課程設(shè)計(jì)正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)

1、 江漢大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)說明書 化學(xué)與環(huán)境工程 學(xué)院 化工 系化學(xué)工程與工藝 專業(yè)題目：2.0×104 噸/年正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)姓 名： 周 歡 學(xué) 號(hào)： 201009102126 指導(dǎo)老師： 周富榮老師 起止時(shí)間： 任務(wù)安排設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件1.操作條件（1） 正戊烷冷凝溫度為51.7，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： 24；（3） 允許壓強(qiáng)降不大于105Pa；（4） 每年按300天計(jì)；每天24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。2.處理能力:2.0×104t/a正戊烷3.設(shè)備型式：臥式列管冷凝器設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)方案簡介；2、換熱器

2、的工藝計(jì)算；3、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算；4、校核計(jì)算。設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容1. 目錄2. 概述3. 熱力計(jì)算（包括選擇結(jié)構(gòu)，傳熱計(jì)算，壓力核算等）4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與說明5. 設(shè)計(jì)總結(jié)6. 參考文獻(xiàn)7. 附工藝流程圖及冷凝器裝配圖一張 目錄1.1概述···························11.2 確定物性數(shù)據(jù)

3、83;······················2 1.2.1 確定流體流動(dòng)空間···················2 1.2.2 流體定性溫度，確定流體流動(dòng)的物性數(shù)據(jù)·

4、83;·······21.3 估算傳熱面積·······················3 1.3.1 熱負(fù)荷················

5、;········3 1.3.2 有效平均溫度差····················3 1.3.3 估算傳熱面積·················

6、····31.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸·······················3 1.4.1 管徑和管內(nèi)流速··················

7、3;·3 1.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)···················4 1.4.3 傳熱管排列和分程方法·················4 1.4.4 殼體內(nèi)徑·····

8、··················4 1.4.5 接管·························5 1.4.6其他附件···

9、83;···················51.5 初選換熱器規(guī)格······················61.6 換熱器核算·····

10、;···················7 1.6.1 計(jì)算總傳熱系數(shù)····················7 1.6.2 傳熱面積裕度······

11、···············8 1.6.3 核算壁溫·······················8 1.6.4 計(jì)算壓降和核算·······

12、83;············91.7 匯總表··························10設(shè)計(jì)總結(jié)·········&

13、#183;·················12參考文獻(xiàn)···························13附換熱器裝配圖··

14、3;·····················131.1概述 換熱器是化學(xué)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(shè)備，它不僅可以單獨(dú)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(shè)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(shè)備的類型也多種多樣，可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行選擇。按換熱器設(shè)備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式

15、和間壁式三類。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易等特點(diǎn)，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(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求：（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)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(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)

16、的計(jì)算，經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)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(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)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(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（

17、動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）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(dòng)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(shí)排走冷凝液，且蒸汽較潔凈，它對(duì)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(qiáng)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(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。綜合上述原則，對(duì)本次設(shè)計(jì)：冷卻水走管程，正戊烷走殼程。1.2.2 流體的定性溫度，確定流體流動(dòng)的物性數(shù)據(jù)1 流體的定性溫度 決定準(zhǔn)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

18、烷的定性溫度：T=51.7。 （2）井水的定性溫度：a.入口溫度t1=24。 b.有設(shè)計(jì)要求的正戊烷的流量：W h=2777.78kg/h c.熱負(fù)荷1：r=357.4kJ/kg ,Q=W h r=2777.78×357.4=992778.572kJ/h d.在3050之間水的定壓比熱容1：4.174kJ/(Kg·) Q=W c C pc(t2-t1) t2=e.井水的定性溫度：t=兩流體的溫度=26.0050,選用固定管板式換熱器.2.流體流動(dòng)的物性數(shù)據(jù)兩流體在定性溫度下的物性參數(shù)如表11流體溫度，密度， kg/m3比熱容， kJ/(Kg·)粘度， Pa

19、3;s導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m·)正戊烷 51.7 5962.341.80×10-4 0.13井水 25.70996.7754.1788.89×10-4 0.6096表1 兩流體物性參數(shù)1.3 估算傳熱面積1.3.1 熱負(fù)荷 Q=992778.572kJ/h=275.77kW1.3.2 有效平均溫度差 逆流溫度 t m=1.3.3 傳熱面積 高溫流體為有機(jī)物粘度0.5×10-3Pa·s以下，低溫流體為水時(shí)，總傳熱系數(shù)范圍2：430850W/(m2·K) 。先暫取K=500/m2·K 則估算的傳熱面積 A=m2 考慮到估算性質(zhì)的影

20、響，取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實(shí)際傳熱面積A=1.15×21.25=24.44m21.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.4.1 管徑和管內(nèi)流速 管徑為25mm 2.5mm，一般液體的流速3：0.53 m/s， 取管內(nèi)流速為u=0.8m/s。1.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)4 單程傳熱管數(shù) =(根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為 L=4m按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長l=2.0m，則該換熱器的管程數(shù)為 N p=(管程)傳熱管總根數(shù) N T =78×2=156(根）1.4.3 傳熱管排列和分程方法 5 對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式

21、。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(shè)計(jì)，焊接法取管心距t=1.5d0=1.25×25=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22×2=44mm。1.4.4 殼體內(nèi)徑6 對(duì)于按正三角形排列的管子，nc=1.1=1.1（根） D=t(nc-1)+2b D殼體內(nèi)徑，m b管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取 b= （11.5）d0 b=1.5 d0=1.5×25=37.5mm。 D=t(nc-1)+2b=32×（14-1）+

