碳八分離工段乙苯冷凝器lj

1、 化 工 原 理 課 程 設(shè) 計(一) 碳八分離工段乙苯冷凝器設(shè)計(一)設(shè)計任務(wù)書3(二)概述及設(shè)計方案簡介4(1)碳八芳烴分離5(2) 換熱器的類型6(3)冷凝器的類型及其選擇7(三)設(shè)計條件及主要物性參數(shù)103.1 原始物性數(shù)據(jù)103.2 混合物物性相關(guān)計算公式113.3 混合物物性參數(shù)導(dǎo)出值匯總13(四)工藝設(shè)計計算134.1估算傳熱面積134.1.1 熱流量134.1.2 平均傳熱溫差144.1.3 傳熱面積144.1.4 冷卻用水量144.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸144.2.1 管徑和管內(nèi)流速144.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)154.2.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)154.2.4 傳熱排列和分

2、程方法164.2.5 殼體內(nèi)徑164.2.6 折流板164.3 冷凝器核算174.3.1 熱流量核算174.3.2 壁溫核算194.3.3 冷凝器內(nèi)流體的流動阻力204.3.4 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果22(5) 計算結(jié)果匯總表(6) 設(shè)計自我評述23(七)參考資料24(八)主要符號表25(一)設(shè)計任務(wù)書 作品名稱: 碳八分離工段乙苯冷卻器 熱流體:液體 組成摩爾分率乙 苯 對 二 甲 苯 間 二 甲 苯 98.3% 0.57% 1.13% 操作溫度:由131 冷循環(huán)水溫度:30,溫升10 冷凝負(fù)荷:3140000KJ/h 要求管程和殼程壓差均小于50kPa 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):臥式冷凝器(二)概述

3、及設(shè)計方案簡介(1)碳八芳烴分離碳八芳烴分離, 根據(jù)工業(yè)需要將碳八芳烴分離成單一組分或餾分的過程。目前，C芳烴分離的主要目的是獲得經(jīng)濟價值較高的對二甲苯和鄰二甲苯。因此，C芳烴分離又常常與碳八芳烴異構(gòu)化結(jié)合在一起，以獲得更多的對、鄰二甲苯。各種C芳烴間沸點很接近(表1C芳烴的沸點和凝固由C8芳烴中分出乙苯，工業(yè)上有三種方法：精餾，需用300400塊塔板，回流比為75；吸附分離，該法操作費用比精餾法低 1/3；色層分離，在分離對二甲苯的同時，也聯(lián)產(chǎn)乙苯。   鄰二甲苯分離  將鄰二甲苯與其他兩種異構(gòu)體分離約需100塊塔板。如果C8芳烴中含有少量的碳九芳烴,

4、則尚需另設(shè)30塊板的精餾塔以分離C8芳烴，才能得到較高純度的鄰二甲苯。   對二甲苯分離  分離間二甲苯和對二甲苯可采用低溫結(jié)晶、吸附分離或絡(luò)合萃取等方法鄰二甲苯沸點與對、間二甲苯的相差較大，可以通過精餾的方法分離。 (2) 換熱器的類型 換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式(3

5、)冷凝器的類型及其選擇 冷凝器是將工藝蒸氣冷凝為液體的設(shè)備,在冷凝過程中將熱量傳遞給循環(huán)水等冷卻劑。列管式冷凝器中所用的換熱表面可以是簡單的光管、帶助片的擴展表面或經(jīng)開槽、波紋或其他特殊方式處理過的強化表面。列管式冷凝器又臥式和立式兩種類型，被冷凝的工藝蒸氣可以走殼程，也可以走管程，其中臥式殼程冷凝和立式冷凝是最常用的形式。1.臥式殼程冷凝器 殼程上除設(shè)有物流進出口接管外，還設(shè)有冷凝排出口和不凝氣排出口。殼程蒸氣入口處裝有防沖板，以減少蒸氣對管束的直接沖擊。殼程中橫向弓形折流板或支撐板圓缺面可以水平或者垂直安裝。對于水平安裝的折流板，為了防止流體短路，切去的圓缺高度不宜大于殼體內(nèi)徑35%，折流

6、板間最小間距為殼體內(nèi)徑的35%，最大間距不宜大于殼體內(nèi)徑的2倍。為了便于排出冷凝液，折流板下緣開有槽口。這種水平安裝方式可以造成流體強烈擾動，傳熱效果好。對于垂直安裝的折流板，為了便于排出冷凝液，應(yīng)切去的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的50%。不論弓形折流板的圓缺面是水平還是垂直安裝，當(dāng)被冷凝工藝蒸氣中含有不凝氣時，折流板間距應(yīng)隨蒸氣冷凝而減小，以增強傳熱效果。當(dāng)冷、冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小時，在管外可以使用低翅管，翅高12cm。若要使冷凝液過冷，可以采用阻液型折流板。臥式殼程冷凝器的優(yōu)點是壓降小，冷卻劑走管程便于清洗。故選用此型冷凝器。（1） 水平管束外冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 工藝蒸氣在水平管束外冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用

