課程設(shè)計---正戊烷冷凝器的設(shè)計

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計說明書</p><p>　　化學(xué)與環(huán)境工程 學(xué)院 化工 系</p><p>　　化學(xué)工程與工藝 專業(yè)</p><p>　　題目：2.0×104 噸/年正戊烷冷凝器的設(shè)計</p><p><b>　　任務(wù)安排</b></p><p>&

2、lt;b>　　設(shè)計任務(wù)和操作條件</b></p><p><b>　　1.操作條件</b></p><p>　?。?） 正戊烷冷凝溫度為51.7℃，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： 24℃；（3） 允許壓強降不大于105Pa；（4） 每年按300天計；每天24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)。</p

3、><p>　　2.處理能力:2.0×104t/a正戊烷</p><p>　　3.設(shè)備型式：臥式列管冷凝器</p><p><b>　　設(shè)計內(nèi)容</b></p><p><b>　　1、設(shè)計方案簡介；</b></p><p>　　2、換熱器的工藝計算；</p>

4、<p>　　3、換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算；</p><p><b>　　4、校核計算。</b></p><p><b>　　設(shè)計說明書內(nèi)容</b></p><p>　　1. 目錄2. 概述3. 熱力計算（包括選擇結(jié)構(gòu)，傳熱計算，壓力核算等）4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計與說明5. 設(shè)計總結(jié)6. 參考文獻7.

5、 附工藝流程圖及冷凝器裝配圖一張 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.1概述······················

6、;·····1</p><p>　　1.2 確定物性數(shù)據(jù)·······················2</p><

7、p>　　1.2.1 確定流體流動空間···················2</p><p>　　1.2.2 流體定性溫度，確定流體流動的物性數(shù)據(jù)······&

8、#183;··2</p><p>　　1.3 估算傳熱面積·······················3</p><p>　　1.3.1 熱

9、負荷························3</p><p>　　1.3.2 有效平均溫度差······&

10、#183;·············3</p><p>　　1.3.3 估算傳熱面積·················

11、;····3</p><p>　　1.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸·······················3</p><p>　

12、　1.4.1 管徑和管內(nèi)流速····················3</p><p>　　1.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)········

13、···········4</p><p>　　1.4.3 傳熱管排列和分程方法·················4</p>

14、<p>　　1.4.4 殼體內(nèi)徑·······················4</p><p>　　1.4.5 接管····

15、3;····················5</p><p>　　1.4.6其他附件···········

16、;············5</p><p>　　1.5 初選換熱器規(guī)格··················

17、3;···6</p><p>　　1.6 換熱器核算························7</p><p>　

18、　1.6.1 計算總傳熱系數(shù)····················7</p><p>　　1.6.2 傳熱面積裕度········&#

19、183;············8</p><p>　　1.6.3 核算壁溫··················&#

20、183;····8</p><p>　　1.6.4 計算壓降和核算····················9</p><p>　　1.7 匯總表

21、3;·························10</p><p>　　設(shè)計總結(jié)······

22、83;····················12</p><p>　　參考文獻···········&#

23、183;···············13</p><p>　　附換熱器裝配圖···············

24、3;········13</p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　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。</p>

25、<p>　　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。雖然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易等特點，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

26、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。</p><p>　　完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下各項基本要求：</p><p>　?。?）合理地實現(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)這些條件進行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計算，

27、經(jīng)過反復(fù)比較，使所設(shè)計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。 （2）安全可靠 　　換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計算時，應(yīng)遵照我國《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》與《鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(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)備的安裝費往往低于水平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備與部件應(yīng)便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、

28、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)濟合理 　　評價換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時間內(nèi)（通常為1年）固定費用（設(shè)備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。</p><p>　　1.2 確定物性數(shù)據(jù)</p><p>　　1.2.1 確定流體流動空間</p><p>　　根據(jù)換熱器流體流經(jīng)選擇原則：&

29、lt;/p><p>　　(1).飽和蒸汽宜走管間，以便于及時排走冷凝液，且蒸汽較潔凈，它對清洗無要求；</p><p>　　(2)被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強冷凝效果；</p><p>　　(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時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。</p

