課程設(shè)計(jì)---正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)- 計(jì)一正戊烷冷凝器的設(shè)江漢大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)說明書化學(xué)與環(huán)境工程 學(xué)院 化工 系化學(xué)工程與工藝專業(yè)目：2.0X10噸/年正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)老師: 起止時(shí)間:201009102126周富榮老師任務(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-C,冷凝液于飽和液體下離開冷凝器;(2) 冷卻介質(zhì)為地下水，流量為70000kg/h,入口溫度：24C；(3) 允許壓強(qiáng)降不大于lOTa；(4) 每年按300天計(jì)；每天24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 處理能力:20X104t/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)方案簡介；2、換熱器的工藝計(jì)

2、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)說明書內(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概述1L 2確定物性數(shù)據(jù)21. 2.1確定流體流動(dòng)空間21- 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31. 3.1熱負(fù)荷31. 3. 2有效平均溫度差31. 3. 3估算傳熱面積3L 4工藝結(jié)構(gòu)尺寸3L 4.1管徑和管內(nèi)流速31. 4. 2管程數(shù)和傳熱管數(shù)41- 4. 3傳熱管排列和分程方法41. 4.4殼體內(nèi)徑4接管51. 4. 6其他附

3、件51. 5初選換熱器規(guī)格6L 6換熱器核算71. 6.1計(jì)算總傳熱系數(shù)71. 6. 2傳熱面積裕度81- 6. 3核算壁溫81. 6. 4計(jì)算壓降和核算9L 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。雖然直接接觸式和莆熱式換熱設(shè)

4、備具有結(jié) 構(gòu)簡單，制造容易等特點(diǎn)，但由于在換熱過程中，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)過反復(fù)比較，使所設(shè)計(jì)

5、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，檢査孔與敷設(shè)保溫層。(4) 經(jīng)濟(jì)合理評價(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)備的購置費(fèi)、安裝費(fèi)等)與操作費(fèi)(動(dòng)力費(fèi)、淸洗費(fèi)、維修費(fèi)等)

6、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，它對清洗無 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，以提高對流傳熱系 數(shù)。綜合上述原則，對本次設(shè)計(jì)：冷卻水走管程，正戊烷走殼程。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、7*Co(2) 井水的定性溫度：a.入口溫度tt=24Cob有設(shè)計(jì)要求的正戊烷的流量：“普黑2777.7恥/hc. 熱負(fù)荷1： r=357.4kj/kg ,Q=Wh r=2777. 78X357. 4=99277& 572kJ/hd. 在305(TC之間水的定壓比熱容1： 4.174kJ/(Kg- *C)c丄 992 .572 +24,7.40WcCpc 70000 x 4.174it. r fi + 24 + 27.40e. 井水的定性溫度： = - = 25.70 C兩流體的溫度T-t=51. 7-25. 70=26. 00C 50C,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

8、定性溫度下的物性參數(shù)如表1 1表1 兩流體物性參數(shù)流體溫度，C密度，kg/m3比熱容， kJ/(Kg C)粘度，Pa s導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m C)正戊烷51.75962. 341. 80X10”0.13井水25. 70996. 7754.1788. 89X100. 60961. 3估算傳熱面積L3. 1 熱負(fù)荷0=99277& 572kJ/h二275. 77kW1. 3. 2有效平均溫度差逆流溫度= 25.96 C(51 7 - 27.40) - (51.7 24)1 51.7-27.40In51.7-241. 3. 3傳熱面積高溫流體為有機(jī)物粘度05X10as以下，低溫流體為水時(shí)，總傳熱系數(shù)范

9、圍2： 430850W/(m2K)。先暫取K=500/m2K則估算的傳熱面積咼_ 275.77x10500x25.96=21.25m3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. 15X21. 25=24. 44m21.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸管徑和管內(nèi)流速管徑為25mm x 2. 5mm, 一般液體的流速3： 053 m/s,取管內(nèi)流速為 u=0. 8m/so管程數(shù)和傳熱管數(shù)470000單程傳熱管數(shù)= 3600xS）96；77 = 77.7 78 （根） 兀- x0.8 a： u4按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為L=蘭出=3.99加 4mons 3.14 x 0

10、.025 x 78按單程管設(shè)計(jì)，傳熱管過長，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1=2. 0m,則該換熱器的管程數(shù)為2卜卜2（管程）傳熱管總根數(shù)N 丫 =78 X 2=156 （根）1. 4. 3傳熱管排列和分程方法5對于多管程換熱器，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=l. 5L=1. 25X25=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22X2=44mmo殼體內(nèi)徑6對于按正三角形排列的管子，nc=l. lvn =

11、1.1x7156 =13.74 14 （根）D=t （nc-l）+2b，D殼體內(nèi)徑，mbz管束中心線上最外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取bf = (1 1.5) do Abz =1.5 do=l. 5X25=37. 5nnnoAD=t(nc-l)+2b, =32 X (14-1) +2X37. 5=491mm500mm最小壁厚：10mm,取20mmo1. 4. 5接管流速u的經(jīng)驗(yàn)值可取6：對液體：u=1.52m/s對蒸氣：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/ms ,則接管內(nèi)徑3600 x3.585x3.14x304x2力7

