化工原理课程设计指导书——二元混合物连续精馏装置的设计[精选]

第一篇：化工原理课程设计指导书——二元混合物连续精馏装置的设计[精选]

化工原理

课程设计指导书

二元混合物连续精馏装置的设计

浙江工业大学 化工原理教研室

二ＯＯ四年一月

目录一、二、课程设计的目的

本设计的基本内容和要求

1、关于精馏塔方案的选定

2、关于工艺计算

3、关于塔板（或填料层）和塔体主要工艺尺寸的设计计算

4、关于附属设备的设计

5、关于精馏塔的结构设计

6、关于设计说明书的编写

7、关于考核和答辩

三、进行本设计必须注意的几点

四、设计纪律

五、参考资料

一、课程设计的目的

精馏是化工生产过程中的重要单元操作，精馏塔是典型的化工单元设备之一，进行本课程设计的目的是：培养学生综合运用所学知识，特别是本门课程的有关知识解决化工实际问题的能力，使学生学到进行化工设计的基本步骤和方法，得到一次进行化工设计的初步训练，为今后从事设计工作打下基础．

通过课程设计，学生应特别注意如下几个“能力”的训练和培养：查阅资料、选用公式和数据的能力；从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想、分析和解决工程实际问题的能力；熟练应用计算机（包括编程计算和使用工程设计软件）的能力以及用简洁文字、图表表达设计思想的能力．因此，不论课程设计的成果是否将应用于实际生产，设计都应同时满足实践性和教学性两方面的要求。

设计的实践性应体现在以下设计准则中：

1、经济性：应符合能量充分合理利用和节能原则，符合经常生产费和设备投资费的综合核算最经济的原则；符合有用物质高回收率、低损耗率原则．

2、先进性：应对目前工厂生产过程和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施，并尽量采用国内外最新技术成果。

3、可靠性和稳定性：保证运行的安全可靠和操作的稳定易控是现代化生产应优先考虑的原则，不得采用缺乏可靠性的、不成熟的技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备。

4、可行性：流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机械加工能力，整个设计方案应考虑符合国情和因地制宜的原则。

二、本设计的基本内容和要求

设计内容包括：选定精馏方案；进行精馏塔的工艺计算；结构和附属设备的选型设计；将设计结果编写成设计说明书。

1、关于精馏塔方案的选定

选定精馏方案是完成设计的先决条件，因为精溜塔工艺尺寸的确定不仅与所处理物系的性质、给定的生产能力、组成要求有关，还与操作压力、回流液状态、加热方式以及所选用设备的型式等一系列因素有关，所以在进行精馏塔设计选定精馏方案和拟定精馏装置流程的工作必须首先进行．

（1）精馏方案选定涉及的内容大致包括： a．精馏方式的选定：

根据生产规模和产品质量要求，可选用简单蒸馏、水蒸汽蒸馏、间歇精馏、连续精馏或特殊精馏等。b．操作压力的选取：

根据精馏物系的特点，可以是常压精馏、减压精馏或加压精馏。c.塔型的选择[2]: 通过技术经济综合评价，可以选用不同塔型（板式塔、填料塔〕和不同板型（如浮间搭、筛板塔等）或填料塔。

d．再沸器、冷凝器、冷却器等换热设备的配置[3]: 再沸器配置与所采用的加热方式有关，通常采用间接蒸汽加热，有时也可采用直接蒸汽加热；冷凝器的型式多采用列管式换热器，冷凝器的安装位置从技术和经济上考虑，对于小塔，当传热面积较小时常将冷凝器直接安装在塔顶，而当处理量较大或搭较高时，则常将冷凝器移至地面，然后再用回流泵强制回流入塔。

（2）选定方案必须考虑的问题

确定精馏方案的原则主要有两条： a、必须考虑工艺要求与平稳操作问题；

b、必须考虑经济上的合理性，如在精馏方式的选定中必须考虑生产规模、产品质量、产量的要求以及投资费用等，如用水蒸汽蒸馏或简单蒸馏虽投资省，但所获得的产品质量不高，欲要得到高纯度产品则必须采用连续精馏等方式。

在确定操作压力时则必须考虑所处理的液体混合物的性质等因素，如热敏性物料采用真空蒸馏，而对于沸点低常压下呈气态的物料则应在加压下进行蒸馏。

在塔型的选择中固然要尽量设法选用性能优良的塔型，但因每种塔型绝非十全十美，故选型时还必须从产量、质量和能耗等实际需要出发，努力做到兼顾技术上的可行性和经济上的合理性两个方面．

