课程设计---正戊烷冷凝器的设计

1、3程设计一正戊烷冷凝器的设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：2.0义1。4吨/年正戊烷冷凝器的设计姓 名:学 号:指导老师:起止时间:201009102126周富荣老师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-C；(3)允许压强降不大于lOTa；(4)每年按300天计；每天24 h连续运转。2 .处理能力:2.0X104t/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、；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L 1概述1L 2确定物性数据21. 2.1确定流体流动空间22. 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31. 3.1热负荷31. 3. 2有效平均温度差31. 3. 3估算传热面积3L 4工艺结构尺寸3L 4.1管径和管内流速31. 4. 2管程数和传热管数41- 4. 3传热管排列和分程方法41. 4.4壳体内径4L

3、 4. 5接管51. 4. 6其他附件51. 5初选换热器规格61. 6换热器核算71. 6.1计算总传热系数71. 6. 2传热面积裕度81. 6. 3核算壁温81. 6. 4计算压降和核算9L7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

4、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

5、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

6、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。(

7、1)正戊烷的定性温度：T=51.7*Co(2)井水的定性温度：a.入口温度七:24。b.有设计要求的正戊烷的流量：W产言胃二2777.78kg/hc.热负荷1：尸357.妹J/kg ,Q=Wh r=2777. 78X357. 4=992778. 572kJ/hd.在3050c之间水的定压比热容1： 4.174kJ/(Kg- *C)Q=W c C pe (tj-ti)992778 .57270000 x 4.174+ 24 = 27.40it_ r »>f + r, 24 + 27.40rc e.井水的定性温度：t=J_- = 25.70 22逆流温度(51.7-27.40)-(

8、51.7-24)=25.96-C两流体的温度T-t=51. 7-25. 70=26. 00 < 50,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1 1表1两流体物性参数流体温度，密度，kg/m3比热容，kJ/(Kg *C)粘度，Pa s导热系数，W/(m- ,C)正戊烷51.75962. 341. 80X10”0.13井水25. 70996. 7754.1788. 89X10”0. 609651.7-241. 3. 3传热面积高温流体为有机物粘度0.5Xl(TTa-s以下，低温流体为水时，总传热 系数范围2： 430850W/底K)。先暂取NSOO/n?

9、K则估算的传热面积A二: a_ 275.77 x10s-500x25.96=21.25m2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 3估算传热面积L3. 1 热负荷 0=992778. 572kJ/h=275. 77kW1. 3. 2有效平均温度差 =1. 15X21. 25=24. 44m21. 4工艺结构尺寸 1.4.1管径和管内流速管径为6 25mm x 2. 5mm, 一般液体的流速3： 0. 53 m/s,取管内流 速为 u=0. 8m/so1. 4. 2管程数和传热管数470000单程传热管数 几= 3600x996.775 =77.7078（根

10、）乃 720,785x0.02- x0.8丁j 按单程管计算，所需的传热管长度为424.44 个2,L= 3.99m 4m7tilons 3.14 x 0.025 x 78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1=2. 0m,则该换热器的管程数为N尸彳= g = 2（管程）传热管总根数Nt=78X 2=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=l. 5<L=1. 25X25=31. 25mm32mm隔

11、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22X2=44mmo1.4.4壳体内径6对于按正三角形排列的管子，nc=l. lvn =1.1x7156 =13.74 « 14 （根）D=t （nc-l）+2b'D壳体内径，mb管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，一般取b' = (1-1.5) do ，b' =1.5 *4. 5X25=37. 5mm。AD=t(nc-l)+2bz =32 X (14-1) +2X37. 5=491mm仁500皿。最小壁厚：10mm,取20mmo1. 4. 5接管流速u的经验值可取

12、6：对液体：u=L52m/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/ms ,则接管内径Di=3600 x3.585x3.14x304x2777 .78=95. 6mmQ961nm选的标准接管14： 0108X 6mm。出口接管 取接管内的液体流速为1.5m/s,则接管内径、瓯 I 4x2777.78”，之D2= AI=、=33. 16mm34mm mi V3600 x596x3.14xl.5选的标准接管151：45X6mm。管程水进出口接管4 x 700003600 X 996.775 x 3.14xl.5取接管内水流速

