課程設計---正戊烷冷凝器的設計.doc

江漢大學化工原理課程設計說明書 化學與環(huán)境工程 學院 化工 系化學工程與工藝 專業(yè)題目：2.0104 噸/年正戊烷冷凝器的設計姓 名： 周 歡 學 號： 201009102126 指導老師： 周富榮老師 起止時間： 2012.12.312013.1.13 任務安排設計任務和操作條件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。2.處理能力:2.0104t/a正戊烷3.設備型式：臥式列管冷凝器設計內(nèi)容1、設計方案簡介；2、換熱器的工藝計算；3、換熱器的主要結構尺寸的設計計算；4、校核計算。設計說明書內(nèi)容1. 目錄2. 概述3. 熱力計算（包括選擇結構，傳熱計算，壓力核算等）4. 結構設計與說明5. 設計總結6. 參考文獻7. 附工藝流程圖及冷凝器裝配圖一張 目錄1.1概述11.2 確定物性數(shù)據(jù)2 1.2.1 確定流體流動空間2 1.2.2 流體定性溫度，確定流體流動的物性數(shù)據(jù)21.3 估算傳熱面積3 1.3.1 熱負荷3 1.3.2 有效平均溫度差3 1.3.3 估算傳熱面積31.4 工藝結構尺寸3 1.4.1 管徑和管內(nèi)流速3 1.4.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)4 1.4.3 傳熱管排列和分程方法4 1.4.4 殼體內(nèi)徑4 1.4.5 接管5 1.4.6其他附件51.5 初選換熱器規(guī)格61.6 換熱器核算7 1.6.1 計算總傳熱系數(shù)7 1.6.2 傳熱面積裕度8 1.6.3 核算壁溫8 1.6.4 計算壓降和核算91.7 匯總表10設計總結12參考文獻13附換熱器裝配圖131.1概述 換熱器是化學工業(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備具有結構簡單，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，使其在應用上受到限制。因此工業(yè)上所用換熱設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，從其結構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。 完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下各項基本要求：（1）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學性質(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和流體力學的計算，經(jīng)過反復比較，使所設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、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定等有關規(guī)定與標準。這對保證設備的安全可靠起著重要的作用。 （3）有利于安裝、操作與維修 直立設備的安裝費往往低于水平或傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)需要可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。 （4）經(jīng)濟合理 評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內(nèi)（通常為1年）固定費用（設備的購置費、安裝費等）與操作費（動力費、清洗費、維修費等）的總和為最小。1.2 確定物性數(shù)據(jù)1.2.1 確定流體流動空間根據(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)。綜合上述原則，對本次設計：冷卻水走管程，正戊烷走殼程。1.2.2 流體的定性溫度，確定流體流動的物性數(shù)據(jù)1 流體的定性溫度 決定準數(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。 （2）井水的定性溫度：a.入口溫度t1=24。 b.有設計要求的正戊烷的流量：W h=2777.78kg/h c.熱負荷1：r=357.4kJ/kg ,Q=W h r=2777.78357.4=992778.572kJ/h d.在3050之間水的定壓比熱容1：4.174kJ/(Kg) Q=W c C pc(t2-t1) t2=e.井水的定性溫度：t=兩流體的溫度T-t=51.7-25.70=26.0050,選用固定管板式換熱器.2.流體流動的物性數(shù)據(jù)兩流體在定性溫度下的物性參數(shù)如表11流體溫度，密度， kg/m3比熱容， kJ/(Kg)粘度， Pas導熱系數(shù)， W/(m)正戊烷 51.7 5962.341.8010-4 0.13井水 25.70996.7754.1788.8910-4 0.6096表1 兩流體物性參數(shù)1.3 估算傳熱面積1.3.1 熱負荷 Q=992778.572kJ/h=275.77kW1.3.2 有效平均溫度差 逆流溫度 t m=1.3.3 傳熱面積 高溫流體為有機物粘度0.510-3Pas以下，低溫流體為水時，總傳熱系數(shù)范圍2：430850W/(m2K) 。先暫取K=500/m2K 則估算的傳熱面積 A=m2 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=1.1521.25=24.44m21.4 工藝結構尺寸1.4.1 管徑和管內(nèi)流速 管徑為25mm 2.5mm，一般液體的流速3：0.53 m/s， 取管內(nèi)流速為u=0.8m/s。1.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)4 單程傳熱管數(shù) =(根）按單程管計算，所需的傳熱管長度為 L=4m按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結構。根據(jù)本設計實際情況，現(xiàn)取傳熱管長l=2.0m，則該換熱器的管程數(shù)為 N p=(管程)傳熱管總根數(shù) N T =782=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。本次設計，焊接法取管心距t=1.5d0=1.2525=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222=44mm。