化工原理課程設(shè)計之冷凝器課程設(shè)計報告書

.PAGE.目錄TOC\o"1-3"\h\u27086課程設(shè)計任務(wù) 36408第一章前言 410876第二章概述 570212.1冷凝的目的 542582.2冷凝器的類型 5289532.2.1立式殼管式冷凝器 517602.2.2臥式殼管式冷凝器 5311632.3設(shè)計方案的確定 614217第三章設(shè)計計算 8251333.1初選結(jié)構(gòu) 81303.1.1物性參數(shù) 8111223.1.2設(shè)Ko初選設(shè)備 9140213.2傳熱計算 10221613.2.1管程換熱系數(shù)α2 10162093.2.2殼程傳熱熱系數(shù)α1 11174993.2.3污垢熱阻與傳導(dǎo)熱阻 11287533.2.4校核傳熱 1141953.3壓降計算 1212133.3.1管程壓降計算 12104163.3.2殼程壓降計算 1232196第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計 13122684.1冷凝器的安裝與組合 13268134.2管子設(shè)計 13261404.3管間距〔S的設(shè)計 14300714.3.1管子在管板上的固定 14297444.3.2管間距 14266474.4管板設(shè)計 1463714.5殼體的厚度計算 1527944.6封頭設(shè)計 15270744.7管程進(jìn)出口管設(shè)計 15102044.7.1進(jìn)出口管徑設(shè)計 15126364.7.2位置設(shè)計 1536844.8殼程進(jìn)出口管設(shè)計 15317094.8.1出口管徑〔冷凝液 1546574.8.2蒸汽入口管徑的設(shè)計 15116884.8.3位置設(shè)計 1640584.9法蘭 1670894.10支座 16291794.11其它 1626080第五章設(shè)計小結(jié) 1730469致謝 1813065參考文獻(xiàn) 18課程設(shè)計任務(wù)：設(shè)計題目：乙醇=水精餾塔塔頂產(chǎn)品全凝器設(shè)計條件：處理量：6萬噸／年產(chǎn)品濃度：含乙醇95％操作壓力：常壓冷卻介質(zhì)：水壓力：P=303.9kPa水進(jìn)口溫度：30oC水出口溫度：40oC第一章前言課程設(shè)計是化工原理課程教學(xué)中綜合性和實際性較強的教學(xué)環(huán)節(jié)。它要求學(xué)生利用課程理論知識,進(jìn)行融會貫通的獨立思考,在規(guī)定時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù),是使學(xué)生體察工程實際問題復(fù)雜性的初次嘗試,培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。同時,通過課程設(shè)計,還可以使學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想,培養(yǎng)實事求是,嚴(yán)肅認(rèn)真,高度負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。本次課程設(shè)計為乙醇-水蒸餾塔塔頂產(chǎn)品冷凝器設(shè)計,要求設(shè)計一臺冷凝器,將精餾塔頂乙醇—水氣相產(chǎn)品全部冷凝。設(shè)計任務(wù)包括：一設(shè)計計算初選冷凝器結(jié)構(gòu)二傳熱計算壓降計算冷凝器計算三結(jié)構(gòu)設(shè)計我們選用的冷凝器為臥式冷凝器,傳熱系數(shù)較高,不易積氣,檢修和安裝方便,為減薄液膜厚度,安裝時應(yīng)有1/100左右坡度。設(shè)計選用的列管換熱器類型為固定管板式。列管換熱器是較典型的換熱設(shè)備,在工業(yè)中應(yīng)用已有悠久歷史,具有易制造、成本低、處理能力大、換熱表面情況較方便、可供選用的結(jié)構(gòu)材料廣闊、適應(yīng)性強、可用于調(diào)溫調(diào)壓場合等優(yōu)點。