化工原理课程设计(4)

1、第一章 概述及设计方案简介1.1 化工原理课程设计的目的和要求化工原理课程设计可以培养化工类及其相关专业学生的实践能力，提高学生的工程实践能力、分析和解决工程实际问题的能力。力求通过这一环节的学习和训练，是学生能够初步掌握化工单元过程与设备设计的基本程序和方法，具备正确使用相关技术资料的能力，运用简洁的文字和工程语言正确表达设计思想和结果，综合运用所学知识进行化工单元过程与设备设计。课程设计还可以帮助学生树立实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，使学生受益终身。课程设计是学习化工设计的基础知识，是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节的训练，使学生掌握化工单元过程及设备设计

2、的基本程序和方法，熟悉查阅和正确使用资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方面有较大提高，增强工程观念和时间能力。为此，学生在进行本课程设计的实践过程中，以实事求是的科学态度，严谨、认真的工作作风完成以下内容：（1）设计方案简介 根据任务书提供的条件和要求，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，在此基础上，通过分析研究，选定适宜的流程方案和设备类型进行简要的论述。（2）主要设备的工艺计算 依据有关资料进行工艺设计计算，即进行物料衡算、热量衡算、工艺参数的优化及选择、设备的结构尺寸和工艺尺寸设计计算。（3）主要设备的结构设计和机械设计 按照详细设计的要求，进行主要设备的结构设计及设备强度计算（4

3、）典型辅助设备的选型 对典型设备的主要工艺尺寸进行计算，并选定设备的规格型号。（5）带控制点的工艺流程图 将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来，绘出流程所需全部设备，标出物流方向及主要控制点。（6）主要设备的工艺条件图 绘制主要设备的工艺条件图，图面包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表（7）要设备的总装配图 按照国标或行业标准，绘制主要设备的总装备图，按现在形式的发展和实际工作要求，应采用CAD技术绘制图纸。（8）编写设计说明书 作为整个设计工作的书面总结，在以上设计工作完成后，应以简洁、准确的文字，简洁清晰的图纸及表格编写出设计说明书。说明书的内容应包括 ：封面、目录、设

4、计任务书、概述与设计方案简介、设计条件及主要物性参数表、工艺设计计算、机械设计计算、辅助设备的计算及选型、设计结果一览表、设计评述、工艺流程图、设备工艺条件图与总装备图、参数资料和主要符号说明。1.2 冷凝器的简介列管式冷凝器有卧式与立式两种类型，被冷凝的工艺蒸气可以走壳程，也可以走管程。其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是最常用的形式。1.2.1 卧式壳程冷凝器壳程上除设有物流进出口接管外，还设有冷凝液排出口和不凝气排出口。壳程蒸气入口处装有防冲板，以减少对管束的直接冲击。壳程中的横向弓形折流板或支撑板圆缺面可以水平或垂直安装。对于水平安装的折流板，为了防止流体短路，切去的圆缺高度不宜大于壳体内

5、径的35%，折流板间最小间距为壳体内径的35%，最大间距不宜大于壳体内径的两倍。为了便于排出冷凝液，折流板的下缘开有槽口。这种水平安装方式可以造成流体的强烈扰动，传热效果好。不论弓形折流板的圆缺面是水平还是垂直安装，当被冷凝工艺蒸气中含有不凝气时，折流板间距应随蒸气冷凝而减小，以增强传热效果。当冷凝表面传热系数小时，在管外可以使用低翅管，翅高12mm。若要使冷凝液过冷，可以采用阻液型折流板。卧式壳程冷凝器的优点是压降小，冷却剂走管程便于清洗；缺点是蒸气与凝液产生分离，难于全凝宽沸程范围的混合物。（1） 水平管束外冷凝表面传热系数 工艺蒸气在水平管束外冷凝表面传热系数用下式计算。表面传热系数：

6、（1-1）水平管束冷凝： （1-2）式中，h *为无量纲冷凝表面传热系数；h0为冷凝表面传热系数，W/(m2K)。 （1-3）式中，qm为冷凝液的质量流量，kg/s；l为传热管长度，m；ns为当量管数。（2） 管程表面传热系数 若管程流体无相变传热，则其表面传热系数用下式计算。 （1-4） （1-5）式（1-4）的适用条件是：低黏度流体（<2×10-3Pas）雷诺数 Re>10000；普朗特数Pr在0.6160之间；管长管径之比l/d>50；定性温度可取流体进出口温度的算术平均值；特征尺寸取传热管内径di。1.2.2 卧式管程冷凝器这种冷凝器的管程多是单程或双程。其

