年产6万吨正己烷冷凝器设计

1、年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计年产 6 万吨正己烷冷凝器设计摘要本设计以正己烷为热流体， 循环水为冷流体。 根据正己烷在饱和温度下冷凝 的传热过程， 设计出符合工艺要求的换热器。 首先，通过对整个换热过程进行物 料衡算和热量衡算， 确定采用固定管板式换热器， 由计算可知换热器的热负荷为 704.44 kW，冷却水流量为 60698.56 kg/h ；其次，根据有效平均温差可估算换 热面积，并计算出换热器的传热管长为 4.5 m，数目为 136根，壳体内径为 500 mm； 最后, 对所设计的换热器进行热量、温度和压强的核算，发现该换热器的面积裕 度为 21

2、.9%，且温度、压强的核算结果都符合设计工艺要求，说明该换热器能满 足生产需要。关键词： 正己烷；冷凝器；工艺尺寸；设计计算年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计The Design of the Annual Output 60000 Tons ofn-Hexane CondenserAbstractThe annual output 60000 tons of condenser was designed with n-hexane as thermal fluid and circulating water as cooling fluid. The con

3、denser was suit to heat transfer requirements according to the boiling temperature of the n-hexane. First, the fixed plate heat exchanger was used based on the heat transfer process of material balance and heat balance. Calculation shows that the heat load of the heat exchanger was 704.44 kW and the

4、 cooling water flow was 60698.56 kg/h; Second, the heat transfer area was estimated by the log mean temperature difference, and the length of the heat exchanger tube was 4.5 meters, the number was 136 and the shell diameter was 500 millimeter; Finally, the heat, temperature and the pressure of the h

5、eat exchanger were accounted, and so the area of the heat exchanger margin was 21.9%, and the results all corresponded to the requirements, which means that the heat exchanger can meet the production needs.Keywords ： n-hexane; the condenser; process size; design and calculationII年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院

6、 2014 届本科生毕业设计目录1 绪 论 11.1 换热器的分类及结构特点 11.1.1 换热器的分类 11.1.2 换热器的结构特点 21.2 换热器的设计和选型依据 21.3 设计任务及操作条件 31.3.1 设计任务 31.3.2 操作条件 31.3.3 设计步骤 32 设计计算 42.1 确定设计方案 42.1.1 确定流体的流动空间 42.1.2 确定物性参数 42.2 计算总传热系数 42.2.1 热流量 42.2.2 冷却水用量 52.2.3 计算有效平均温度差 52.2.4 选取经验传热系数 K 值 52.2.5 估算换热面积 52.3 工艺结构尺寸的计算 52.3.1 管径

7、和管内流速 52.3.2 管程数和传热管数 52.3.4 平均传热温差校正及壳程数 62.3.5 传热管排列和分程方法 62.3.6 壳体内径 62.3.7 折流板 62.3.8 接管 72.4 换热器的核算 72.4.1 热量核算 72.4.2 核算壁温 92.4.3 压降校核 93 结 论 11参考文献 错 误！未定义书签。III年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计1 绪论换热器又称热交换器，能在两种不同温度的流体间传递热量，到目前为止， 换热器已经有近百年的发展历史了。 换热器在化工生产过程中对热量的传递和交 换起着重要的作用， 是石油、 化工、食品以及许

8、多其他工业部门的的通用设备之 一，在生产和生活中占有非常重要的地位。 尤其是在工业生产中， 换热器可用做 冷凝器、加热器、蒸发器和再沸器等，应用非常的广泛。近年来，由于能源和材 料费用的不断增加， 合理的节约利用能源有着非常重要的作用， 因此提高换热器 的工艺设计水平，设计出传热效率高、成本低、投资小、能耗低的换热器对合理 利用能源有着十分重要的作用。1.1 换热器的分类及结构特点1.1.1 换热器的分类(1) 换热器按照其传热的原理可以分为直接接触式换热器，蓄能式换热器和 管板式换热器 1 。(2) 按传热的种类分为无相变和有相变的传热。(3) 按照结构分类有浮头式换热器、固定板式换热器、填