在工藝計算過程中,由于選取K0不當(dāng)或其他條件選取不當(dāng),造成在校核時K0不符合要求。在重新選取K0的同時,改變了其他的條件,如：n,L等,經(jīng)過二次校核達(dá)到了預(yù)期的目的。最后在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮到合理經(jīng)濟(jì),進(jìn)行了零部件的設(shè)計與選用,使換熱器完全發(fā)揮其作用。由于缺乏實際操作經(jīng)驗,我們的設(shè)計的產(chǎn)品可能存在某些方面的不足,希望指導(dǎo)老師給予建議和批評。同時感謝指導(dǎo)老師和參考文獻(xiàn)作者對我們本次設(shè)計任務(wù)的支持和幫助。第二章概述2.1冷凝的目的在化學(xué)工業(yè)中,經(jīng)常需將氣體混合物中的各個組分加以分離,其目的是：〔1回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì),以制取產(chǎn)品；〔2除去工藝氣體中的有害成分,使氣體凈化,以便進(jìn)一步加工處理,或除去工業(yè)放空尾氣的有害物質(zhì),以免污染大氣。氣體和混合物的分離,往往是根據(jù)混合物各組分間某種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差異來進(jìn)行的。根據(jù)不同性質(zhì)上的差異,可以開發(fā)出不同的分離方法,冷凝操作僅為其中之一,它是根據(jù)混合物各組分沸點不同而達(dá)到分離的目的的。2.2冷凝器的類型冷凝器按其冷卻介質(zhì)不同,可分為水冷式、空氣冷卻式、蒸發(fā)式三大類。這里只介紹水冷式冷凝器。冷式冷凝器是以水作為冷卻介質(zhì),靠水的溫升帶走冷凝熱量。冷卻水一般循環(huán)使用,但系統(tǒng)中需設(shè)有冷卻塔或涼水池。水冷式冷凝器按其結(jié)構(gòu)形式又可分為殼管式冷凝器和套管式冷凝器兩種,常見的是殼管式冷凝器。立式殼管式冷凝器立式冷凝器的主要特點是：〔1由于冷卻流量大流速高,故傳熱系數(shù)較高,一般K=600～700<kcal/m2hk>?！?垂直安裝占地面積小,且可以安裝在室外?！?冷卻水直通流動且流速大,故對水質(zhì)要求不高,一般水源都可以作為冷卻水?！?管內(nèi)水垢易清除,且不必停止制冷系統(tǒng)工作?！?但因立式冷凝器中的冷卻水溫升一般只有2～4℃,對數(shù)平均溫差一般在5～6℃左右,故耗水量較大。且由于設(shè)備置于空氣中,管子易被腐蝕,泄漏時比易被發(fā)現(xiàn)。臥式殼管式冷凝器它與立式冷凝器有相類似的殼體結(jié)構(gòu),主要區(qū)別在于殼體的水平安放和水的多路流動。臥式冷凝器不僅廣泛地用于氨制冷系統(tǒng),也可以用于氟利昂制冷系統(tǒng),但其結(jié)構(gòu)略有不同。臥式冷凝器傳熱系數(shù)較高,不易積氣,檢修和安裝方便,但占地面積大,為減薄液膜厚度,安裝時應(yīng)有1/100左右坡度,或?qū)⒐苁鞭D(zhuǎn)一個角度。本次乙醇——水蒸餾塔塔頂產(chǎn)品冷凝器的設(shè)計中,采用的就是臥式殼管式冷凝器。2.3設(shè)計方案的確定確定設(shè)計方案總的原則是在考慮可行性,經(jīng)濟(jì)性,先進(jìn)性,安全性等的基礎(chǔ)上,盡量采用科學(xué)技術(shù)上的最新成就,使生產(chǎn)達(dá)到技術(shù)上最先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上最合理、生產(chǎn)可行的要求,符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。1、方案的可行性〔1設(shè)計方案應(yīng)充分考慮符合國情和因地制宜原則,流程布置和設(shè)備結(jié)構(gòu)不應(yīng)超出一般土建要求和機(jī)械加工能力?！?