化工原理課程設計一

1、化工原理課程設計（一）碳八分離工段乙苯冷凝器設計姓名：xxxxx學號：xxxxxxx專業(yè)：過程裝備與控制工程班級：122班概述及設計方案簡介1.1化工原理課程設計的主要目的和基本要求化工原理課程設計的主要目的是加強化工類及其相關(guān)專業(yè)學生的實踐能力的培養(yǎng)，注重提高學生的工程實踐能力、 分析與解 決工程實際問題的能力。力求通過這個基本環(huán)節(jié)的訓練， 使學生 能夠初步掌握化工單元過程與設備設計的基本程序和方法，具備查找基本資料的能力和檢索的方法， 并且能夠運用簡潔有效的文 字和基本的工程語言來表述設計的思想和結(jié)果，運用在課堂上所學的化工原理的基礎知識進行化工單元課程和設備設計。為此要求學生完成以下的基

2、本內(nèi)容：(1)設計方案簡介 根據(jù)任務書提供的要求，進行生產(chǎn)實際調(diào) 研或查閱相關(guān)技術(shù)資料，在此基礎上，選定合適的方案。(2)主要設備的工藝設計計算依據(jù)有關(guān)資料進行工藝設計計算，即進行物料衡算、工藝參數(shù)的優(yōu)化及其選擇、熱量的計算、 設備的結(jié)構(gòu)尺寸設計和工藝尺寸的計算。(3)主要設備的結(jié)構(gòu)設計和機械設計按照設計的要求，進行主要的設備結(jié)構(gòu)設計和強度計算。(4)典型輔助設備的選型對典型輔助設備的主要工藝尺寸進行計算，并且選定設備的規(guī)格型號。(5)帶控制點的工藝流程圖將設計的工藝流程方案用帶控制點的工藝流程圖表示出來， 會出流程設備，標明物流方向和主要的控制點。(6)主要設備的工藝條件圖繪制主要的工藝條件

3、圖，圖面包括設備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和接管表。(7)主要設備的總裝配圖按照國標或行業(yè)標準，繪制主要設備的總裝配圖。(8)編寫設計說明書 作為工作的書面總結(jié)，在以上的設計完 成后，應以簡練、準確的文字，整潔、清晰的圖紙及表格編寫設 計說明書。說明書應該包括：封面、目錄、設計任務書、概述及 設計方案簡介、設計條件及主要物性參數(shù)表、工藝設計計算、設 備結(jié)果一覽表、設計自我評述、參考資料以及主要符號說明。1.2 冷凝器的簡介列管式冷凝器有臥式和立式兩種類型，被冷凝的工藝氣體可以 走殼程，也可以走管程。其中臥式殼程冷凝和立式管程冷凝是最 常用的形式。1.2.1 臥式殼程冷凝器殼程上除了設有物流進出

4、口接口外， 還有冷凝液排出口和不凝氣 排出口。殼程蒸氣入口處裝有防 沖板，以為了減少蒸氣對管束 的直接沖擊。殼程中的橫向弓形折流板或者支承板圓缺面可 以水平或者垂直安裝。對于垂直安裝的折流板，為了便于排 由冷凝液體，應該切去圓缺高度為殼體內(nèi)徑的50%。然而對 于水平安裝的折流擋板，應該切去圓缺高度亦應該不大于克體內(nèi)徑的35%,折流板間的最小間距為殼體內(nèi)徑的35%。無論是水平安裝或者是垂直安裝，當被冷凝工藝蒸氣中含有不 凝氣時，折流板間距應隨蒸氣冷凝而減小，為了增強傳熱的 效果。1.2.2 臥式管程冷凝器這種冷凝器的管程多是單程或者雙程。其中傳熱管長度和 直徑的大小，以及傳熱管的排列方式取決于管

5、程和殼程的傳 熱需要。管程采用雙程的時候，冷凝液可以在管程間引生， 這樣可以減少液相的覆蓋面積和壓降。同時，用減少第二管 數(shù)的方法使其保持質(zhì)量流速不變。這種冷凝器的缺點是蒸氣 與冷凝液的接觸不好。1.2.3 立式殼程冷凝器殼程設置有折流板或者支承板，蒸氣流過防沖板后自上而 下流動，冷凝液體從下端排由。冷卻水以降膜的形式在管內(nèi) 向下流動，因而冷卻水側(cè)要求壓力低；由于水的傳熱系數(shù)大，因此消耗水的量較少，但是水的分配是不均勻的， 所以可以在進 水口安裝一個水分配器。1.2.4 管內(nèi)向下流動的立式管程冷凝器管內(nèi)的蒸氣及其冷凝液均向下的冷凝器即為這種冷凝器， 帶有外部封頭和分離端蓋。蒸氣是通過徑向接管注

