課程設(shè)計(jì)---正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì).doc

江漢大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 化學(xué)與環(huán)境工程 學(xué)院 化工 系化學(xué)工程與工藝 專(zhuān)業(yè)題目：2.0104 噸/年正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)姓 名： 周 歡 學(xué) 號(hào)： 201009102126 指導(dǎo)老師： 周富榮老師 起止時(shí)間： 2012.12.312013.1.13 任務(wù)安排設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件1.操作條件（1） 正戊烷冷凝溫度為51.7，冷凝液于飽和液體下離開(kāi)冷凝器；（2） 冷卻介質(zhì)為地下水，流量為70000kg/h，入口溫度： 24；（3） 允許壓強(qiáng)降不大于105Pa；（4） 每年按300天計(jì)；每天24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。2.處理能力:2.0104t/a正戊烷3.設(shè)備型式：臥式列管冷凝器設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介；2、換熱器的工藝計(jì)算；3、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算；4、校核計(jì)算。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)內(nèi)容1. 目錄2. 概述3. 熱力計(jì)算（包括選擇結(jié)構(gòu)，傳熱計(jì)算，壓力核算等）4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與說(shuō)明5. 設(shè)計(jì)總結(jié)6. 參考文獻(xiàn)7. 附工藝流程圖及冷凝器裝配圖一張 目錄1.1概述11.2 確定物性數(shù)據(jù)2 1.2.1 確定流體流動(dòng)空間2 1.2.2 流體定性溫度，確定流體流動(dòng)的物性數(shù)據(jù)21.3 估算傳熱面積3 1.3.1 熱負(fù)荷3 1.3.2 有效平均溫度差3 1.3.3 估算傳熱面積31.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸3 1.4.1 管徑和管內(nèi)流速3 1.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)4 1.4.3 傳熱管排列和分程方法4 1.4.4 殼體內(nèi)徑4 1.4.5 接管5 1.4.6其他附件51.5 初選換熱器規(guī)格61.6 換熱器核算7 1.6.1 計(jì)算總傳熱系數(shù)7 1.6.2 傳熱面積裕度8 1.6.3 核算壁溫8 1.6.4 計(jì)算壓降和核算91.7 匯總表10設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附換熱器裝配圖131.1概述 換熱器是化學(xué)工業(yè)，石油工業(yè)及其他一些行業(yè)中廣泛使用的熱量交換設(shè)備，它不僅可以單獨(dú)作為加熱器、冷卻器等使用，而且是一些化工單元操作的重要附屬設(shè)備，因此在化工生產(chǎn)中占有重要的地位。 由于工業(yè)生產(chǎn)中所用換熱器的目的和要求各不相同，換熱設(shè)備的類(lèi)型也多種多樣，可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行選擇。按換熱器設(shè)備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類(lèi)。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易等特點(diǎn)，但由于在換熱過(guò)程中，有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合，使其在應(yīng)用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。間壁式換熱器的類(lèi)型也是多種多樣，從其結(jié)構(gòu)上大致可分為管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包括型板式、螺旋板式和板殼式換熱器。 完善的換熱器在設(shè)計(jì)或選型時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求：（1）合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度、腐蝕性等）是工藝過(guò)程所規(guī)定的條件。根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。 （2）安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)保證設(shè)備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆，在廠房移動(dòng)時(shí)不會(huì)受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設(shè)保溫層。 （4）經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)（通常為1年）固定費(fèi)用（設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、清洗費(fèi)、維修費(fèi)等）的總和為最小。1.2 確定物性數(shù)據(jù)1.2.1 確定流體流動(dòng)空間根據(jù)換熱器流體流經(jīng)選擇原則：(1).飽和蒸汽宜走管間，以便于及時(shí)排走冷凝液，且蒸汽較潔凈，它對(duì)清洗無(wú)要求；(2)被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強(qiáng)冷凝效果；(3)黏度大的的液體或流量較小的流體宜走管間，因流體有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。