1.4.4 殼體內(nèi)徑6 對于按正三角形排列的管子，nc=1.1=1.1（根） D=t(nc-1)+2b D殼體內(nèi)徑，m b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= （11.5）d0 b=1.5 d0=1.525=37.5mm。 D=t(nc-1)+2b=32（14-1）+237.5=491mm500mm。 最小壁厚：10mm,取20mm。1.4.5 接管 流速u的經(jīng)驗值可取6：對液體： u=1.52m/s 對蒸氣：u=2050m/s殼程內(nèi)徑 進口接管 取接管內(nèi)蒸汽流速為30m/s,正戊烷蒸氣的密度17： 3.585Kg/m3 ，則接管內(nèi)徑 D1=95.6mm96mm 選的標準接管14：1086mm 。出口接管 取接管內(nèi)的液體流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑 D2=33.16mm34mm 選的標準接管15：456mm 。管程水進出口接管 取接管內(nèi)水流速為1.5m/s,則接管內(nèi)徑 d=mm129mm 選的標準接管15：1506mm 。1.4.6 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 計算的臥式固定換熱器的規(guī)格如下： 管子規(guī)格： 252.5mm 公稱直徑D： 500mm 公稱壓力P： 不大于105Pa 管程數(shù)N P ： 2 換熱管長度L： 2.0m 傳熱管總根數(shù)NT： 156計算換熱面積： 24.44m2 管子排列方式： 正三角形錯列所以選的標準臥式固定換熱器G500 -0.6-24.5的規(guī)格如下9: 管子規(guī)格： 252.5mm 公稱直徑D： 500mm 公稱壓力P： 0.6MPa 管程數(shù)N P ： 2 換熱管長度L： 2.0m 傳熱管總根數(shù)NT： 164 中心排管數(shù)： 15公稱換熱面積： 24.5m2管程流通面積： 0.0257 m2 管子排列方式： 正三角形錯列1.6 換熱器核算1.6.1 核算總傳熱系數(shù) 計算管程對流傳熱系數(shù) 管程流體流通截面積 A=0.0257 m2 管程流體流速 u=m/s 雷諾數(shù) Re= 普蘭特數(shù) Pr= =0.86.0930.4=3503.02 W/（m2）計算殼程對流傳熱系數(shù) 現(xiàn)假設管外壁溫=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下的物性可沿用飽和溫度51.7下的物性數(shù)據(jù)，t=t s-t w =51.7-41.7=10 =0.725 =865.33 W/（m2） 確定污垢熱阻10 Rso=1.7210-4 m2/W（有機液體） Rsi=2.010-4 m2/W（井水） 總傳熱系數(shù)K 碳素鋼11：=45 W/(m) K= =500.95 W/（m2）1.6.2 傳熱面積裕度 實際傳熱面積 A=m2 公稱換熱面積A0=24.5 m2該換熱器的面積裕度F=15.5%為保證換熱器操作的可靠性，一般應使換熱器的面積裕度大于15%25%12 所以該換熱器較為合適。 1.6.3 核算壁溫 t w =39.5 假設值可以接受。1.6.4計算壓降和核算 （1）計算管程壓降 P1,P2分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓降，Pa Ft-結垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子取1.4 NP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=0.005，Re=17020 由摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)及相對粗糙度的關系圖13，讀得=0.034 NP=2，F(xiàn)t=1.4，Ns=1 =（976.18+861.33）1.421=5145.028Pa105Pa 管程壓降在允許的范圍內(nèi)。 （2）計算殼程壓力降 殼程為恒溫恒壓蒸汽冷凝，其壓降可忽略。 （3）總阻力 5145.028105Pa 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 設計計算匯總表名稱 單位 結果 正戊烷流量W hkg/h2777.78 正戊烷蒸汽進口溫度51.7 冷卻水流量W ckg/h70000 冷卻水進口溫度24 冷卻水出口溫度27.40熱負荷QkJ/h992778.572 總傳熱系數(shù)KW/（m2）500.95 實際傳熱面積m221.21 公稱傳熱面積m224.5 面積裕度F-15.5% 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）3503.02 管程壓降PiPa5145.028殼程對流傳熱系數(shù)0W/（m2）865.33殼程壓降P0Pa0總阻力Ps Pa5145.028表3 換熱器工藝尺寸匯總表名稱單位結果管子規(guī)格mm252.5公稱直徑DNmm500殼體壁厚mm20公稱壓力PNMPa0.6管程數(shù)N P-2換熱管長度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殼程進口接管內(nèi)徑mm108殼程出口接管內(nèi)徑mm45管程水進出口接管內(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 設計總結 在設計的前期，通過去圖書館借書，看書，了解換熱器的結構，傳熱特點和阻力性能等特點，查找相關物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，大致知道設計內(nèi)容要做什么和怎樣去做。 在設計過程中，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，直到符合為止。 上面設計的換熱器，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。 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。 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。 在設計的后期，就是通過設計出來的換熱器規(guī)格，把該換熱器的圖用A3的圖紙畫出來。以上就是在設計換熱器過程中的小小總結。 參考文獻1夏清 賈紹義主編 化工原理第二版上冊 天津大學出版社 2011