正戊烷冷凝器的工艺设计.doc

化工原理课程设计Course Design of Principles of Chemical Industry列管换热器的设计目录 一、化工原理课程设计任务书 二、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书 三、正戊烷冷凝器的工艺设计指导书 四、正戊烷冷凝器的工艺设计报告一、化工原理课程设计任务书（一）设计内容1.根据生产任务的要求确定设计方案(1)换热器类型的选择(2)换热器内流体流入空间的选择2.化工计算(1)传热面积的计算(2)管数、管程数及管子排列，管间距的确定(3)壳体直径及壳体厚度的确定3.换热器尺寸的确定及有关构件的选择4.换热器流体阻力的计算及其输送机械的选择5.绘制流程图及换热器的装配图6.编写说明书（二）设计要求：1.在确定设计方案时既要考虑到工艺，操作的要求又要兼顾经济和安全上的要求。2.在化工计算时要求掌握传热的基本理论，有关公式，要知道查哪些资料，怎样使用算图以及怎样选择经验公式，并进行优化设计。3.要求根据国家有关标准来选择换热器的构件4.要求一部分学生利用计算机来辅助设计及优化设计方案5.要求必须掌握固定管板式或浮头式列管换热器的设计 二、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书 （一）设计名称 正戊烷冷凝器的设计（二）设计条件1.正戊烷、冷凝温度为51.7，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器；2.冷却介质，地下水，流量为7000kg/h，入口温度：20；3.允许压强降，不大于105Pa；4.每年按300天计；每天24 h连续运转。（三）设计任务1.合理的参数选择和结构设计2.传热计算和压降计算：设计计算和校核计算（四）设计说明书内容1.传热面积2.管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核3.壳体直径4.结构设计包括壁厚5.主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管6.流程图（以图的形式，并给出各部分尺寸）及结构尺寸汇总（以表的形式）7.评价8.参考文献（五）设计进度1.设计动员，下达设计任务书 0.5天2.搜集资料，阅读教材，拟定设计进度 1天3.设计计算（包括电算，编写说明书草稿） 天4.绘图、整理、抄写说明书 1.5天 三、正戊烷冷凝器的工艺设计指导书（一）设计目的 通过对正戊烷冷凝器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。 总之，通过设计达到让学生自己动手进行设计的实践，获取从事工程技术工作的能力。（二）设计的指导思想1.结构设计应满足工艺要求2.结构简单合理，操作调节方便，运行安全可靠3.设计符合现行国家标准等4.安装、维修方便（三）设计要求1.计算正确，分析认证充分，准确2.条理清晰，文字流畅，语言简炼，字迹工整3.图纸要求，图纸、尺寸标准，图框，图签字规范4.独立完成（四）设计课题工程背景 在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油产品（如汽油、煤油、柴油等）进行冷却，本设计以正戊烷为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。（五）参考文献1.化工过程及设备设计，华南工学院，19862.传热设备及工业炉，化学工程手册第8篇，19873.化工设备设计手册编写组. 金属设备，19754.尾范英郎（日）等，徐忠权译，热交换设计物册，19815.谭天恩等. 化工原理(上、下册)化学工业出版社.（六）设计思考题1.设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？2.为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？3.在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？4.说明列管式换热器的选型计算步骤？5.在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？6.说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。7.列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优缺点？（七）部分设计问题引导1.列管式换热器基本型式的选择2.冷却剂的进出口温度的确定原则3.流体流向的选择4.流体流速的选择5.管子的规格及排列方法6.管程数和壳程数的确定7.挡板的型式（八）设计答辩指导1.列管式换热器的型号，可查找化工过程及设备及换热器等书籍。2.换热器强度设计可找化机同学或老师了解，并参照金属设备等资料3.绘图可找制图老师了解，并参考机械制图，化工制图及制图标准等。|化工原理课程设计报告一 设计题目：正戊烷冷凝器的设计二 课题条件（文献资料，仪器设备，指导力量）（一）设计任务设计一冷凝器，冷凝正戊烷蒸气;1) 处理能力：100kg/h。2) 正戊烷蒸气压力：0.75kgf/cm2，其饱和温度为51.7，蒸发潜热为3) 冷却剂：自来软水，进口温度 出口温度（二）操作条件：（1）生产方式：连续操作（2）生产时间：每年以300天计算，每天24小时（3）冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力均不大于100kpa三设计任务1.确定设计方案，绘制工艺流程图。2.热力学计算2.1热力学数据的获取2.2估算传热面积2.3工艺尺寸的计算2.4面积核算2.5壁温校核2.6压降校核3.结构设计3.1冷凝器的安装3.2管设计3.3管心距设计3.4管板设计3.5折流板设计3.6壳体设计3.7接管设计3.8封头设计3.9法兰设计3.10支座设计3.11其他4.设计计算结果汇总表5.设计结果评价6.绘制装配图7.