6、入頂部， 在管內(nèi)向下流動，在管壁上以環(huán)狀薄膜的形式冷凝，冷凝液在其底部排由，為了使由口排氣中攜帶的冷凝液體量最少， 下面的分離端蓋可以設計成擋板式或者漏斗式。傳熱的管徑 多在19mm- 20mm在低壓的時候可以用 50mm直徑的傳熱管。1.2.5 向上流動的立式管程冷凝器它是管程蒸氣和殼程冷卻劑均向上流動的立式管程冷凝 器。這種冷凝器通常直接安裝在蒸播塔的頂部，以利用冷凝 液回流來汽提少量低沸點的組分。蒸氣經(jīng)由徑向接管注入其 底部。冷凝器的傳熱管長度為2 3m,其直徑多大于25mm1.3 設計方案簡介1.3.1 冷凝器類型的選擇要求管程和殼程的壓差均小于 50kpa,所以選擇殼程冷凝 器，在根

7、據(jù)任務書的要求采用立式冷凝器。 通過以上的分析， 最終選擇立式殼程冷凝器。1.3.2 列管式冷凝器的設計安排(1)弄清楚冷凝的基本要求、冷凝負荷、操作溫度和壓力情況；(2)查找流體的物性參數(shù)；(3)初選總傳熱系數(shù) k0；(4)設計平均溫度差和根據(jù)傳熱的基本公式計算傳熱面積；(5)確定換熱氣結(jié)構(gòu)；(6)計算逆流傳熱參數(shù)和總的傳熱系數(shù)與傳熱面積；(二)設計條件和主要物性參數(shù)2.1 設計條件 熱流體：氣體 組成摩爾分率乙苯對二甲苯間二甲苯98.3%0.57%1.13%操作溫度為131c冷卻水循環(huán)溫度 30 c,溫升10 c冷凝負荷為12560000kj/h要求管程和殼程壓差均小于50kpa,設計標準

8、立式冷凝器2.2 主要物性參數(shù)（1）殼程的混合氣體溫度為131c（2）混合物純組分物性參數(shù)（在 131c的溫度下）、性 組'密度kg/m3黏度（g）pa.s黏度（1）pa.s汽化給j/mol熱容(g)j/mol.k熱容(l)j/mol.k乙苯765.434 _-68.700 乂 100.0002461 _43.599 x 10172.844228.084對二甲苯760.466-68.516 乂 100.00023053.639 x 104169.440220.355問二甲苯764.5838.693 x 10-60.00023153.673 x 104169.743222.411(3)管

9、程流體的定性溫度 t=30+(30+10)/2=35 c(4)水在35c的物性參數(shù)：密度kg/m3汽化給j/mol熱導率w/m.k黏度pa.s比定壓熱容 kj/kg.k993.954.350 x 1040.6260.00072254.1742.3 混合物的物性計算公式(1)液體混合物的密度的計算公式：1/ p m=w/ p l+w/ p 2+w3/ p 3+w/i/ p n；p 1, p 2, p 3，p n是液體混合物中各純組分的液體密度wi, w2, w3,wn是液體混合物中各組分的質(zhì)量分數(shù)；(2)氣體混合物的密度計算公式：p m= p 1w/1+ p 2w2+ p 3w3+ p nwnp

10、 1, p 2, p 3p n在是氣體混合物的壓力下各純組分的 密度；wi,w2,w3wn是混合物中各組分的體積分數(shù)；(3)低壓氣體混合物導熱系數(shù):入 m=(匯 ni=i 入 i y m/3i)/( e ni=i y m/3i )式子中的入i代表組分i的傳熱系數(shù)；m代表氣體混合物中某一組分的相對分子質(zhì)量;(4)低壓氣體混合物的黏度計算公式：tm=(-yitim/2i)/(匯yim/2i)n m代表混合氣體的黏度；y i代表氣體混合物中某一組分的摩爾分數(shù)；m i代表氣體混合物中某一組分的摩爾質(zhì)量；n i代表氣體混合物中某一組分的黏度；(5)液體混合物導熱系數(shù)：入 rm=eni=iw/ 入 ri式

11、中入i代表組分i的傳熱系數(shù)；w是液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分數(shù)；r是指數(shù)，通常取值為-2 ;2.4 混合物的物性參數(shù)密度kg/m3黏度(l)pa.s黏度(g)pa.s熱化給j/mol熱導率w/m.k765.3960.00025238.699 x 10-63.600 x 1040.019593(三)工藝設計計算3.1 估算傳熱面積3.1.1 熱流量根據(jù)任務書的要求，熱流量 中=12560000kj/h=3488.89kw3.1.2 平均傳熱溫差采用逆流的方式 tm= (at i+at2)/ln(at 1/ at 2)=(131-30)+(131-40)/ln(131-30)/(131-40)=

