課程設計---正戊烷冷凝器的設計

1、課程設計- 計一正戊烷冷凝器的設江漢大學化工原理課程設計說明書化學與環(huán)境工程 學院 化工 系化學工程與工藝專業(yè)目：2.0X10噸/年正戊烷冷凝器的設計姓 名: 學 號: 指導老師: 起止時間:201009102126周富榮老師任務安排設計任務和操作條件1. 操作條件(1) 正戊烷冷凝溫度為51.7-C,冷凝液于飽和液體下離開冷凝器;(2) 冷卻介質(zhì)為地下水，流量為70000kg/h,入口溫度：24C；(3) 允許壓強降不大于lOTa；(4) 每年按300天計；每天24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)。2. 處理能力:20X104t/a正戊烷3. 設備型式：臥式列管冷凝器設計內(nèi)容1、設計方案簡介；2、換熱器的工藝計

2、算；3、換熱器的主要結構尺寸的設計計算；4、校核計算。設計說明書內(nèi)容1. 目錄2. 概述3. 熱力計算(包括選擇結構，傳熱計算，壓力核算等)4. 結構設計與說明5. 設計總結6. 參考文獻7. 附工藝流程圖及冷凝器裝配圖一張目錄1概述1L 2確定物性數(shù)據(jù)21. 2.1確定流體流動空間21- 2. 2流體定性溫度，確定流體流動的物性數(shù)據(jù)21. 3估算傳熱面積31. 3.1熱負荷31. 3. 2有效平均溫度差31. 3. 3估算傳熱面積3L 4工藝結構尺寸3L 4.1管徑和管內(nèi)流速31. 4. 2管程數(shù)和傳熱管數(shù)41- 4. 3傳熱管排列和分程方法41. 4.4殼體內(nèi)徑4接管51. 4. 6其他附

3、件51. 5初選換熱器規(guī)格6L 6換熱器核算71. 6.1計算總傳熱系數(shù)71. 6. 2傳熱面積裕度81- 6. 3核算壁溫81. 6. 4計算壓降和核算9L 7匯總表10設計總結12參考文獻13附換熱器裝配圖131.1概述換熱器是化學工業(yè)，石油工業(yè)及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設 備，它不僅可以單獨作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的 重要附屬設備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要的地位。由于工業(yè)生產(chǎn)中所用換熱器的目的和要求各不相同，換熱設備的類型也多 種多樣，可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進行選擇。按換熱器設備的傳熱方式劃分主要有 直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類。雖然直接接觸式和莆熱式換熱設

4、備具有結 構簡單，制造容易等特點，但由于在換熱過程中，有高溫流體和低溫流體相互 混合或部分混合，使其在應用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設備以間壁式 換熱器居多。間壁式換熱器的類型也是多種多樣，從其結構上大致可分為管式 換熱器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式 換熱器主要包括型板式、螺旋板式和板殼式換熱器。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求：(1) 合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件傳熱量、流體的熱力學參數(shù)(溫度、壓力、流量、相態(tài)等)與物理化學性 質(zhì)(密度、粘度、腐蝕性等)是工藝過程所規(guī)定的條件。根據(jù)這些條件進行熱 力學和流體力學的計算，經(jīng)過反復比較，使所設計

5、的換熱器具有盡可能小的傳 熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。(2) 安全可靠換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時， 應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設計規(guī) 定等有關規(guī)定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要的作用。(3) 有利于安裝、操作與維修直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與 裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排 放口，檢査孔與敷設保溫層。(4) 經(jīng)濟合理評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內(nèi)(通常為1年)固定費用(設備的購置費、安裝費等)與操作費(動力費、淸洗費、維修費等)

6、的總和為最 小。1. 2確定物性數(shù)據(jù)1. 2. 1確定流體流動空間根據(jù)換熱器流體流經(jīng)選擇原則：(1) .飽和蒸汽宜走管間，以便于及時排走冷凝液，且蒸汽較潔凈，它對清洗無 要求；(2) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強冷凝效果；(3) 黏度大的的液體或流量較小的流體宜走管間，因流體有折流擋板的殼程流動 時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達到湍流，以提高對流傳熱系 數(shù)。綜合上述原則，對本次設計：冷卻水走管程，正戊烷走殼程。流體的定性溫度，確定流體流動的物性數(shù)據(jù)1流體的定性溫度決定準數(shù)中各物性的溫度稱為定性溫度。一般取流體的平均溫度。(1) 正戊烷的定性溫度：T=51.

