1、化工原理課程設計 摘 要化工原理課程設計是理論聯系實際的橋梁， 是進行體察工程實際問題復雜性的初 次嘗試。通過化工原理課程設計，達到綜合運用化工原理課程的基本知識，基本原理 和基本計算，進行融會貫通、獨立思考，在規定的時間內完成指定的化工單元操作設 計任務，具有初步進行工程設計的能力；達到熟悉工程設計的基本內容，掌握化工單 元操作設計的主要程序和方法；提高和進一步培養分析和解決工程實際問題的能力。此設計為釜殘液冷卻劑的初步設計，是一鐘列管式換熱器，能將釜殘液從高溫冷卻到適當溫度，釜殘液走管程，冷卻劑走殼程。隨著化學工業發展及能源價格的提高，換熱器在化工生產中占有很重要的地位。列管式換熱器的優點

2、是單位傳熱面積大，結構緊湊，緊固傳熱效果好，能用多種材料，價格低廉。根據以往生產資料作為設計的數據，并進行計算，從而確定具體型號。并用AutoCAD繪制平面布置圖,主要配置裝配圖及收回控制點的工藝流程圖,最終完成設計說明書。關鍵詞:釜殘液;冷卻器;初步設計 AbstractPrinciples of chemical engineering course is designed to serve as a bridge between theory and practice, is to observe the complexity of engineering practical probl

3、ems early attempts. Through the principles of chemical engineering course design, the integrated use of basic knowledge of the principles of chemical engineering course, basic principle and basic calculation, to achieve mastery through a comprehensive, independent thinking, within the prescribed tim

4、e to complete the design tasks designated by the chemical unit operations, has the ability of the preliminary engineering design; To familiar with the basic content of engineering design, grasps the chemical single yuan operation design of the main procedures and methods; To improve and further deve

5、lop our ability to analyze and solve practical problems. This design as the kettle surface residue is agent of preliminary design, is a shell and tube heat exchanger, clock can be cooling to the appropriate temperature, the residual liquid from the hot kettle residual liquid tube side, the shell sid

6、e of the coolant walk. With the development of chemical industry and the increase in the price of energy, heat exchanger occupies very important position in the chemical production. Shell and tube heat exchanger is a heat transfer area is large, the advantages of compact structure, tighten the heat

7、transfer effect is good, can use a variety of materials, low prices. Based on previous production as a design of data and calculation, to determine the specific type. Assembly drawing with AutoCAD drawing layout, the main configuration and take back the control points of process flow diagram, finall

8、y complete the design specification.Keywords: kettle residual liquid; Cooler; The preliminary design目 錄摘 要1Abstract21.前言42.設計目的及要求52.1目的52.2要求53.設計任務書63.1設計題目63.2設計任務及操作條件63.3設計已知條件63.4設計內容64.設計方案84.1列管式換熱器的計算84.2輔助設備的計算及選擇85.換熱器設計工藝計算95.1初選設備規格95.2工藝結構尺寸105.3換熱器核算115.4計算壓強降126.輔助設備的選擇156.1換熱器封頭的選擇和

9、尺寸156.2管箱166.3隔板166.4法蘭的選取166.5設置法蘭墊片186.6接口法蘭186.7排水孔法蘭186.8拉桿直徑及拉桿數196.9支座197.數據匯總208.主要符號表229.附錄2310.參考文獻2511設計心得體會261.前言化工原理課程設計是化工原理教學的一個重要環節，是綜合應用本門課程和有關先修課程所學知識，完成以單元操作為主的一次設計實踐。通過課程設計使學生掌握化工設計的基本程序和方法，并在查閱技術資料、選用公式和數據、用簡潔文字和圖表表達設計結果、制圖以及計算機輔助計算等能力方面得到一次基本訓練，在設計過程中還應培養學生樹立正確的設計思想和實事求是、嚴肅負責的工作

10、作風。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱為換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體：一種流體溫度較高，放出熱量；另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上流體參加換熱的換熱器，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的差別管殼式換熱器(shell and tube heat exchanger)又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。在管殼式換熱器中，傳遞熱量的間壁為圓管形。一些小直徑的管子固定在管板上形成一組管束，管束外套有圓筒形薄殼，冷熱流體分別走管內與管間，這兩種流體通過間壁的熱傳