12、95.91c3.1.3 估算傳熱面積由于管程走冷水，殼程走工藝蒸氣，設 k=400w/(itf.k), 則估算其傳熱面積：ap=o /k tm=3488890/(400 x 95.91)=90.94( m2)3.1.4 冷卻水用量q m,c= o /c p,1 xa11=3488890/4174(40-10)=27.86kg/s=100303.50kg/h3.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.2.1 管徑和管內(nèi)流速的選擇選用e19><2較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速為ui=1.2m/s 。3.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)ns=4qv/ 兀 d2iu=(4 x

13、 27.86/993.95)/(0.0152 x 1.2 x 兀)=132.18 弋 132(根)按照單程管計算，所需的傳熱管長度為l=ap/ 兀 d0ns=90.94/(兀 x 132x 0.019)=11.54(m)根據(jù)本設計要求，采用標準設計，現(xiàn)在取傳熱管長度為l=6.0 米，則有冷凝管的管程數(shù)為：n p=l/l=11.54/6.0=2(管程)傳熱管的總根數(shù)為：nt=132x 2=264 (根)3.2.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)r我流體白溫降/冷流體的溫升=(131-131 ) / (40-30 ) =0cp術(shù)流體溫升/兩流體的最初溫差p= (40-30) / (1

14、31-30) =0.099對于單側(cè)溫度變化流體，折流、并流、逆流的平均傳熱溫差相等，所以有£ t=1>0.8，則根據(jù)公式有： tm=ejtm逆=1 x95.91=95.91 c3.2.4 傳熱排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩形排列。取管心距t=1.25d。，即可以得到t=1.25 x 19=23.75 = 25(mm)隔板中心離其最近一排管中心距離為s=t/2+6=25/2+6=18.5(mm)各程相鄰管的管心距為 37mm每程各有傳熱管132根。3.2.5 殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，并且取管板利用率n =0.7 ,殼體內(nèi)徑的估算公式為：d=

15、1.05t vn；f=1.05 x25x j264/0.7 =510 (mm)根據(jù)卷制殼體晉級檔,可以取 d=600mm3.2.6 管束的分程方法分程時應該使各程的管子數(shù)目大致相等，隔板的形式要簡 單，密封的長度要短，為了使制造、維修和操作方便，一般 都采用偶數(shù)管程。管程的分束方式常常采用平行和t形方式,然而本次的設計采用平行方式。3.2.7 折流板和只承板本次設計中采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%則切去的圓缺高度為：h=0.25 x 600=150(mm),那就取 h=150mm取折流板間距b=0.3d,則b=0.3 x 600=180mm故可以取 b=200mm折流擋

16、板數(shù) 脂二傳熱管長/折流板間距-1=4000/200-1=24(塊) 折流板圓缺面水平安置。3.2.8 其他主要附件(1)旁路擋板 如果殼體與管束之間的環(huán)隙過大，則流體會 通過該環(huán)隙短路，為了防止這種情況的發(fā)生，則必要的時候 可以設置旁路擋板。(2)防沖板 為了防止殼程進口處流體直接沖擊傳熱管，產(chǎn) 生沖蝕，必要的時候應該在競程物料進口處設置防沖板。一 般殼程介質(zhì)為氣體或者蒸汽時，應該設置防沖擋板。本次的 設計需要設計一個防沖擋板。3.2.9 接管管程流體進由口接管，取管內(nèi)液體的流速 u水=1.2m/s ,則接管內(nèi)徑為d= j4v/二ui = j(4 27.86/993.95)/、二 1.2d=

17、o.i72(m)圓整后可以取管內(nèi)徑為 200mm3.3 冷凝器的核算3.3.1 熱流量核算(1)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用肖恩法計算0.55 1 /3014h 0=0.36/der p1/3 / w當量直徑，依照計算公式有de=0.017(m)殼程流通截面積，依式得s0=bd (1-d 0/t)=0.2 x 0.6 x (1-0.019/0.025)=0.0288( m2)殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為u 0=v0/s0=0.0584728/0.0288=2.03m/sre0=deu0 p / n =0.017 x 2.03 x 765.396/(8.699 x 10-6)=3036420普朗特數(shù) pr

18、=cp n / 入=2.27 x 103 x 8.699 x 106/0.01 95 93=1.01黏度校正(刀/ tw)0.14=1h0=0.36 x 0.019593/0.017 x 3036420a55 x 1.01 1/3=1530/ m2.k(2)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按照公式:h i=0.023 入 i/d irepr0”管程流體流通截面積 si=兀de2nt/8=0.030(m2)管程流體流速 ui =(27.86/993.95)/0.030=0.934m/s貝u有 re=0.017 x 0.934 x 993.95/0.0007225=21843.5普朗特數(shù) pr=4174 x 0.

