年產(chǎn)6萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)

1、年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)以正己烷為熱流體， 循環(huán)水為冷流體。 根據(jù)正己烷在飽和溫度下冷凝 的傳熱過程， 設(shè)計(jì)出符合工藝要求的換熱器。 首先，通過對(duì)整個(gè)換熱過程進(jìn)行物 料衡算和熱量衡算， 確定采用固定管板式換熱器， 由計(jì)算可知換熱器的熱負(fù)荷為 704.44 kW，冷卻水流量為 60698.56 kg/h ；其次，根據(jù)有效平均溫差可估算換 熱面積，并計(jì)算出換熱器的傳熱管長(zhǎng)為 4.5 m，數(shù)目為 136根，殼體內(nèi)徑為 500 mm； 最后, 對(duì)所設(shè)計(jì)的換熱器進(jìn)行熱量、溫度和壓強(qiáng)的核算，發(fā)現(xiàn)該換熱器的面積裕 度為 21

2、.9%，且溫度、壓強(qiáng)的核算結(jié)果都符合設(shè)計(jì)工藝要求，說明該換熱器能滿 足生產(chǎn)需要。關(guān)鍵詞： 正己烷；冷凝器；工藝尺寸；設(shè)計(jì)計(jì)算年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)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年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院

6、 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄1 緒 論 11.1 換熱器的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 11.1.1 換熱器的分類 11.1.2 換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 21.2 換熱器的設(shè)計(jì)和選型依據(jù) 21.3 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件 31.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 31.3.2 操作條件 31.3.3 設(shè)計(jì)步驟 32 設(shè)計(jì)計(jì)算 42.1 確定設(shè)計(jì)方案 42.1.1 確定流體的流動(dòng)空間 42.1.2 確定物性參數(shù) 42.2 計(jì)算總傳熱系數(shù) 42.2.1 熱流量 42.2.2 冷卻水用量 52.2.3 計(jì)算有效平均溫度差 52.2.4 選取經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù) K 值 52.2.5 估算換熱面積 52.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算 52.3.1 管徑

7、和管內(nèi)流速 52.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 52.3.4 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 62.3.5 傳熱管排列和分程方法 62.3.6 殼體內(nèi)徑 62.3.7 折流板 62.3.8 接管 72.4 換熱器的核算 72.4.1 熱量核算 72.4.2 核算壁溫 92.4.3 壓降校核 93 結(jié) 論 11參考文獻(xiàn) 錯(cuò) 誤！未定義書簽。III年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒論換熱器又稱熱交換器，能在兩種不同溫度的流體間傳遞熱量，到目前為止， 換熱器已經(jīng)有近百年的發(fā)展歷史了。 換熱器在化工生產(chǎn)過程中對(duì)熱量的傳遞和交 換起著重要的作用， 是石油、 化工、食品以及許

8、多其他工業(yè)部門的的通用設(shè)備之 一，在生產(chǎn)和生活中占有非常重要的地位。 尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中， 換熱器可用做 冷凝器、加熱器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用非常的廣泛。近年來，由于能源和材 料費(fèi)用的不斷增加， 合理的節(jié)約利用能源有著非常重要的作用， 因此提高換熱器 的工藝設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)出傳熱效率高、成本低、投資小、能耗低的換熱器對(duì)合理 利用能源有著十分重要的作用。1.1 換熱器的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1.1 換熱器的分類(1) 換熱器按照其傳熱的原理可以分為直接接觸式換熱器，蓄能式換熱器和 管板式換熱器 1 。(2) 按傳熱的種類分為無相變和有相變的傳熱。(3) 按照結(jié)構(gòu)分類有浮頭式換熱器、固定板式換熱器、填

