化工原理-甲醇冷却器设计

-0-设计题目：甲醇冷凝冷却器的设计系别专业：学生姓名:学号:起迄日期:2015年06月03日~2015年06月13日指导教师:-1-化工原理课程设计任务书1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：设计方案设计任务及条件（1）处理能力10600kg/h甲醇（2）设备形式列管式换热器（3）操作条件①甲醇：入口温度64C，出口温度50C，压力为常压。②冷却介质：循环水，入口温度30C，出口温度40C，压力为0.3MPa。③允许压降：不大于10^5Pa。④每年按330天计，每天24小时连续运行。-2-化工原理课程设计任务书2．对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：图表物料甲醇水温度℃入口6430出口5040质量流量kg/h106009562设计压力(MPa)常压0.33．主要参考文献：柴诚敬主编化工原理（高等教育出版社）贾绍义柴诚敬主编化工原理课程设计（天津大学出版社）4．课程设计工作进度计划：序号起迄日期工作内容12015.6.3~2015.6.5设计实验内容和要求22015.6.5~2015.6.8按设计任务和条件计算实验结果32015.6.8~2015.6.13完成电子稿的设计主指导教师日期：年月日-3-课程设计说明书设计名称化工原理课程设计2015年6月3日化工原理课程设计说明书目录（一）课程设计的任务和要求：设计方案……………………1（二）对课程设计成果的要求：图表…………………………2-4-（三）主要参考文献……………………………………………2（四）课程设计工作计划进度…………………………………2（五）设计计算过程……………………………………………5~11（六）计算结果列表……………………………………………121、设计题目甲醇冷凝冷却器的设计2、设计任务及操作条件处理能力10600kg/h甲醇。设备形式列管式换热器操作条件①甲醇：入口温度64℃，出口温度50℃，压力为常压。②冷却介质：循环水，入口温度30℃，出口温度40℃，压力为0.3MPa。③允许压降：不大于105Pa。④每年按330天计，每天24小时连续运作。3、设计要求选择适宜的列管式换热器并进行核算。-5-设计方案1．确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度64℃，出口温度50℃冷流体。冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。从两流体温度来看，换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用列管式换热器。（2）流动空间及流速的确定由于循环冷却水易结垢，为便于清洗，应使冷却水走管程，甲醇走壳程。另外，这样的选择可以使甲醇通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。2、确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程甲醇的定性温度为：6450572℃管程循环水的定性温度为：℃＝＋＝3524030t根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲醇在57℃下的有关物性数据如下：密度ρo=755.77kg/m3定压比热容cpo=2.629kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.1919W/(m·℃)粘度μo=0.00039Pa·s循环水在35℃下的物性数据：密度ρi=994kg/m3-6-定压比热容cpi=4.08kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626W/(m·℃)粘度μi=0.000725Pa·s3．计算总传热系数（1）热流量3oopoo10600 2.629106450108373W3600Qwct（2）平均传热温差1212(6440)(5030)t'21.964-40lnln50-30mtttt℃（3）冷却水用量i3pii10837336009562.3kg/ct4.08104030OQwh（）（4）总传热系数K①管程传热系数iiieidup0.020.5994137100.000725R4.0iipi8.0iiiiiiicpudd023.0）（）（30.80.40.6264.08100.0007250.0231137100.020.626（）℃）（m/2.2733W2733.2W/(m2·℃)②壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=800W/(m2·℃)；污垢热阻为Rsi=0.000344m2·℃/WRso=0.000172m2·℃/W管壁的导热系数λ=45W/(m·℃)③总传热系数Kosomoioiiio1dbddddd1＋＋＋＋RRK1=0.0250.0250.00250.0251+0.00034++0.000172+2733.20.0200.020450.0225800-7-=423W/(m2·℃)4、计算传热面积'2m10837311.69t42321.9QSmK考虑15％的面积裕度，S=1.15×S'=1.15×11.69=13.44m25、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速及管长选用ϕ25mm×2.5mm传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s（2）管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数229562=17.02183.1436009940.0200.544siiVndu根按单程管计算，所需传热管长度为213.44=9.513.140.02518osSLmdn按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。