綜合上述原則，對(duì)本次設(shè)計(jì)：冷卻水走管程，正戊烷走殼程。1.2.2 流體的定性溫度，確定流體流動(dòng)的物性數(shù)據(jù)1 流體的定性溫度 決定準(zhǔn)數(shù)中各物性的溫度稱(chēng)為定性溫度。一般取流體的平均溫度。（1）正戊烷的定性溫度：T=51.7。 （2）井水的定性溫度：a.入口溫度t1=24。 b.有設(shè)計(jì)要求的正戊烷的流量：W h=2777.78kg/h c.熱負(fù)荷1：r=357.4kJ/kg ,Q=W h r=2777.78357.4=992778.572kJ/h d.在3050之間水的定壓比熱容1：4.174kJ/(Kg) Q=W c C pc(t2-t1) t2=e.井水的定性溫度：t=兩流體的溫度T-t=51.7-25.70=26.0050,選用固定管板式換熱器.2.流體流動(dòng)的物性數(shù)據(jù)兩流體在定性溫度下的物性參數(shù)如表11流體溫度，密度， kg/m3比熱容， kJ/(Kg)粘度， Pas導(dǎo)熱系數(shù)， 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 兩流體物性參數(shù)1.3 估算傳熱面積1.3.1 熱負(fù)荷 Q=992778.572kJ/h=275.77kW1.3.2 有效平均溫度差 逆流溫度 t m=1.3.3 傳熱面積 高溫流體為有機(jī)物粘度0.510-3Pas以下，低溫流體為水時(shí)，總傳熱系數(shù)范圍2：430850W/(m2K) 。先暫取K=500/m2K 則估算的傳熱面積 A=m2 考慮到估算性質(zhì)的影響，取實(shí)際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實(shí)際傳熱面積A=1.1521.25=24.44m21.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.4.1 管徑和管內(nèi)流速 管徑為25mm 2.5mm，一般液體的流速3：0.53 m/s， 取管內(nèi)流速為u=0.8m/s。1.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)4 單程傳熱管數(shù) =(根）按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 L=4m按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取傳熱管長(zhǎng)l=2.0m，則該換熱器的管程數(shù)為 N p=(管程)傳熱管總根數(shù) N T =782=156(根）1.4.3 傳熱管排列和分程方法 5 對(duì)于多管程換熱器，常采用組合排列方式。每程內(nèi)都均按正三角形排列，而各程之間為了便于安裝隔板，采用正方形排列方式。本次設(shè)計(jì)，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離：S=t/2+6=32/2+6=22 mm 各程相鄰管的管心距為222=44mm。1.4.4 殼體內(nèi)徑6 對(duì)于按正三角形排列的管子，nc=1.1=1.1（根） D=t(nc-1)+2b D殼體內(nèi)徑，m b管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，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(mài)的經(jīng)驗(yàn)值可取6：對(duì)液體： u=1.52m/s 對(duì)蒸氣：u=2050m/s殼程內(nèi)徑 進(jìn)口接管 取接管內(nèi)蒸汽流速為30m/s,正戊烷蒸氣的密度17： 3.585Kg/m3 ，則接管內(nèi)徑 D1=95.6mm96mm 選的標(biāo)準(zhǔn)接管14：1086mm 。出口接管 取接管內(nèi)的液體流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑 D2=33.16mm34mm 選的標(biāo)準(zhǔn)接管15：456mm 。管程水進(jìn)出口接管 取接管內(nèi)水流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑 d=mm129mm 選的標(biāo)準(zhǔn)接管15：1506mm 。1.4.6 其他附件 帶法蘭的封頭8：公稱(chēng)直徑為500mm,曲面高度為125mm,直邊高度為50mm,厚度為20mm。1.5 初選換熱器規(guī)格 計(jì)算的臥式固定換熱器的規(guī)格如下： 管子規(guī)格： 252.5mm 公稱(chēng)直徑D： 500mm 公稱(chēng)壓力P： 不大于105Pa 管程數(shù)N P ： 2 換熱管長(zhǎng)度L： 2.0m 傳熱管總根數(shù)NT： 156計(jì)算換熱面積： 24.44m2 管子排列方式： 正三角形錯(cuò)列所以選的標(biāo)準(zhǔn)臥式固定換熱器G500 -0.6-24.5的規(guī)格如下9: 管子規(guī)格： 252.5mm 公稱(chēng)直徑D： 500mm 公稱(chēng)壓力P： 0.6MPa 管程數(shù)N P ： 2 換熱管長(zhǎng)度L： 2.0m 傳熱管總根數(shù)NT： 164 中心排管數(shù)： 15公稱(chēng)換熱面積： 24.5m2管程流通面積： 0.0257 m2 管子排列方式： 正三角形錯(cuò)列1.6 換熱器核算1.6.1 核算總傳熱系數(shù) 計(jì)算管程對(duì)流傳熱系數(shù) 管程流體流通截面積 A=0.0257 m2 管程流體流速 u=m/s 雷諾數(shù) Re= 普蘭特?cái)?shù) Pr= =0.86.0930.4=3503.02 W/（m2）計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 現(xiàn)假設(shè)管外壁溫=41.7，則冷凝液膜的平均溫度為，這與其飽和溫度很接近，故在平均膜溫46.7下的物性可沿用飽和溫度51.7下的物性數(shù)據(jù)，t=t s-t w =51.7-41.7=10 =0.725 =865.33 W/（m2） 確定污垢熱阻10 Rso=1.7210-4 m2/W（有機(jī)液體） Rsi=2.010-4 m2/W（井水） 總傳熱系數(shù)K 碳素鋼11：=45 W/(m) K= =500.95 W/（m2）1.6.2 傳熱面積裕度 實(shí)際傳熱面積 A=m2 公稱(chēng)換熱面積A0=24.5 m2該換熱器的面積裕度F=15.5%為保證換熱器操作的可靠性，一般應(yīng)使換熱器的面積裕度大于15%25%12 所以該換熱器較為合適。 