化工原理课程设计一

1、化工原理课程设计（一）碳八分离工段乙苯冷凝器设计姓名：xxxxx学号：xxxxxxx专业：过程装备与控制工程班级：122班概述及设计方案简介1.1化工原理课程设计的主要目的和基本要求化工原理课程设计的主要目的是加强化工类及其相关专业学生的实践能力的培养，注重提高学生的工程实践能力、 分析与解 决工程实际问题的能力。力求通过这个基本环节的训练， 使学生 能够初步掌握化工单元过程与设备设计的基本程序和方法，具备查找基本资料的能力和检索的方法， 并且能够运用简洁有效的文 字和基本的工程语言来表述设计的思想和结果，运用在课堂上所学的化工原理的基础知识进行化工单元课程和设备设计。为此要求学生完成以下的基

2、本内容：(1)设计方案简介 根据任务书提供的要求，进行生产实际调 研或查阅相关技术资料，在此基础上，选定合适的方案。(2)主要设备的工艺设计计算依据有关资料进行工艺设计计算，即进行物料衡算、工艺参数的优化及其选择、热量的计算、 设备的结构尺寸设计和工艺尺寸的计算。(3)主要设备的结构设计和机械设计按照设计的要求，进行主要的设备结构设计和强度计算。(4)典型辅助设备的选型对典型辅助设备的主要工艺尺寸进行计算，并且选定设备的规格型号。(5)带控制点的工艺流程图将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来， 会出流程设备，标明物流方向和主要的控制点。(6)主要设备的工艺条件图绘制主要的工艺条件

3、图，图面包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。(7)主要设备的总装配图按照国标或行业标准，绘制主要设备的总装配图。(8)编写设计说明书 作为工作的书面总结，在以上的设计完 成后，应以简练、准确的文字，整洁、清晰的图纸及表格编写设 计说明书。说明书应该包括：封面、目录、设计任务书、概述及 设计方案简介、设计条件及主要物性参数表、工艺设计计算、设 备结果一览表、设计自我评述、参考资料以及主要符号说明。1.2 冷凝器的简介列管式冷凝器有卧式和立式两种类型，被冷凝的工艺气体可以 走壳程，也可以走管程。其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是最 常用的形式。1.2.1 卧式壳程冷凝器壳程上除了设有物流进出

4、口接口外， 还有冷凝液排出口和不凝气 排出口。壳程蒸气入口处装有防 冲板，以为了减少蒸气对管束 的直接冲击。壳程中的横向弓形折流板或者支承板圆缺面可 以水平或者垂直安装。对于垂直安装的折流板，为了便于排 由冷凝液体，应该切去圆缺高度为壳体内径的50%。然而对 于水平安装的折流挡板，应该切去圆缺高度亦应该不大于克体内径的35%,折流板间的最小间距为壳体内径的35%。无论是水平安装或者是垂直安装，当被冷凝工艺蒸气中含有不 凝气时，折流板间距应随蒸气冷凝而减小，为了增强传热的 效果。1.2.2 卧式管程冷凝器这种冷凝器的管程多是单程或者双程。其中传热管长度和 直径的大小，以及传热管的排列方式取决于管

5、程和壳程的传 热需要。管程采用双程的时候，冷凝液可以在管程间引生， 这样可以减少液相的覆盖面积和压降。同时，用减少第二管 数的方法使其保持质量流速不变。这种冷凝器的缺点是蒸气 与冷凝液的接触不好。1.2.3 立式壳程冷凝器壳程设置有折流板或者支承板，蒸气流过防冲板后自上而 下流动，冷凝液体从下端排由。冷却水以降膜的形式在管内 向下流动，因而冷却水侧要求压力低；由于水的传热系数大，因此消耗水的量较少，但是水的分配是不均匀的， 所以可以在进 水口安装一个水分配器。1.2.4 管内向下流动的立式管程冷凝器管内的蒸气及其冷凝液均向下的冷凝器即为这种冷凝器， 带有外部封头和分离端盖。蒸气是通过径向接管注