7、中传热管长度和直径的大小，以及传热管的排列方式取决于管程和壳程传热的需要。管程采用双程时，冷凝液可以在管程之间引出，这样可以减少液相的覆盖面积也可以减小压降，同时，用减小第二程管数的方法使其保持质量流速不变。在这种冷凝器中，蒸气与冷凝液的接触不好，因此对宽沸程蒸气的完全冷凝是不适宜的。此外，由于冷凝液只是局部地注满管道，因此过冷度较低。（1） 水平管内冷凝表面传热系数 工艺蒸气在水平管内冷凝表面传热系数用下式计算。当Re>5×104时： （1-6）当1000<Re<5×104时： （1-7）其中： （1-8） （1-9） （1-10） （1-11） （1-

8、12）式中，Ge为当量质量流速，kg/(m2s)；、分别凝液和气体平均质量流速，kg/( m2s)；下标l、v分别表示凝液和气体；下标1、2分别表示进口和出口；i为膜温下凝液黏度，Pas；i为膜温下凝液热导率，W/(mK)；cpi为膜温下凝液定压比热容，kJ/(kgK)；l为膜温下凝液密度，kg/m3；v为定性温度下气相密度，kg/m3；di为传热管内径，m。（2） 壳程表面传热系数 若壳程流体无相变，则其表面传热系数用式（1-13）计算。 （1-13）1.2.3 立式壳程冷凝器壳程设置折流板或支撑板，蒸气流过防冲板后自上而下流动，冷凝液由下端排出。冷却水以降膜的形式在管内向下流动，因而冷却水

9、侧要求的压力低；由于水的传热系数大，故耗水量少，但水的分配不易均匀，可在管口安装-水分配器。（1） 垂直管束外冷凝表面传热系数 工艺蒸气在垂直管束外冷凝表面传热系数用式（1-14）、式（1-15a）和式（1-15b）计算。垂直管束冷凝： （1-14）式中， （1-15a） （1-15b）以上两式仅适用于液膜沿管壁呈层流流动，即。（2） 管程表面传热系数 若管程水无相变传热，且以降膜的形式在管内向下流动，层流时的表面传热系数计算式 （1-16）式中，hi为管程的表面传热系数，W/(m2K)；L为传热管长度，m。 （1-17）式中，qm为水的流量，kg/s；di为传热管内径，m。式（1-16）适用

10、条件：ReRec，Rec为临界值，其值为1460Pr-0.65。过渡流时的表面传热系数计算式： （1-18）适用条件：2100Re>Rec。湍流时的表面传热系数计算式： = （1-19）适用条件：Re>2010。1.2.4 管内向下流动的立式管程冷凝器管内蒸气及其冷凝液均向下流动的立式管程冷凝器，是一带有外部封头和分离端盖的管壳式换热器。若壳程不需要清洗或可用化学方法清洗，则可用固定管板式结构，蒸气是通过径向接管注入顶部，在管内向下流动，在管壁上以环状薄膜的形式冷凝，冷凝液在底部排出，为使出口排气中携带的冷凝液量最少，下面的分离端盖可设计成挡板式或漏斗式。冷凝液液位应低于挡板或漏斗

11、。传热管管径多为1925mm。在低压时，为减少压降，也可用50mm直径的传热管。 （1）管程表面传热系数 垂直管内气液并流向下流动时的冷凝表面传热系数，可以应用E.F.Carpenter和A.P.Colburn的简化关系式计算。 (1-20) (1-21) (1-22)式中，G1、G2分别是进出口的蒸气质量流速，若蒸气全部被冷凝，则G2=0，而。式（1-20）适用条件：Pr=15，之间。（2） 壳程表面传热系数 若壳程流体无相变传热，则其表面传热系数用式（1-13）计算。1.2.5 向上流动的立式管程冷凝器这种冷凝器通常是直接安装在蒸馏塔的顶部，以利于利用冷凝液回流来汽提少量低沸点组分。蒸气经