7、7*Co(2) 井水的定性溫度：a.入口溫度tt=24Cob有設計要求的正戊烷的流量：“普黑2777.7恥/hc. 熱負荷1： r=357.4kj/kg ,Q=Wh r=2777. 78X357. 4=99277& 572kJ/hd. 在305(TC之間水的定壓比熱容1： 4.174kJ/(Kg- *C)c丄 992 .572 +24,7.40WcCpc 70000 x 4.174it. r fi + 24 + 27.40e. 井水的定性溫度： = - = 25.70 C兩流體的溫度T-t=51. 7-25. 70=26. 00C 50C,選用固定管板式換熱器.2. 流體流動的物性數(shù)據(jù)兩流體在

8、定性溫度下的物性參數(shù)如表1 1表1 兩流體物性參數(shù)流體溫度，C密度，kg/m3比熱容， kJ/(Kg C)粘度，Pa s導熱系數(shù)，W/(m C)正戊烷51.75962. 341. 80X10”0.13井水25. 70996. 7754.1788. 89X100. 60961. 3估算傳熱面積L3. 1 熱負荷0=99277& 572kJ/h二275. 77kW1. 3. 2有效平均溫度差逆流溫度= 25.96 C(51 7 - 27.40) - (51.7 24)1 51.7-27.40In51.7-241. 3. 3傳熱面積高溫流體為有機物粘度05X10as以下，低溫流體為水時，總傳熱系數(shù)范

9、圍2： 430850W/(m2K)。先暫取K=500/m2K則估算的傳熱面積咼_ 275.77x10500x25.96=21.25m3考慮到估算性質(zhì)的影響，取實際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實際傳熱面積 A =1. 15X21. 25=24. 44m21.4工藝結構尺寸管徑和管內(nèi)流速管徑為25mm x 2. 5mm, 一般液體的流速3： 053 m/s,取管內(nèi)流速為 u=0. 8m/so管程數(shù)和傳熱管數(shù)470000單程傳熱管數(shù)= 3600xS）96；77 = 77.7 78 （根） 兀- x0.8 a： u4按單程管計算，所需的傳熱管長度為L=蘭出=3.99加 4mons 3.14 x 0

10、.025 x 78按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，現(xiàn) 取傳熱管長1=2. 0m,則該換熱器的管程數(shù)為2卜卜2（管程）傳熱管總根數(shù)N 丫 =78 X 2=156 （根）1. 4. 3傳熱管排列和分程方法5對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都均按正三角形排列, 而各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。本次設計，焊接法取管心距t=l. 5L=1. 25X25=31. 25mm32mm隔板中心到其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22 mm各程相鄰管的管心距為22X2=44mmo殼體內(nèi)徑6對于按正三角形排列的管子，nc=l. lvn =

11、1.1x7156 =13.74 14 （根）D=t （nc-l）+2b，D殼體內(nèi)徑，mbz管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取bf = (1 1.5) do Abz =1.5 do=l. 5X25=37. 5nnnoAD=t(nc-l)+2b, =32 X (14-1) +2X37. 5=491mm500mm最小壁厚：10mm,取20mmo1. 4. 5接管流速u的經(jīng)驗值可取6：對液體：u=1.52m/s對蒸氣：u=2050m/s殼程內(nèi)徑進口接管取接管內(nèi)蒸汽流速為30m/s,正戊烷蒸氣的密度17：3. 585Kg/ms ,則接管內(nèi)徑3600 x3.585x3.14x304x2力7

12、.78=95. 6mm96mm選的標準接管14： 0108 X 6mm。出口接管 取接管內(nèi)的液體流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑rI 4x2777.78“ “D2= AI=、=33. 16mm34mm mi V3600 x596x34xl5選的標準接管15：45X6mm。管程水進出口接管4 x 7000036OO X996.775 x 3.14xl.5取接管內(nèi)水流速為1. 5m/s,則接管內(nèi)徑=128.7 mm 129mm選的標準接管15： 曠+丄3503.02 x 0.020.0245 x 0.0225865.33=500. 95 W/ Cm - C)1. 6. 2傳熱面積裕度宀葉廿古打 .

13、Q 275.77xlO? 2實際傳熱面積A= = 21.21m2K公稱換熱面積A=245 m2該換熱器的面積裕度廠蟲二。=245-2121 =15. 5%A21.21為保證換熱器操作的可靠性，一般應使換熱器的面積裕度大于15%25%12 所以該換熱器較為合適。1. & 3核算壁溫T tw _ tw t 丄+心丄+ R G)匕51.7 譏 _24! + 1.72x1 O4! + 2.0x10865.333503.02t 二39.59假設值可以接受。計算壓降和核算(1)計算管程壓降工恥=(洌+妙2)好竹他乙匕，乙巳一分別為宜管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，Pa人一結垢校正因數(shù)，量綱為1,對25x