7、下式計算。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： （1-1）水平管束冷凝： （1-2）式中，h *為無量綱冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；h0為冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)。 （1-3）式中，qm為冷凝液的質(zhì)量流量，kg/s；l為傳熱管長度，m；ns為當(dāng)量管數(shù)。（2） 管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 若管程流體無相變傳熱，則其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用下式計算。 （1-4） （1-5）式（1-4）的適用條件是：低黏度流體（<2×10-3Pas）雷諾數(shù) Re>10000；普朗特數(shù)Pr在0.6160之間；管長管徑之比l/d>50；定性溫度可取流體進出口溫度的算術(shù)平均值；特征尺寸取傳熱管內(nèi)徑di。2.臥式管程冷凝器 這種冷凝器的管

8、程多是單程或雙程。其中傳熱管長度和直徑的大小，以及傳熱管的排列方式取決于管程和殼程傳熱需要。管程采用雙程時，冷凝液可以在管程之間引出，這樣可以減少相液的覆蓋面積也可以減小壓降，同時，用減少第二程管數(shù)的方法使其保持質(zhì)量流速不變。在這種冷凝器中，蒸氣于冷凝液的接觸不好，因此對寬沸程蒸氣的完全冷凝是不適宜的，此外，由于冷凝液只是局部的充滿管道，因此過冷度較低。(三)設(shè)計條件及主要物性參數(shù) 3.1 原始物性數(shù)據(jù)(1) 殼程混合氣體的定性溫度為131。表2 混合物各純組分物性數(shù)據(jù)（T=131） 物性組分黏度（g）Pas黏度（l）Pas熱容（g）J熱容（l）J密度（l）Kg汽化焓J乙苯8.7000.000

9、2461172.844228.084765.4343.599對二甲苯8.5160.0002305169.440220.355760.4663.639間二甲苯8.6930.0002315169.743222.411764.5833.673(2) 管程流體的定性溫度為。表3 水的主要物性數(shù)據(jù)（T=35）密度kg汽化焓J比定壓熱容熱導(dǎo)率W黏度Pas992.3744.3504.1740.6200.00073993.2 混合物物性相關(guān)計算公式（1） 液體混合物的密度式中：1,2,n 液體混合物中各純組分液體的密度，Kgm-3;w1，w2 ，wn液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（2） 氣體混合物密度:m

10、=11+22+nn式中： 1,2,n 在氣體混合物的壓力下各純組分的密度，Kgm-3;1,2,n氣體混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。（3） 低壓氣體混合物黏度計算公式：式中：m混合氣體的黏度；yi 氣體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)；i與氣體混合物相同溫度下某一組分的黏度；Mi氣體混合物中某一組分的相對分子量。（4） 分子不發(fā)生締合的液體混合物黏度計算公式：式中：m液體混合物的黏度；i液體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)；i與液體混合物相同溫度下某一組分的黏度。（5） 低壓氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)：式中：i組分i傳熱系數(shù)；Mi氣體混合物中某一組分的相對分子質(zhì)量。（6） 液體混合物導(dǎo)熱系數(shù)：式中：i組分i傳熱系數(shù)；w

11、i液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；r 指數(shù)，一般情況下取為-23.3 混合物物性參數(shù)導(dǎo)出值匯總表3 混合物物性參數(shù)密度kg汽化焓J黏度(l)Pas黏度(g)Pas熱導(dǎo)率（g）765.4043.6000.00025238.6010.019593(四)工藝設(shè)計計算4.1估算傳熱面積4.1.1 熱流量根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所給的要求：熱流量 =3140000kJ/h=872.22（kW）4.1.2 平均傳熱溫差 先按純逆流計算得：=95.91()4.1.3 傳熱面積由于管程走的是冷水，殼程走的是輕有機物，故假設(shè)K=470W/(m2)，則估算的傳熱面積為：4.1.4 冷卻用水量=75227.41kg4.2

12、工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.2.1 管徑和管內(nèi)流速 選用19較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速。4.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)按單程管計算，所需的傳熱管長度為根據(jù)本設(shè)計要求，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=1.8米，則該冷凝器的管程數(shù)為Np=(管程)傳熱管總根數(shù) NT=Nn=（根）4.2.3 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= P=對單側(cè)溫度變化流體，折流、并流、逆流的平均傳熱溫差相等，即=1,則95.91=95.91（） 4.2.4 傳熱排列和分程方法 采用組合排列法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩形排列。取管心距t=1.25,則t=1.25

