化工原理课程设计全套(包括图纸)

化工课程设计说明书

massachusetts institute of technology

一. 这里不能上传cad 的文件，只好将图纸打包到网盘里面了：目的

培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基础理论和基本知识去完成某项单元操作

设备设计任务的实践能力。 二. 目标

设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。 三. 题目

固定管板式冷却器的设计 四. 设计条件

管程和壳程的压力均不大于0。6MPa ，管程和壳程的压力降均不大于30KPa 。被冷却的物

料为己烷，物料从正常温度(1T )被冷却，出口温度(2T )自定。冷却剂为自来软水，进口温度为30C ?(1t )，出口温度(2t )自定。

五. 设计步骤

1. 方案设计

(1) 冷却剂的选用：自来软水

(2) 换热器型式的选择：固定管板式

(3) 流体壳程的选择：自来软水走管程，己烷走壳程 (4) 流体流动方向的选择：双管程+单壳程 2. 工艺设计

(1) 查出己烷的正常沸点(进口温度) 1T = C ο

(2) 选定己烷的出口温度 2T =44C ο (3) 选定冷却剂的出口温度 2t =38C ο (4) 计算逆流传热的平均温度差 1212ln m t t t t t ?-??=

??逆=3868.7438ln 4430

----（68.74）（44-30）=C o

(5) 校正传热平均温度差 122168.7444 3.0933830T T R t t --=

==-- 21113830

0.206568.7430

t t P T t --=

==--

由(,)R P =φ查表得φ=， 因为<<，满足要求。由此得： (6) m m t t ?=?=g 折逆φ?C o 计算定性温度m m T t 和

12m T =121

（T +T ）=（68.74+44）=56.37C 2o

12m t =121

（t -t ）=（30+38）=34C 2

o

(7) 查出物料和冷却剂的物性参数

112428.34m p Q q c ?=???12

14001000

（T -T ）=（68.74-44）=973473.64J/S 243600 (9) 根据总传热系数K 的大致范围，初选总传热系数0K =470W/(2m k g ) (10) 初算传热面积0S 200973473.64

104.6447019.79

m Q S m K t =

==??折

(11) 根据工艺条件，选取公称压力 PN=

(12) 根据流体物性，选定换热管材为：碳素钢

(13) 由初算传热面积0S 和选定的公称压力PN ，根据管壳式换热器行业标准JB/T4715-92，初定换热器的工艺尺寸： 1. 从行标中直接查取计算换热面积：S=2m

2. 公称直径DN 取600mm(卷制圆筒，圆筒内径为公称直径)

3. 管长L=4500mm

4. 管壁?壁厚bmm ?：0Фd ： Φ19?2mm

5. 总管数： n=416

6. 中心排管数： Nc=23

7. 管程流通面积i A =2m

8. 管子排列方式：正三角形

9. 管心距：t=25mm 10. 管程数：P N =2 11. 壳程数：S N =1

12. 折流板间距：h=300mm 13. 折流板型式：25﹪圆缺形

14.计算冷却剂的流量

22973473.64

29.153/4174m p Q q kg s c =

==?21

（t -t ）（38-30）

15.计算管程流速i u 29.153

0.7967/994.30.0368

mi i i q u s A =

==?ρ 因为<<3m/s ，所以满足要求。

16.计算管程对流传热系数i a Nu=0.8Re Pr n

i a =0.023i i u d 0.8n

i P d C （）

（）ρμλμλ

自来水被加热，n 取，代入数值：

0.6248994.30.0230.0150.000742i a ???=0.80.4

0.0150.796741740.000742（）（）0.6248

=4197.87/w 2（m .k ）

17.计算壳程当量直径e d 和流速0u

42e d ππ=

200-d ）4d

=420.01727m ππ??=?22（0.025-0.019）40.019

00((.623.019A h D Nc d =-??-?2)=0.3）=0.0489 m

0000014001000

0.53/243600624.890.0489

v m q q u m s A A ρ?=

===??? 因为<<1.5m/s ，所以满足要求。 18.计算壳程对流传热系数0a

Nu=0.551/3

Re Pr μμ0.14w （）。物料被冷却，μμ0.14

w

（）取， 将数值代入上式： 000.36e e d u a d μρλμμλμ=0.14

p w

c （）（）（）

0.10470.36

0.950.01727???=??10.553

0.017270.53624.892428.340.00023（）（）0.000230.1047

= w/(2m k g )

19.根据冷热流体的性质及温度，在(GB151-99P140-141)选取污垢热阻0d di R R 和

22

00.000176/0.000176/di d R m k m R m k m

==g g

20.计算总传热K '

000000

111di d i i m d d d b R R K a d d d a λ=++++g g g ' 其中 λ的确定：

T S m =1/2?(m T +m t )，然后查表，利用内差法得到 λ=11w m k --g g

000.0190.0150.01690.019

ln ln

0.015i m i

d d d m d d --=

== 110.0190.0190.0020.0191

0.0001760.0001764197.870.0150.01551.540.0169947.726K =?+?+?++

'

解出k '=(2m k g ) 21.由k '计算传热面积S ' 973473.64

88.4946555.7419.79

m Q S m K t =

==??折''

22. 因为109.388.4946

0.1903519.04109.3

S S S --==='﹪，15﹪〈 ﹪〈 25﹪，所选换热器能完成任务。

23.核算压力降

20.0150.7967994.3

Re 16010.05

0.000742

0.000150.00015

0.01

0.015

3i i i i t s p

d u m d u P F N N ρ

μ

εε

λρρλ??=

=

===

=???=+?????