在确定进料状态和加料方式时既要考虑便于平稳操作，还要考虑相关工序的实际情况等因素。如精馏塔的加料方式用高位槽就比用加料泵直接加料较易平稳操作。但必须注意，无论进料状态还是加料方式均与前道工序以至整个车间的流程安排有关。

在考虑精馏塔附属的换热设备的配置中，必须注意到精馏过程一方面要供给热量，一方面又要用大量的冷却水进行冷却，故从经济观点出发存在着如何合理利用热能的问题，为此可以用定性或定量的方法论述塔底釜液与塔顶蒸汽热能利用的可能性（可以从传热温差的大小以及回收热量的多少进行可行性比较），考虑它们能否用于预热料液或有别的用处。此外，在考虑回收热能的方案时还要以精馏塔可能实现平稳操作为前题。

必须注意：

a、对任务书中根据规定的操作条件所选用的塔型、板型、填料类型等必须进行简要论证．对流程安排中合理利用热能的可能性必须作简要分析，并绘制精馏装置流程图[4]（直接画在设计说明书上）。

b、设计开始通常只能对方案，流程作初步安排，待整个计算完成后再对方案流程进行修正并作较全面的论证讨论。

2、关于工艺计算

工艺计算的主要内容是：物料衡算确定产品的质量、收率和流率。确定操作条件指塔主要部位的压力和温度。精馏计算根据相平衡数据和分离要求，根据经济核算，确定适宜回流比；计算精馏塔的理论权数；计算板式塔的实际板数（或填料层高度），并确定进料位置。为了提高课程设计的效率和准确性，可使用计算机软件“化工原理课程设计工艺优化自检系统”，自我检查计算过程和结果。

着重说明以下几点： a、操作条件的确定：

确定塔主要部位的压力和温度是求取塔板数和进行塔内气液接触构件（塔板或填料层）设计的重要依据。设计任务书中给定的操作压力一般指塔顶的压力，由于塔板或填料层存在的压降，致使沿塔压力（因而也使温度）发生变化，使物性和气液负荷亦将随之而变，这对真空操作精馏塔的影响尤为显著，设计时势必注意。但由于操作压力（温度）沿塔分布规律又与塔内构件、气液负荷、物性等因素有关，故确定操作条件的基本做法是先预估计再校验。

b、相平衡关系：

精馏系统的汽液平衡数据来源很多，具体可参考有关文献[5]。为了便于计算机应用，尽可能选择用解析式表达汽液平衡关系，如对乙醇--水体系，简化处理的方法有多种，如相对挥发度与x的直接关联等。

相对挥发度α与液相浓度x的直接关联： y=αx/(1+(α—1)x)α=1.1213（x+0.2）

-1.5235

x<0.3 α=0.8938 x-1.0632 x≥0.3

如苯一甲苯、乙苯一苯乙烯等物系则可作为理想系统处理。C、回流比的确定：

对于一般体系最小回流比的确定可按常规方法处理[9]，但对于某些特殊体系，如乙醇水体系则要特殊处理，该体系最小回流比Rmin的求取应通过精馏段操作线与平衡线相切得到。而适宜回流比R的确定，应体现最佳回流比选定原则即装置设备费与操作费之和最低，我们推荐以下简化方法计算各项费用，从而确定最佳回流比[6]。

设备费用：CD

塔成本费CD =39870 x D元

式中D为塔径，N为实际塔板数

假定精馏塔每年操作7200小时，折旧率对33％

蒸汽费用： CS=70元／吨

冷却水费用： CW=0.3元／吨

年总费用 C＝0．33 X CD＋CS＋CW

计算费用时应注意：①年总费用应是每年的设备折旧费与每年的操作费

1.2之和；②蒸汽费用的计算应考虑过程的蒸汽损失，一般取总蒸汽耗量5-10％．

D、全塔效率的确定

全塔效率的确定对所设计的塔能否完成任务关系极大，但至今尚无可靠的计算方法，一般可用如下三种方法之一来确定：

①参考工厂同类型塔的全塔效率经验数据；

②对同类型塔进行现场测定取得可靠的塔效数据；

③当缺乏经验数据时可用经验关联式估算，比如对于板式精馏塔可采用0’conne11塔效经验式[2]估算塔效；对于填料精馏塔可采用Murch法等经验公式[2]估算等板高度。

