甲醇冷凝冷却器的设计

1、 化工单元操作课程设计题 目 甲醇冷凝冷却器的设计 学 院 化学与化工学院 专 业 轻化工程 班 级 轻化11002班 学 号 1016121072 学生姓名 李 江 露 指导教师 陈 飞 飞 完成日期 2013年01月 07 日 目 录一、前言 22、 设计任务书 33、 方案简介 44、 选型与设计指导思想 55、 设计方案 61、 确定设计方案 62、 确定物性数据 63、 计算总传热系数 74、 计算传热面积 85、 工艺结构尺寸 86、 换热器核算 116、 设计结果一览表 157、 主要符号说明 168、 个人小结 179、 参考文献 19前 言化工原理主要研究各单元操作的基本原理

2、以及所用典型设备的结构和设备工艺尺寸的计算或设备选型。化工单元操作课程设计是综合运用化工原理课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，并在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。课程设计与平时的作业不同，在设计中需要自己做决策，主观性较强。确定方案、选择流程、查阅资料、进行过程和设备计算，并对自己和选择作出论证和核算，经反复的分析比较，选择出最理想的方案和最合理的设计。本次设计的主要任务是换热器的选型和设计，即对在生产过程中甲醇冷却装置的设计。此次课程设计的主要内容是通过对甲醇和循环水的分析，确定设计方案，选择最佳流程并计算、核算、制图等一系列过程。通过课堂理论知识的

3、学习及课程设计的实际行动和创新，不仅有助于理解和掌握知识，更培养了分析和解决问题的能力。设 计 任 务 书1、 设计题目甲醇冷凝冷却器的设计2、 设计任务及操作条件（1） 处理能力 12000 kg/h甲醇。（2） 设备形式 列管式换热器（3） 操作条件 甲醇：入口温度64，出口温度50，压力为常压。 冷却介质：循环水，入口温度30，出口温度40，压力为0.3mpa。 允许压降：不大于105 pa。 每年按330天计，每天24小时连续运作。3、 设计要求选择适宜的列管式换热器并进行核算。方 案 简 介本设计任务是利用循环水给甲醇降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。类型

4、特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合u型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面

5、能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合选择换热器时，要遵循经济、传热效果优、方便清洗、符合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器、热管式换热器、列管式换热器等。如表1所示，不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固

6、、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大，尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。表1 不同换热器特点选型与设计指导思想目前，我国已制定了管壳式换热器系列标准，设计过程中应尽可能选用系列化的标准产品，这样可以简化设计的加工。但是实际生产条件千变万化，当系列化产品不能满足需要时，仍应根据生产的具体要求而自行设计非系列标准的换热器。确定设计方案应遵循的主要原则为：满足工艺和操作的要求，经济效益好，确保生产安全。此处扼要介绍列管式换热器设计计算的基本步骤： 了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能体； 由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量； 决定流体流入的空间； 计算流体的定性

7、温度，以确定流体的物性数据； 初算有效平均温度差，先按逆流计算，再校核； 选取管径和管内流速； 计算传热系数k值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算； 初估传热面积，考虑安全系数15%25%； 选择管长l，计算管数n，确定管程数； 确定壳径d和壳程挡板形式及数量等； 校核有效平均温度差、对流传热系数及传热面积； 计算流体流动阻力，如阻力超过允许范围，则需调整设计。从以上步骤可看出，换热器的传热设计是一个反复试算的过程，有时需要反复试算23次。所以，换热器的设计计算实际上带有试差的性质。设 计 方 案1确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度64，出口温度5

8、0冷流体。冷流体进口温度30，出口温度40。从两流体温度来看，换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用列管式换热器。（2）流动空间及流速的确定 由于循环冷却水易结垢，为便于清洗，应使冷却水走管程，甲醇走壳程。另外，这样的选择可以使甲醇通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用25mm2.5mm的碳钢管，管内流速取ui = 0.5m/s。 2、确定物性数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值。 壳程甲醇的定性温度为： 管程循环水的定性温度为： 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 甲醇在57下的有关物性数据如下： 密度 o=755.77 k

9、g/m3定压比热容 cpo=2.629kj/(kg)导热系数 o=0.1919w/(m)粘度 o=0.00039 pas循环水在35下的物性数据： 密度 i=994kg/m3定压比热容 cpi=4.08 kj/(kg)导热系数 i=0.626 w/(m)粘度 i=0.000725 pas3计算总传热系数 （1）热流量 （2）平均传热温差 （3）冷却水用量 （4）总传热系数k 管程传热系数 2733.2w/(m2)壳程传热系数 假设壳程的传热系数o = 800 w/(m2)； 污垢热阻为rsi = 0.000344 m2/w rso = 0.000172 m2/w管壁的导热系数=45 w/(m)

