課程設(shè)計(jì)---正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)

1、3程設(shè)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(shuō)明書(shū)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院化工 系化學(xué)工程與工藝專業(yè)題目：2.0義1。4噸/年正戊烷冷凝器的設(shè)計(jì)姓 名:學(xué) 號(hào):指導(dǎo)老師:起止時(shí)間:201009102126周富榮老師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-C；(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:2.0X104t/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、；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L 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22. 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4L

3、 4. 5接管51. 4. 6其他附件51. 5初選換熱器規(guī)格61. 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9L7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

4、式三類。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

5、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

6、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)中各物性的溫度稱為定性溫度。一般取流體的平均溫度。(

7、1)正戊烷的定性溫度：T=51.7*Co(2)井水的定性溫度：a.入口溫度七:24。b.有設(shè)計(jì)要求的正戊烷的流量：W產(chǎn)言胃二2777.78kg/hc.熱負(fù)荷1：尸357.妹J/kg ,Q=Wh r=2777. 78X357. 4=992778. 572kJ/hd.在3050c之間水的定壓比熱容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.井水的定性溫度：t=J_- = 25.70 22逆流溫度(51.7-27.40)-(

8、51.7-24)=25.96-C兩流體的溫度T-t=51. 7-25. 70=26. 00 < 50,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1 1表1兩流體物性參數(shù)流體溫度，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. 89X10”0. 609651.7-241. 3. 3傳熱面積高溫流體為有機(jī)物粘度0.5Xl(TTa-s以下，低溫流體為水時(shí)，總傳熱 系數(shù)范圍2： 430850W/底K)。先暫取NSOO/n?

9、K則估算的傳熱面積A二: a_ 275.77 x10s-500x25.96=21.25m2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 3估算傳熱面積L3. 1 熱負(fù)荷 0=992778. 572kJ/h=275. 77kW1. 3. 2有效平均溫度差 =1. 15X21. 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6 25mm x 2. 5mm, 一般液體的流速3： 0. 53 m/s,取管內(nèi)流 速為 u=0. 8m/so1. 4. 2管程數(shù)和傳熱管數(shù)470000單程傳熱管數(shù) 幾= 3600x996.775 =77.7078（根

10、）乃 720,785x0.02- x0.8丁j 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為424.44 個(gè)2,L= 3.99m 4m7tilons 3.14 x 0.025 x 78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)1=2. 0m,則該換熱器的管程數(shù)為N尸彳= g = 2（管程）傳熱管總根數(shù)Nt=78X 2=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=l. 5<L=1. 25X25=31. 25mm32mm隔

11、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=44mmo1.4.4殼體內(nèi)徑6對(duì)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殼體內(nèi)徑，mb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' = (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的經(jīng)驗(yàn)值可取

12、6：對(duì)液體：u=L52m/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/ms ,則接管內(nèi)徑Di=3600 x3.585x3.14x304x2777 .78=95. 6mmQ961nm選的標(biāo)準(zhǔn)接管14： 0108X 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、甌 I 4x2777.78”，之D2= AI=、=33. 16mm34mm mi V3600 x596x3.14xl.5選的標(biāo)準(zhǔn)接管151：45X6mm。管程水進(jìn)出口接管4 x 700003600 X 996.775 x 3.14xl.5取接管內(nèi)水流速

13、為1. 5m/s,則接管內(nèi)徑=128.7129mm選的標(biāo)準(zhǔn)接管15： <P150X6mm o1. 4. 6其他附件帶法蘭的封頭8：公稱直徑為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:15管子規(guī)格：公稱直徑D：公稱壓力P：管程數(shù)Np ：換熱管長(zhǎng)度L： 傳熱管總根數(shù)Nt： 計(jì)算換熱面積：管子排列方式:025X2. 5mm500mm不大于105Pa22. Om15624. 44m2正三角形錯(cuò)列所以選的標(biāo)準(zhǔn)臥式固定換熱器G500 11-0.6-24.5的規(guī)格如下9:管子規(guī)格: 公稱直徑D：公稱壓力P： 管程數(shù)No

14、換熱管長(zhǎng)度L： 傳熱管總根數(shù)即 中心排管數(shù)：025X2. 5mm500mm0. 6MPa22. Om164公稱換熱面積:管程流通面積:24. 5m20. 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 m270000管程流體流速 u= - = 3600x996 775 = 0.759m/sA 0.0257雷諾數(shù)R毋0.02 x 0.759 x 996.7758.89 xlO-4= 17020普蘭特?cái)?shù)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計(jì)算殼程對(duì)流傳熱系數(shù)即現(xiàn)假設(shè)管外壁溫1 =41.7 C ,則冷凝液膜的平均溫度為號(hào)= "¥ = 46.7C'這與其飽和溫度很接近,故在平均膜溫46. 7C下的物性可沿用飽和溫度51. 7下的物性數(shù)據(jù), 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)確定污垢熱阻10R“=L72X1()7/W （有機(jī)

16、液體）Rh=2.0X10 m / W (井水)總傳熱系數(shù)K碳素鋼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傳熱面積裕度實(shí)際傳熱面積A=275-77xl° =21.21m-500.95x25.96公稱換熱面積A°=24. 5 m2.該換熱器的面積裕度F二2二4 = 24.5二21.21=15. 5%A 2

17、1.21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。L 6. 3核算壁溫51 7-rt -24 = ” - t +39. 5c+ 1.72x1 ()7 + 2.0x1 CT865.333503.02，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，P2-分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，PaR一結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1,對(duì)925x2.5mm的管子取1.4N,一管程數(shù)Ns一串聯(lián)的殼程數(shù)取碳鋼的管壁粗糙度為0. 1mm,則$ ="=0.005, Re=17020d 20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,讀得人

18、=0.034=2 = 0.034x 422996.775 x 0.759?麗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2=5145. 028 < 10sPa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

19、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,c24冷卻水出口溫度c27. 40熱負(fù)荷Qkj/h992778. 572總傳熱系數(shù)KW/-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(duì)流傳熱系數(shù)?W/ (m2* )3503. 02管程壓降ZAPiPa5145. 028殼程對(duì)流傳熱系數(shù)。W/ (m2- 1C)865. 33殼程壓降Z APoPa0總阻力AHPa5145. 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m

20、m025X2.5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(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nnn45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(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

21、，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，