滿足工藝和操作的要求。即所設(shè)計出來的流程和設(shè)備,首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求,而且質(zhì)量要穩(wěn)定,這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定,入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定,從而需要采取相應(yīng)的措施。其次所定的設(shè)計方案需要有一定的操作彈性,各處流量應(yīng)能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),必要時傳熱量也可進(jìn)行調(diào)整。2、方案的經(jīng)濟(jì)性〔1應(yīng)對市場情況作適當(dāng)?shù)木C合分析,估計產(chǎn)品目前和將來的市場需求；〔2設(shè)計應(yīng)符合能量充分有效合理利用和節(jié)能原則,符合經(jīng)常生產(chǎn)費用和設(shè)備投資費用的綜合核算最經(jīng)濟(jì)原則,符合有用物料高回收率、低損耗率原則,也即近代所提出的"優(yōu)構(gòu)低耗高效"原則3、方案的先進(jìn)性

應(yīng)對目前工廠生產(chǎn)上和設(shè)備上存在的問題提出改進(jìn)方案和改進(jìn)措施,并盡可能采用國內(nèi)外最新技術(shù)成果。4、方案的安全性對易燃、易爆、有腐蝕的物料,在設(shè)計時應(yīng)格外注意,都應(yīng)采用相應(yīng)的設(shè)備與操作參數(shù)以確保。又如,塔是指定在常壓下操作的,塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空,都會使塔受到破壞,因而需要安全裝置。5、方案的可靠性和穩(wěn)定性現(xiàn)代化生產(chǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮運行的安全可靠和操作的穩(wěn)定易控這一原則。不得采用缺乏可靠性的不成熟技術(shù)和設(shè)備,不得采用難以控制或難以保證安全生產(chǎn)的技術(shù)和設(shè)備。以上幾項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計中,對第一個原則應(yīng)作較多的考慮,對第二個原則只作定性的考慮,而對其他原則只要求作一般的考慮。第三章設(shè)計計算3.1初選結(jié)構(gòu)3.1.1物性參數(shù)1、原始數(shù)據(jù)表表3-1原始數(shù)據(jù)表冷卻水進(jìn)口溫度t’=30o備注冷卻水出口溫度t’=40oCI二者均為表壓力冷卻水工作壓力P2=303.9kPa飽和蒸汽冷凝操作壓P1=1.033kgf/cm2冷凝蒸汽質(zhì)量含量：含乙醇95％2、物性參數(shù)計算〔1乙醇蒸汽①摩爾分?jǐn)?shù)＝〔95/46/<95/46+5/18>*100%=88.14%②冷凝蒸汽的泡點：泡點Fs=78.2oC③液體密度ρ1=804.52kg/m3④冷凝蒸汽的流量：一年以365天計,除去一月30天大修時間,則G1=60000×103kg/<335×24×3600>s＝2.073kg/s⑤蒸汽的汽化潛熱:r1=946.75KJ/kg<冷凝水出口溫度接近Fs’>⑥蒸汽的密度：ρ=1.5kg/m3<P=1.013bar>總結(jié)如下表表3-2乙醇蒸汽物性參數(shù)符號計算項目單位數(shù)值備注Y摩爾分?jǐn)?shù)88.14%依公式計算Fs冷凝蒸汽的泡點oC78.2查物性表ρ1液體密度kg/m3804.52查物性表G1冷凝蒸汽的流量kg/s2.073依公式計算r1蒸汽的汽化潛熱KJ/kg946.75查物性表〔冷凝水出口溫度接近Fsρ蒸汽的密度kg/m31.5查物性表<2>水計算過程：定性溫度tm=〔t1+t2/2=〔30+40oC/2=35oC普朗特數(shù)Pr2=Cp2μ2／λ2=4.174×103