3、关于塔板（或填料层）和塔体主要工艺尺寸的设计计算：

板式塔工艺尺寸设计计算的主要内容包括：板间距、塔径、塔板型式、溢流装置、塔板布置、流体力学性能校核、负荷性能图以及塔高等。其设计计算方法可查阅有关资料[2][3][7][8]。着重应注意的是：塔板设计的任务是以流经塔内气液的物流量、操作条件和系统物性为依据，确定具有良好性能（压降小、弹性大、效率高）的塔板结构与尺寸。塔板设计的基本思路是：以通过某一块板的气液处理量和板上气液组成，温度、压力等条件为依据，首先参考设计手册上推荐数据初步确定有关的独立变量，然后进行流体力学计算，校核其是否符合所规定的范围，如不符合要求就必须修改结构参数，重复上述设计步骤直到满意为止。最后给制出负荷性能图，以确定适宜操作区和操作弹性。

以上设计计算过程，应使用“化工原理课程设计导师系统（3.0版）”辅助进行，首先选定某块塔板进行初步优化设计，经“导师系统”检查无误后，接着则可使用该系统对全塔塔板优化设计，直至达到要求为止。一般至少优化设计塔顶、塔中（进料上、下）和塔底四块代表塔板。

塔高的确定还与塔顶空间、塔底空间、进料段高度以及开人孔数目的取值有关，可查资料。

填料塔工艺尺寸设计计算主要内容包括：选择填料、确定塔径、计算填料层高度、压降以及根据塔径、填料层高度确定填料层的分段数目等项，详[2]见有关资料。

4、关于附属设备的设计

（1）附属设备的设计主要有：

a）热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却水用量；再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量；b）选定冷凝器和再沸器的型式求取所需的换热面积并查阅换热器标准，提出合适的换热器型号；C）确定主要接管尺寸，列出接管表；d)对必须配置的原料泵、回流泵等进行选型计算。

（2）对上学期已进行过换热器课程设计的同学，冷凝器和再沸器以造型为主，酌情也可进行某些换热器的校核计算[3][9]，也可使用“列管式换热器课程设计导师系统（3.0版）”进行优化选型设计‘不然则应选择一换热器进行校核设计。各换热器型式的选定得视具体换热系统、介质性质以及热负荷大小等而定。如冷却器因通常热负荷较大，故常用列管式换热器且是卧式的；而冷却器则因热负荷一般较小，可选竖列管式或蛇管式换热器。

换热器设计中应注意传热温度差至少保持10－20℃左右，冷却水出口温度则不应大于50℃。

（3）精馏塔的主要接管包括蒸气出口管、回流管、加料管、进气管、釜液排出管等，接管的结构型式和设计计算所需数据可查有关资料[3]。

（4）精馏装置使用泵一般包括回流泵、产品泵、加料泵和冷却水泵等，泵的选型计算可查阅[10]等有关内容．

5、关于精馏塔的结构设计

板式塔的结构设计内容包括塔的总体结构，塔盘结构和接管结构，可参见有关资料[3][7][2]。

本项设计内容的基本要求：设计板式塔时，对所设计的塔径在ф800以上而采用分块式塔板时，必须考虑分块对塔板布置的影响，可参阅资料它结构设计不作要求。

附：分块式塔板基本结构

塔板分块数目与塔径大小有关，按下表规定选取：

塔板分块数

塔径（mm）800－1200 1400－1800 1800－2200 2200－2400

[3][7]，其分块数 3 4 5 6 塔板分数块，靠近塔壁的两块叫弓形板，其余是矩形板，为了检修方便，不管分成几块，短形板中必有一块作为通道板，通道板的宽度统一取 400mm，因安装需要，相邻两块板之间的孔间距可取为100mm。

6、关于设计说明书的编写

设计说明书内容应包括以下几项：

（1）设计题目（包括课程设计任务书）；

（2）说明书目录（标题及页次）；

（3）设计说明（即精溜方案的说明论证，并附带控制点精溜装置工艺流程示意图）；

（4）工艺计算（包括物料衡算、回流比、理论板数、进料位置等，计算机计算应有相应框图和源程序）；

（5）板式塔的塔板设计（包括板间距、塔径及塔板布置）或填料精馏塔内部构件（分布器等）的设计；

（6）附属设备的选型设计（包括预热器、冷凝器、冷却器和再沸器、接管、进料泵、回流泵等的设计与选型）；

（7）设计结果汇总（包括主要工艺尺寸、各种物料的量和状态及设计时规定的操作条件等）；

（8）结束语（包括对设计的自我评述以及有关问题的分析讨论等）；

（9）设计参考资料目录（资料的编写：书名、作者、出版单位和出版年月）；

编写设计说明书必须用统一的课程设计用纸，配上统一的封面装订成册；说明书的文字叙述要简练、明确、字迹要工整清楚；各种计算方法应举例说明，公式的符号（单位）应标注清楚，必要时应附上示意图和计算数据表格；所引用的数据、公式或结论可在每页右侧留出的约2mm宽的长框内用符号[*]注明其来源；选用的重要参数和计算的重要结果也可写在右侧的长框中或用表格的形式汇总列出。