13、为1. 5m/s,则接管内径=128.7129mm选的标准接管15： <P150X6mm o1. 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:15管子规格：公称直径D：公称压力P：管程数Np ：换热管长度L： 传热管总根数Nt： 计算换热面积：管子排列方式:025X2. 5mm500mm不大于105Pa22. Om15624. 44m2正三角形错列所以选的标准卧式固定换热器G500 11-0.6-24.5的规格如下9:管子规格: 公称直径D：公称压力P： 管程数No

14、换热管长度L： 传热管总根数即 中心排管数：025X2. 5mm500mm0. 6MPa22. Om164公称换热面积:管程流通面积:24. 5m20. 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 m270000管程流体流速 u= - = 3600x996 775 = 0.759m/sA 0.0257雷诺数R毋0.02 x 0.759 x 996.7758.89 xlO-4= 17020普兰特数Pr= :478 x 1。、x 8.89 xU： 6的0.6096a. = 0.023 A Re 08 P

15、r04= 0.023xx170200 8X6. O93o4=35O3. 02 W/ (m2 ) 0.02计算壳程对流传热系数即现假设管外壁温1 =41.7 C ,则冷凝液膜的平均温度为号= "¥ = 46.7C'这与其饱和温度很接近,故在平均膜温46. 7C下的物性可沿用饱和温度51. 7下的物性数据, t=t -t w=51. 7-41. 7=10*C一八0,133 x5962 x9.81x357.4xl03-0. 725 ,一_ 1647x0.025 xl.80xl0-4xl0-865. 33 W/ (m2 C)确定污垢热阻10R“=L72X1()7/W （有机

16、液体）Rh=2.0X10 m / W (井水)总传热系数K碳素钢4 =45 W/(m- )K=-14 R 4。上 bd° +H44心0.025 一八1CT 0.025 0.0025x0.025，八一41+ 2.0x10 4 x+ 1.72x10 4 +3503.02 x 0.020.0245 x 0.0225865.33=500. 95 W/ Cm - )1. 6. 2传热面积裕度实际传热面积A=275-77xl° =21.21m-500.95x25.96公称换热面积A°=24. 5 m2.该换热器的面积裕度F二2二4 = 24.5二21.21=15. 5%A 2

17、1.21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。L 6. 3核算壁温51 7-rt -24 = ” - t +39. 5c+ 1.72x1 ()7 + 2.0x1 CT865.333503.02，假设值可以接受。1.6.4计算压降和核算(1)计算管程压降，P2-分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压降，PaR一结垢校正因数，量纲为1,对925x2.5mm的管子取1.4N,一管程数Ns一串联的壳程数取碳钢的管壁粗糙度为0. 1mm,则$ ="=0.005, Re=17020d 20由摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系图13,读得人

18、=0.034=2 = 0.034x 422996.775 x 0.759?丽x 2=976.180。AP, = 3x- = 3x996.775 x0.759 22= 861.33 PaNk2, Ft=l. 4, Ns=lZ% =(明 +N"NpN,=(976. 18+861. 33) X1. 4X2 X 1=5145. 028Pa < lOa .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2=5145. 028 < 10sPa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

19、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,c24冷却水出口温度c27. 40热负荷Qkj/h992778. 572总传热系数KW/-C)500. 95实际传热面积m221.21公称传热面积m224.5面积裕度F15. 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ZAPiPa5145. 028壳程对流传热系数。W/ (m2- 1C)865. 33壳程压降Z APoPa0总阻力AHPa5145. 028表3换热器工艺尺寸汇总表名称单位结果管子规格m

20、m025X2.5公称直径DNmm500壳体壁厚mm20公称压力PNMPa0.6管程数N,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nnn45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

21、，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，