11、導和間壁表面上流體的對流而進行熱量交換。由于管束和殼體結構的不同，管殼式換熱器可以進一步劃分為固定管板式、浮頭式、填料函式和U型管式。這種換熱器結構較簡單，操作可靠，可用各種結構材料（主要是金屬材料）制造，能在高溫、高壓下使用，是目前應用最廣的類型。2.設計目的及要求2.1目的熟悉查閱文獻資料，搜集有關數據，正確選用公式。在兼顧技術先進性，可行性，經濟上合理性的前提下，綜合分析設計任務要求，確定化工工藝流程，進行設備選型，并提出保證過程正常，安全更有所需要的檢測盒測量參數，同事還要考慮環境保護的有效措施。準確而迅速的進行過程計算和主要設備的工藝設計計算。用精煉的語言，簡潔的文字，清晰地圖表來表

12、達自己的設計及計算結果。通過化工原理設計可以鞏固CAD制圖何從課外的學習中培養自學的能力，以及學習的方向通過化工原理課程設計，可以復習已經學過的換熱器內容，可以更好的了解換熱器。2.2要求通過化工原理設計，要求能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融匯貫通的獨立思考，在規定的時間完成指定的化工設計任務，從而得到化工設計的初步訓練。通過化工原理設計，要求能了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的主要程序和方法，培養血紅色呢過分析和解決工程實際問題的能力。通過化工原理的課程設計，能梳理正確的設計思想，培養學生分析和解決工程實際問題的能力。學生要了解自己所設計的內容，在設計中要用到CAD的知識，所

13、以要對CAD有一定的了解。在制作圖紙的（利用CAD）過程中，要考慮和利用到工程制圖的標準。這要求工程制圖要有一定的功底和認識。3.設計任務書3.1設計題目釜殘液冷卻器的設計3.2設計任務及操作條件1、 設計任務處理能力（釜殘液流量） 6.01 kgs設備型式 列管式換熱器 2、 操作條件釜殘液 入口溫度102.3,出口溫度40 冷卻介質水入口溫度30,出口溫度40 管程和殼程的壓強降 不大于130kPa 換熱器的熱損失 忽略 3、 廠 址 齊齊哈爾地區 3.3設計已知條件1、定性溫度下兩流體的物性參數（1）釜殘液定性溫度tm=71.15 密度h=986kg/m3；比熱容Cph=4190J/(k

14、g.) 導熱系數h=0.662W/(m) 粘度h=0.00054Pa.s(2) 水定性溫度tm=35.0 密度c=996kg/m3比熱容Cpc=4180J/(kg.) 導熱系數c=0.618W/(m) 粘度c=0.000804Pa.s2、管內外兩側污垢熱阻分別是Rsi= Rso =1/4600( m2)/W 3、管壁導熱系數w=17.5 W/( m)3.4設計內容1、設計方案的選擇及流程說明2、工藝計算3、主要設備工藝尺寸設計 （1）冷卻器結構尺寸的確定 （2）傳熱面積、兩側流體壓降校核 （3）接管尺寸的確定4、輔助設備選型與計算5、設計結果匯總6、換熱器裝配圖(1號圖紙)7、設計評述8、參考

15、資料*總傳熱系數K暫取為600W/m2。(是多次試算后得出的值,設計任務書中不含此項)4.設計方案4.1列管式換熱器的計算4.1.1試算初選設備規格4.1.1.1根據流體物性及工藝要求，確定流體通入的空間。4.1.1.2計算流體的定性溫度，以確定流體的物性數據。4.1.1.3根據從傳熱任務計算熱負荷。4.1.1.4計算平均溫度差，并校核。4.1.1.5依據總傳熱系數的經驗范圍，選定總傳熱系數K選值。4.1.1.6由總傳熱速率方程m=KSt，初步標出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸，選擇設備規格。4.1.2工藝結構尺寸的選定和計算4.1.2.1根據傳熱器規格，選定固定管板式換熱規格尺寸即確定管