9、料函式換熱器、 U 形管式換熱器、雙殼程換熱器等。(4) 按折流板分布分類可分為弓形換熱器、雙弓形換熱器、三弓形換熱器、 螺旋弓形換熱器。(5) 按板狀分類可分為螺旋板換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板式蒸 發(fā)器、穿孔板換熱器等。(6) 按密封方式分為螺旋鎖緊環(huán)換熱器、薄膜密封換熱器、鋼墊圈換熱器、 密封蓋板式換熱器。(7) 空冷式換熱器分為干式空冷器、濕式空冷器、干濕聯(lián)合空冷器等。(8) 按材料可分為金屬類和非金屬類。其中金屬又分低合金鋼、高合金鋼、 低溫鋼、稀有金屬。(9) 按強(qiáng)化傳熱元件分為螺紋管換熱器、 異型管換熱器、表面多孔管換熱器、年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 201

10、4 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)螺旋扁管換熱器、縱槽管換熱器、翅管換熱器、螺旋繞管式換熱器等。1.1.2 換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1) 固定管板式換熱器 2 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是由殼體、管板、管束、折流擋板等 部件組成。因其造價(jià)比較低廉，清洗容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。(2) 浮頭式換熱器其中一端的管板與殼體不固定連接，能在殼體中自由伸縮， 而且管束可以抽出來，清洗方便，可用于高溫、高壓、管程易腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重的 場(chǎng)合。但是它的確定是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本很高。(3) U形管換熱器的換熱管是 U形的，只有一個(gè)管板，管束能自由伸縮，可 以抽出，便于清洗。該換熱器的生產(chǎn)成本低，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能在高溫、高壓、 易結(jié)垢、易腐

11、蝕的場(chǎng)合下使用。(4) 填料函式換熱器管束的一端可以自由伸縮，結(jié)構(gòu)比浮頭式換熱器要簡(jiǎn)單， 造價(jià)也比較低。但不能用于處理易燃、易爆、易揮發(fā)、有毒的和貴重的介質(zhì)。(5) 折流桿換熱器的防震效果最好，大大減小了殼程壓降，節(jié)省能源，能用 加強(qiáng)流體擾動(dòng)的方法來提高傳熱系數(shù)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。(6) 板式空冷器是由板束、風(fēng)機(jī)、水箱、噴淋等部件組成的，比較節(jié)水，能 減小環(huán)境污染，而且傳熱效率比較高，體積小，設(shè)備的造價(jià)低廉，安裝、清洗方 便。1.2 換熱器的設(shè)計(jì)和選型依據(jù)(1) 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件設(shè)計(jì)者應(yīng)該按照流體的熱力學(xué)參數(shù)、 物化性質(zhì)以及傳熱量等工藝條件， 計(jì)算 流體的熱力學(xué)參數(shù)， 盡可能地提高

12、所設(shè)計(jì)的換熱器的傳熱效率。 要強(qiáng)化換熱器的 傳熱效果可以通過增加傳熱面積，提高平均溫差和增大傳熱系數(shù)等方法實(shí)現(xiàn) 3 。(2) 安全可靠從安全可靠性方面考慮， 換熱器在進(jìn)行強(qiáng)度， 剛度、溫差應(yīng)力和使用壽命等 方面的計(jì)算時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照國(guó)家的有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。(3) 有利于安裝、操作和維修換熱器的安裝應(yīng)該方便運(yùn)輸、 拆卸和維修， 另外從節(jié)省成本方面考慮， 直立 安裝的費(fèi)用一般比水平或者傾斜安裝的費(fèi)用低。年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(4) 經(jīng)濟(jì)合理 在進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型時(shí)， 如果有幾種換熱器都能達(dá)到生產(chǎn)要求， 一般會(huì)選擇一 定時(shí)間內(nèi)設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用最小的換熱

13、器。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)處理能力： 6 104 t/a 正己烷1.3.2 操作條件(1) 操作壓力：常壓；(2) 每年按 330天，按 24 h連續(xù)運(yùn)行；(3) 正己烷：冷凝溫度 68.95 ，冷凝液于飽和溫度下離開冷凝器；(4) 冷卻介質(zhì)：自來水，入口溫度 25 ，出口溫度 35 ；(5) 允許壓降 :不大于 105 Pa。1.3.3 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)一款年處理 6 萬噸正己烷冷凝器，其設(shè)計(jì)步驟：(1) 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案；(2) 確定換熱器類型與主要結(jié)構(gòu)；(3) 根據(jù)換熱量要求，估算計(jì)算總傳熱面積；(4) 計(jì)算換熱器的工藝尺寸；(5) 核算傳熱系數(shù)并計(jì)