1.6.3 核算壁溫 t w =39.5 假設(shè)值可以接受。1.6.4計(jì)算壓降和核算 （1）計(jì)算管程壓降 P1,P2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，Pa Ft-結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對(duì)的管子取1.4 NP管程數(shù) Ns串聯(lián)的殼程數(shù) 取碳鋼的管壁粗糙度為0.1mm，則=0.005，Re=17020 由摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系圖13，讀得=0.034 NP=2，F(xiàn)t=1.4，Ns=1 =（976.18+861.33）1.421=5145.028Pa105Pa 管程壓降在允許的范圍內(nèi)。 （2）計(jì)算殼程壓力降 殼程為恒溫恒壓蒸汽冷凝，其壓降可忽略。 （3）總阻力 5145.028105Pa 該換熱器的總壓降也在允許范圍之內(nèi)。該換熱器可取。 1.7 匯總表表2 設(shè)計(jì)計(jì)算匯總表名稱(chēng) 單位 結(jié)果 正戊烷流量W hkg/h2777.78 正戊烷蒸汽進(jìn)口溫度51.7 冷卻水流量W ckg/h70000 冷卻水進(jìn)口溫度24 冷卻水出口溫度27.40熱負(fù)荷QkJ/h992778.572 總傳熱系數(shù)KW/（m2）500.95 實(shí)際傳熱面積m221.21 公稱(chēng)傳熱面積m224.5 面積裕度F-15.5% 管程流通截面積Am20.0257 管程流體流速u(mài)m/s0.759管程對(duì)流傳熱系數(shù)W/（m2）3503.02 管程壓降PiPa5145.028殼程對(duì)流傳熱系數(shù)0W/（m2）865.33殼程壓降P0Pa0總阻力Ps Pa5145.028表3 換熱器工藝尺寸匯總表名稱(chēng)單位結(jié)果管子規(guī)格mm252.5公稱(chēng)直徑DNmm500殼體壁厚mm20公稱(chēng)壓力PNMPa0.6管程數(shù)N P-2換熱管長(zhǎng)度Lm2.0傳熱管總根數(shù)NT根164中心排管數(shù)-15管子排列方式-正三角性錯(cuò)列管心距tmm32隔板中心到其最近一排管中心距離Smm22各程相鄰管的管心距mm44殼程進(jìn)口接管內(nèi)徑mm108殼程出口接管內(nèi)徑mm45管程水進(jìn)出口接管內(nèi)徑 mm150封頭公稱(chēng)直徑mm500封頭曲面高度mm125封頭直邊高度mm50封頭厚度mm20 設(shè)計(jì)總結(jié) 在設(shè)計(jì)的前期，通過(guò)去圖書(shū)館借書(shū)，看書(shū)，了解換熱器的結(jié)構(gòu)，傳熱特點(diǎn)和阻力性能等特點(diǎn)，查找相關(guān)物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，大致知道設(shè)計(jì)內(nèi)容要做什么和怎樣去做。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一步一步的計(jì)算，查找符合的換熱器，在進(jìn)行該換熱器的核算，看是否符合，不符合再進(jìn)行假設(shè)，直到符合為止。 上面設(shè)計(jì)的換熱器，通過(guò)核算總傳熱系數(shù)，總阻力，壁溫，都在符合范圍之內(nèi)，所以該換熱器是可行的。 也要對(duì)對(duì)該換熱器經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)價(jià)生命周期方法是一種針對(duì)產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程,它通過(guò)對(duì)能量和物質(zhì)消耗以及由此造成的廢棄物排放進(jìn)行辨識(shí)和量化,來(lái)評(píng)估能量和物質(zhì)利用對(duì)環(huán)境的影響,以尋求對(duì)產(chǎn)品或工藝改善的途徑。這種評(píng)價(jià)貫穿于產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝活動(dòng)的整個(gè)生命周期,包括原材料的開(kāi)采和加工、產(chǎn)品制造、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、產(chǎn)品使用與再利用、維護(hù)、再循環(huán)及最終處置。本設(shè)計(jì)中使用水作冷卻劑，無(wú)污染，耗資少，無(wú)有害氣體產(chǎn)生，整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單，易操作，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益良好。 而換熱器使用的好壞，也要經(jīng)常進(jìn)行定期檢查，維修和清洗的。特別是冷卻水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的操作，腐蝕生成物和水垢污垢等附著管壁，會(huì)降低傳熱系數(shù)而影響傳熱效率及增大壓降，因此必須通過(guò)清洗來(lái)改善換熱器的性能。 在設(shè)計(jì)的后期，就是通過(guò)設(shè)計(jì)出來(lái)的換熱器規(guī)格，把該換熱器的圖用A3的圖紙畫(huà)出來(lái)。以上就是在設(shè)計(jì)換熱器過(guò)程中的小小總結(jié)。 參考文獻(xiàn)1夏清 賈紹義主編 化工原理第二版上冊(cè) 天津大學(xué)出版社 2011