12、由径向接管注入其底部。冷凝器的传热管长度为23m，其直径多大于25mm，管束下端延伸到管板外，并切成60°75°的倾角，以便于排液。当蒸气向上流动的流速阻碍冷凝液自由回流时，便会产生液泛，将冷凝液从冷凝器顶部吹出。根据Hewitt和Hall-Taylor的准则，当满足下列条件时，可防止液泛的发生。 （1-23）式中，、分别为蒸气和凝液单独在管程流动的折算流速，m/s；di为传热管内径，m。（1） 管程表面传热系数 垂直管内气液两相逆流流动时的冷凝表面传热系数，可应用下式计算。 (1-24)管内蒸气流动雷诺数为 （1-25）式中，Gv0为按进口状态计的蒸气质量流速，kg/(m

13、2 s)。考虑到冷凝液膜温度由ts降至tw的显热传递，可用下式计算 （1-26）式中， 为冷凝热，Kj/kg。式（1-24）适用条件：，。（2） 壳程表面传热系数 若壳程流体无相变，则表面传热系数用式（1-13）计算。冷凝器是将工艺蒸气冷凝为液体的设备，在冷凝过程中热量传递给循环水等冷却剂。列管式冷凝器中所用的换热表面可以是简单的光管、带肋片的扩展表面或经开槽、波纹或其他特殊方式处理过的强化表面。列管式冷凝器有卧式和立式两种类型，被冷凝的工艺蒸气可以走壳称，也可以走管程。其中卧式冷凝和立式冷凝式最常见的形式。下面简要介绍一下立式壳程冷凝器：课程设置折流板或支承板，蒸气流过防冲板后自上而下流动，

14、冷凝液由下端排出。冷却水以降模的形式在关内向下流动，因而冷却水侧要求的压力低；由于水的传热系数大，故耗水量少，但水的分配不易均匀，可在管口安装水分配器。1.3 设计方案简介1.选择冷凝器的类型 由于管程和壳程的压差均小于50KPa,为减低压差，故初步确定选择立式壳程冷凝器。2.流程安排 一般列管式冷凝器设计流程如下; （1）明确冷凝要求，操作温度、压力及冷凝负荷;（2）收集流体的物性参数：如密度、黏度、导热系数等;，（3）确定冷凝器形式，合理安排流程;（4）初选总传热系数K0；（5）计算平均温度差；（6）由传热基本方程式计算传热面积；（7）确定换热器结构；（8）计算逆流传热系数；（9）计算总传

15、热系数与传热面积A；当K=（1.11.2）K,A0/A1.2；传热面积有20%作用的裕度时，符合要求，否则重新假定K0值，重复步骤直到符合要求；（10）计算冷凝器压降，若大于允许的压降，返回(7)、（4）、（4），重新计算，直到达到要求为止。第二章 设计条件及主要物性参数 2.1设计条件热流体为气体混合物，其组成摩尔分数如表1所示：表 1乙苯对二甲苯间二甲苯98.3%0.57%1.13%操作温度为131；冷却循环水温度为30，温升10；冷凝负荷为3140000KJ/h;要求管程和壳程压差均小于50KPa，设计标准立式冷凝器2.2 主要物性参数2.2.1 原始物性数据(1) 壳程混合气体的定性温

16、度为131。表2 混合物各纯组分物性数据（T=131） 物性组分黏度（g）Pas黏度（l）Pas热容（g）Jmol-1K-1热容（l）Jmol-1K-1密度（l）Kgm-3汽化焓Jmol-1乙苯8.700×10-60.0002461172.844228.084765.4343.599×104对二甲苯8.516×10-60.0002305169.440220.355760.4663.639×104间二甲苯8.693×10-60.0002315169.743222.411764.5833.673×104(2) 管程流体的定性温度为t=30

17、+402=35()。表3 水的主要物性数据（T=35）密度kgm-3汽化焓Jmol-1比定压热容kJkg-1K-1热导率Wm-1K-1黏度Pas992.3744.350×1044.1740.6200.00073992.2.2 混合物物性相关计算公式（1） 液体混合物的密度式中：1m=11+22+···+nn1,2,n 液体混合物中各纯组分液体的密度，Kgm-3;w1，w2 ，wn液体混合物中各组分液体的质量分数。（2） 气体混合物密度:m=11+22+nn式中： 1,2,n 在气体混合物的压力下各纯组分的密度，Kgm-3;1,2,n气体混合物中各组分的体

