正戊烷冷凝器的工艺设计

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C。kJ/g5.347r3) 冷却剂：自来软水，进口温度 出口温度C201t 35o2t（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选择传热管参数，并计算管程相应参数核算冷凝给热系数估计冷凝给热系数总传热系数核算计算管内给热系数估计传热总数，计算传热面积初值计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较裕度系数校验计算值与假定值相差较大考虑夏冬季的温度差异，改变冷流体进口温度折流板计算计算值与假定值相差不大计算值与假定值相差较大裕度过大或过小裕度合适确定换热器基本尺寸压降大于设计压力压降小于设计压力计算换热器其余零件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） 。， kJ/g5.347CW/m13.0CkJ/g34.2，sPa108.，kg/m59643 rcp循环水的定性温度：入口温度为 ，出口温度为C21t 5o2t循环水的定性温度为 C.7/405mt两流体的温差 ，故选固定管板式换热0.7. T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 52 596 0.18 2.34 0.157循环水 32.5 994 0.725 4.08 0.6262.估算传热面积（1）计算热负荷qm,h=100/3600kg/s=0.0278kg/skW65.9/g.347028., kJrQhmT（2）冷却水用量qm,c= =9.65/4.08 15=0.158kg/stcp,T/（3）计算有效平均温度差正戊烷 51.7 51.7C冷却水 35 2019.7 31.7t由于 =16.7/31.7=0.53/212=mt 15.4/)7.163(2/)( t（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：CW/m6502（5）估算换热面积23 m615.024.659KSmTtQ3.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）sn16.082.785.094/142 udVi按单程管计算，所需的传热管长度为L= mndSso 13057.6.025.13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=pn53.41lL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= 015/ 冷 流 体 升 高 的 温 度热 流 体 降 低 的 温 度P= 47.031527.5单壳程，双管程结构，查得.t平均传热温差 36.254.15逆mt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）29.13.1. NncmbtD07.)5(2)(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 4pn管数 n5管长 L3m管子直径 m52.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 7.5st 85.3207.51wt)/(096.458)85.371(025.19.37)(. 4/144/132CmwtLgrws（2）管内表面传热系数.， 有4.08.PrRe023.iid管程流体流通截面积 0314.2.785.0iS）（ 2m管程流体流速 sui /0.5134.9/1805.398472.Redi普朗特数 725.462.01518.4Pr 33C).(/276.9W5.41398.02rRe023. O2.0.04.08. mdii （3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 /C1720.OmRso管内侧污垢热阻 si管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为 50.29w/(mK)。所以wkmRw/05.52.342（4） 传热系数 依式 3-21 有 KC)(/W5.32 096.4581072.25.3450.02.170976. 1)(1O2 mRdbdKosmoisio ）（ （5）传热面积裕度 :可得所计算传热面积 Ap 为 238.124.506.9mtKQAmp 5.压降校核（1）计算管程压降（ 结垢校正系数， 管程数，spti NFp21t pN壳程数）sN取碳钢的管壁粗糙度为 0.1mm，则 ，而05.2/1./d，于是5.13984Rei0346.5.1398460.Re681.0 2.23.0 idPa9.221 iuLpa81.375094322i对 的管子有m5.,. spt NF且Pa1.30825.18.379.621 spti NFp 5故, 管程压降在允许范围之内。（2）计算壳程压降 按式计算, , siosNFpp)(1ssF流体流经管束的阻力2)(oBTCouf管子为正三角形排列 F=0.5 2cND=107mm20456. )5.17.()851mdnDzSco壳程流体流速及其雷诺数分别为：取 suo/1019008.76.42Re气 气od3519528.0of7.6.zLNB0.50.3352(37+1) =3029.74Paop210.4流体流过折流板缺口的阻力, B=0.2m , D=0.6m2)5.3(oBi uDNpPaPai 6.25891076.4)10.(7总阻力 3029.74+25889.6=28972.7Pasp Pa510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。 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 m换热器管程数 pn 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 .2 m换热器管子排列方式 正三角形错列 -管心距 t 32 管板厚度 T 22 折流板间距 B 30 m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 u 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 Pa 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=28972.7PaC)(/W5.32O2mKK/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