甲醇冷凝冷却器的设计 _______________
另I」 _____________________ 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： _________________________________
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
(D
(2) (3)
处理能力10600kg/h甲醇 设备形式列管式换热器 操作条件
甲醇：入口温度64 C ,出口温度50 C ,压力为常压。
冷却介质：循环水，入口温度 30 C ,出口温度40 C ,压力为。 允许压降：不大于105Pa。
每年按330天计，每天24小时连续运行。
A
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 入口 温度C 出口 贡里流星kg/h J 甲醇 水 64 50 10600 30 40 9562 设计压力（MPa） 常压 3.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 1 2 工作内容 设计实验内容和要求 按设计任务和条件计算实验结果 完成电子稿的设计 3 主指导教师 1 日期： 今 三 月 日 课程设计说明书
设计名称
化I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
(-)对课程设计成果的要求：图表 .................... 2… （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 ............................ 12…
1、 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
5
③允许压降：不大于10 Pa
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。
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64C,出口温度50c冷流体。 冷流体进口温度30C,出口温度40C。
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(|)25mm X的碳钢 管，管内流速取Ui = 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：
64^0 57c 2
管程循环水的定性温度为：
t=30±40 =35C
2
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57c下的有关物性数据如下：
3
密度 P o= kg/m
c
po=(kg • 定压比热容
C ) 导热系数 粘
o=(m - C ) o 度
= Pa 循环水在35c下的物性数据： • s
入
密度
定压比热容
P i=994kg/m
3
cpi= kJ/(kg • C )
导热系数 入i= W/(m • C ) 粘度
i= Pa - s
3.计算总传热系数 (1)热流量
- 10600 H Qo wocDO to 2.629 103 64 50 108373W
p
3600
(2) 平均传热温差
t'm
』
QO
(3) 冷却水用量
cpi ti
t2 (64 40) (50 30)
,64-40
lnln —
50-30
t2
108373 3600
—
4.08 10 (40 30)
21.9C
Wi
9562.3kg /h
(4)总传热系数K ①管程传热系数 diUR 0.02 0.5 994
0.000725
0.02丫 (啦 d
i
i
)0.8
13710
c
Jpi i)0.4
i
0.626 4.08 1。0.00072p,
0.023 —— 1137108 (
0.626
0.02
27332W/)(m
②壳程传热系数
2
假设壳程的传热系数％。= 800 W/(m • C )； 污垢热阻为
Rsi = m , C /W Rso = m , C /W
管壁的导热系数入=45 W/(m • C ) ③总传热系数K K ____________ 1 _________
从 R 虫 bdo Rso 1
22
d d
d
1
0.025 八一… 0.025 0.0025 0.025 八一…~~1 -------- +0.00034 ----- + ------------- +0.000172—
0.020
45 0.0225
800
i
i i m I
2733.2 0.020
2
=423W/(m . C )
4、计算传热面积
Q 108373 2
S ------- --------- 11.69m
K tm 423 21.9
考虑15%的面积裕度，S=x S'=x =
5、工艺结构尺寸
(1)管径和管内流速及管长
选用？25mm X传热管(碳钢)，取管内流速Ui=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
V
9562
届
ns - ---------------------------- 3u——2
—=17.02 18
根
-djUi 3600 994 - 0.0202 0.5 4 4
按单程管计算，所需传热管长度为
L
」13.44
2
2 d on
s 3.14 0.025 18
9.51m
按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构 长L=6m,换热器管程数为
2,则 ns -------- ----------------------
d13.44
oL 3.14 0.025 6
29根
29
每程管数为
2
=15 根
U
----- V
------------ 9562 ------------- 0.57m / s i
2 3.14 2 管内流速 -di ns 3600 994 — 0.020 15
(3)平均传热温差校正及壳程数4 4 平均传
热温差校正系数
1
2
64 40 30
----- 50 1.4 一 t2 t1
40 30 t
2 M 64 30
0.29 1 t1
按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表。
t
0.94
平均传热温差
tm t tm 0.94 11.69 10.99C
(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
用正方形排列。取管心距1= d。，则
t= X 25=〜32mm
若取传热管
可得
,隔板两侧米
横过管束中心线的管数
nc 1.19.
瓦 1.19 ,18 6 根
(5)壳体内径
采用双管程结构，取管板利用率刀=,则壳体内径为
D = 1.05t
、ns
1.05 32 . 18
170.38mm
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％,则高度为
h= % X 180 =
取折流板间距B=,则
B= x 180 = 90mm
，一 一 ，N传热管长
板数为
B 折流折流档板间距
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= s,
则接管内径为
d1
杆
4 10600
J
0.038m
圆整后可取内径为50mm3600 755.77 3.14 3.5
。
②管程流体进出口接管
取接管内循环水流速U2= m/s ,则接管内径为
3600 994 3.14 1.2
4 9562 ------ 0.053m
d2
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1
o y RerPK
一
当量直径，由正三角形排列得严
4(遮t2
-d\") 4 (^ 0.0322 314
0.02^)
2 4 2 4
切去的圆缺de — ------ --- ---- ----------- 0 ------- 0.020m
do 3.14 0.025
壳程流通截面积
do 0.025
So BD(1 —) 0.09 0.18 (1 ----------- ) 0.0035m
t 0.032
2
壳程甲醇流速及其雷诺数分别为
V uo
10600
1.11m/s deuo 0 0.020 0.86 755.77 So 3600 755.77 0.0035 33331 Reo ------ 0.00039
o
普兰特准数 c Cpo 0 2.629 103 0.00039 Pr。- ----- -----------------------
0.1919 o 粘度校正
0.14
―)
w
09
5
5.3
1
0.36 333310.5 5.33 1 1851W/(m C) 0.020 ②管程对流传热系数
当Rei >10000 , L- 60时可采用公式 d i
o
2
i
0.023 — Rei.Pri.