7、关于考核和答辩

通过答疑、质疑、书面测验、口头答辩、评阅设计说明书和图纸，全面考核学生完成设计任务的质量和水平。课程设计成绩按优秀、良好、中等、及格和不及格五级计分，并作为一门课程单独考核。

答辩是课程设计的一个重要环节，答辩不仅是考核设计质量的重要方式，而且可以借此交流设计心得，讨论设计中的有关问题，使设计的收获更加提高一步，为此要求在答辩前分必认真准备。

三、进行本设计必须注意的几点：

1．课程设计不同于求解习题，设计计算的依据和答案往往不是唯一的，故在确定设计方案或选用经验数据时势必注意从技术上的可行性与经济上的合理性两个方面进行分析比较，一个好的设计应该进行多种方案的比较，须反复多次设计计算方可得到。

2．在设计过程中指导教师原则上不负责审核运算数字的正确性，因此要求学生从设计一开始就必须以严肃认真的态度对待设计工作，要训练自己独立分析、判断结果正确性的能力。

3整个设计是由论述、计算、绘图三部分组成，所以只有计算缺少相应的论证；或计算、绘图马虎草率的设计是不符合要求的。

4．设计中，每个人在完成规定的基本要求（详见二）的同时，各人可以酌情在某些方面加深、提高，如可以适当增加附属设备的设计计算的内容，多查阅一些参考资料以充实方案的论证材料或增加使用计算机设计的内容等。

四、设计纪律

1．必须按时按质完成规定的设计任务．

2．必须独立完成设计任务，不得抄袭，对抄袭严重者应控作弊论

处。

3．凡请病、事假者需经指导教师批准．

4．遵守作息制度，在指定地点完成设计任务，以便指导教师随时

掌握设计进度。

5．爱护图书资料，公用图书资料不得长期占用。6．严重违反设计纪律将受到一定的处分，直到被勒令停止设计。

五、参考资料

1．《化学工程手册 第一篇 化工基础数据》化学工业出版社（1980）2．《化学工程手册 第十三篇 气液传质设备》化学工业出版社（1979）3．《浮阀塔》北京化工研究院 “板式塔”专题组 燃料化学工业出版

社（1972）

4．《化工基本过程与设备 设计教科书》［苏］．N迫特尼奥尔斯科戈 5．“Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection” Vol． 1． 6．《化工过程工程工业实践》S．W Bodman著，曲德林等译 清华大学