14、算換熱器的面積裕度是否合適；(6) 核算換熱器的傳熱能力以及流體阻力。年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)2 設(shè)計(jì)計(jì)算平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)2.1 確定設(shè)計(jì)方案2.1.1 確定流體的流動(dòng)空間 正己烷飽和蒸汽宜走管間，有利于正己烷的散熱和冷凝，便于及時(shí)排走冷凝液， 而且蒸汽較潔凈，它對(duì)清洗無要求。冷卻水應(yīng)走管程。2.1.2 確定物性參數(shù) 冷卻介質(zhì)為循環(huán)冷卻水， 進(jìn)口溫度 25 ，出口溫度 35 ；正己烷在飽和溫度下 被冷卻為液體，定性溫度可取流體進(jìn)口溫度的平均值：25 35 管程水的定性溫度為 t 25 35 30 2 殼程正己烷的定性溫度為 68.95 兩流體的溫差： t 68.95

15、 30 38.95 因?yàn)閮闪黧w的溫差小于 50 ，故選用固定管板式換熱器。 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù) 4見表 1表 1 正己烷和水的物性數(shù)據(jù)名稱密度比熱容黏度導(dǎo)熱系數(shù)汽化熱物質(zhì)kg/m3kJ (/ kg )Pa sW/(m )kJ/kg冷卻水995.684.178810-40.6162258.40正己烷612.782.451.9610-40.112334.752.2 計(jì)算總傳熱系數(shù)2.2.1 熱流量(1) 熱流體的流量 qmo6 10 4 103330 247575.76 kg/h年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(2) 熱負(fù)荷： Q qmo7575.76

16、 334.75 2535985.66 kJ/h704.44 kW2.2.2 冷卻水用量進(jìn)行能量衡算，則冷卻水的流量為：qmicp t2535985.664.178 35 2560698.56kg/h2.2.3 計(jì)算有效平均溫度差逆流溫差 t m,逆38. 74 (68. 95 - 25)-(68. 95 - 35) ln( 68.95 25)/( 68.95 35)2.2.4 選取經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù) K 值根據(jù)管程走冷卻水，殼程走正己烷，總傳熱系數(shù) 3 K=467814 W/(m)，現(xiàn)暫取K=500 W/(m)2.2.5 估算換熱面積QK t m, 逆704. 44 103500 38. 7436.

17、372.3 工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算2.3.1 管徑和管內(nèi)流速選用 25 mm2.5 mm 傳熱管(碳鋼)，取管內(nèi)流速 5 i 0.8 m/s2.3.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)(1) 依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)V 60698. 56 /( 995. 68 3600)2 67. 468 根0. 785 0. 02按單程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 0.8di u4i年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)Adons36. 373.14 0. 025 686. 8(3) 按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過長(zhǎng)，采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) L=4.5 m，則該6.8 換熱器管程數(shù)為 Np

18、6.8 2(管程)4.5傳熱管總根數(shù) N 68 2 136 根2.3.4 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)：R 熱流體的溫降 0 0R0 冷流體的溫升 10冷流體的溫升兩流體的最初溫差1043. 950. 23按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，查溫差校正系數(shù)表 3可知 t 1平均傳熱溫差 t m t t m, 逆 1 38. 74 38. 74 2.3.5 傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。取管心距a 1.25do ，則：a 1. 25 25 31. 25 32 mm橫過管束中心線的管數(shù) nc 1.19 N 1.19 136 14根2.3.6

19、 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率 0. 7 ，則殼體內(nèi)徑為： D 1.05a N/ 1.05 32 136 / 0. 7 468. 34 mm 圓整可取 D=500 mm2.3.7 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)為 h 0.25 500 150 mm，故可取 h=150 mm。取折流板間距 B=0.3D，則B 0.3 500 150 mm，可取 B為 150。折流板 NB 傳熱管長(zhǎng) / 折流板間距 - 1 4500 / 150 - 1 29 塊 折流板圓缺面水平裝配。2.