30、><p>　　綜合上述原則，對本次設(shè)計：冷卻水走管程，正戊烷走殼程。</p><p>　　1.2.2 流體的定性溫度，確定流體流動的物性數(shù)據(jù)</p><p><b>　　1 流體的定性溫度</b></p><p>　　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。</p><p>　　（1

31、）正戊烷的定性溫度：T=51.7℃。 </p><p>　?。?）井水的定性溫度：a.入口溫度t1=24℃。</p><p>　　b.有設(shè)計要求的正戊烷的流量：W h==2777.78kg/h</p><p>　　c.熱負荷［1］：r=357.4kJ/kg ,Q=W h r=2777.78×357.4=992778.572kJ/h</p>&

32、lt;p>　　d.在30～50℃之間水的定壓比熱容［1］：4.174kJ/(Kg·℃)</p><p>　　Q=W c C pc(t2-t1) ∴t2=℃</p><p>　　e.井水的定性溫度：t=℃</p><p>　　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.</p><p>

33、;　　2.流體流動的物性數(shù)據(jù)</p><p>　　兩流體在定性溫度下的物性參數(shù)如表1［1］</p><p>　　表1 兩流體物性參數(shù)</p><p>　　1.3 估算傳熱面積</p><p>　　1.3.1 熱負荷 Q=992778.572kJ/h=275.77kW</p><p>　　1.3.2 有效平均溫

34、度差</p><p>　　逆流溫度 △t m=℃</p><p>　　1.3.3 傳熱面積</p><p>　　高溫流體為有機物粘度0.5×10-3Pa·s以下，低溫流體為水時，總傳熱系數(shù)范圍［2］：430～850W/(m2·K) 。先暫取K=500/m2·K</p><p>　　則估算的傳熱面積 A=

35、m2</p><p>　　考慮到估算性質(zhì)的影響，取實際傳熱面積為估算值的1.15倍，則實際傳熱面積A‵=1.15×21.25=24.44m2</p><p>　　1.4 工藝結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　1.4.1 管徑和管內(nèi)流速</p><p>　　管徑為φ25mm 2.5mm，一般液體的流速［3］：0.5～3 m/s， 取管內(nèi)流

36、速為u=0.8m/s。</p><p>　　1.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)［4］</p><p>　　單程傳熱管數(shù) =(根）</p><p>　　按單程管計算，所需的傳熱管長度為</p><p><b>　　L=≈4m</b></p><p>　　按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)

37、計實際情況，現(xiàn)取傳熱管長l=2.0m，則該換熱器的管程數(shù)為</p><p><b>　　N p=(管程)</b></p><p>　　傳熱管總根數(shù) N T =78×2=156(根）</p><p>　　1.4.3 傳熱管排列和分程方法 ［5］</p><p>　　對于多管程換熱器，常采用組合排列方式

38、。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。</p><p>　　本次設(shè)計，焊接法取管心距t=1.5d0=1.25×25=31.25mm≈32mm </p><p>　　隔板中心到其最近一排管中心距離：S=t/2+6=32/2+6=22 mm </p><p>　　各程相鄰管的管心距為2

39、2×2=44mm。</p><p>　　1.4.4 殼體內(nèi)徑［6］</p><p>　　對于按正三角形排列的管子，nc=1.1=1.1（根）</p><p>　　D=t(nc-1)+2b′</p><p><b>　　D——殼體內(nèi)徑，m</b></p><p>　　b′——管束中心線上最

40、外層管中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取 </p><p>　　b′= （1～1.5）d0 ∴b′=1.5 d0=1.5×25=37.5mm。</p><p>　　∴D=t(nc-1)+2b′=32×（14-1）+2×37.5=491mm≈500mm。</p><p>　　最小壁厚：10mm,取20mm。</p><

41、p><b>　　1.4.5 接管</b></p><p>　　流速u的經(jīng)驗值可?。?］：對液體： u=1.5～2m/s</p><p>　　對蒸氣：u=20～50m/s</p><p><b>　　殼程內(nèi)徑</b></p><p>　　進口接管 取接管內(nèi)蒸汽流速為30m/s,正戊烷蒸氣的密

42、度［17］： 3.585Kg/m3 ，則接管內(nèi)徑</p><p>　　D1=95.6mm≈96mm</p><p>　　選的標(biāo)準(zhǔn)接管［14］：Φ108×6mm 。</p><p>　　出口接管 取接管內(nèi)的液體流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑</p><p>　　D2=33.16mm≈34mm</p><p