13、19=23.75隔板中心到離其最近一排管中心距離為各程相鄰管的管心距為37mm。每程各有傳熱管100根。4.2.5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，殼體內(nèi)徑為=1.05=444（mm）可。4.2.6 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%，則切去的圓缺高度為h=0.25，故可取h=110mm。去折流板間距B=0.3D，則B=0.3，故可取B=150mm。折流板=折流板圓缺面水平裝配。4.3 冷凝器核算4.3.1 熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用恩克法計算： 當(dāng)量直徑，依式得：殼程流通截面積依式得：殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普朗特數(shù) 黏度校正 1(2

14、) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管程流體流通截面積管程流體流速Re=普朗特數(shù)（3）污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)測污垢熱阻 管壁熱阻，碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為50W/(m。所以 =0.00004K/W（4）傳熱系數(shù) +0.0004+0.00004)=544（5）傳熱面積裕度 )該冷凝器的實際傳熱面積 A=)該冷凝器的面積裕度 H=傳熱面積裕度合適，該冷凝器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.3.2 壁溫核算 液體的平均溫度() 氣體的平均溫度() 傳熱管平均壁溫 =25.3()殼體壁溫，可近似取課程流體的平均溫度，即T=131()。殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 ()該溫差較大，故需設(shè)溫度補償裝置。4.3.3 冷

15、凝器內(nèi)流體的流動阻力（1） 管程流體阻力 , 由，冷凝管相對粗糙度，查莫狄圖得i=0.048，流速u=0.75m/s,=992.374kg，所以()()（2）殼程阻力 + ,流體流經(jīng)管數(shù)的阻力F=0.5,流體流過折流板缺口的阻力，0.15m，D=0.45m=11總阻力經(jīng)比較可知，系統(tǒng)總阻力符合設(shè)計所給要求。4.3.4 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸見表4 冷凝器計算結(jié)果見表5表4 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)管程殼程流率（kg/h）75227進出/口溫度（）30/40131/131壓力（Pa）35860物性定性溫度（）35131密度（kg/m3）992.374765.404定壓比熱

16、容J4.1742.15黏度（Pa/s）0.00024520.0007399熱導(dǎo)率W/(mK)0.6200.019593普朗特數(shù)4.980.54設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式立式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑（mm）450殼程數(shù)1管徑（mm）19管心距（mm）25管長（mm）1800管子排列管數(shù)目（根）100折流板數(shù)（個）11傳熱面積（m2）21.5折流板間距（mm）150管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼表5 計算結(jié)果主要計算結(jié)果管程殼程流速（ms-1）0.9163.6表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2K)45552078污垢熱阻(m2K)/W0.00060.0004阻力（MPa）1004222223熱流量（kW）872.22傳熱溫差（）95.91傳熱

17、系數(shù)W/(m2K)544裕度（%）28.7(五)設(shè)計自我評述 通過這次課程設(shè)計，我學(xué)到了很多化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識。首先，從整個設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果來看。由于首次做這樣的設(shè)計，所以感到有些難度，不過經(jīng)過我努力研究，此次設(shè)計的立式冷凝器基本滿足要求，凝器的面積裕度、總阻力的各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。其次，在完成整個設(shè)計方案的過程中，由于缺乏經(jīng)驗，對一些參數(shù)的選取不是很順利，很多參數(shù)都是經(jīng)過反復(fù)驗算才得到最后的結(jié)果，但最終終于設(shè)計出合理的方案。通過此次課程設(shè)計，我重新復(fù)習(xí)了CAD制圖,學(xué)習(xí)了怎么去圖書館以及網(wǎng)上查閱資料及參考文獻, 學(xué)能力有了進一步提高。做設(shè)計時，需要考慮很多因素，這培養(yǎng)我們謹(jǐn)慎的品質(zhì)。此外，由于這是我第一次做課程設(shè)計，因此在設(shè)計某些方面還有不足之處，不過經(jīng)過我努力的工作，最后設(shè)計出的冷凝器是較為合理的。(六)參考資料化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計 主編：匡國柱 出版社：化學(xué)工業(yè)出版社 化工原理 主編：大連理工大學(xué) 出版社：高等教育出版社 化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊 有機卷2 鏈接： (七)主要符號表 Q 熱流量 m 質(zhì)量 工藝流體定壓比熱容 工藝流體的溫度變化 蒸氣冷凝質(zhì)量流量 飽和蒸氣的冷凝熱 w質(zhì)量分?jǐn)?shù) 平均傳熱溫差 溫差校正系數(shù) 估