出版社（1985）

7．《塔的工艺计算》 石油工业出版社（1977）8．《基础工艺计算中册》上海科技出版社（1979）

9．《化工原理上、下册》谭无恩等著，化学工业出版社（1990）10．《泵类产品样品》第一册、第二册 机械工业出版社

11．《化工过程及设备设计》华南工学院化工原理教研室（1987）12．《石油化工基础数据手册》卢焕章等编著，化学工业出版社 13．《化工原理课程设计资料》

（一）板式塔 浙江工业大学化工原理

教研室

14．《化工原理课程设计资料》

（二）填料塔 浙江工业大学化工原理

教研室

15．《化工原理课程设计资料》

（三）列管式换热器 浙江工业大学

化工原理教研室

16．《化工过程及设备数据及图集》 浙江工学院

第二篇：化工原理课程设计(循环水冷却器设计说明书)汇总

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

齐 齐 哈 尔 大 学

化工原理课程设计

题

目

循环水冷却器的设计

学

院

化学与化学工程学院

专业班级

制药工程

学生姓名

夏天

指导教师

吕君

成绩

2016年

07月

01日

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

目 录

摘 要 ……………………………………………………………………………错误！未定义书签。

Abstract………………………………………………………………………………错误！未定义书签。

第1章 绪论 ………………………………………………………………………1 1.1设计题目：循环水冷却器的设计 …………………………………………1 1.2设计日任务及操作条件 ……………………………………………………1 1.3厂址：齐齐哈尔地区 ………………………………………………………1 第2章 主要物性参数表 …………………………………………………………1 第3章 工艺计算 …………………………………………………………………2 3.1确定设计方案 ………………………………………………………………2 3.2核算总传热系数 ……………………………………………………………4 3.3核算压强降 …………………………………………………………………6 第4章 设备参数的计算 …………………………………………………………8 4.1确定换热器的代号 …………………………………………………………8 4.2计算壳体内径DⅠ ……………………………………………………………9 4.3管根数及排列要求 …………………………………………………………9 4.4计算换热器壳体的壁厚 ……………………………………………………9 4.5选择换热器的封头 …………………………………………………………11 4.6选择容器法兰 ………………………………………………………………11 4.7选择管法兰和接管 …………………………………………………………13 4.8选择管箱 ……………………………………………………………………14 4.9折流挡板的设计 ……………………………………………………………15 4.10支座选用……………………………………………………………………16 4.11拉杆的选用和设置…………………………………………………………16 4.12垫片的使用…………………………………………………………………18 总结评述 ……………………………………………………………………………20 参考文献 ……………………………………………………………………………21 主要符号说明 ………………………………………………………………………22 附 表1 ……………………………………………………………………………24 附 表2 ……………………………………………………………………………25 致 谢 ……………………………………………………………………………26

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

摘要

在国内外的化工生产工程中，列管式换热器在目前所用的换热器中应用极为广泛——由于它具有结构牢固，易于制造，生产成本较低等特点。

管壳式换热器作为一种传统的标准换热器，在许多部门中都被大量使用。其结构由许多管子所组成的管束，并把这些管束固定在管板上，热管板和外壳连接在一起。为了增加流体在管外的流速，以改善它的给热情况在筒体内安装了多块挡板。

我们的进行作业时列管换热器的设计，根据所给的任务，进行综合考虑。首先确定流体流径。我们选择冷却水通入管内，儿循环水通过入管间。

其次，我们确定两流体的定性温度，由于温度引起的热效应不大，可以选择固定管板式换热器。根据初算的总传热系数和热负荷，以及换热器的换热面积，换热器的根数和长度，来确定管程数。并查阅相关资料。

初步工作完成之后，对设备的各种参数校核，包括换热器壳体，封头，管箱，管板，法兰的选用等等，接着进行一系列的检查。

选择这些附件，不仅要与所选换热很好的匹配，而且要兼顾经济的要求，让换热器既造价低廉又坚固耐用，以达到即经济又实惠的效果。

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在热交换器中，至少有两种温度不同的流体，一种是流体温度较高，放出热量，另一种是温度较低，吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随意我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，对换热器的要求也日益增强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。根据不同的目的，换热器可以是热交换器、加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器等。

关键字：换热器；列管式换热器；循环水；冷却器

I

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

Abstract Heat exchanger is part of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, in order to realize the different temperature of heat transfer between fluid, also called heat exchanger.Heat exchanger is to realize the heat exchange and transmission in the process of chemical production indispensable equipment, in the heat exchanger, there are at least two different fluid temperature, fluid temperature is higher, one is gives off heat, the other is a low temperature, absorption of heat.In chemical, petroleum, power, refrigeration, food and other industries widely used in all kinds of heat exchanger, and they are universal equipment, these industry occupies very important position.Optional constant development of the industry in our country, to the

requirement of increasing the energy utilization, development and conservation, the

requirement of the heat exchanger is also growing.The design and manufacture of heat exchanger structure improvement and the heat transfer mechanism of research is very active, appeared some new high efficiency heat exchanger.According to different purposes, the heat exchanger can be heat exchanger, heater, cooler, evaporator, condenser, etc.Because of the different conditions of use, heat exchanger can have various forms and structures.In production, heat exchanger is a separate equipment sometimes, sometimes, is a part of the process equipment.Key Words：Heat exchanger；Shell and tube heat exchanger；Floating-head type

II

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

第1章

绪论

1.1 设计题目

循环水冷却器的设计

1.2 设计任务及操作条件

1.2.1 设计任务

①处理能力：72000kg/h ②设备型式：列管式换热器

1.2.2 操作条件

①循环水：入口温度55℃，出口温度40℃ ②冷却介质水：入口温度25℃，出口温度35℃ ③管程和壳程的压强不大于1.0MPa ④换热器的热损失4% 1.3 厂址

齐齐哈尔地区

第2章

主要物性参数表

在定性温度下：t定冷=（25+35）/2=30℃ t定循=（55+40）/2=47.5℃

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

由4.1.2可知：冷却水用量=28.8kg/s

则

Mc/ ρc=0.0289m3/s

Ns=4V/（3.14(0.02)2×0.5）=184根

根据列管式换热器传统标准，此数据可选取按单程算，所需的单程热管 长度

L=A/3.14dins=7.65m

(3-5)取传热管长l=8m

则该传热管的管程数为：Np=L/l=

1传热总根数NT=Npns=1×184=184根

实际传热面积So=N3.14d（1-0.1）=91.29㎡

则要求过程的总传热系数为

Ko=Q/So△tm=693w/(㎡·℃)