22、2×37.5=491mm500mm。 最小壁厚：10mm,取20mm。1.4.5 接管 流速u的經(jīng)驗(yàn)值可取6：對(duì)液體： u=1.52m/s 對(duì)蒸氣：u=2050m/s殼程內(nèi)徑 進(jìn)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/m3 ，則接管內(nèi)徑 D1=95.6mm96mm 選的標(biāo)準(zhǔn)接管14：108×6mm 。出口接管 取接管內(nèi)的液體流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑 D2=33.16mm34mm 選的標(biāo)準(zhǔn)接管15：45×6mm 。管程水進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)水流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑 d=mm129mm 選的標(biāo)準(zhǔn)接管15：150

23、15;6mm 。1.4.6 其他附件 帶法蘭的封頭8：公稱直徑為500mm,曲面高度為125mm,直邊高度為50mm,厚度為20mm。1.5 初選換熱器規(guī)格 計(jì)算的臥式固定換熱器的規(guī)格如下： 管子規(guī)格： 25×2.5mm 公稱直徑D： 500mm 公稱壓力P： 不大于105Pa 管程數(shù)N P ： 2 換熱管長度L： 2.0m 傳熱管總根數(shù)NT： 156計(jì)算換熱面積： 24.44m2 管子排列方式： 正三角形錯(cuò)列所以選的標(biāo)準(zhǔn)臥式固定換熱器G500 的規(guī)格如下9: 管子規(guī)格： 25×2.5mm 公稱直徑D： 500mm 公稱壓力P： 0.6MPa 管程數(shù)N P ： 2 換熱管長

24、度L： 2.0m 傳熱管總根數(shù)NT： 164 中心排管數(shù)： 15公稱換熱面積： 24.5m2管程流通面積： 0.0257 m2 管子排列方式： 正三角形錯(cuò)列1.6 換熱器核算1.6.1 核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) 管程流體流通截面積 A=0.0257 m2 管程流體流速 u=m/s 雷諾數(shù) Re= 普蘭特?cái)?shù) Pr= =0.8×6.0930.4=3503.02 W/（m2·）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 現(xiàn)假設(shè)管外壁溫=41.7，則冷凝液膜的平均溫度為，這與其飽和溫度很接近，故在平均膜溫46.7下的物性可沿用飽和溫度51.7下的物性數(shù)據(jù)，t=t s-t w =51.7-41

25、.7=10 =0.725 =865.33 W/（m2·） 確定污垢熱阻10 Rso=1.72×10-4 m2·/W（有機(jī)液體） Rsi=2.0×10-4 m2·/W（井水） 總傳熱系數(shù)K 碳素鋼11：=45 W/(m·) K= =500.95 W/（m2·）1.6.2 傳熱面積裕度 實(shí)際傳熱面積 A=m2 公稱換熱面積A0=24.5 m2該換熱器的面積裕度F=15.5%為保證換熱器操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于15%25%12 所以該換熱器較為合適。 1.6.3 核算壁溫 t w =39.5 假設(shè)值可以接受。1.

26、6.4計(jì)算壓降和核算 （1）計(jì)算管程壓降 P1,P2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，Pa Ft-結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對(duì)的管子取1.4 NP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=0.005，Re=17020 由摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系圖13，讀得=0.034 NP=2，F(xiàn)t=1.4，Ns=1 =（976.18+861.33）×1.4×2×1=5145.028Pa105Pa 管程壓降在允許的范圍內(nèi)。 （2）計(jì)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 5145.028105Pa 該換熱器的總壓降

27、也在允許范圍之內(nèi)。該換熱器可取。 1.7 匯總表表2 設(shè)計(jì)計(jì)算匯總表名稱 單位 結(jié)果 正戊烷流量W hkg/h2777.78 正戊烷蒸汽進(jìn)口溫度51.7 冷卻水流量W ckg/h70000 冷卻水進(jìn)口溫度24 冷卻水出口溫度27.40熱負(fù)荷QkJ/h992778.572 總傳熱系數(shù)KW/（m2·）500.95 實(shí)際傳熱面積m221.21 公稱傳熱面積m224.5 面積裕度F-15.5% 管程流通截面積Am20.0257 管程流體流速um/s0.759管程對(duì)流傳熱系數(shù)W/（m2·）3503.02 管程壓降PiPa5145.028殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0W/（m2·）865

28、.33殼程壓降P0Pa0總阻力Ps Pa5145.028表3 換熱器工藝尺寸匯總表名稱單位結(jié)果管子規(guī)格mm25×2.5公稱直徑DNmm500殼體壁厚mm20公稱壓力PNMPa0.6管程數(shù)N P-2換熱管長度Lm2.0傳熱管總根數(shù)NT根164中心排管數(shù)-15管子排列方式-正三角性錯(cuò)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(jìn)口接管內(nèi)徑mm108殼程出口接管內(nèi)徑mm45管程水進(jìn)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(shè)計(jì)總結(jié) 在設(shè)計(jì)的前期，通過去圖書館借書，看書，了解換熱器的結(jié)構(gòu)，傳熱特點(diǎn)和阻力性能等特點(diǎn)，查找相關(guān)物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，大致知道設(shè)計(jì)內(nèi)容要做什么和怎樣去做。 在設(shè)計(jì)過程中，一步一步的計(jì)算，查找符合的換熱器，在進(jìn)行該換熱器的核算，看是否符合，不符合再進(jìn)行假設(shè)，直到符合為止。 上面設(shè)計(jì)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(duì)對(duì)該換熱器經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)生命周期方法是一種針對(duì)產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程,它通過對(duì)能量和物質(zhì)消耗以及由此造成的廢棄物排放進(jìn)