43、>　　選的標(biāo)準(zhǔn)接管［15］：Φ45×6mm 。</p><p>　　管程水進出口接管 </p><p>　　取接管內(nèi)水流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑</p><p>　　d=mm≈129mm</p><p>　　選的標(biāo)準(zhǔn)接管［15］：Φ150×6mm 。</p><p>　　1.4.6 其

44、他附件 </p><p>　　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。</p><p>　　1.5 初選換熱器規(guī)格</p><p>　　計算的臥式固定換熱器的規(guī)格如下：</p><p>　　管子規(guī)格： Φ25×2.5mm</p>&l

45、t;p>　　公稱直徑D： 500mm</p><p>　　公稱壓力P： 不大于105Pa</p><p>　　管程數(shù)N P ： 2</p><p>　　換熱管長度L： 2.0m</p><p>　　傳熱管總根數(shù)NT： 156&l

46、t;/p><p>　　計算換熱面積： 24.44m2</p><p>　　管子排列方式： 正三角形錯列</p><p>　　所以選的標(biāo)準(zhǔn)臥式固定換熱器G500 Ⅱ-0.6-24.5的規(guī)格如下［9］:</p><p>　　管子規(guī)格： Φ25×2.5mm</p>

47、<p>　　公稱直徑D： 500mm</p><p>　　公稱壓力P： 0.6MPa</p><p>　　管程數(shù)N P ： 2</p><p>　　換熱管長度L： 2.0m</p><p>　　傳熱管總根數(shù)NT：

48、164</p><p>　　中心排管數(shù)： 15</p><p>　　公稱換熱面積： 24.5m2</p><p>　　管程流通面積： 0.0257 m2</p><p>　　管子排列方式： 正三角形錯列</p><p><b

49、>　　1.6 換熱器核算</b></p><p>　　1.6.1 核算總傳熱系數(shù)</p><p>　?、儆嬎愎艹虒α鱾鳠嵯禂?shù)</p><p>　　管程流體流通截面積 A=0.0257 m2</p><p>　　管程流體流速 u==m/s</p><p><b>　　雷諾數(shù) Re=<

50、/b></p><p>　　普蘭特數(shù) Pr==</p><p>　　=0.8×6.0930.4=3503.02 W/（m2·℃）</p><p>　?、谟嬎銡こ虒α鱾鳠嵯禂?shù)</p><p>　　現(xiàn)假設(shè)管外壁溫=41.7℃，則冷凝液膜的平均溫度為℃，這與其飽和溫度很接近，故在平均膜溫46.7℃</p>

51、<p>　　下的物性可沿用飽和溫度51.7℃下的物性數(shù)據(jù)，</p><p>　　△t=t s-t w =51.7-41.7=10℃</p><p><b>　　=0.725</b></p><p>　　=865.33 W/（m2·℃）</p><p>　?、鄞_定污垢熱阻［10］</p>

52、<p>　　Rso=1.72×10-4 m2·℃/W（有機液體）</p><p>　　Rsi=2.0×10-4 m2·℃/W（井水）</p><p><b>　?、芸倐鳠嵯禂?shù)K </b></p><p>　　碳素鋼［11］：=45 W/(m·℃) </p><

53、;p><b>　　K==</b></p><p>　　=500.95 W/（m2·℃）</p><p>　　1.6.2 傳熱面積裕度</p><p>　　實際傳熱面積 A=m2</p><p>　　公稱換熱面積A0=24.5 m2</p><p>　　∴該換熱器的面積裕度F==1

54、5.5%</p><p>　　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］ </p><p>　　所以該換熱器較為合適。</p><p>　　1.6.3 核算壁溫</p><p>　　t w =39.5℃</p><p><b>　　∴假設(shè)值可以接受。</b><

55、;/p><p>　　1.6.4計算壓降和核算</p><p><b>　?。?）計算管程壓降</b></p><p>　　⊿P1,⊿P2—分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，Pa</p><p>　　Ft--結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子取1.4</p><p><b>　　NP—管