9、料函式换热器、 U 形管式换热器、双壳程换热器等。(4) 按折流板分布分类可分为弓形换热器、双弓形换热器、三弓形换热器、 螺旋弓形换热器。(5) 按板状分类可分为螺旋板换热器、板式换热器、板翅式换热器、板式蒸 发器、穿孔板换热器等。(6) 按密封方式分为螺旋锁紧环换热器、薄膜密封换热器、钢垫圈换热器、 密封盖板式换热器。(7) 空冷式换热器分为干式空冷器、湿式空冷器、干湿联合空冷器等。(8) 按材料可分为金属类和非金属类。其中金属又分低合金钢、高合金钢、 低温钢、稀有金属。(9) 按强化传热元件分为螺纹管换热器、 异型管换热器、表面多孔管换热器、年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 201

10、4 届本科生毕业设计螺旋扁管换热器、纵槽管换热器、翅管换热器、螺旋绕管式换热器等。1.1.2 换热器的结构特点(1) 固定管板式换热器 2 的结构简单，是由壳体、管板、管束、折流挡板等 部件组成。因其造价比较低廉，清洗容易，结构简单等优点而被广泛使用。(2) 浮头式换热器其中一端的管板与壳体不固定连接，能在壳体中自由伸缩， 而且管束可以抽出来，清洗方便，可用于高温、高压、管程易腐蚀、结垢严重的 场合。但是它的确定是结构比较复杂，成本很高。(3) U形管换热器的换热管是 U形的，只有一个管板，管束能自由伸缩，可 以抽出，便于清洗。该换热器的生产成本低，结构比较简单，能在高温、高压、 易结垢、易腐

11、蚀的场合下使用。(4) 填料函式换热器管束的一端可以自由伸缩，结构比浮头式换热器要简单， 造价也比较低。但不能用于处理易燃、易爆、易挥发、有毒的和贵重的介质。(5) 折流杆换热器的防震效果最好，大大减小了壳程压降，节省能源，能用 加强流体扰动的方法来提高传热系数，达到强化传热的效果。(6) 板式空冷器是由板束、风机、水箱、喷淋等部件组成的，比较节水，能 减小环境污染，而且传热效率比较高，体积小，设备的造价低廉，安装、清洗方 便。1.2 换热器的设计和选型依据(1) 合理地实现所规定的工艺条件设计者应该按照流体的热力学参数、 物化性质以及传热量等工艺条件， 计算 流体的热力学参数， 尽可能地提高

12、所设计的换热器的传热效率。 要强化换热器的 传热效果可以通过增加传热面积，提高平均温差和增大传热系数等方法实现 3 。(2) 安全可靠从安全可靠性方面考虑， 换热器在进行强度， 刚度、温差应力和使用寿命等 方面的计算时，应该严格按照国家的有关规定和标准来进行。(3) 有利于安装、操作和维修换热器的安装应该方便运输、 拆卸和维修， 另外从节省成本方面考虑， 直立 安装的费用一般比水平或者倾斜安装的费用低。年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计(4) 经济合理 在进行设计和选型时， 如果有几种换热器都能达到生产要求， 一般会选择一 定时间内设备费用和操作费用最小的换热

13、器。1.3 设计任务及操作条件1.3.1 设计任务处理能力： 6 104 t/a 正己烷1.3.2 操作条件(1) 操作压力：常压；(2) 每年按 330天，按 24 h连续运行；(3) 正己烷：冷凝温度 68.95 ，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器；(4) 冷却介质：自来水，入口温度 25 ，出口温度 35 ；(5) 允许压降 :不大于 105 Pa。1.3.3 设计步骤设计一款年处理 6 万吨正己烷冷凝器，其设计步骤：(1) 根据生产任务和有关要求确定设计方案；(2) 确定换热器类型与主要结构；(3) 根据换热量要求，估算计算总传热面积；(4) 计算换热器的工艺尺寸；(5) 核算传热系数并计