若取传热管长L=6m，换热器管程数为2，则13.44293.140.0256soSndL根每程管数为292=15根管内流速2295620.57/3.1436009940.0201544iisVumsdn（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数122164501.44030Rtt211140300.296430ttPt按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表。可得t0.94平均传热温差'mtt0.9411.6910.99mt℃（4）传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25d0，则-8-t=1.25×25=31.25≈32mm横过管束中心线的管数1.191.19186csnn根（5）壳体内径采用双管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为18=1.051.0532170.380.7snDtmm圆整可取D＝180mm（6）折流档板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的33.3％，则切去的圆缺高度为h＝33.3％×180＝59.94mm取折流板间距B＝0.5D，则B＝0.5×180＝90mm折流板数为60001=16690BN传热管长块折流档板间距折流挡板圆缺面水平装配。（7）接管①壳程流体进出口接管取接管内甲醇流速为u1＝3.5m/s，则接管内径为1144106000.0383600755.773.143.5Vdmu圆整后可取内径为50mm。②管程流体进出口接管取接管内循环水流速u2＝1.2m/s，则接管内径为224495620.05336009943.141.2Vdmu圆整后可取内径为60mm。6．换热器核算（1）热量核算①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式10.550.143ooew0.36erdoRP（）当量直径，由正三角形排列得-9-2222333.144()4(0.0320.025)24240.020m3.140.025oeotddd壳程流通截面积2ood0.02510.090.1810.0035mt0.032SBD（）（）壳程甲醇流速及其雷诺数分别为o0o106001.11m/3600755.770.00350.0200.86755.77e333310.00039oeooVusSduR普兰特准数302.629100.00039r5.30.1919pooocP粘度校正114.0w）（10.5523o0.19190.36333315.311851/m0.020W（℃）②管程对流传热系数当Rei10000，60iLd时可采用公式0.80.40.023eriiiiiRPd管程流通截面积222i3.141860.0200.0019m4242scinnd管程循环水流速及其雷诺数分别为95621.41m/36009940.00190.0201.41994e386630.000725iiiiiiiVusSduR普兰特准数-10-30.80.42i4.08100.000725r4.730.6260.6260.023323564.735435/(0.020piiiicPWm℃）③传热系数K21ddbd1ddd10.0250.0250.00250.02510.0003440.00017254350.0200.020450.02251851697/mooosisoiiimoKRRW＋＋＋＋＋＋＋＋（℃）④传热面积S21083737.5t69720.6mQSmK该换热器的实际传热面积Sp2p3.140.02560.06(18-6)5.60oTSdLNm（）该换热器的面积裕度为p14.1-7.5100%100%88%7.5SSHS传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。（2）换热器内流体的压力降①管程流动阻力122212()=1.4=1=222itsptspiiiiiipppFNNFNNuuLppd其中，，，由Re＝32356，传热管相对粗糙度0.10.00520d，查莫狄图得λi＝0.035W/m·℃，流速ui＝1.18m/s，ρ＝994kg/m3，所以212269941.180.0357266a0.02029941.1832076a2PPPP-11-45726620761.4121.5691010aiPPaP管程总压力降（）管程压力降在允许范围之内。②壳程压力降''1211.15otsstPPPFNNF（）其中，流体流经管束的阻力2'10.2280.2282'11(1)220.55Re5333310.479390.86/755.770.860.50.479(391)236442ooocBocBouPFfnNFfnNumsPPa其中，，流体流过折流板缺口的阻力2'222'245o2(3.5)20.15,0.3220.15755.770.86(3.5)39(3.5)27250a20.3227250236441.1515.4441010ooBooBuBPNDBmDmuBPNPDPPaPa其中壳程总压力降（）壳程压力降也在允许压力降范围内。经上述计算和核算，可知所选工艺参数符合条件，即设计的换热器能满足生产要求。设计结果-12-主要符号说明设备名称甲醇冷凝冷却器换热器形式列管式换热器设备型号G300Ⅱ-2.5-12.1工艺参数序号名称单位管程壳程1物料名称循环水甲醇2操作压力Pa0.3Mpa常压3操作温度℃30进/40出64进/50出4流量kg/h9562106005流体密度kg/m3994755.776定压比热容kJ/(kg·℃)4.082.6297流速m/s1.180.868传热量W1083739平均温度差℃20.610总传热系数W/m2·K49711换热面积m22112传热系数W/（m2·℃）5435185113污垢系数m2