×0.7225×10-3/0.626=4.82表3-3水的物性參數(shù)表符號計算項目單位數(shù)值計算公式或圖表備注tm水的定性溫度oC35<t2+t2/2出入口溫差不大ρ2水的密度kg/m3994查物性表［3］Cp2水的比熱KJ/kgoC4.174查物性表［3］定壓重量比熱λ2水的導(dǎo)熱系數(shù)w/moC0.626查物性表［3］μ2水的粘度PaS727.4×10-6查物性表［3］Pr2水的普朗特指數(shù)4.847查物性表或計算Cp2μ2／λ23、物料衡算Q0=ms1r1=ms2Cp2<t2″-t2′>G1=ms1G2=ms2設(shè)計傳熱量Q0=G1r1=2.073kg/s×946.75KJ/kg=1.963×106w冷卻水流量G2=Q0/Cp2<t2-t1>=1.963×106/4×174×<40-30>=47.02kg/s4、平均溫度差〔逆流時Δtm=<Δt1-Δt2>/ln<Δt1/Δt2>=[<78.2-30>-<78.2-40>]/㏑[<78.2-30>/<78.2-40>]=43.01oC5、壁溫的確定由于蒸汽冷凝一側(cè)的對流傳熱系數(shù)較水側(cè)的小得多,故內(nèi)壁溫度接近于水的溫度。同時,由于管壁的熱阻也很小,故管外壁溫度比較接近于內(nèi)壁溫度,故可設(shè)tw=Tw=58oC,則冷凝蒸汽的液膜平均溫度Tm=1/2<Tw+Ts>=1/2<78.2+58>=68oC,此即冷凝液膜的定性溫度。由此得：冷凝液膜的導(dǎo)熱系數(shù)λ1＝0.177w/m2·oC,粘度μ1=0.54×10-3PaS3.1.2設(shè)Ko初選設(shè)備1.在進(jìn)行換熱器的計算時,需先估計冷﹑熱流體的傳熱系數(shù),工業(yè)換熱器中傳熱系數(shù)的大致范圍如表2-4,由表可見,一側(cè)冷凝的管殼式換熱器傳熱系數(shù)k為290-4700w/m2·oC故可初設(shè)Ko＝650w/m2·oC,由公式：Q0=KoA0Δtm→A0’=Q0/KoΔtm故初步設(shè)計其傳熱面積A0’=1.963×106/〔650*43.01=70.2m22、選用Φ25X2.5mm碳鋼管,設(shè)水速Uw≈0.8m/s單程管數(shù)Nt‘=G2/〔uπ/4d2ρ2=47.02/〔0.8*0.875*0.0004*994=188根單程管長L’=A0’/Nt‘πd1=70.2/<188*3.14*0.025>=4.75m選定換熱管長L=6m則管程數(shù)Np為Np‘=L’/L=4.75/6=0.79取Np=1,則總管數(shù)Nt=Np*Nt‘=188根表2-4管殼式換熱器的K值大致范圍進(jìn)行換熱的流體傳熱系數(shù)Kw/m2·oC4卡/m2·h·oC由氣體到氣體12-3510-30由水到水800-1800700-1500由冷凝蒸氣到水29-4700250-4000由冷凝蒸氣到油60-35050-300由冷凝蒸氣到沸騰油290-870250-750由有機(jī)溶劑到輕油120-400100-340初選換熱器根據(jù)A0’=70.2m2,Nt=188根,Np=1,查列管式固定板換熱器的基本參數(shù),選甲G500-1-25-80列管換熱器：..公稱直徑Dg=500mm公稱傳熱面積S=80m2管數(shù)Nt=177管子規(guī)格Φ25X2.5mm公稱壓力Pg=2.5×106Pa管程數(shù)Np=1管長L=6m管心距a=32mm..管內(nèi)徑d1=20mm管子外徑d2=25mm管子壁厚δ=2.5mm..附：管子排列方式——正三角形管子的平均直徑：dm=<d1-d2>/㏑〔d1/d2=22.4mm4、計算換熱器的外表面積A1=Ntπdml=3.14*0.025*177*6=83.4m23.2傳熱計算3.2.1管程換熱系數(shù)α2管程流通截面積A2：查表可得A2=d22Ntπ/4=0.0556m2管程流速u2<m/s>u2=G2/ρ2A2=47.02kg/s/〔994kg/m3*0.0556=0.85m/s冷卻水水速一般最低不小于0.8m/s,易結(jié)垢河水管程流速應(yīng)大于1m/s,這樣沖刷加強且不易結(jié)垢,但因為控制熱阻在冷凝蒸汽側(cè),水速稍低是允許的。