6、入顶部， 在管内向下流动，在管壁上以环状薄膜的形式冷凝，冷凝液在其底部排由，为了使由口排气中携带的冷凝液体量最少， 下面的分离端盖可以设计成挡板式或者漏斗式。传热的管径 多在19mm- 20mm在低压的时候可以用 50mm直径的传热管。1.2.5 向上流动的立式管程冷凝器它是管程蒸气和壳程冷却剂均向上流动的立式管程冷凝 器。这种冷凝器通常直接安装在蒸播塔的顶部，以利用冷凝 液回流来汽提少量低沸点的组分。蒸气经由径向接管注入其 底部。冷凝器的传热管长度为2 3m,其直径多大于25mm1.3 设计方案简介1.3.1 冷凝器类型的选择要求管程和壳程的压差均小于 50kpa,所以选择壳程冷凝 器，在根

7、据任务书的要求采用立式冷凝器。 通过以上的分析， 最终选择立式壳程冷凝器。1.3.2 列管式冷凝器的设计安排(1)弄清楚冷凝的基本要求、冷凝负荷、操作温度和压力情况；(2)查找流体的物性参数；(3)初选总传热系数 k0；(4)设计平均温度差和根据传热的基本公式计算传热面积；(5)确定换热气结构；(6)计算逆流传热参数和总的传热系数与传热面积；(二)设计条件和主要物性参数2.1 设计条件 热流体：气体 组成摩尔分率乙苯对二甲苯间二甲苯98.3%0.57%1.13%操作温度为131c冷却水循环温度 30 c,温升10 c冷凝负荷为12560000kj/h要求管程和壳程压差均小于50kpa,设计标准

8、立式冷凝器2.2 主要物性参数（1）壳程的混合气体温度为131c（2）混合物纯组分物性参数（在 131c的温度下）、性 组'密度kg/m3黏度（g）pa.s黏度（1）pa.s汽化给j/mol热容(g)j/mol.k热容(l)j/mol.k乙苯765.434 _-68.700 乂 100.0002461 _43.599 x 10172.844228.084对二甲苯760.466-68.516 乂 100.00023053.639 x 104169.440220.355问二甲苯764.5838.693 x 10-60.00023153.673 x 104169.743222.411(3)管

9、程流体的定性温度 t=30+(30+10)/2=35 c(4)水在35c的物性参数：密度kg/m3汽化给j/mol热导率w/m.k黏度pa.s比定压热容 kj/kg.k993.954.350 x 1040.6260.00072254.1742.3 混合物的物性计算公式(1)液体混合物的密度的计算公式：1/ p m=w/ p l+w/ p 2+w3/ p 3+w/i/ p n；p 1, p 2, p 3，p n是液体混合物中各纯组分的液体密度wi, w2, w3,wn是液体混合物中各组分的质量分数；(2)气体混合物的密度计算公式：p m= p 1w/1+ p 2w2+ p 3w3+ p nwnp

10、 1, p 2, p 3p n在是气体混合物的压力下各纯组分的 密度；wi,w2,w3wn是混合物中各组分的体积分数；(3)低压气体混合物导热系数:入 m=(汇 ni=i 入 i y m/3i)/( e ni=i y m/3i )式子中的入i代表组分i的传热系数；m代表气体混合物中某一组分的相对分子质量;(4)低压气体混合物的黏度计算公式：tm=(-yitim/2i)/(汇yim/2i)n m代表混合气体的黏度；y i代表气体混合物中某一组分的摩尔分数；m i代表气体混合物中某一组分的摩尔质量；n i代表气体混合物中某一组分的黏度；(5)液体混合物导热系数：入 rm=eni=iw/ 入 ri式

11、中入i代表组分i的传热系数；w是液体混合物中各组分液体的质量分数；r是指数，通常取值为-2 ;2.4 混合物的物性参数密度kg/m3黏度(l)pa.s黏度(g)pa.s热化给j/mol热导率w/m.k765.3960.00025238.699 x 10-63.600 x 1040.019593(三)工艺设计计算3.1 估算传热面积3.1.1 热流量根据任务书的要求，热流量 中=12560000kj/h=3488.89kw3.1.2 平均传热温差采用逆流的方式 tm= (at i+at2)/ln(at 1/ at 2)=(131-30)+(131-40)/ln(131-30)/(131-40)=