18、积分数。（3） 低压气体混合物黏度计算公式：m=(yiiMi1/2)/(y iMi1/2)式中：m混合气体的黏度；yi 气体混合物中某一组分的摩尔分数；i与气体混合物相同温度下某一组分的黏度；Mi气体混合物中某一组分的相对分子量。（4） 分子不发生缔合的液体混合物黏度计算公式：logm=xilogi式中：m液体混合物的黏度；i液体混合物中某一组分的摩尔分数；i与液体混合物相同温度下某一组分的黏度。（5） 低压气体混合物导热系数：m=i=1niyiMI1/3i=1nyiMi1/3式中：i组分i传热系数；Mi气体混合物中某一组分的相对分子质量。（6） 液体混合物导热系数：mr=i=1niir式中：

19、i组分i传热系数；wi液体混合物中各组分液体的质量分数；r 指数，一般情况下取为-22.2.3 混合物物性参数导出值汇总表3 混合物物性参数密度kgm-3汽化焓Jmol-1黏度(l)Pas黏度(g)Pas热导率（g）Wm-1K-1765.4043.600×1040.00025238.601×10-60.019593第三章 工艺设计计算 3.1估算传热面积3.1.1 热流量根据设计任务书所给的要求：热流量 =3140000kJ/h=872.22（kW）3.1.2 平均传热温差 先按纯逆流计算得：tm=t1-t2lnt1t2=131-30-(131-40)ln(131-30)(

20、131-40)=95.91()3.1.3 传热面积由于管程走的是冷水，壳程走的是轻有机物，故假设K=470W/(m2K)，则估算的传热面积为：Ap=Ktm=872.22×103470×95.91=19.35m23.1.4 冷却用水量qm,c=cpiti=872.22×1034.174×103×(40-30)=20.90(kgs-1)=75227.41kgh-13.2 工艺结构尺寸3.2.1 管径和管内流速 选用19×2较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速ui=1.2ms-1。3.2.2 管程数和传热管数 根据传热管内径和流速确定单程传

21、热管数ns=qv4di2u=20.90/992.3740.785×0.0152×1.2=99.4100(根)按单程管计算，所需的传热管长度为L=Apd0ns=19.353.14×0.019×100=3.3(m)根据本设计要求，采用标准设计，现取传热管长l=1.8米，则该冷凝器的管程数为Np=Ll=3.31.82(管程)传热管总根数 NT=100×2=200（根）3.2.3 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 R=131-13140-30=0 P=40-30131-30=0.099对单侧温度变化流体，折流、并流、逆流的平均传热温差相等

22、，即t=1,则tm=ttm塑=1×95.91=95.91（） 3.2.4 传热排列和分程方法 采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。取管心距t=1.25d0,则t=1.25×19=23.7525(mm)隔板中心到离其最近一排管中心距离为s=t2+6=252+6=18.5(mm)各程相邻管的管心距为37mm。每程各有传热管100根。3.2.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，壳体内径为D=1.05tNT/=1.05×25200/0.7=444（mm）可取D=450mm。3.2.6 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为

23、壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×450=112.5(mm)，故可取h=110mm。去折流板间距B=0.3D，则B=0.3×450=135（mm），故可取B=150mm。折流板NB=传热管长折流板间距-1=1800150-1=11块折流板圆缺面水平装配。3.3 冷凝器核算3.3.1 热流量核算（1）壳程表面传热系数 用恩克法计算： h0=0.36ideR00.55Pr13(m)0.14当量直径，依式得：de=432×0.0252-0.785×0.01923.14×0.019=0.017(m)壳程流通截面积依式得：S0=BD

24、15;1-d0t=0.15×0.45×1-0.0190.025=0.0162m2壳程流体流速及其雷诺数分别为u0=0.05847280.0162=3.6ms-1Re0=0.017×3.6×765.4048.601×10-6=5446195普朗特数 Pr=2.27×103×8.601×10-60.019593=0.996黏度校正 w0.141h0=0.36×0.0195930.017×54461950.55×0.99613=2078W/(m2K)(2) 管内表面传热系数 hi=0.023

25、×idiRe0.8Pr0.4管程流体流通截面积Si=0.785×0.0172×2002=0.023(m2)管程流体流速ui=75227.41/(3600×992.374)0.023=0.916 ms-1Re=0.017×0.916×992.3740.0007399=20886普朗特数Pr=4.174×103×0.00073990.620=4.98hi=0.023×0.6200.017×208860.8×4.980.4=4555W/(m2K)（3）污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 R0=

