
则接管内径为d=(4Vπu)0.5、=(4×
8744.513.14×
2×
3600)0.5=0.042m,
查出do=50mm,b=3mm,di=42mm,
因为u=VAo=(4×
8744.51)(3.14×
3600×
0.0422)=2.04ms
(1ms<
u<
3ms)符合
所以,标准接管内径为42mm。
②壳程流体进口接管,取接管内流体流速为:
u=30ms,
则接管内径为d=(4Vπu)0.5=(891.27×
4)(3.14×
30)=0.085m,
查出do=95mm,b=5.0mm,di=85mm,
因为u=VAo=(891.27×
0.0852)=29.7ms
(20ms<
40ms)符合
所以,标准接管内径为40mm
③壳程流体进出口接管,取接管内流体流速为:
u=2.0ms,
934.8×
2)=0.013m,
查出do=15mm,b=1.0mm,di=13mm,
0.0132)=1.996ms
3ms)符合
所以,标准接管内径为13mm。
2.2全凝器的工艺计算
(1)估算传热面积,初选换热器型号
热流体:
以纯蒸汽(92%)
冷流体:
冷却水(15℃)
①基本物性数据的查取
92%乙醇蒸汽的定性温度78.3℃
冷却水的定性温度(15+35)2=25℃
物性参数:
名称
密度ρ
Kgm3
定压比热Cp
KJ(Kg·
导热系k
W(m·
粘度μ
Pa·
汽化热r
KJKg
乙醇液78.3℃
736.775
0.1532
4.4×
10-4
846
乙醇气体78.3℃
1.6248
1.8046
0.022
1.038×
10-5
850
水78.3℃
972.817
4.195
0.6745
3.565×
水蒸汽78.3℃
0.2929
0.6228
1.1535×
2307.8
冷却水20℃
998.2
4.83
0.5989
100.5×
②热负荷计算
rm=92%×
850+8%×
2307.8=966.7KJKg
Wh=L+D=4722.2784+9444.5568=14167kg(63.358.3)=60.8℃(50℃<
Δtm<
70℃,接近,需加膨胀节)
取K=600W(m2·
Δtm)=3804.2×
103(600×
60.8)=120.5m2
由于两流体温差接近50℃,可选用带有热膨胀节的固定管板式换热器,初选换热器型号为:
G273Ⅱ-2.5-4.4
700mm
122.6m2
φ25×
2.5
355
4.5m
32mm
1
0.1115m2
So=nπdo(L-0.1)=355×
0.025×
(4.5-0.1)=122.617m2
Ko=Q(So·
Δtm)=3804.2×
103(122.617×
52.6)=589.83W(m2·
(2)接管
则接管内径为d=(4Vπu)0.5=(4×
45.473.14×
998.5)0.5=0.170m,
查出do=190mm,b=10mm,di=170mm,
因为u=4Vπd2=(144459×
998.5×
0.0172)=1.999ms(1ms<
3ms)
所以,标准接管内径为190mm
141673.14×
30×
1.6248×
3600)0.5=0.3206m
查出do=345mm,b=10mm,di=325mm
因为u=4Vπd2=(14167×
0.3252)=29.2ms(20ms<
40ms)
所以,标准接管内径为325mm。
③壳程流体出口接管,取接管内流体流速为:
752.5×
3600)0.5=0.058m,
查出do=68mm,b=5mm,di=58mm,
因为u=VAo=(14167×
0.0582)=1.98ms(1ms<
所以,标准接管内径为58mm。
2.3塔顶冷却器的工艺计算
(1)估算传热面积,初选换热器型号
含乙醇为92%的乙醇液体
冷流体:
冷却水(15℃)
乙醇液的定性温度(78.3+25)2=51.65℃
冷却水的定性温度(35+15)2=25℃
乙醇液56.65℃
760
291
0.164
6.67×
水
56.65℃
985.5
4.177
0.6556
4.96×
2500
冷却水
20℃
998.5
4.183
0.5898
1.005×
Cpm=92%C乙醇+8%C水=3.186KJ(Kg·
Q=WhCpm(T1-T2)
=4722.28×
3.186×
(78.3-35)3600=180960W
Q=WhCpm(T1-T2)=WcCpm(t2-t1)
所以冷却水耗量:
=2.88kgs=10383kg(48.320)=28.52℃
R=(T1-T2)(t2-t1)=(78.3-35)(30-25)=3.55
P=(t1-t2)(tT1-t1)=(30-25)(78.3-25)=0.09
由教材4-19图查得
=Δtm*=28.52×
0.9=25.67℃
取K=380W(m2·
Δtm)=180960(380×
25.67)=18.6m2
由于两流体温差小于50℃,可选用普通的固定管板式换热器,初选换热器型号为:
G700Ⅱ-4.0-13.8