〔2管程雷諾數(shù)Re2:Re2=ρ2d2u2/μ2=〔994kg/m3*0.02m*0.87m/s/727.4×10-6PaS=2.38×104>4000∴水為湍流<3>管程的傳熱系數(shù)α2公式：當(dāng)流體被加熱時,n=0.4α2=0.023Re20.8Pr20.4λ2/d0=0.023*〔2.38×1040.8*4.8470.4*0.626/0.02=4223.6w/m2.oC3.2.2殼程傳熱熱系數(shù)α1〔1設(shè)殼程蒸汽為層流則α1=1.13[<r1ρ12gλ13>/<μ1LΔt>]1/4=1.13×[804.522×9.81×946.57×103×0.1773/0.54×10-3×6×〔78.2-58]1/4=954.6w/m2.oC檢驗Re1=4α1LΔt/r1μ1=4×954.6×6×20.2/〔946.75×103×0.54×10-3=905.24<2000故假設(shè)層流正確α1=954.6w/m2·oC3.2.3污垢熱阻與傳導(dǎo)熱阻冷凝蒸汽側(cè)：查表知乙醇蒸汽的污垢熱阻為0R1=0傳導(dǎo)熱阻查表得到金屬材料鋼的平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=45w/m2.oC以換熱管的外表面積為基準(zhǔn)的傳導(dǎo)熱阻為：Rm=b/λ·d1/dm=0.0025*0.0025/<45*0.0225>=0.000062m2·oC/w水的污垢熱阻本設(shè)計冷卻劑選用的河水是一般河水,由參考文獻(xiàn)可知,條件：熱流體溫度≤115oC,水溫≤50oC,水速≤1m/s,其結(jié)垢熱阻R2為主要熱阻在污垢熱阻上,如果直接用一般河水來作冷卻介質(zhì),則會大大影響傳熱系數(shù)K值大小,故傳熱效率較低。我們可設(shè)計一方案來澄清河水,使其污垢熱阻減小,可查得潔凈河水的結(jié)垢熱阻在同一條件下下降為R2=0.21×10-3m2oC/w,這樣,主要熱阻集中在冷凝蒸汽側(cè),與我們最初的設(shè)想相符。3.2.4校核傳熱1.計算總傳熱系數(shù)Ki<w/m2oC>Ki=1/<1/α1+δd1/λdm+d1/α2d2+R1+R2d1/d2>=1/[1/954.6+6.2×10-5+25/<4223.6*20>+0+0.21×10-3*25/20]=599.5w/m2·oC2.校核twtw=T-kiΔtm/α1=78.2-600*43.01/954.6=51.2oC與假設(shè)值tw=58oC相比較差6.8oC,認(rèn)為計算合理3.冷凝器傳熱面積校核所需傳熱面積A=Q/Ki△tm=1.963×106/〔599.5*43.01=75.9m2實際傳熱面積A1=Ntπd1L=3.14*0.025*177*6=83.4m2安全系數(shù)為A1/A=83.4/75.9=1.10此值在1.10--1.30之間,表示所選冷凝器符合要求。管束與殼溫差的計算根據(jù)對流傳熱速率可得：Q0=α2A〔tw'-tm所以tw'=Q0/α2A+tm=40.6oC則管束的平均溫度為tmg=〔tw'+tw/2=〔40.6+582=49.3oC所以殼體與管束的平均溫差為△t=T-tmg=78.2-49.3=28.9oC<50oC上述計算表明,所選型號的換熱器符合要求3.3壓降計算實際流體在流動過程中因克服內(nèi)摩擦,而消耗機(jī)械能,流體通過水平的等徑直管時產(chǎn)生的壓力降是阻力損失的直觀表現(xiàn)。同時,局部阻力也會引起機(jī)械能損耗。我們要計算壓降,是要以此來選擇泵、鼓風(fēng)機(jī)等動力裝置,以此為基礎(chǔ)來選擇高位槽以及評價能量損耗問題。壓降是有一定范圍的,如果ΔP增大,泵功率消耗增加,對傳熱面的沖蝕加劇等不利影響致使我們必須選擇合理的壓降。由表2-5可知,低壓運行的合理壓降ΔP為9.8×103Pa,設(shè)計中應(yīng)盡量減小管路系統(tǒng)中的各種局部流阻,使有條件提高器內(nèi)流速,從而降低換熱器造價。