12、95.91c3.1.3 估算传热面积由于管程走冷水，壳程走工艺蒸气，设 k=400w/(itf.k), 则估算其传热面积：ap=o /k tm=3488890/(400 x 95.91)=90.94( m2)3.1.4 冷却水用量q m,c= o /c p,1 xa11=3488890/4174(40-10)=27.86kg/s=100303.50kg/h3.2 工艺结构尺寸3.2.1 管径和管内流速的选择选用e19><2较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速为ui=1.2m/s 。3.2.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数ns=4qv/ 兀 d2iu=(4 x

13、 27.86/993.95)/(0.0152 x 1.2 x 兀)=132.18 弋 132(根)按照单程管计算，所需的传热管长度为l=ap/ 兀 d0ns=90.94/(兀 x 132x 0.019)=11.54(m)根据本设计要求，采用标准设计，现在取传热管长度为l=6.0 米，则有冷凝管的管程数为：n p=l/l=11.54/6.0=2(管程)传热管的总根数为：nt=132x 2=264 (根)3.2.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数r我流体白温降/冷流体的温升=(131-131 ) / (40-30 ) =0cp术流体温升/两流体的最初温差p= (40-30) / (1

14、31-30) =0.099对于单侧温度变化流体，折流、并流、逆流的平均传热温差相等，所以有£ t=1>0.8，则根据公式有： tm=ejtm逆=1 x95.91=95.91 c3.2.4 传热排列和分程方法采用组合排列法，即每程内按照正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。取管心距t=1.25d。，即可以得到t=1.25 x 19=23.75 = 25(mm)隔板中心离其最近一排管中心距离为s=t/2+6=25/2+6=18.5(mm)各程相邻管的管心距为 37mm每程各有传热管132根。3.2.5 壳体内径采用多管程结构，并且取管板利用率n =0.7 ,壳体内径的估算公式为：d=

15、1.05t vn；f=1.05 x25x j264/0.7 =510 (mm)根据卷制壳体晋级档,可以取 d=600mm3.2.6 管束的分程方法分程时应该使各程的管子数目大致相等，隔板的形式要简 单，密封的长度要短，为了使制造、维修和操作方便，一般 都采用偶数管程。管程的分束方式常常采用平行和t形方式,然而本次的设计采用平行方式。3.2.7 折流板和只承板本次设计中采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%则切去的圆缺高度为：h=0.25 x 600=150(mm),那就取 h=150mm取折流板间距b=0.3d,则b=0.3 x 600=180mm故可以取 b=200mm折流挡

16、板数 脂二传热管长/折流板间距-1=4000/200-1=24(块) 折流板圆缺面水平安置。3.2.8 其他主要附件(1)旁路挡板 如果壳体与管束之间的环隙过大，则流体会 通过该环隙短路，为了防止这种情况的发生，则必要的时候 可以设置旁路挡板。(2)防冲板 为了防止壳程进口处流体直接冲击传热管，产 生冲蚀，必要的时候应该在竞程物料进口处设置防冲板。一 般壳程介质为气体或者蒸汽时，应该设置防冲挡板。本次的 设计需要设计一个防冲挡板。3.2.9 接管管程流体进由口接管，取管内液体的流速 u水=1.2m/s ,则接管内径为d= j4v/二ui = j(4 27.86/993.95)/、二 1.2d=

17、o.i72(m)圆整后可以取管内径为 200mm3.3 冷凝器的核算3.3.1 热流量核算(1)壳程表面传热系数用肖恩法计算0.55 1 /3014h 0=0.36/der p1/3 / w当量直径，依照计算公式有de=0.017(m)壳程流通截面积，依式得s0=bd (1-d 0/t)=0.2 x 0.6 x (1-0.019/0.025)=0.0288( m2)壳程流体流速及其雷诺数分别为u 0=v0/s0=0.0584728/0.0288=2.03m/sre0=deu0 p / n =0.017 x 2.03 x 765.396/(8.699 x 10-6)=3036420普朗特数 pr

18、=cp n / 入=2.27 x 103 x 8.699 x 106/0.01 95 93=1.01黏度校正(刀/ tw)0.14=1h0=0.36 x 0.019593/0.017 x 3036420a55 x 1.01 1/3=1530/ m2.k(2)管内表面传热系数按照公式:h i=0.023 入 i/d irepr0”管程流体流通截面积 si=兀de2nt/8=0.030(m2)管程流体流速 ui =(27.86/993.95)/0.030=0.934m/s贝u有 re=0.017 x 0.934 x 993.95/0.0007225=21843.5普朗特数 pr=4174 x 0.