(3-6)该换热器的基本结构参数如下：

表4-1换热器的基本结构参数

公称直径：500m 总管数：NT=184根

管数：184 管长：8.0m

工程压强：1.0MPa 管间距：t=32mm 管程数：m=1 工程面积：80㎡

管子排列方式：正三角形排列

3.2 核算总传热系数

3.2.1 管程对流传热系数

Ai4di2n3.141840.0220.05778mNp41uiVs/As0.0289/0.057780.5002m/s

Reidicuiccphc0.020.5002995.712435.37

0.00008007普兰特准数：

Pric4.1741030.000080075.42

0.617

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

0.80.43i0.23dReiPr0.0230.6170.02(12435.4)0.8(5.42)0.i

2631.5W/(m2 K)3.2.2壳程传热系数

取换热器管心距t=32 mm 壳程流通截面积为：

AhD(1d0/t)

其中：h-折流板间距。取为300㎜。D-壳体公称直径，取为600㎜ d-管子外径，可取25㎜ t-中心距，可取32㎜。

壳程流体流速：

u0Vc/A072000/(3600988.10.039)0.5125m/s 当量直径按三角形排列有：当量直径

d2e4(0.866t2d0/4)/(d0)0.0202m

Redecu00.02020.5125988.10c0.000549418709.87

普兰特准数：

Prcpcc4.1741030.549410300.64783.54

c用壳方流体的对流传热系数的关联式计算

1.360.6478000.020244810.90.553.5430.953738.8W/(m2 ℃)

带入数据得：

0.647800.360.02021.5240.953738.8w/m2·℃

3.2.3 计算总传热系数

(3-7)

齐齐哈尔大学化工原理课程设计

K01

(3-9)

d0Rsid0bd01(Rso)idididmo其中：0,1——壳程管程对流传热系统w/㎡·℃

d0,di,dm——换热管外径内径和内外径的平均值mm ℃/w Rsi,Rs0——管内侧外侧污垢热阻㎡·b——换热器壁厚，取 0.0025m ℃ λ——碳钢的导热系数，取45 w/㎡·管壁热阻碳钢在该条件下λ=45 w/㎡·℃ 0.0025Rw0.06103m2·℃/W

450.0250.000090.02510.060.0250.00009)

0.022631.50.023738.80.021000980.87w/m2℃(计算安全系数K01k计k选980.87850100%15.40% k选850核算表明该换热器可以完成任务。

3.3 核算压强降

3.3.1 管程流体阻力

[11]

Pi(P1P2)NpFt

(3-10)

Lui2 Np2,pi

(3-11)

di2（1）对于ΔP1的计算：管程流通截 n1843.14Aidi2··0.0220.0578m2

4NP14由此可知uiVi0.02890.5m/s

Ai0.0578

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Rui.70.020.5eidi99580.0710-512435.37 设管壁粗糙度0.1mm,1d0.i200.00

5λ=0.037代入P1计算式 ΔP1=0.037×P6995.7（0.51210.0370.02）2958.23Pa（2）对于P2的计算

P3u2995.7(0.5)22232373.38Pa

（3）对于Pi的计算

则：P(P''i1P2)FtNp(958.23373.38)1.423728.53Pa 由此可知，管程流通阻力在允许范围之内。

3.3.2 壳程压强降校核

P(P'P'[12]012)NsFs

2其中： P'1Ffu00nc(NB1)2

P'N.52hu20

2B(3D)2Fs是壳程压强降届后校正因数，液体取1.15 Ns是壳程数，为1（1）对于P' 1 的计算

由于换热器列管呈三角形排列F=0.5

Nc1.1n1.118414.9

取折流板间距为300mm；

N8b0.3112块

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换热器的规定。查化学化工出版杜《化工工艺设计手册》（上）第120页表3-10《列管式固定管板换热器标准图号和设备型号》得到壳体内径Di，公称压强，管根数及排列要求而确定。

4.2 计算壳体内径Di

'公式：Di(nc1)2b

(4-1)其中：t——管中心距，m对252.5

nc——横过管束中心线的管线，用nc1.1n计算

b'——管束中心线上2管的中心到壳体内辟的距离，取b'1.5d0 计算：

Di0.032(14.921)21.50.00250.452m500mm

4.3 管根数及排列要求

（1）换热器采用252.5的无缝钢管，材质选用可焊接性好的10号钢，管长8m，共184根管。

（2）排列方式及管中心距的确定 1）可该换热器列管采用三角排列

2）管子与管板采用焊接，故可取t1.25

d032mm

4.4 计算换热器壳的壁厚

4.4.1 选适宜的壳体材料

根据《化工设备手册-材料与部件》（上海）第102页压力容器用碳素碳及普通低合金厚板钢(YB53669)，换热器公称压强为1.6MPa选用A3F钢板。

4.4.2该钢板的主要工艺参数性能

加工工艺性能好，可冷卷，气割下料开坡口，炭弧气刨挑焊根开坡口。冷冲压力热冲压性能好，使用温度20~475℃，可以作中低压设备，所以简体材质选用A3F钢板，钢板标准GB3274。