表2-5允許壓力降范圍工藝物流的壓力Pa允許壓力降Pa＜9.8×1049.8×103×1043.9×103-3.3×104＞16.7×104≥3.3×1043.3.1管程壓降計算管程總阻力損失hft應(yīng)是各程直管損失hf1與每程回彎阻力hf2和進(jìn)出口等局部損失hf3之和,與hf2和hf1相比,hf3可忽略不計,則管程損失公式為：Hft=〔hf1+hf2ftNpft：管程結(jié)垢后的矯正系數(shù),三角形排列為1.5,正方形排列為1.4壓降形式ΔP=〔λL/d+3ftNpρui2/22、求λ水的Re=23388>4000為湍流取碳鋼粗糙度為ε=0.15mm則ε/d2=0.15/20=0.0075查摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re及相對粗糙度ε/d的關(guān)系圖可知λ2=0.038則ΔP1=〔λL/d+3ftNpρui2/2=〔0.038*6/0.02+3*1.5*1*994*0.852/2=7756.2Pa3.3.2殼程壓降計算蒸汽冷凝殼程壓降很小,可不進(jìn)行壓降核算,可忽略。第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計傳熱計算與選型以后的工作就是進(jìn)行零部件的設(shè)計與選用,一般來說,零部件都是按國家標(biāo)準(zhǔn)制定的,我們必須有合理的依據(jù)才能選用到合理經(jīng)濟(jì)的部件,使換熱器完全發(fā)揮其作用,所以,結(jié)構(gòu)設(shè)計仍是較為重要的一部分內(nèi)容。4.1冷凝器的安裝與組合1、臥式冷凝器傳熱系數(shù)較高,不易積氣,檢修和安裝方便,但占地面積大,為減薄液膜厚度,安裝時應(yīng)有1/100左右坡度,或?qū)⒐苁鞭D(zhuǎn)一個角度α,角度按下式估算：α=30o-Sin-1〔d0/2a式中：d0——管子外徑a——管心距這樣,上層積累的凝液僅包住下層管周的1/4左右,當(dāng)管子上下層數(shù)很多時,也可考慮水平分隔,以引出上層凝液。隨著蒸汽的冷凝,其通道截面積可逐漸縮小,以保持必要的汽速,并改善分布,消除死角,蒸汽中混有不凝氣時,這一措施的效果更為顯著。冷凝器設(shè)計中,組合方式有單臺大型,多臺并聯(lián),多臺串聯(lián)等基本形式,我們只用一臺單型。由傳熱計算可知,傳熱系數(shù)K的主要矛盾在冷凝側(cè),我們可限制冷凝負(fù)荷,達(dá)到提高K的目的。當(dāng)液膜處于湍流狀態(tài)時,此時冷凝側(cè)的α1是隨冷凝負(fù)荷M1的增大而增大的,但此時冷凝側(cè)的α1值本來較大,不是主要熱阻,因而也無必要將M提得很高。我們不用折流擋板是因為殼程一側(cè)走的是蒸汽,它的湍流與否對它的α1提高并無很大作用,而且我們已設(shè)置了10％的面積余量,可不必再設(shè)折流擋板。殼程的α1只與管外壁的液膜有關(guān),即與液膜的層次、湍流有關(guān)。在通入蒸汽前必須有一排氣管先排放出空氣和一些不凝性氣體,冷凝過程中要關(guān)閉并防止泄漏。4.2管子設(shè)計傳熱管的形狀、尺寸和布置對換熱器性能和經(jīng)濟(jì)影響很大,管子設(shè)計內(nèi)容包括管形、管徑、管長、管束排列方式及管材等決定。1、管子外形有光管、翅片管或螺紋管兩類常見形式,一般情況應(yīng)盡量采用光管,以求經(jīng)濟(jì)易得和安裝、檢修、清洗方便。2、管徑的標(biāo)準(zhǔn)尺寸：我國列管式換熱器標(biāo)準(zhǔn)中無縫鋼管規(guī)格有〔外徑×壁厚：Φ19×2、Φ25×2.5、Φ38×2.5、Φ57×2.5等,我們采用較小的管徑Φ25×2.5,小管徑能強化傳熱,且單位體積傳熱面大,結(jié)構(gòu)緊湊,金屬耗量少,傳熱系數(shù)也高,且流阻大,但不便清洗,且易結(jié)垢阻塞,所以我們不選太小的Φ19×2的管子。3、管子的長度應(yīng)以經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性雙方面為依據(jù),在殼徑500mm下的管長有3m、4.5m、6m,本設(shè)計選用的6m的金屬耗量要少,而傳熱面積也大,故選用6m長管子。