14、算换热器的面积裕度是否合适；(6) 核算换热器的传热能力以及流体阻力。年产 6 万吨正己烷冷凝器设计2 设计计算平顶山学院 2014 届本科生毕业设计2.1 确定设计方案2.1.1 确定流体的流动空间 正己烷饱和蒸汽宜走管间，有利于正己烷的散热和冷凝，便于及时排走冷凝液， 而且蒸汽较洁净，它对清洗无要求。冷却水应走管程。2.1.2 确定物性参数 冷却介质为循环冷却水， 进口温度 25 ，出口温度 35 ；正己烷在饱和温度下 被冷却为液体，定性温度可取流体进口温度的平均值：25 35 管程水的定性温度为 t 25 35 30 2 壳程正己烷的定性温度为 68.95 两流体的温差： t 68.95

15、 30 38.95 因为两流体的温差小于 50 ，故选用固定管板式换热器。 两流体在定性温度下的物性数据 4见表 1表 1 正己烷和水的物性数据名称密度比热容黏度导热系数汽化热物质kg/m3kJ (/ kg )Pa sW/(m )kJ/kg冷却水995.684.178810-40.6162258.40正己烷612.782.451.9610-40.112334.752.2 计算总传热系数2.2.1 热流量(1) 热流体的流量 qmo6 10 4 103330 247575.76 kg/h年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计(2) 热负荷： Q qmo7575.76

16、 334.75 2535985.66 kJ/h704.44 kW2.2.2 冷却水用量进行能量衡算，则冷却水的流量为：qmicp t2535985.664.178 35 2560698.56kg/h2.2.3 计算有效平均温度差逆流温差 t m,逆38. 74 (68. 95 - 25)-(68. 95 - 35) ln( 68.95 25)/( 68.95 35)2.2.4 选取经验传热系数 K 值根据管程走冷却水，壳程走正己烷，总传热系数 3 K=467814 W/(m)，现暂取K=500 W/(m)2.2.5 估算换热面积QK t m, 逆704. 44 103500 38. 7436.

17、372.3 工艺结构尺寸的计算2.3.1 管径和管内流速选用 25 mm2.5 mm 传热管(碳钢)，取管内流速 5 i 0.8 m/s2.3.2 管程数和传热管数(1) 依据传热管内径和流速确定单程传热管数V 60698. 56 /( 995. 68 3600)2 67. 468 根0. 785 0. 02按单程计算，所需的传热管长度为 0.8di u4i年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计Adons36. 373.14 0. 025 686. 8(3) 按单管程设计，传热管过长，采用多管程结构。现取传热管长 L=4.5 m，则该6.8 换热器管程数为 Np

18、6.8 2(管程)4.5传热管总根数 N 68 2 136 根2.3.4 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数：R 热流体的温降 0 0R0 冷流体的温升 10冷流体的温升两流体的最初温差1043. 950. 23按单壳程，双管程结构，查温差校正系数表 3可知 t 1平均传热温差 t m t t m, 逆 1 38. 74 38. 74 2.3.5 传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每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a 1.25do ，则：a 1. 25 25 31. 25 32 mm横过管束中心线的管数 nc 1.19 N 1.19 136 14根2.3.6

19、 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 0. 7 ，则壳体内径为： D 1.05a N/ 1.05 32 136 / 0. 7 468. 34 mm 圆整可取 D=500 mm2.3.7 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25%，则切去的圆缺高度年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计为 h 0.25 500 150 mm，故可取 h=150 mm。取折流板间距 B=0.3D，则B 0.3 500 150 mm，可取 B为 150。折流板 NB 传热管长 / 折流板间距 - 1 4500 / 150 - 1 29 块 折流板圆缺面水平装配。2.