di
08314
04
管程流通截面积
0.0202 18—6 0.0019m2
管程循环水流速及其雷诺数分别为
U
i
9562 3600 994 0.0019 dM i
0.000725
1.41m/s 38663
Rei
0.020 1.41 994
普兰特准数
c Cpi i 4.08 103 0.000725 , ”
Pr -^― ------------------- 4.73
i 0.626
0.023 0^26 32356 4.7学 5435W/(m C)
0.020
③传热系数K
).8
4
2
K -------------
•+R0 + idi di % + Rso+ -
dm
0.025— + 0.000344 5435 0.020 697W/(m2 C)
o
1
0.025 । 0.0025 0.025 । CMC,\" 1 1 0.020 + -------------- 45 0.0225 + 0.000172 + 1851
④传热面积S
Q 108373
7.5m2
S ------ ----------- K tm 697 20.6
该换热器的实际传热面积
SP
2
Sp doLNT 3.14 0.025 (6 0.06 (18-6) 5.60m
14.1-7.5
--- 100% 88%
7.5
该换热器的面积裕度为
Sp S
H —— 100%
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
Pi ( P1
P2)FtNsN
其中 Ft=1.4 , Ns=1, N p=2
由 Re= 32356 ,
传热管相对粗糙度d
0 1
, 一 , 一，
1
3
P1 P2
994 1.18
0.03
0.020 ， P2 6 2 5 2
994 1.18
2076 Pa
(7266 2076)
Ui= s,
p = 994 kg/m ,所以
2
0— 0.005 ,查莫狄图得 20
7266 Pa
管程总压力降
1.4 1 2 1.569 104 Pa 10Pa
5
管程压力降在允许范围之内。 ②壳程压力降
Po ( P1 P2)FtNs
其中 Ns 1, Ft 1.15
流体流经管束的阻力
P1 FfJc(NB
其中F
1)
oo
u 2 2
0.228
1
0.5
0.22
fo 5 8 nc 9, NB
5 33331
0.47
2
39, Uo 0.86m/s
c, 755.77 0.862 23644 Pa R 0.5 0.47 9 (39 1) ------------------
2
流体流过折流板缺口的阻力
2B
ouo
F2 NB(3.5 ——) ---
NB(3.5
D 2
2B) oU2
39 (3.5
2 0.15 0.3
2
755.77 0.86 2
_4 _
27250Pa
_5 _
壳程总压力降
Po (27250 23644 1.15 1
5.444 10 Pa<10 Pa
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
主要符号说明
设备名称 换热器形式 设备型号 甲醇冷凝冷却器 列管式换热器 G300 n 工艺参数 序号 名称 单位 管程 循环水 壳程 甲醇 常压 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
物料名称 操作压力 操作温度 流量 流体密度 定压比热容 流速 传热量 平均温度差 总传热系数 换热面积 传热系数 污垢系数 阻力降 Pa C kg/h kg/m 30进/40出 9562 64进/50出 10600 3994 kJ/(kg • C ) m/s W 108373 C W/m K m W/ (mC ) 2497 21 5435 22 ;1851 m K/W kPa 2 2程数 使用材料 直径 长度 管子规格 折流档板规格 1 碳钢 碳钢 mm mm 3 25 X 180 6000 18根，管间距32mm , △排列 66块，间距90mm,切口水平高度％ 说明：参照标准JB/T4715-92 21 甲醇的定性温度 甲醇密度 甲醇定压比热容 甲醇导热系数 甲醇粘度 甲醇流量 热负荷 总传热系数 温差校正系数 初算初始传热面积 初算实际传热面积 壳体内径 折流板间距 折流板数 管程压力降 壳程压力降 换热器壁面内、 外侧的污垢热阻 切去的圆缺高度 普兰特准数
T p o 循环水定性温度 循环水密度 循环水定压比热容 循环水导热系数 循环水粘度 循环水流量 平均传热温差 管程雷诺数 管程、壳程传热系数 传热管数 管程数 横过中心线管数 管心距 接管内径 当量直径 面积裕度 管板利用率 壳程流通截面积 换热器实际传热面积 it p i Cpo 入o [1 o Cpi 入i [1 i Wo Qo K t Wi tm Re 、 o ns NS S D B P NC t d1、d2 de NB P Po H 刀 Rsi、Rso h Pr So Sp
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