56、程數(shù)</b></p><p><b>　　Ns—串聯(lián)的殼程數(shù)</b></p><p>　　取碳鋼的管壁粗糙度為0.1mm，則=0.005，Re=17020</p><p>　　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λ=0.034 </p><p>　　NP=2，F(xiàn)t=1.4，Ns=1</

57、p><p><b>　　∴</b></p><p>　　=（976.18+861.33）×1.4×2×1=5145.028Pa﹤105Pa</p><p>　　∴管程壓降在允許的范圍內(nèi)。</p><p>　?。?）計算殼程壓力降 </p><p>　　殼程為恒溫恒壓

58、蒸汽冷凝，其壓降可忽略。 </p><p><b>　?。?）總阻力 </b></p><p>　　5145.028﹤105Pa</p><p>　　∴該換熱器的總壓降也在允許范圍之內(nèi)。該換熱器可取。</p><p><b>　　1.7 匯總表</b></p><p>　　

59、表2 設(shè)計計算匯總表</p><p>　　表3 換熱器工藝尺寸匯總表</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　在設(shè)計的前期，通過去圖書館借書，看書，了解換熱器的結(jié)構(gòu)，傳熱特點和阻力性能等特點，查找相關(guān)物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，大致知道設(shè)計內(nèi)容要做什么和怎樣去做。</p><p>　　在設(shè)計過程中

60、，一步一步的計算，查找符合的換熱器，在進行該換熱器的核算，看是否符合，不符合再進行假設(shè)，直到符合為止。</p><p>　　上面設(shè)計的換熱器，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。</p><p>　　也要對對該換熱器經(jīng)濟和環(huán)境效益進行評價生命周期方法是一種針對產(chǎn)品或生產(chǎn)工藝對環(huán)境影響進行評價的過程,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行辨識

61、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。這種評價貫穿于產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝活動的整個生命周期,包括原材料的開采和加工、產(chǎn)品制造、運輸、銷售、產(chǎn)品使用與再利用、維護、再循環(huán)及最終處置。本設(shè)計中使用水作冷卻劑，無污染，耗資少，無有害氣體產(chǎn)生，整個過程簡單，易操作，環(huán)境和經(jīng)濟效益良好。</p><p>　　而換熱器使用的好壞，也要經(jīng)常進行定期檢查，維修和清洗的。特別是冷卻水經(jīng)過長時間的操作，腐

62、蝕生成物和水垢污垢等附著管壁，會降低傳熱系數(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。</p><p>　　在設(shè)計的后期，就是通過設(shè)計出來的換熱器規(guī)格，把該換熱器的圖用A3的圖紙畫出來。</p><p>　　以上就是在設(shè)計換熱器過程中的小小總結(jié)。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p

63、>　?。?］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 P335，P338，P343，P345，P346</p><p>　　［2］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)363［3］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)287［4］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)18</p

64、><p>　?。?］大連理工大學(xué)化工原理教研室編 化工原理課程設(shè)計 大連理工大學(xué)出版社 1997年 P38</p><p>　?。?］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)289</p><p>　　［7］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)289</p><p>　?。?/p>

65、8］熊潔羽編 化工制圖 化學(xué)工業(yè)出版社 2007年 P381</p><p>　　［9］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)360</p><p>　?。?0］付家新，王為國，肖穩(wěn)發(fā)主編 化工原理課程設(shè)計 </p><p>　　化學(xué)工業(yè)出版社 2010.11 P7

66、2</p><p>　?。?1］大連理工大學(xué)化工原理教研室編 化工原理課程設(shè)計 大連理工大學(xué)出版社 1997年 P31 </p><p>　?。?2］大連理工大學(xué)化工原理教研室編 化工原理課程設(shè)計 大連理工大學(xué)出版社 1997年 P291</p><p>　?。?3］大連理工大學(xué)化工原理教研室編 化工原理課程設(shè)計

67、 大連理工大學(xué)出版社 1997年 P52</p><p>　?。?4］熊潔羽編 化工制圖 化學(xué)工業(yè)出版社 2007年 P207</p><p>　?。?5］熊潔羽編 化工制圖 化學(xué)工業(yè)出版社 2007年 P207</p><p>　?。?6］熊潔羽編 化工制圖 化學(xué)工業(yè)出版社 2007年 P215</p&g