课程设计---正戊烷冷凝器的设计.doc

江汉大学化工原理课程设计说明书 化学与环境工程 学院 化工 系化学工程与工艺 专业题目：2.0104 吨/年正戊烷冷凝器的设计姓 名： 周 欢 学 号： 201009102126 指导老师： 周富荣老师 起止时间： 2012.12.312013.1.13 任务安排设计任务和操作条件1.操作条件（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） 冷却介质为地下水，流量为70000kg/h，入口温度： 24；（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。2.处理能力:2.0104t/a正戊烷3.设备型式：卧式列管冷凝器设计内容1、设计方案简介；2、换热器的工艺计算；3、换热器的主要结构尺寸的设计计算；4、校核计算。设计说明书内容1. 目录2. 概述3. 热力计算（包括选择结构，传热计算，压力核算等）4. 结构设计与说明5. 设计总结6. 参考文献7. 附工艺流程图及冷凝器装配图一张 目录1.1概述11.2 确定物性数据2 1.2.1 确定流体流动空间2 1.2.2 流体定性温度，确定流体流动的物性数据21.3 估算传热面积3 1.3.1 热负荷3 1.3.2 有效平均温度差3 1.3.3 估算传热面积31.4 工艺结构尺寸3 1.4.1 管径和管内流速3 1.4.2 管程数和传热管数4 1.4.3 传热管排列和分程方法4 1.4.4 壳体内径4 1.4.5 接管5 1.4.6其他附件51.5 初选换热器规格61.6 换热器核算7 1.6.1 计算总传热系数7 1.6.2 传热面积裕度8 1.6.3 核算壁温8 1.6.4 计算压降和核算91.7 汇总表10设计总结12参考文献13附换热器装配图131.1概述 换热器是化学工业，石油工业及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。 由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样，可根据生产工艺要求进行选择。按换热器设备的传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单，制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。间壁式换热器的类型也是多种多样，从其结构上大致可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括型板式、螺旋板式和板壳式换热器。 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求：（1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。 （2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。1.2 确定物性数据1.2.1 确定流体流动空间根据换热器流体流经选择原则：(1).饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排走冷凝液，且蒸汽较洁净，它对清洗无要求；(2)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷凝效果；(3)黏度大的的液体或流量较小的流体宜走管间，因流体有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re下即可达到湍流，以提高对流传热系数。综合上述原则，对本次设计：冷却水走管程，正戊烷走壳程。1.2.2 流体的定性温度，确定流体流动的物性数据1 流体的定性温度 决定准数中各物性的温度称为定性温度。一般取流体的平均温度。（1）正戊烷的定性温度：T=51.7。 （2）井水的定性温度：a.入口温度t1=24。 b.有设计要求的正戊烷的流量：W h=2777.78kg/h c.热负荷1：r=357.4kJ/kg ,Q=W h r=2777.78357.4=992778.572kJ/h d.在3050之间水的定压比热容1：4.174kJ/(Kg) Q=W c C pc(t2-t1) t2=e.井水的定性温度：t=两流体的温度T-t=51.7-25.70=26.0050,选用固定管板式换热器.2.流体流动的物性数据两流体在定性温度下的物性参数如表11流体温度，密度， kg/m3比热容， kJ/(Kg)粘度， Pas导热系数， W/(m)正戊烷 51.7 5962.341.8010-4 0.13井水 25.70996.7754.1788.8910-4 0.6096表1 两流体物性参数1.3 估算传热面积1.3.1 热负荷 Q=992778.572kJ/h=275.77kW1.3.2 有效平均温度差 逆流温度 t m=1.3.3 传热面积 高温流体为有机物粘度0.510-3Pas以下，低温流体为水时，总传热系数范围2：430850W/(m2K) 。先暂取K=500/m2K 则估算的传热面积 A=m2 考虑到估算性质的影响，取实际传热面积为估算值的1.15倍，则实际传热面积A=1.1521.25=24.44m21.4 工艺结构尺寸1.4.1 管径和管内流速 管径为25mm 2.5mm，一般液体的流速3：0.53 m/s， 取管内流速为u=0.8m/s。1.4.2管程数和传热管数4 单程传热管数 =(根）按单程管计算，所需的传热管长度为 L=4m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=2.0m，则该换热器的管程数为 N p=(管程)传热管总根数 N T =782=156(根）1.4.3 传热管排列和分程方法 5 对于多管程换热器，常采用组合排列方式。每程内都均按正三角形排列，而各程之间为了便于安装隔板，采用正方形排列方式。本次设计，焊接法取管心距t=1.5d0=1.2525=31.25mm32mm 隔板中心到其最近一排管中心距离：S=t/2+6=32/2+6=22 mm 各程相邻管的管心距为222=44mm。1.4.4 壳体内径6 对于按正三角形排列的管子，nc=1.1=1.1（根） D=t(nc-1)+2b D壳体内径，m b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，一般取 b= （11.5）d0 b=1.5 d0=1.525=37.5mm。 