∑g 2

i 管内取绝对粗糙度则

查图得=0.0419

u L 管程压力降（+1.5）d 22

对于ф19mm ?2mm 的换热器，结构校正系数t F =，21p s N N ==， 代入数值：

2994.30.79673 1.5212i P ??

???=?+????????∑24.5994.30.7967（0.0419+1.5）0.0152

= Pa

= KPa

因为10 KPa 〈 KPa 〈30KPa ，故符合要求。 管外Re=0.017270.53624.89

24881.990.00023

e e d u ρ

μ

??=

=

=

折流板数0.1 4.50.1

1140.3

b L N h --=

=-= 壳程压力降0s s P F N ?=

??∑12（P +P ）'' 2

0.2281

000.55Re 232

c c P Ff N F f N ρ-?====0B u （N +1）

，其中，，'。代入数值得：

10.5524881.99

P ??=?????2

-0.228

624.890.53（14+1）232

'

=

2

02B u p N ρ?=2h （3.5-）D 2

'

203075.01Pa

??

=??

=2

20.3624.890.53（3.5-）0.62

对于液体s F =

s

s

P F N ?=

??∑1

2

（P +P ）'

'

=（+3075.01）?? = =

因为10KPa 〈 KPa 〈 30KPa ，故符合要求。

3. 结构设计 （1）圆筒厚度

查GB151-99P21表8得圆筒厚度为：8 mm

（2）椭圆形封头

查JB/T4737-95，椭圆形封头与圆筒厚度相等，即8mm

公称直径DN （mm ） 曲面高度1h （mm ） 直边高度 2h （mm ）

碳钢厚度

δ（mm ）

内表面积 A 2m 容积

V 2m 质量

m kg 600

150

25

8

0．4374

0．0353

27．47

（3）管箱短节厚度

查GB151-99P20，管箱短节厚度与圆筒厚度相等，即8mm （4）压力容器法兰(甲型)

DN D D1D3δd螺柱

规格

数量质量6007306906454023M2024

（5）膨胀节

因为

72.715

37

72.7153735.71550,

m

m

m m

T C

t C

T t C C C C

=

=

-=-=<

g

g

g g g g所以不需设置膨胀节

（6）管板

查（《化工单元设备设计》P25-27）得固定管板式换热器的管板的主要尺寸：

公称

直径

D1D3D4D b c d

螺栓

孔数

质量

kg

6007306905986453610232877 (7)

公称直径DN/mm 隔板最小厚度δ/mm 碳素钢

6008（8）分程隔板两侧相邻管中心距

25

t mm =,

019

d mm

=,

01.2523.7525

d mm mm

?=<

,采用正三角形排列换热器外径d/mm19

换热器中心距S/mm25

分程隔板槽两侧相邻管中心距

n

S/mm38

(9)布管限定圆

换热器型式 i D /mm

3b /mm

布管限定圆直径

L D /mm

固定管板式

600

8

584

(10)拉杆的直径、数量和尺寸

拉杆公称直径n d /mm 数量

基本尺寸

拉杆直径d/mm

a L /mm

b L /mm

b /mm

12

4

19

15

（11）拉杆孔

12n d mm =,2 1.5 1.51218n l d mm ==?=

换热管规格 外径?壁厚/mm

换热管最小伸出长度

最小坡口深度

3l /mm

1l /mm

19?2

2

（13）折流板的厚度和外径

公称直径 DN/mm 换热管无支跨距l ≤300mm (折流板或支撑板的最小厚度)

折流板名义外直径/mm 折流板外直径允许偏差

600 4

00.8-

（14）接管

已烷液体进出口接管的直径计算

14414001000

128.4360024624.89 3.142

s V d mm u π??=

==???? 采用159 4.5mm φ?热轧无缝钢管,实际已烷进出口管内流速为

12

414001000

1.82/243600624.89 3.140.15

u m s ??=

=????

冷却水进出口接管2d ,取2u =2m/s,则

229.153

193.1994.3 3.142

d mm =

=??

采用1334mm φ?热轧无缝钢管,实际已烷进出口管内流速为:

22

29.153

1.77/3.14994.30.1931u m s =

=??

（15）管法兰

管子直径1A /mm

法兰内径

1B /mm

螺栓孔中心圆直径K /mm

公称直径

DN /mm

螺栓孔直径L /mm

螺栓孔数量n

法兰外径D /mm

法兰厚度

C /mm

法兰理论重量

kg

自来水进出口 159 161 240 150 22 8 285 20

已烷进出口

219 222 295 200 22 8 340 24

（16）防冲板或导流筒

因为水u<=3.0m/s ，己烷 222./223088.1627s m kg V

板或导流筒。

（17）鞍式支座(BI 型)

（18）组装尺寸