4.4.3壁厚的计算

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将有关数据代入原式可得

2.0(5005.4)T110.11MPa

25.40.85查阅《化工设备机械基础》（华东理工大学出版社）表14-3，《钢制压力容器中使用的钢许用应力》可得到A3F钢制容器在常温水压试验时s235MPa

从而，有[T]0.9s0.9235211.5MPa所以壳体壁厚满足水压试验的强度要求。

4.5 选择换热器的封头

（1）公式：

dpDDiC1C2

(4-5)t2[]0.5pt其中：由于Di5001200mm，用整块钢板冲压成型，此时

1,Pc1.0MPa,C10.6mm,C22.0mm

1.65000.62.05.62mm

2131.8910.51.6（3）选择适宜厚度，并确定封头型式规格（2）计算：d根据《化工设备手册材料与零部件》<上册>第327页椭圆封头JB115473应选封头mm，且根据其选用一椭圆封头尺寸如下：

型式 椭圆形

公称直径 500mm

曲面高度 125mm

直边高度 0.309m2

4.6 选择容器法兰

4.6.1 选择法兰的型式

选用甲型平焊容器法兰。已知换热器的公称压力为PN1.0MPa，公称直径500mm。查阅《压力容器与化工设备使用手册》中3-1-1，《压力容器法兰分类》，宜采用甲型平焊容器法兰。法兰材料为板材Q235-B，工作温度>-20摄氏度的最大工作压力为1.05MPa，小于公称压力，故甲型平焊容器法兰最大允许工作压力满足要求。

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4.6.2 确定法兰相关尺寸

查阅《压力容器与化工设备使用手册》第467页。表3-1-2（A）《甲型平焊法兰尺寸》和表3-1-2（B）《甲型平焊法兰质量》可得法兰相关尺寸如下表：

法兰质量（kg）衬环质量（kg）

平面 36.81 1.7

凸面 38.43 3.7

凹面 37.21 2.5

公称直径DN 500

D 630

D1

D2

法兰 D3

D4

d

螺栓 规格 数量 20

590 555 545 542 44 23

4.6.3 选用法兰并确定标记

选用甲型平焊容器（凹凸密封面）为宜 标记为：法兰AT5001.6 JB/T47012000 结构如图

MFM

图4-3法兰

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4.7选择管法兰和接管

4.7.1热流体进出口接管

取接管热流体流速为u=1.7/ m s，则接管内径为

11D1[4V/(u.1)][40.0289/3.141.7]2 125mm2可取接管:1334mm,长150mm两个

4.7.2冷流体进出口接管

取接管内流体流速u2=1.5m/s,则接管内径为 D2[4V/(u2)][428.8/995.7/(3.141.65)]

156mm11 可取接管：Φ159×4.5，长150 mm两

表4—3钢制管法兰（HGJ45-91）

公称 直径DN 管子 外径 A

连接尺寸

法兰外 螺栓孔 螺栓孔径D

中心圆 直径L 直径K

螺栓 孔数 n

螺栓 长度

螺栓柱 螺柱 长度

法兰 厚度 C

法 兰 内 径 B

156 125 159 133 220 250

180 210 18 6

70

20

135

4.7.3选择法兰

根据公式直径与公称压力选用板式干旱钢制管法兰。HG20593-97

SO150-2.5RF

16Mn 4.8 选择管箱

查阅《化工设备标准图册》，选择封头管箱，材料为

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4.10支座选用

查阅《化工设备设计手册材料与零部件》第625页, 选用A3F材料，采用鞍式支座

Dg500AJB1167-73.尺寸如下表

表5-4鞍式支座DG500AJB1167-73

公称直径

DN

500 每个支座允许负荷

t

23.0

160 460 120 330 90 200 b

L

B

K1

b

m

图4-6鞍式支座

4.11 拉杆的选用和设置

4.11.1拉杆的选用

查阅《化工过程和设备设计》 第15页表可知：

516

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4.12.2管法兰用垫片

材料：耐油橡胶石棉板 S20——0056——3.厚度3mm.垫片：1.MFM

150——2.5

2.MFM

200----2.5

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总结评述

在教师的悉心指导下，在团队中每个人的积极努力下，在这历时两个星期的课程设计中我们解决了很多难题。

然而，在这次课程设计中，大家更多的发现了自己的不足，以及对实践经验的缺乏，在诸多方面还需提高。在学习中大家分工明确，在每个环节中都能出色的完成。

我组主要进行了以下环节：

一．数据计算——在设计刚开始时，大家积极查询相关资料，翻阅了图书馆里的很多相关书籍。在大家不断查找资料、不断的理解公式原理不断进行可行性分析的前提下,很多问题都得到了解决，在很多难点上都有了很大的突破。经过了几天的团结协作完成了计算部分。