10、总传热系数k =423w/(m2)4、计算传热面积 考虑15的面积裕度，s=1.15s=1.1513.2=15.2m25、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速及管长 选用25mm2.5mm传热管(碳钢)，取管内流速ui =0.5m/s（2）管程数和传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 按单程管计算，所需传热管长度为按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。若取传热管长l=6m，换热器管程数为2，则 每程管数为=16根管内流速 （3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表。可得 平均传热温差（4）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每

11、程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距t=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532mm横过管束中心线的管数（5）壳体内径 采用双管程结构，取管板利用率=0.7，则壳体内径为 圆整可取d300mm （6）折流档板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的33.3，则切去的圆缺高度为h33.3300100mm 取折流板间距b0.5d，则b0.5300150mm 折流板数为 折流挡板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管取接管内甲醇流速为 u13.5m/s，则接管内径为 圆整后可取内径为40mm。 管程流体进出口接管取接管内循环水流速 u21.2 m/s

12、，则接管内径为 圆整后可取内径为60mm。6换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用凯恩公式 当量直径，由正三角形排列得 壳程流通截面积 壳程甲醇流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 粘度校正 管程对流传热系数 当rei 10000，时可采用公式管程流通截面积管程循环水流速及其雷诺数分别为 普兰特准数传热系数k传热面积s该换热器的实际传热面积sp该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 由re20291，传热管相对粗糙度，查莫狄图得i0.035w/m，流速ui0.74m/s，994 kg/m3，所以 管

13、程压力降在允许范围之内。壳程压力降流体流经管束的阻力 流体流过折流板缺口的阻力 壳程压力降也在允许压力降范围内。 经上述计算和核算，可知所选工艺参数符合条件，即设计的换热器能满足生产要求。设计结果一览表设备名称甲醇冷凝冷却器换热器形式列管式换热器设备型号g300-2.5-12.1工艺参数序号名称单位管程壳程1物料名称循环水甲醇2操作压力pa0.3mpa常压3操作温度30进/40出64进/50出4流量kg/h10825120005流体密度kg/m3994755.776定压比热容kj/(kg)4.082.6297流速m/s0.740.458传热量w1226879平均温度差20.610总传热系数w/

14、m2k56511换热面积m212.112传热系数w/（m2）3742129613污垢系数m2k/w0.0003440.00017214阻力降kpa10.314.315程数2116使用材料碳钢碳钢17直径mm252.530018长度mm600019管子规格32根，管间距32mm，排列20折流档板规格39块，间距150mm，切口水平高度33.3%21说明：参照标准jb/t4715-92主要符号说明甲醇的定性温度t循环水定性温度t甲醇密度o循环水密度i甲醇定压比热容cpo循环水定压比热容cpi甲醇导热系数o循环水导热系数i甲醇粘度o循环水粘度i甲醇流量wo循环水流量wi热负荷qo平均传热温差总传热系

15、数k管程雷诺数re温差校正系数管程、壳程传热系数、初算初始传热面积传热管数初算实际传热面积s管程数壳体内径d横过中心线管数折流板间距b管心距t折流板数nb接管内径、管程压力降当量直径壳程压力降面积裕度h换热器壁面内、外侧的污垢热阻rsi、rso管板利用率切去的圆缺高度h壳程流通截面积so普兰特准数pr换热器实际传热面积sp个 人 小 结初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像平时计算类的作业一样会很简单。直到自己去计算设计时才发现一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。有一段时间都在观望。于是自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完

16、全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。核算时才发现实际面积比理论面积还要小，完全不合理。再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不通。所以我决定重新来过。做出来的实际面积一直比理论面积要小，重新分析计算的过程中也出现了几次错误，由于急于求成，算出来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，而且老师给的模板里面也有一些错误，这样照搬下去的一些公式就出了问题，只好静下心来认真地理解和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过。因此，又花了一天的时间在计算上，还好最后终于成功了。那么接下来就是画图了，由于学过机械制图，以为画图比较简单，半天就可以完成，谁知道，画图更难，

17、这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑到画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。最终，只好修改设计把管数安排成易于排列的数目，才解决了这个问题。通过这些天的课程设计工作，我才真正认识到工程实际问题的复杂性，也加深了对化工原理这门课程的认识。在通过准确的计算和合理的选择方案的过程中，我也进一步巩固了化工原理的基础知识并学会了将其应用于实际问题。其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的

18、问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，而且很可能导致严重的后果。往往我们自以为简单的东西，总是会在放松的时候出现问题。对于学习，我们要以严谨的态度去对待，根据自己的实际能力，作出合理的安排，不能急于求成。通过课程设计过程中反复假设与验证，让我树立了正确的设计思想，培养了严肃认真、高度责任感的工作作风。参 考 文 献1. 夏清，贾绍义.化工原理上册.天津大学出版社，2005.2. 贾绍义，柴诚敬.化工单元操作课程设计.天津大学出版社，2011.3. 刘光启，刘杰.化学化工特性数据手册.化学工业出版社，2002.4. 卢焕章.石油化工基础数据手