D=t(nc-1)+2b=32（14-1）+237.5=491mm500mm。 最小壁厚：10mm,取20mm。1.4.5 接管 流速u的经验值可取6：对液体： u=1.52m/s 对蒸气：u=2050m/s壳程内径 进口接管 取接管内蒸汽流速为30m/s,正戊烷蒸气的密度17： 3.585Kg/m3 ，则接管内径 D1=95.6mm96mm 选的标准接管14：1086mm 。出口接管 取接管内的液体流速为1.5m/s，则接管内径 D2=33.16mm34mm 选的标准接管15：456mm 。管程水进出口接管 取接管内水流速为1.5m/s,则接管内径 d=mm129mm 选的标准接管15：1506mm 。1.4.6 其他附件 带法兰的封头8：公称直径为500mm,曲面高度为125mm,直边高度为50mm,厚度为20mm。1.5 初选换热器规格 计算的卧式固定换热器的规格如下： 管子规格： 252.5mm 公称直径D： 500mm 公称压力P： 不大于105Pa 管程数N P ： 2 换热管长度L： 2.0m 传热管总根数NT： 156计算换热面积： 24.44m2 管子排列方式： 正三角形错列所以选的标准卧式固定换热器G500 -0.6-24.5的规格如下9: 管子规格： 252.5mm 公称直径D： 500mm 公称压力P： 0.6MPa 管程数N P ： 2 换热管长度L： 2.0m 传热管总根数NT： 164 中心排管数： 15公称换热面积： 24.5m2管程流通面积： 0.0257 m2 管子排列方式： 正三角形错列1.6 换热器核算1.6.1 核算总传热系数 计算管程对流传热系数 管程流体流通截面积 A=0.0257 m2 管程流体流速 u=m/s 雷诺数 Re= 普兰特数 Pr= =0.86.0930.4=3503.02 W/（m2）计算壳程对流传热系数 现假设管外壁温=41.7，则冷凝液膜的平均温度为，这与其饱和温度很接近，故在平均膜温46.7下的物性可沿用饱和温度51.7下的物性数据，t=t s-t w =51.7-41.7=10 =0.725 =865.33 W/（m2） 确定污垢热阻10 Rso=1.7210-4 m2/W（有机液体） Rsi=2.010-4 m2/W（井水） 总传热系数K 碳素钢11：=45 W/(m) K= =500.95 W/（m2）1.6.2 传热面积裕度 实际传热面积 A=m2 公称换热面积A0=24.5 m2该换热器的面积裕度F=15.5%为保证换热器操作的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15%25%12 所以该换热器较为合适。 1.6.3 核算壁温 t w =39.5 假设值可以接受。1.6.4计算压降和核算 （1）计算管程压降 P1,P2分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压降，Pa Ft-结垢校正因数，量纲为1，对的管子取1.4 NP管程数 Ns串联的壳程数 取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则=0.005，Re=17020 由摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系图13，读得=0.034 NP=2，Ft=1.4，Ns=1 =（976.18+861.33）1.421=5145.028Pa105Pa 管程压降在允许的范围内。 （2）计算壳程压力降 壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，其压降可忽略。 （3）总阻力 5145.028105Pa 该换热器的总压降也在允许范围之内。该换热器可取。 1.7 汇总表表2 设计计算汇总表名称 单位 结果 正戊烷流量W hkg/h2777.78 正戊烷蒸汽进口温度51.7 冷却水流量W ckg/h70000 冷却水进口温度24 冷却水出口温度27.40热负荷QkJ/h992778.572 总传热系数KW/（m2）500.95 实际传热面积m221.21 公称传热面积m224.5 面积裕度F-15.5% 管程流通截面积Am20.0257 管程流体流速um/s0.759管程对流传热系数W/（m2）3503.02 管程压降PiPa5145.028壳程对流传热系数0W/（m2）865.33壳程压降P0Pa0总阻力Ps Pa5145.028表3 换热器工艺尺寸汇总表名称单位结果管子规格mm252.5公称直径DNmm500壳体壁厚mm20公称压力PNMPa0.6管程数N P-2换热管长度Lm2.0传热管总根数NT根164中心排管数-15管子排列方式-正三角性错列管心距tmm32隔板中心到其最近一排管中心距离Smm22各程相邻管的管心距mm44壳程进口接管内径mm108壳程出口接管内径mm45管程水进出口接管内径 mm150封头公称直径mm500封头曲面高度mm125封头直边高度mm50封头厚度mm20 设计总结 在设计的前期，通过去图书馆借书，看书，了解换热器的结构，传热特点和阻力性能等特点，查找相关物质的物性数据，大致知道设计内容要做什么和怎样去做。 在设计过程中，一步一步的计算，查找符合的换热器，在进行该换热器的核算，看是否符合，不符合再进行假设，直到符合为止。 上面设计的换热器，通过核算总传热系数，总阻力，壁温，都在符合范围之内，所以该换热器是可行的。 也要对对该换热器经济和环境效益进行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识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再利用、维护、再循环及最终处置。本设计中使用水作冷却剂，无污染，耗资少，无有害气体产生，整个过程简单，易操作，环境和经济效益良好。 而换热器使用的好坏，也要经常进行定期检查，维修和清洗的。特别是冷却水经过长时间的操作，腐蚀生成物和水垢污垢等附着管壁，会降低传热系数而影响传热效率及增大压降，因此必须通过清洗来改善换热器的性能。 在设计的后期，就是通过设计出来的换热器规格，把该换热器的图用A3的图纸画出来。以上就是在设计换热器过程中的小小总结。 参考文献1夏清 贾绍义主编 化工原理第二版上册 天津大学出版社 2011