26、0.0004m2K/W管内测污垢热阻 Ri=0.0006m2K/W管壁热阻，碳钢在该条件下的热导率为50W/(mK)。所以 Rw=0.00250=0.00004m2K/W（4）传热系数 KC=1/(12078+0.0004+0.00004×1918+0.0006×1917+14555×1917)=544W/(m2K)（5）传热面积裕度AC=tm= 872.22×103544×95.91=16.7(m2)该冷凝器的实际传热面积 A=d0lNT=3.14×0.019×1.8×200=21.5m2(m2)该冷凝器的面积裕

27、度 H=A-ACAC×100%=21.5-16.716.7=28.7%传热面积裕度合适，该冷凝器能够完成生产任务。3.3.2 壁温核算 液体的平均温度tm=0.4×30+0.6×40=25.2() 气体的平均温度Tm=12131+131=131() hc=hi=4555W/(m2K） hh=h0=2078W/(m2K)传热管平均壁温 t=131/4555+25.2/207814555+12078=25.3()壳体壁温，可近似取课程流体的平均温度，即T=131()。壳体壁温和传热管壁温之差为 t=131-25.3=105.7()该温差较大，故需设温度补偿装置。3.3

28、.3 冷凝器内流体的流动阻力（1） 管程流体阻力 pt=pi+pr)NsNsFs Ns=1,Np=2 pi=ildi×2由20886，冷凝管相对粗糙度0.215=0.0133，=0.042，流速u=0.916ms-1,=992.374kgm-3，所以pi=0.042×1.80.015×992.374×0.91622=2098.3(Pa)pr=u22=3×992.374×0.91622=1249(Pa)pt=2098.3+1249×1×2×1.5=10042Pa（2）壳程阻力 ps=(p0+pi)FsNs

29、Ns=1,Fs=1流体流经管数的阻力p0=Ff0NTC(NB+1）u22F=0.5f0=5×5446195-0.228=0.1456NTC=1.1NT0.5=1.1×2000.5=15.6NB=11,u0=3.6ms-1p0=0.5×0.1456×15.6×11+1×76.560×3.622=6761(Pa)流体流过折流板缺口的阻力pi=NB(3.5-2BD)2，0.15m，D=0.45mpi=11×3.5-2×0.150.45×76.560×3.622=15462(Pa)总阻力ps=

30、6761+15462=22223(Pa)经比较可知，系统总阻力符合设计所给要求。3.3.4 冷凝器主要结构尺寸和计算结果 冷凝器主要结构尺寸见表4 冷凝器计算结果见表5表4 冷凝器主要结构尺寸参数管程壳程流率（kg/h）75227进出/口温度（）30/40131/131压力（Pa）35860物性定性温度（）35131密度（kg/m3）992.374765.404定压比热容JKg-1K-14.1742.15黏度（Pa/s）0.00024520.0007399热导率W/(mK)0.6200.019593普朗特数4.980.54设备结构参数形式立式台数1壳体内径（mm）450壳程数1管径（mm）19

31、×2管心距（mm）25管长（mm）1800管子排列管数目（根）100折流板数（个）11传热面积（m2）21.5折流板间距（mm）150管程数2材质碳钢表5 计算结果主要计算结果管程壳程流速（ms-1）0.9163.6表面传热系数W/(m2K)45552078污垢热阻(m2K)/W0.00060.0004阻力（MPa）1004222223热流量（kW）872.22传热温差（）95.91传热系数W/(m2K)544裕度（%）28.7设计自我评述通过这次课程设计，我学到了很多化工设计的基础知识。首先，从整个设计过程和设计结果来看。由于首次做这样的设计，所以感到有些难度，不过经过我努力研究，此次设计的立式冷凝器基本满足要去，冷凝器的面积裕度、总阻力的各项指标均满足设计要求。其次，在完成整个设计方案的过程中，由于缺乏经验，对一些参数的选取不是很顺利，很多参数都是经过反复验算才得到最后的结果，但最终终于设计出合理的方案。通过此次课程设计，我学会了使用软件制图，同时通过查阅大量的文献及资料，是我的自学能力有了进一步提高。做设计时，需要考虑很多因素，这培养我们谨慎的品质。此外，由于这是我第一次做课程设计，因此在设计方面有不足之处，不过经过