20、3.8 接管流速 u的經(jīng)驗(yàn)值5可?。簩?duì)液體： u=1.52 m/s對(duì)蒸汽： u=2050 m/s(1) 殼程流體進(jìn)口接管：取接管進(jìn)口蒸汽流速為 u 25 m/s，正己烷蒸汽的密度 為 3. 25 kg/m3 ，則接管內(nèi)徑為：d14V4 7575. 76 /( 3600 3. 25)3. 14 250. 182 m圓整后取 D=200 mm(2) 殼程流體出口接管：取管內(nèi)液體流速 u 0.5 m/s，正己烷液體密度612. 78d20.094 m圓整后取 D=100 mm(3) 管程流體進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速 u 1. 5 m/s，則接管內(nèi)徑為：d 4 60698. 95 /( 360

21、0 995. 68) 0.12 m3. 14 1. 5圓整后取 D=150 mm2.4 換熱器的核算2.4.1 熱量核算(1) 計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù) o 。因?yàn)榱⑹焦軞な綋Q熱器，殼程為正己烷飽和蒸汽冷凝為飽和液體后離開換熱器， 故可按蒸汽在垂直管外冷凝的計(jì)算公式計(jì)算年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1. 13(g 2 3 ) 14 ) Lt現(xiàn)假設(shè)管外壁溫 t w 55 ，則冷凝液膜的平均溫度為0.5 (tst w)0.5 ( 68. 95 55) 61. 975 這與其飽和溫度很接近，故在平均膜溫度 61.975 下的物性數(shù)據(jù)沿用飽和溫度68.95 下的數(shù)據(jù)：

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)管程流通截面積：i0.023dii Re0.8 Pr0.4Si0. 785 0.022 136 / 2 0. 0214 m(2) 管程對(duì)流傳熱系數(shù)管程流體流速： ui60698. 56 /( 3600 995. 68) 0.79 m/si 0. 017雷諾數(shù)： Rei0. 02 0.79 4995. 68 196658 10 4普蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr4. 178 103 8 10 40. 6165. 43平頂山學(xué)院 2

23、014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)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) 傳熱面積裕度：計(jì)算可得傳熱面積AQKtm3704. 44 103238. 74 m2 469.4 38.74該換熱器的實(shí)際傳熱面積： AdoN(L 0. 03) 47.72 m2則該換熱器的面積裕度 ： H47.72 - 38.74 100% 21.9%38.74傳熱面積裕度合適 15%H25

24、%，所以此換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)。2.4.2 核算壁溫核算壁溫時(shí)，一般忽略管壁熱阻，按下列公式 3 近似計(jì)算：T t w1Rsoot t w68. 95 t w10. 000086692.2t w 301t w 53.14 ，與假設(shè)溫度很接近，可以接受。2.4.3 壓降校核(1) 計(jì)算管程壓降。pi( p1p2)FtNpNs(Ft結(jié)垢校正系數(shù)， Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù))Ft=1.4，Np=2，Ns=1p1L idu22，p2u22年產(chǎn) 6 萬噸正己烷冷凝器設(shè)計(jì)平頂山學(xué)院 2014 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)取碳鋼的管壁粗糙度為 0.1mm，則相對(duì)粗糙度 e/ d 0. 1 / 20 0. 005，因?yàn)镽e

25、i 19665 ，由布拉修斯式 20. 316 Re 0. 25 (適用條件 4000 Re 10000)0. 316 19665 0.25 0.0273因?yàn)榱魉?ui0.79 m/s， i 995. 68 kg/m 3，則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管程流動(dòng)阻力在允許范圍內(nèi)。(2) 殼程阻力po( p1p2)Ft NsNs1，F(xiàn)t1.15流體流經(jīng)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?yàn)?D=500 mm，折流擋板間距 B=0.15 m殼程流通面積AoB(D ncdo)0.15(0.514 0. 025)0. 0225 m2殼程流速 uoqmo