20、3.8 接管流速 u的经验值5可取：对液体： u=1.52 m/s对蒸汽： u=2050 m/s(1) 壳程流体进口接管：取接管进口蒸汽流速为 u 25 m/s，正己烷蒸汽的密度 为 3. 25 kg/m3 ，则接管内径为：d14V4 7575. 76 /( 3600 3. 25)3. 14 250. 182 m圆整后取 D=200 mm(2) 壳程流体出口接管：取管内液体流速 u 0.5 m/s，正己烷液体密度612. 78d20.094 m圆整后取 D=100 mm(3) 管程流体进、出口接管：取接管内循环水流速 u 1. 5 m/s，则接管内径为：d 4 60698. 95 /( 360

21、0 995. 68) 0.12 m3. 14 1. 5圆整后取 D=150 mm2.4 换热器的核算2.4.1 热量核算(1) 计算壳程对流传热系数 o 。因为立式管壳式换热器，壳程为正己烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器， 故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计1. 13(g 2 3 ) 14 ) Lt现假设管外壁温 t w 55 ，则冷凝液膜的平均温度为0.5 (tst w)0.5 ( 68. 95 55) 61. 975 这与其饱和温度很接近，故在平均膜温度 61.975 下的物性数据沿用饱和温度68.95 下的数据：

22、1.13( g L2 3t )141.13(9.81 612. 782 0. 1123 334. 75 1031.96 10 4 4. 5 13. 951)14692.2 W/(m2)管程流通截面积：i0.023dii Re0.8 Pr0.4Si0. 785 0.022 136 / 2 0. 0214 m(2) 管程对流传热系数管程流体流速： ui60698. 56 /( 3600 995. 68) 0.79 m/si 0. 017雷诺数： Rei0. 02 0.79 4995. 68 196658 10 4普兰特准数 Pr4. 178 103 8 10 40. 6165. 43平顶山学院 2

23、014 届本科生毕业设计年产 6 万吨正己烷冷凝器设计1dodobdoRsiRsoi dididm1o10.025 0. 000086 0. 025 0. 0025 0. 025 0. 000172 * 14564 0. 02 0.02 50.4 0. 0225 692.2469.4 W/(m2)(5) 传热面积裕度：计算可得传热面积AQKtm3704. 44 103238. 74 m2 469.4 38.74该换热器的实际传热面积： AdoN(L 0. 03) 47.72 m2则该换热器的面积裕度 ： H47.72 - 38.74 100% 21.9%38.74传热面积裕度合适 15%H25

24、%，所以此换热器能完成生产任务。2.4.2 核算壁温核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按下列公式 3 近似计算：T t w1Rsoot t w68. 95 t w10. 000086692.2t w 301t w 53.14 ，与假设温度很接近，可以接受。2.4.3 压降校核(1) 计算管程压降。pi( p1p2)FtNpNs(Ft结垢校正系数， Np管程数，Ns壳程数)Ft=1.4，Np=2，Ns=1p1L idu22，p2u22年产 6 万吨正己烷冷凝器设计平顶山学院 2014 届本科生毕业设计取碳钢的管壁粗糙度为 0.1mm，则相对粗糙度 e/ d 0. 1 / 20 0. 005，因为Re

25、i 19665 ，由布拉修斯式 20. 316 Re 0. 25 (适用条件 4000 Re 10000)0. 316 19665 0.25 0.0273因为流速 ui0.79 m/s， i 995. 68 kg/m 3，则4.5 995. 68 0. 792p1 0. 027 1887 Pa1 0. 02 2p2 3 995. 68 0. 792 932Papo(1887 932) 1.4 2 1 7893. 2 Pa 10 kPa管程流动阻力在允许范围内。(2) 壳程阻力po( p1p2)Ft NsNs1，Ft1.15流体流经管束的阻力：p1Ff0nc( NB 1)u20.228三角形排列 F=0.5， f o5.0 Reo 0.228因为 D=500 mm，折流挡板间距 B=0.15 m壳程流通面积AoB(D ncdo)0.15(0.514 0. 025)0. 0225 m2壳程流速 uoqmo