16、程數，管數，管長以及管直徑，并確定管程數。4.1.2.2計算其他的管件，拉桿，接管。4.1.3計算總傳熱系數 計算殼程對流體傳熱系數i和o，確定污垢熱阻和RSo，再計算總傳熱系數K計，若(K計-K選)/選*100%，在10%25%范圍內，則初選設備合格。4.1.4設計殼程壓強降4.1.4.1計算管程流體阻力。4.1.4.2計算殼程流體阻力。4.2輔助設備的計算及選擇4.2.1設備參數的計算換熱器封頭，管箱，隔板，法蘭，墊片的選擇，并畫圖。5.換熱器設計工藝計算5.1初選設備規格5.1.1流程安排由于釜殘夜具有腐蝕性，應該走管程，這樣可以節約耐腐蝕材料，降低換熱器成本 5.1.2確定物性數據 物

17、性入出釜殘液102.340冷卻水3040 采用逆流：t1=102.3-40=62.3 t2=40-30=10 定性溫度：釜液Tm=（102.3）+40/2=71.15 水Tm=(40+30)/2=355.1.3估算傳熱面積4.3.1.1熱負荷:關內釜液溫度計算: Q=WnCp(T1-T2)=6.01×4190×(102.3-40)=1.569×106w4.3.1.2平均傳熱溫度: tm= 又因為 R= P= 由<<化工原理>>(高教出版)得到øt =0.87 故tm=øt×tn=0.87×28.59=

18、24.87 傳熱面積:采用K=600w/m2,則估算傳熱面積S0: S0=105.15m25.2工藝結構尺寸5.2.1根據換熱器規格,依據<<換熱器原理及計算>>附錄16(清華大學出版)得出,固定管板式換熱器規格尺寸如下 管程數: 4,管數: 242 管長: 6m 管直徑: 25×2.5mm 殼程數的確定:由于1.3.2中的=0.87>0.8,采用單殼程式列管換熱器5.2.1.1傳熱管排列和分形方法:正三角形排列方法5.2.1.2管距t=1.25,則t=1.25×25=31.2532mm5.2.1.3殼體內徑D=1.05×32

19、5;600mm5.2.1.4折流板:采用方形折流板折流板切去的圓缺高度h=25%×600=150mm折流板間距B=0.3D=0.3×600=180mm取得B=200mm;折流板數N=傳熱管長/折流板間距-1=-1=29塊5.2.2計算其他附件:5.2.2.1拉桿:換熱器殼體直徑D=600mm,拉桿直徑=12mm,可用8根5.2.2.2接管:課程流體進出口5.2.2.2.1管程接管直徑; d=其中u=1.98m/s則d1=62.6mm,于是選取標準法蘭Pg16Dj100HG5012-58殼程接管直徑:d'=Vs=5.3換熱器核算5.3.1管程流體流通截面積:管程流體流

20、速: 普蘭特數:Pri= 則i=由于液體被冷卻,所以n=0.3 i=5.3.2計算殼程對流傳熱系數0用克恩法計算 當量直徑: 殼程流通截面積： 殼程流體流速u: Wc=0.3754kg/s 雷諾數： 普蘭特數：由于液體被加熱，取，則 污垢熱阻和管壁熱阻： 5.3.4總傳熱系數K： 5.3.5要求過程的總傳熱系數為k0 換熱器的實際傳熱面積： 所選擇的換熱器的安全系數為： 該換熱器傳熱面積的裕度符合要求。5.4計算壓強降 計算流體流經管殼式換熱器阻力，應該管殼和殼程分別計算。 5.4.1管程壓強降計算 其中p1為直管摩擦阻力引起的壓降，Pa： p2為回彎阻力引起的壓降，pa; Ft為管程污垢校正

21、系數； Ns為串聯的殼程數 Np為管程數 求p1：由于不銹鋼壁粗糙度（P48，化工原理高教版） 取e=0.1mm， 則 由化工原理高教P50： 則： Np=4 Ns=1 Ft=1.4（對于25×2.5mm的管） 則 5.4.2殼程流動阻力計算 采用埃索計算公式： 其中 Fs殼程結構矯正系數，對于液體Fs=1.15 F 管子排列方式對壓降的矯正系數，對三角形排列 F=0.5 Nb折流當班數（Nb=29） Z 折流擋板間距（Z=B=200mm=0.2m） u0 殼程流通截面積A0=Z(D-ncd0) nc位于管束中心線上的管數 則 由上得知該管程和殼程均小6.輔助設備的選擇 6.1換熱器