外壳直径DN
400mm
公称压力PN
18.8m2
108
4
0.0008m2
So=nπdL=108×
2.9=24.5862m2
Δtm)=180960(24.5862×
25.67)=286.72W(m2·
2.88(3.14×
998.5))0.5=0.04m,
查出do=45mm,b=2.5mm,di=40mm,
因为u=VAo=(10383×
0.042)=2.30ms(1ms<
所以,标准接管内径为40mm。
②壳程流体进出口接管,取接管内流体流速为:
u=2ms,
998.5)0.5=0.043m,
查出do=49mm,b=2mm,di=45mm,
因为u=VAo=(4722.28×
0.0452)=1.10ms(1ms<
所以,标准接管内径为45mm。
备注:
D=115.3Kg=74.8℃
So=10.73m2
K=670.66W(m2·
ui=0.5318ms
Rei=10.244×
uo=2.06ms
Reo=4.343×
k=0.405W(m·
Rso=1.7197×
Ko=837W(m2·
管程进出口标准接管外径为50mm。
壳程进口标准接管外径为95mm。
壳程出口标准接管外径为15mm
备注
rm=966.7KJKgQ=3804.2×
103W
Wc=163699.73kg=60.8℃
So=122.617m2
Ko=589.83W(m2·
管程进、出口标准接管外径为190mm
壳程进口标准接管外径为345mm
壳程出口标准接管外径为68mm
Qh=80960W
Wc=2.88kgs
Δtm=25.67℃
So=17.898m2
Ko=286.72W(m2·
管程进、出口标准接管外径为45mm
壳程进出口标准接管外径为49mm
第三章汇总表
3.1原料预热器主要结构尺寸和计算结果
换热器型式:
浮头式
管口表
换热面积(m2):
10.73
符号
尺寸
(mm)
用途
连接形式
工艺参数
a
DN45
原料液入口
平面
管程
壳程
b
原料液出口
物料名称
50%乙醇+50%水
130℃水蒸汽
c
DN32
放净口
凹凸面
操作压力
MPa
0.1
0.3
d
排气口
操作温度
℃
50.95
130
e
DN95
水蒸汽入口
流量Kgh
8744.51
891.27
f
DN15
冷凝水出口
流体密度
861.72
1.496
流速ms
0.5318
2.04
传热量W
538278
压力降Pa
3822
19.7
程数
2
推荐使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Φ19×
管数
3000
管间距(mm)
25
排列
方式
折流板型式
上下
间距
无
切口
高度
公称
直径(mm)
325
保温层
厚度(mm)
第四章设计评论
通过本次化工原理的课程设计,我学会了根据工艺过程的条件查找相关资料的方法,并从各种资料中筛选出比较合适的资料,同时学习到根据工艺要求确定工艺流程主要设备,以及如何计算出主要设备的各项参数及数据等。
通过课程设计利用CAD绘制主题设备的装配图,加深了对主体设备图的了解,以及学习工艺流程图的制法。
对化工原理的有关步骤和相关内容有了一定的了解,特别是对换热器的流程。
在设计的过程中培养了我们大胆假设,小心求证的态度。
同时我们还认识到,组员之间一定要多沟通,多交流意见,团结合作才能过更好地完成设计工作。
但是由于这次化工原理课程设计是第一次设计,而且时间比较仓促,查阅的资料有限,所以本课程设计还不够完善,不能够进行有效可靠的计算。
最后非常感谢老师的指导以及同组人员之间的讨论,正是有了我们在一起讨论和互相帮助,才是我更快更顺利的完成课程设计的任务。
参考文献
[1].柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热[M].北京:
化学工业出版社,2003
[2].姚玉英等.化工原理[M].天津:
天津科学技术出版社,2001
[3].贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计[M].天津:
天津大学出版社,2006
[4].化学工程手册编委会.化学工程手册第1篇,化工基础数据[M].北京:
化学工业出版社,1989
[5].贺运初.换热器的传热强化与优化设计[J].化工装备技术.1997,18
(2)25-28
[6].钱颂文,朱冬生,李庆领,等.管式换热器强化传热技术[M].北京:
化
学工业出版社,2003.
致谢
在整个设计过程中,有很多人给了我很多指导和帮助。
首先我要感谢学校了我这次锻炼的机会,让我对化工工作中的换热器的设计有了一定的了解,为我以后的工作做了很好的铺垫。
其次要感谢简丽老师的指导,在整个设计过程中给了我许多许多帮助,她严谨细致的态度是我学习的榜样,更是我以后设计追求的榜样。
最后要感谢我的同学们,他们给了我很多鼓励和帮助。
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