14、2.5nmi的管子取1. 4管程數(shù)Ns串聯(lián)的殼程數(shù)取碳鋼的管壁粗糙度為0. 1mm,則4 = =0. 005, Re=17020 20由摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關系圖13,讀得X =0. 034y曲=2 = 0.034xdi 22996.775 xO.759?002X 2=97 6 ASP a=3嚴.775 x 0.7592 希 33加2Nr=2, Ft=L 4, Ns=l=(976. 18+861. 33) X1. 4X2 X 1=5145. 028Pa lOa管程壓降在允許的范圍內(nèi)。(2) 計算殼程壓力降殼程為恒溫恒壓蒸汽冷凝，其壓降可忽略。(3) 總阻力幾=5145. 028 1

15、0sPa該換熱器的總壓降也在允許范圍之內(nèi)。該換熱器可取。1. 7匯總表表2 設計計算匯總表名稱單位結果正戊烷流量W hkg/h2777. 78正戊烷蒸汽進口溫度C51.7冷卻水流量W Ckg/h70000冷卻水進口溫度c24冷卻水出口溫度c27. 40熱負荷Qkj/h992778. 572總傳熱系數(shù)KW/ (m2 C)500. 95實際傳熱面積m221.21公稱傳熱面積m224.5面積裕度F15. 5%管程流通截面積Am20. 0257管程流體流速Um/s0. 759管程對流傳熱系數(shù)W/ (m2 C)3503. 02管程壓降EAP1Pa5145. 028殼程對流傳熱系數(shù)a。W/ (m2- *C

16、)865. 33殼程壓降E APoPa0總阻力匕Pa5145. 028表3換熱器工藝尺寸匯總表名稱單位結果管子規(guī)格mm025X2.5公稱直徑DNmm500殼體壁厚mm20公稱壓力PNMPa0.6管程數(shù)N,2換熱管長度Lm2.0傳熱管總根數(shù)M根164中心排管數(shù)一15管子排列方式正=角性錯列管心距tmm32隔板中心到其最近一排管中心距離Smm22各程相鄰管的管心距mm44殼程進口接管內(nèi)徑mm108殼程出口接管內(nèi)徑mm45管程水進出口接管內(nèi)徑mm150封頭公稱直徑mm500封頭曲面高度mm125封頭直邊高度mm50封頭厚度mm20設計總結在設計的前期，通過去圖書館借書，看書，了解換熱器的結構，傳熱

17、特點和阻力性能等特點，査找相關物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，大致知道設計內(nèi)容要做 什么和怎樣去做。在設計過程中，一步一步的計算，査找符合的換熱器，在進行該換熱 器的核算，看是否符合，不符合再進行假設，直到符合為止。上面設計的換熱器，通過核算總傳熱系數(shù)，總阻力，壁溫，都在符合 范圍之內(nèi)，所以該換熱器是可行的。也要對對該換熱器經(jīng)濟和環(huán)境效益進行評價生命周期方法是一種針 對產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對環(huán)境影響進行評價的過程，它通過對能量和物質(zhì)消耗 以及由此造成的廢棄物排放進行辨識和量化,來評估能量和物質(zhì)利用對環(huán) 境的影響，以尋求對產(chǎn)品或工藝改善的途徑。這種評價貫穿于產(chǎn)品生產(chǎn)、工 藝活動的整個生命周期,包括原材料的開采和加工、

18、產(chǎn)品制造、運輸、銷售、 產(chǎn)品使用與再利用、維護、再循環(huán)及最終處置。本設計中使用水作冷卻劑, 無污染，耗資少，無有害氣體產(chǎn)生，整個過程簡單，易操作，環(huán)境和經(jīng)濟 效益良好。而換熱器使用的好壞，也要經(jīng)常進行定期檢査，維修和清洗的。特別 是冷卻水經(jīng)過長時間的操作，腐蝕生成物和水垢污垢等附著管壁，會降低 傳熱系數(shù)而影響傳熱效率及增大壓降，因此必須通過清洗來改善換熱器的 性能。在設計的后期，就是通過設計出來的換熱器規(guī)格，把該換熱器的圖用 A3的圖紙畫出來。以上就是在設計換熱器過程中的小小總結。參考文獻1 夏清賈紹義主編 化工原理第二版上冊天津大學出版社2011年P335, P338, P343, P345, P3462 夏淸賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學出版社2011年P3633 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學出版社2011年P2874 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊 天津大學出版社2011年P185 大連理工大學化工原理教研室編化工原理課程設計大連理工大學出版社1997年 P386 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學出版社2011年P2897 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學出版社2011年P2898 熊潔羽編化工制圖化學工業(yè)出版社2007年 P3819 夏清