4、管子在管板上的排列方式,應(yīng)力求均布、緊湊,并考慮清掃和整體結(jié)構(gòu)的要求。我們選用最常用的等邊三角形式,其一邊與流向垂直,在水平管稍微傾斜的情況下,管子以正三角形錯列,管外的冷凝液將下面的管子潤濕的機(jī)會就變少,這樣可保持較高的傳熱系數(shù),并且正三角形排列法在一定的管極面積上可以配置較多的管子數(shù),且由于管子間的距離都相等,在管極加工時便于劃線與鉆孔。我們所設(shè)計的管子數(shù)為177根,層數(shù)大于6,則其最外層管子和殼體之間弓形部分也應(yīng)配置上附加的管子,這樣不但可以增加排列管數(shù),增大傳熱面積,而且清除了管外空間這部分不利于傳熱的地方。4.3管間距〔S的設(shè)計4.3.1管子在管板上的固定管子在管板上的固定方法,必須保證管子和管板連接牢固,不會在連接處產(chǎn)生泄漏否則將會給操作帶來嚴(yán)重的故障。目前廣泛采用的連接方法有脹接和焊接兩種。1.脹接是利用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部,使管端發(fā)生塑性變形,管板孔同時產(chǎn)生彈性變形,當(dāng)取去脹管器后,管板彈性收縮,管板與管子之間就產(chǎn)生一定的擠緊壓力,緊緊的貼在一起,達(dá)到密封固緊連接的目的。2.焊接,當(dāng)溫度高于300oC或壓力高于40kgf/cm2時,一般采用焊接法。4.3.2管間距管間距就是指管板上兩管子中心的距離。管間距的決定要考慮管板的強度和清洗管子外表面時所需的空隙,它與管子在管板上的固定方法有關(guān)。當(dāng)管子采用焊接方法固定時,相鄰兩根管的焊縫太近,就會互相受到影響,使焊接質(zhì)量不易保證,而采用脹接法固定時,過小的管芯距會造成管板在脹接法時由于在擠壓力的作用下發(fā)生變形,失去了管子與管板之間的連接力,因此。管心距必須有一定的數(shù)值范圍。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,最小的管心距Smin一般采用：焊接法Smin=1.25d0脹接法Smin≥1.25d0<我們選用脹接法>其中d0—管子外徑但管心距S最小不能小于d0+6mm,對于直徑小的管子,S/d0的數(shù)值應(yīng)大些。最外層列管中心至殼體內(nèi)表面的距離不應(yīng)小于1/2d0+10mm,管間距取32mm。4.4管板設(shè)計管板的作用是固定作為傳熱面的管束,并作為換熱器兩端的間壁將管程和殼程流體分隔開來。管板上的孔數(shù)、孔徑、孔間距、開孔方式及與管子的連接方式等都要與管子設(shè)計一并決定。管板直徑與殼體直徑應(yīng)一致,管板厚度與材料強度、介質(zhì)壓力、溫差和壓差、溫差以及管子和外殼的固定方式和受力狀況因素有關(guān)。連接管板最小厚度,此時管板厚度b=3/4d.可查[4]附錄。固定管板式的管板與殼體的連接采用不可拆式,兩端管板直接焊在外殼上并伸出殼體圓圈之外兼作法蘭。拆下頂蓋可檢修接口或清掃管內(nèi)。管板厚度取40mm。管程數(shù)的確定：Np‘=L’/L=4.75/6=0.79所以取管程數(shù)Np=14.5殼體的厚度計算殼體的內(nèi)徑為500mm,一般用鋼板卷制外殼厚度可用有關(guān)公式計算,也可直接查閱參考文獻(xiàn)選取。公稱直徑：Dg=500mm厚度：10mm一米高筒節(jié)鋼板重量：125kg由此來選支撐板和支座。4.6封頭設(shè)計管箱封頭有平板形、橢圓形、碟形等型式,換熱器以前兩種形式居多,橢圓形力學(xué)性能好,所需壁厚小,受力狀況僅次于球形封頭,且有專用模具沖壓,加工簡單,所以我們選用國家標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形封頭。封頭公稱直徑以內(nèi)徑為500mm,其厚度與殼體厚度相一致為10mm,由參考文獻(xiàn)查得,直邊高度h2=40mm,重量G為27.1kg,標(biāo)記為：曲面高度h1=125mm。