19、0007225/0.626=4.82hi =0.023 x 0.626 x 21843.50.8 x 4.82 0.4/0.015=5332(w/ m2 .k)(3)污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻r 0=0.0004 m.k/w管內(nèi)側(cè)污垢熱阻r i =0.0006 m.k/w管壁熱阻，碳鋼在這種條件下的熱導率為50w(m.k)o所以 rw=0.002/50=0.00004 m2.k/w 傳熱系數(shù) k c=1/(d 0/h idi+rd°/d i+rwd°/d m+r+1/h 0kc=1/(1/1530+0.0004+0.00004x19/18+0.0006 x19/15+

20、1 /5332x 19/15)=478w/( m2.k)(5)傳熱面積裕度根據(jù)公式計算傳熱面積ac為ac= o/kc atm=3488890/(478 x 95.91)=76.10( m2)該冷凝器的實際傳熱面積aa= 兀 d0lnt=3.14 x 0.019 x 6.0 x 264=94.50( m2)該冷凝器的面積裕度h= (a-ac)/ac=(94.50-76.10)/76.10 x 100%=24.2% 傳熱面積裕度合適，該冷凝器能夠完成生產(chǎn)任務。3.3.2 壁溫的計算液體的平均溫度 t m=0.4t 2+0.6t 1=0.4 x 40+0.6 x 30=34 c氣體的平均溫度 tm=

21、(f+f)/2=(131+131)/2=131ch c=hi=5332(w/m2.k) hh=h0=1530w/m2 .k傳熱管的平均壁溫 tw=(t m/h c+t m/h h)/(1/h c+1/h h)tw=(131/5332+34/1532.43)/(1/5332+1/1532.43)=55.65 c殼體壁溫，可以進似取殼程流體的平均溫度，即 t=131c殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為 t=131-55.65=75.35 c該溫差較大，故需要設溫度補償裝置。3.3.3 冷凝器內(nèi)流體的流動阻力(1)管程流體阻力pt=(4r+4pr)nsn3fs其中 ns=1,np=2,所以 r=(入 il

22、pu2)/2di由 re=21843.5傳熱管的相對粗糙度£ /d=0.2/15=0.01333 ,入i=0.042,流速ui=0.934m/s ,密度 p =993.95kg/m3,所以有 pi =0.042 x (6/0.015) x (993.95 x 0.934 2/2)=7283.5(pa) pr=£ p u2/2=3 x 993.95 x 0.934 2/2=1300.6(pa) pt=(7283.5+1300.6) x 1 x 2 x 1.5=25752.3(pa) 管程流體阻力在允許的范圍之內(nèi)。(2)殼程阻力計算公式ps=(ap0+4p)fsn其中 ns=1

23、, fs=1;流體流經(jīng)管束的阻力po=ffontc(nb+1)( p u02/2)f=0.5,f 0=5.0re-0.228=5.0 x 3036420°228 =0.1663 ntc=1.1nt0.5=1.1 x 2640.5=17.87 n b=24 u 0=2.03m/s p0=0.5 x 0.1663 x 17.87 x 25 x 765.396 x 2.03 2/2=58583(pa) 流體流過折流板缺口的阻力pi=nb(3.5-2b/d)( p u02/2)=24 x (3.5-2 x 0.2/0.6) x (765.396 x 2.032/2)=107240(pa) 總

24、阻力 ps=58583+107240=165823(pa)經(jīng)比較可知，系統(tǒng)總阻力符合設計所給的要求。3.3.4 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)構(gòu)冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表參數(shù)管程殼程流率/(kg/h)100303.5進/由口溫度/ c30/40131/131壓力/pa小于50kpa小于50kpa定性溫度/c35131物密度/(kg/m3)993.95765.396定比壓熱/kj/(kg.k)4.1742.27性黏度/pa.s0.00072250.0002523熱導率 /w/(m.k)0.6260.019593普朗特數(shù)4.821.01形式立式臺數(shù)1設殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)1備管徑/mm 19x2管心距/mm25管長/mm6000管子排列管數(shù)目/根264折流板數(shù)/個24傳熱面積/ m294.5折流板間距/mm200管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.2m/s0.934m/s表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/w/( m.k)53321530污垢熱阻/( m2.k/w)0.00060.0004阻力/mpa0.107240.165823熱流量/kw