12、.78=95. 6mm96mm選的標(biāo)準(zhǔn)接管14： 0108 X 6mm。出口接管 取接管內(nèi)的液體流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑rI 4x2777.78“ “D2= AI=、=33. 16mm34mm mi V3600 x596x34xl5選的標(biāo)準(zhǔn)接管15：45X6mm。管程水進(jìn)出口接管4 x 7000036OO X996.775 x 3.14xl.5取接管內(nèi)水流速為1. 5m/s,則接管內(nèi)徑=128.7 mm 129mm選的標(biāo)準(zhǔn)接管15： 曠+丄3503.02 x 0.020.0245 x 0.0225865.33=500. 95 W/ Cm - C)1. 6. 2傳熱面積裕度宀葉廿古打 .

13、Q 275.77xlO? 2實(shí)際傳熱面積A= = 21.21m2K公稱換熱面積A=245 m2該換熱器的面積裕度廠蟲二。=245-2121 =15. 5%A21.21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. & 3核算壁溫T tw _ tw t 丄+心丄+ R G)匕51.7 譏 _24! + 1.72x1 O4! + 2.0x10865.333503.02t 二39.59假設(shè)值可以接受。計(jì)算壓降和核算(1)計(jì)算管程壓降工恥=(洌+妙2)好竹他乙匕，乙巳一分別為宜管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，Pa人一結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1,對25x

14、2.5nmi的管子取1. 4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4 = =0. 005, Re=17020 20由摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系圖13,讀得X =0. 034y曲=2 = 0.034xdi 22996.775 xO.759?002X 2=97 6 ASP a=3嚴(yán).775 x 0.7592 希 33加2Nr=2, Ft=L 4, Ns=l=(976. 18+861. 33) X1. 4X2 X 1=5145. 028Pa lOa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) 總阻力幾=5145. 028 1

15、0sPa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)算匯總表名稱單位結(jié)果正戊烷流量W hkg/h2777. 78正戊烷蒸汽進(jìn)口溫度C51.7冷卻水流量W Ckg/h70000冷卻水進(jìn)口溫度c24冷卻水出口溫度c27. 40熱負(fù)荷Qkj/h992778. 572總傳熱系數(shù)KW/ (m2 C)500. 95實(shí)際傳熱面積m221.21公稱傳熱面積m224.5面積裕度F15. 5%管程流通截面積Am20. 0257管程流體流速Um/s0. 759管程對流傳熱系數(shù)W/ (m2 C)3503. 02管程壓降EAP1Pa5145. 028殼程對流傳熱系數(shù)a。W/ (m2- *C

16、)865. 33殼程壓降E APoPa0總阻力匕Pa5145. 028表3換熱器工藝尺寸匯總表名稱單位結(jié)果管子規(guī)格mm025X2.5公稱直徑DNmm500殼體壁厚mm20公稱壓力PNMPa0.6管程數(shù)N,2換熱管長度Lm2.0傳熱管總根數(shù)M根164中心排管數(shù)一15管子排列方式正=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，通過去圖書館借書，看書，了解換熱器的結(jié)構(gòu)，傳熱

17、特點(diǎn)和阻力性能等特點(diǎn)，査找相關(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)過程中，一步一步的計(jì)算，査找符合的換熱器，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。也要對對該換熱器經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益進(jìn)行評價(jià)生命周期方法是一種針 對產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對環(huán)境影響進(jìn)行評價(jià)的過程，它通過對能量和物質(zhì)消耗 以及由此造成的廢棄物排放進(jìn)行辨識和量化,來評估能量和物質(zhì)利用對環(huán) 境的影響，以尋求對產(chǎn)品或工藝改善的途徑。這種評價(jià)貫穿于產(chǎn)品生產(chǎn)、工 藝活動(dòng)的整個(gè)生命周期,包括原材料的開采和加工、

18、產(chǎn)品制造、運(yùn)輸、銷售、 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, 無污染，耗資少，無有害氣體產(chǎn)生，整個(gè)過程簡單，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)行定期檢査，維修和清洗的。特別 是冷卻水經(jīng)過長時(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，因此必須通過清洗來改善換熱器的 性能。在設(shè)計(jì)的后期，就是通過設(shè)計(jì)出來的換熱器規(guī)格，把該換熱器的圖用 A3的圖紙畫出來。以上就是在設(shè)計(jì)換熱器過程中的小小總結(jié)。參考文獻(xiàn)1 夏清賈紹義主編 化工原理第二版上冊天津大學(xué)出版社2011年P(guān)335, P338, P343, P345, P3462 夏淸賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學(xué)出版社2011年P(guān)3633 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學(xué)出版社2011年P(guān)2874 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊 天津大學(xué)出版社2011年P(guān)185 大連理工大學(xué)化工原理教研室編化工原理課程設(shè)計(jì)大連理工大學(xué)出版社1997年 P386 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學(xué)出版社2011年P(guān)2897 夏清賈紹義主編化工原理第二版上冊天津大學(xué)出版社2011年P(guān)2898 熊潔羽編化工制圖化學(xué)工業(yè)出版社2007年 P3819 夏清