二．设计说明书——在这个环节中，大家认真的将每一个公式字句输入文档中，输完之后又进行了多次检查，多次审核，终于经过了几天的精诚合作，完成了文档的输入工作。说明书的设计，从封皮到公式到逐字逐句都显得十分谨慎。

三．画图——对于每一个环节，都需要每个成员在该环节上有所突破。在这个环节中，在组长的领导下，大家默契配合，充分体现了团队精神，通过对数据的深刻理解，认认真真的完成了制图的工作，终于完成了该设计的最后环节。

通过这次设计我们看到了团队的力量，个人离不开团队，团队需要每一个人的精诚合作，才能发挥团结协作的精神。

通过老师的耐心的讲解和帮助，我们把公式及其应用范围都巩固了一遍。经过这次课程设计，我们充分的理解了课程设计的真正含义。本次设计给了我知识和技能的同时，也给予我很多经验和教训。

在今后的学习和工作中，我将不断努力学习科学文化知识，不断完善自己，不断的挖掘自己的潜力。

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参考文献

[1]天津大学，化工原理，天津，天津科学技术出版社，1999.7 [2]郑晓梅，魏崇关，化工工程制图，北京，化学工业出版社，2005.8 [3]化工设备结构图册；编写组，化工设备结构图册，上海，上海科学技术出版2003.7 [4]柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计，天津，天津科学技术出版社，（2006.2）

[5]化学工程手册（1999-2005）

[6]华南理工大学，化工工程及设备设计，广州，华南理工大学出版社2006.10 [7]刁玉伟，王立业编，化工设备机械基础，大连，大连理工大学出版社2008.12 [8]中华人民共和国化学工业部工程建设标准，钢制管法兰，垫片化学工业出版社 [9]钢制列管式固定板式换热器结构手；1994.1 [10]化工设备设计手册材料与零部件，上海人民出版社2005.3 [11]姚玉英主编化工原理（上）天津大学出版社2012.1 [12]大连理工大学教研室编，化工原理课程设计大连理工大学出版社，1994.6 [13]夏清主编化工原理（上）天津大学出版社2005.1 [14]齐齐哈尔大学化工原理教研室主编，化工原理课程设计2003.7 [15]谭天恩，麦本熙，丁慧华：化工原理--第二版，北京，化学工业出版社2011.6 [16]Tian-Guang HVDC transmission project: Converter Transformer Maintenance Manual[Z].Germany: Siemens, 2001.8

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重要符号说明

Q ——热负荷

KJ/h mi——热流体质量流速

KJ/h Cph——热流体比热容 KJ/(kg℃)Cpc——冷流体比热容 KJ/(kg℃)

di ——传热管的内径 m do ——传热管的外径 m de——当量直径 m D ——公称直径m K ——选取的传热系数 kw/m2.c t1——冷流体进口温度 c t2——冷流体出口温度 c T1——热流体进口温度 c T2——热流体出口温度 c R——平均温差校正系数的参数 Ft——温度校正系数

P——公称压力 Mpa ai——管程传热膜系数 uo——壳程速度 m/s De——当量直径 m Reo——壳程雷诺准数 Pro——课程普兰特数

——流体在定性温度的黏度，Pa.s ——导热系数，wdm——平均管径 m

m2.c

2Rsi——管程的污垢热阻 m.c

w2Rso——壳程的污垢热阻 m.c

w

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b——壁厚 m △p——管程压力降 Pa

——相对粗糙度 mm i

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附表2

列管式换热器的常用流量

·公称直径mm 1.5 12 400 10 10--500------600------800------

公称面积㎡

管长m 2.0 16 15 14------------110 110 100 100

3.0 26 24 20 40 40 35 60 55 55

6.0 52 48 42 80 80 70 125 120 110 230 220 210 200

管程数 1 1 2 4 1 2 4 1 2 4 1 2 4 4

管数 13 113 102 90 177 172 152 269 258 242 501 488 456 444

公称压强

425-