19、0007225/0.626=4.82hi =0.023 x 0.626 x 21843.50.8 x 4.82 0.4/0.015=5332(w/ m2 .k)(3)污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻r 0=0.0004 m.k/w管内侧污垢热阻r i =0.0006 m.k/w管壁热阻，碳钢在这种条件下的热导率为50w(m.k)o所以 rw=0.002/50=0.00004 m2.k/w 传热系数 k c=1/(d 0/h idi+rd°/d i+rwd°/d m+r+1/h 0kc=1/(1/1530+0.0004+0.00004x19/18+0.0006 x19/15+

20、1 /5332x 19/15)=478w/( m2.k)(5)传热面积裕度根据公式计算传热面积ac为ac= o/kc atm=3488890/(478 x 95.91)=76.10( m2)该冷凝器的实际传热面积aa= 兀 d0lnt=3.14 x 0.019 x 6.0 x 264=94.50( m2)该冷凝器的面积裕度h= (a-ac)/ac=(94.50-76.10)/76.10 x 100%=24.2% 传热面积裕度合适，该冷凝器能够完成生产任务。3.3.2 壁温的计算液体的平均温度 t m=0.4t 2+0.6t 1=0.4 x 40+0.6 x 30=34 c气体的平均温度 tm=

21、(f+f)/2=(131+131)/2=131ch c=hi=5332(w/m2.k) hh=h0=1530w/m2 .k传热管的平均壁温 tw=(t m/h c+t m/h h)/(1/h c+1/h h)tw=(131/5332+34/1532.43)/(1/5332+1/1532.43)=55.65 c壳体壁温，可以进似取壳程流体的平均温度，即 t=131c壳体壁温与传热管壁温之差为 t=131-55.65=75.35 c该温差较大，故需要设温度补偿装置。3.3.3 冷凝器内流体的流动阻力(1)管程流体阻力pt=(4r+4pr)nsn3fs其中 ns=1,np=2,所以 r=(入 il

22、pu2)/2di由 re=21843.5传热管的相对粗糙度£ /d=0.2/15=0.01333 ,入i=0.042,流速ui=0.934m/s ,密度 p =993.95kg/m3,所以有 pi =0.042 x (6/0.015) x (993.95 x 0.934 2/2)=7283.5(pa) pr=£ p u2/2=3 x 993.95 x 0.934 2/2=1300.6(pa) pt=(7283.5+1300.6) x 1 x 2 x 1.5=25752.3(pa) 管程流体阻力在允许的范围之内。(2)壳程阻力计算公式ps=(ap0+4p)fsn其中 ns=1

23、, fs=1;流体流经管束的阻力po=ffontc(nb+1)( p u02/2)f=0.5,f 0=5.0re-0.228=5.0 x 3036420°228 =0.1663 ntc=1.1nt0.5=1.1 x 2640.5=17.87 n b=24 u 0=2.03m/s p0=0.5 x 0.1663 x 17.87 x 25 x 765.396 x 2.03 2/2=58583(pa) 流体流过折流板缺口的阻力pi=nb(3.5-2b/d)( p u02/2)=24 x (3.5-2 x 0.2/0.6) x (765.396 x 2.032/2)=107240(pa) 总

24、阻力 ps=58583+107240=165823(pa)经比较可知，系统总阻力符合设计所给的要求。3.3.4 冷凝器主要结构尺寸和计算结构冷凝器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程流率/(kg/h)100303.5进/由口温度/ c30/40131/131压力/pa小于50kpa小于50kpa定性温度/c35131物密度/(kg/m3)993.95765.396定比压热/kj/(kg.k)4.1742.27性黏度/pa.s0.00072250.0002523热导率 /w/(m.k)0.6260.019593普朗特数4.821.01形式立式台数1设壳体内径/mm600壳程数1备管径/mm 19x2管心距/mm25管长/mm6000管子排列管数目/根264折流板数/个24传热面积/ m294.5折流板间距/mm200管程数2材质碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)1.2m/s0.934m/s表面传热系数/w/( m.k)53321530污垢热阻/( m2.k/w)0.00060.0004阻力/mpa0.107240.165823热流量/kw