封頭選用：Dg500×10〔標(biāo)準(zhǔn)1154-734.7管程進(jìn)出口管設(shè)計4.7.1進(jìn)出口管徑設(shè)計水的流速為0.85m/s,這是指管程內(nèi)部,水在泵出口或管路中的流速范圍為1.5—3m/s,我們?nèi)」軆?nèi)流速為2.68m/s,已知ρ水,G2則管路截面積S：S=G2/ρ水u水=47.02/〔994*2.68=0.0177m2由于S=πd02/4∴d0=150mmd0為內(nèi)徑,可查參考文獻(xiàn),選用無縫鋼管Dg=150mm,其外徑dH=159mm,壁厚為4.5mm。4.7.2位置設(shè)計實踐表面水平布置的進(jìn)、出口管不利于管程流體的均勻分布,使部分傳熱管不能很好的發(fā)揮作用,甚至因流速太低而被堵塞,進(jìn)出口管布置在換熱器底部和頂部使流體向上流動比布置在兩側(cè)水平流動為佳。故設(shè)置在封頭的相對位置。4.8殼程進(jìn)出口管設(shè)計4.8.1出口管徑〔冷凝液流速在1.5—3m/s的范圍內(nèi),選用Dg=40mm,外徑45mm的管子,已知冷凝液流量為2.073kg/s∴u=G1/<ρ1×πd02/4>管子壁厚3.5mm,內(nèi)徑d0=45-2×3.5=38mm∴u=2.27m/s則此標(biāo)準(zhǔn)管子可選用,Φ40×3.54.8.2蒸汽入口管徑的設(shè)計蒸汽質(zhì)量流量仍為2.073kg/s,其密度為1.5kg/m3,可設(shè)想要使其流速在規(guī)定20—30m/s范圍內(nèi),其管徑較大,又由參考文獻(xiàn)知,圓筒開孔最大直徑d≤1/2Di,當(dāng)Di=520mm時,最大開孔外徑為260mm,查標(biāo)準(zhǔn)管徑系列表,只能選dH=245mm,厚度=7mm,內(nèi)徑d0=231mm,故核算流速如下：U=G1/<ρ×πd02/4>=2.073/〔1.5*3.14*0.2312/4=33m/s此流速過大,我們可設(shè)計如下方案,即選取兩個入口管,從殼體上側(cè)入口,這樣,質(zhì)量流量減半,管徑變小,流速也變小,我們選用標(biāo)準(zhǔn)鋼管Φ200×6,流速核算,d0=dH-2S=219-12=207mmU=G1/2/<ρ×πd02/4>=2.073/2/<1.5*3.14*0.2072/4>=20.7m/s流速符合要求,但因管徑外徑較大,我們還必需考慮補強問題。由參考文獻(xiàn)知,我們可選用國家標(biāo)準(zhǔn)來補強。4.8.3位置設(shè)計我們設(shè)計的是冷凝器,其蒸汽與冷卻水的順、逆流無區(qū)別,故兩蒸汽的入口管可以從筒殼體上部從兩管進(jìn)入,然后從下部低面出冷凝液,總體來說保證逆流形式,相對錯流。4.9法蘭選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭,其公稱直徑與管子公稱直徑一致。由參考文獻(xiàn)可查得：蒸汽介質(zhì)易燃,其接管法蘭選用甲型平焊法蘭。Y2.5——200和Y2.5——40冷卻水壓力為3kgf/cm2,壓力較高,選用Y6——1504.10支座化工設(shè)備上的支座是支持設(shè)備重量和固定設(shè)備位置用的一種不可或缺的部件,在某些場合下,支座還可以承受設(shè)備操作時的震動,地震載荷,風(fēng)雪載荷等。支座的結(jié)構(gòu)形式和尺寸往往決定于設(shè)備的形式、載荷情況及構(gòu)造材料。最常用的有：懸掛式支座,支撐式支座和鞍式支座。此次設(shè)計的換熱器為臥式設(shè)備,常用鞍式支座支撐,且采用雙支座,一個Ⅰ型,一個Ⅱ型,如下：—1167—81,Dg500—BIM—3001個—1167—81,Dg500—BⅡM—3001個4.11其它均可根據(jù)容器設(shè)計規(guī)范取用或計算,一般均采用國家標(biāo)準(zhǔn)附圖：整個結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)尺寸《乙醇-水精餾塔塔頂蒸汽冷凝器裝配圖