编制设计说明书设计流程图确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间估计传热总数，计算传热面积初值计算选择传热管参数，并计算管程相应参数计算值与假定值相差较大估计冷凝给热系数计算值与假定值相差较大压降大于设计压力裕度过大或过小核算冷凝给热系数计算管内给热系数总传热系数核算计算值与假定值相差不大折流板计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较压降小于设计压力裕度系数校验考虑夏冬季的温度差异，改变冷流体进口温度裕度合适计算换热器其余零件确定换热器基本尺寸 1.热力学数据的获取正戊烷液体在定性温度（51.7）下的物性数据（查化工原理附录） 循环水的定性温度：入口温度为，出口温度为循环水的定性温度为两流体的温差，故选固定管板式换热器两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)正戊烷525960.182.340.157循环水32.59940.7254.080.626 2.估算传热面积 （1）计算热负荷 qm,h=100/3600kg/s=0.0278kg/s （2）冷却水用量 qm,c=9.65/4.0815=0.158kg/s（3）计算有效平均温度差 正戊烷 51.751.7 冷却水 35 20 19.7 31.7由于=16.7/31.7=0.53 = （4）选取经验传热系数K值 根据管程走冷却水，壳程走正戊烷，总传热系数K现暂取： （5）估算换热面积 3.工艺尺寸计算（1）管径和管内流速 选用252.5mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u1=0.8m/s。 （2）管程数和传热管数 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 =(根） 按单程管计算，所需的传热管长度为 L= 按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，现 取传热管长l=3.0m，则该换热器的管程数为 = 传热管总根数 N=15=5(根） （3）平均传热温差校正及壳程数: 平均温差校正系数有 : R= P= 单壳程，双管程结构，查得 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳 程合适。 （4）壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。 横过管数中心线管的根数 （根） 卧式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径D107mm 公称换热面积S0.615m2 管程数4 管数n5 管长L3m 管子直径 管子排列方式正三角形（5）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*107=21.4mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3*107=32.1mm，可取B=30mm。折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=3000/30-1=99（块）4. 面积核算 （1）壳程表面传热系数 （2）管内表面传热系数.， 有 管程流体流通截面积 管程流体流速 普朗特数 （3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(mK)。所以 （4） 传热系数依式3-21有 （5）传热面积裕度 :可得所计算传热面积Ap为 5.压降校核 （1）计算管程压降 （结垢校正系数，管程数，壳程数） 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是 对的管子有 故, 管程压降在允许范围之内。 （2）计算壳程压降 按式计算 , , 流体流经管束的阻力 管子为正三角形排列 F=0.5 D=107mm 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 取 0.50.3352(37+1)=3029.74Pa 流体流过折流板缺口的阻力 , B=0.2m , D=0.6m Pa 总阻力 3029.74+25889.6=28972.7Pa 由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。l 换热器主要结构尺寸和计算结果列表如下： 项目 结果 单位 换热器公称直径D 107 换热器管程数p 5 - 换热器管子总数Nt 5 根 换热器单管长度L 3 换热器管子规格 换热器管子排列方式 正三角形错列 - 管心距 32 管板厚度T 22 折流板间距B 30 折流板个数NB 99 根 折流板外径 102 折流板厚度 5 传热负荷Q 9.65 KW 正戊烷蒸汽流量qm,h 0.0278 Kg/s 循环水流量qm,c 0.158 Kg/s 初选总传热系数Ko 650 W/m2.K 初步估算传热面积S 0.615 m2 管程流速 0.51 m/s 壳程传热系数o 458.096 W/m2.K 管程传热系数i 2776.9 W/m2.K 总传热系数K 325.5 W/m2.K 所需传热面积S 1.228 m2 管程压降Pt 3083.1 Pa 壳层压降Ps 25889.6 Pal 设计结果评价(1) 通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,说明在采用能量系数/来评 价强化传热时,应更着眼于提高其换热性能。本设计中： ，=1+2+3+4=28972.7Pa K/N=0.0112 满足要求，性能良好。（2） 本设计通过对面积校核，压降校核，壁温校核等计算可知均满足要求，且传热效率为70%，能很好的完成任务。（3） 经济和环境效益评价：生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的过程,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