22、封頭的選擇和尺寸 根據化工設備機械基礎（化學工業出版社）上二版637頁橢圓封頭（TB1154-73） 封頭厚度的計算 Di<1200mm用版整塊鋼板沖壓成型,此時=1 所以選用厚度為800mm的封頭 封頭曲面高度h1=150mm 封頭的直邊高度h0=40mm 封頭的公稱直徑Dg=600mm 封頭的示意圖如下： 6.2管箱 根據<<化工原理課程標準圖冊>>查的圖 6.3隔板 由于換熱器采用四管程,所以選用三個隔板. 密封方式如下圖:(隔板與管板)6.4法蘭的選取6.4.1設備法蘭的選擇 查<<壓力容器與化工設備使用手冊>>表3-3-1<

23、<壓力容器法蘭分類>>查得工程壓力PN=1.6Mpa,由于凹凸面對中性好,所以常在換熱器法蘭封面上使用,換管法蘭應采取對焊平面法蘭。查表得到法蘭參數如下：6.4.1.1管法蘭 （1）殼程法蘭數據如下（HG5012-58）Pg=16kg/cm2 DNADKLdFCH重量（kg）螺栓數量直徑20021934029522266224628.512M20 （2）管程法蘭數據如下 DNADKLdFCH重量（kg）螺栓數量直徑10010822018018156222525.108M16DNADKLdFCH重量（kg）螺栓數量直徑600630840770367202549580.330M3

24、36.4.1.2殼體法蘭：選取允許的壓力為Pg=16kg/cm2 殼體選用對焊凸面法蘭6.5設置法蘭墊片 根據<<壓力容器與化工設備使用手冊>>491頁密封墊片選用非金屬墊片(TB4704-92) Dn=616mm D=644mm h=3mm d=600mm Pn=1.6Mpa 耐油石棉墊片使用溫度：-20200 墊片如下圖： 6.6接口法蘭 殼程流體進出口接管規格為76×4mm 取管程流體進出口接管規格為219×6mm5 6.7排水孔法蘭 查<<化工設備機械基礎>>279頁表10-22得稱 徑 N管徑連續尺寸辦事平焊法蘭蘭蓋

25、蘭補徑D孔中心圓直徑D孔直徑L孔數量N紋Th蘭內徑B1口寬度b蘭厚度C蘭質量Kg厚度C質量Kg25335010816352652126.8拉桿直徑及拉桿數 殼體直徑mm拉桿直徑mm最少拉桿數600124 查化工設備基礎15頁表1-6得 拉桿直徑及板數 折流板，螺栓，擋板等一些輔助設備 擋板，定具等都選取國標 折流板：采用弓形折流板 擋板法蘭等長雙頭螺栓選取M16 GB901-88 定具螺母選取M16 GB41-86 接管補強圈取GBR09-736.9支座 查<<壓力容器與化工設備使用手冊>>563頁表 3-3-1,選取重型號BIII型式鞍座,焊制,120°包角

26、,不帶墊片,查565表3-3-4 Dn=500900mm,鞍式支座(JB1167-73) 其尺寸數據如下 : DgB1LBIK1BM重量(kg)6001805501202604209022026.3 7.數據匯總 名稱殼程管程質量流量kg/s37.546.01溫度 進/出30/40102.3/40物性定性溫度3571.15密度kg/m³996986比熱容kJ/kg·4.184.19粘度 pa·s0.804×10-30.54×10-3導熱系數w/m·0.6180.662普蘭特數5.4383.418設備結構參數型號固定管板式臺數1殼體內徑600殼程數1管徑25×2.5管心距32管長60000管子排列方式正三角形管根數（根）242折流擋板數29傳熱面積112.0折流板距200管程數2材質碳鋼主要計算結果管程殼程流速m/s0.3210.957傳熱膜系數w/·18875205污垢熱阻·/w1/46051/4596阻力損失pa401039630熱負荷w1569000傳熱溫差T24.87傳熱系數k0 w/·562.