化工原理课程设计_优秀资料

1、第一章概述及设计方案简介1.1化工原理课程设计的目的和要求化工原理课程设计可以培养化工类及其相关专业学生的实践 能力，捉高学生的工程实践能力、分析和解决工程实际问题的能 力。力求通过这一环节的学习和训练，是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，具备正确使用相关技术 资料的能力，运用简洁的文字和工程语言正确表达设计思想和结 果，综合运用所学知识进行化工单元过程与设备设计。课程设计 还可以帮助学生树立实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风, 使学生受益终身。课程设计是学习化工设计的基础知识，是培养学生化工设计 能力的重要教学环节，通过这一实践教学环节的训练，使学生掌 握化工单元

2、过程及设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅和正确 使用资料，能够在独立分析和解决实际问题的能力方而冇较大捉 高，增强工程观念和时间能力。为此，学生在进行本课程设计的 实践过程中，以实事求是的科学态度，严谨、认真的工作作风完 成以下内容：(1) 设计方案简介 根据任务书捉供的条件和要求，进行生 产实际调研或查阅有关技术资料，在此基础上，通过分析研究， 选定适宜的流程方案和设备类型进行简要的论述。(2) 主要设备的工艺计算依据有关资料进行工艺设计计 算，即进行物料衡算、热量衡算、工艺参数的优化及选择、设备 的结构尺寸和工艺尺寸设计计算。(3) 主要设备的结构设计和机械设计按照详细设计的要 求，进行主

3、要设备的结构设计及设备强度计算(4) 典型辅助设备的选型对典型设备的主要工艺尺寸进行 计算，并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岀来，绘岀流程所需全部设备，标出物流 方向及主要控制点。(6) 主要设备的工艺条件图 绘制主要设备的工艺条件图, 图血包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表(7) 要设备的总製配图按照国标或行业标准，绘制主要设 备的总装备图，按现在形式的发展和实际工作要求，应采用cad 技术绘制图纸。(8) 编写设计说明书 作为整个设计工作的书面总结，在以 上设计工作完成后，应以简洁、准确的文字，简洁清晰的图纸及 表

4、格编写出设计说明书。说明书的内容应包括:封面、目录、设 计任务书、概述与设计方案简介、设计条件及主要物性参数表、 工艺设计计算、机械设计计算、辅助设备的计算及选型、设计结 果一览表、设计评述、工艺流程图、设备工艺条件图与总装备图、 参数资料和主要符号说明。1.2冷凝器的简介列管式冷凝器有卧式与立式两种类型，被冷凝的工艺蒸气可 以走壳程，也可以走管程。其屮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设有物流进出口接管外，述设冇冷凝液排出口和不 凝气排出口。壳程蒸气入口处装有防冲板，以减少对管束的直接 冲击。壳程屮的横向弓形折流板或支撑板圆缺而可以水平或垂直 安装。

5、对于水平安装的折流板，为了防1上流休短路，切去的圆缺 高度不宜大于壳体内径的35%,折流板间最小间距为壳体内径的35%,最大间距不宜大于壳体内径的两倍。为了便于排出冷凝液, 折流板的卜缘开有槽i。这种水平安装方式可以造成流体的强烈 扰动，传热效果好。不论弓形折流板的圆缺面是水平述是垂直安 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，以增强传热效果。当冷凝表面传热系数小时，在管外 可以使用低翅管，翅高1 -2mmo若要使冷凝液过冷，可以采用阻液型折流板。卧式壳程冷凝器的优点是压降小，冷却剂走管程便 于清洗；缺点是蒸气与凝液产生分离，难于全凝宽沸程范围的混 合物。（1）水平

6、管束外冷凝表面传热系数 工艺蒸气在水平管束外冷 凝表面传热系数用下式计算。表血传热系数：2（ 77 yj4hq = j±pr 工（1-1）de 丿水平管束冷凝:= 1.51re,/31/3(1-2)式屮，为无量纲冷凝表而传热系数；h（）为冷凝表而传热系数,w/(n?k)。(1-3)77式屮，qn】为冷凝液的质量流量，kg/s； 1为传热管长度，m； ns为 当量管数。则其表而传(1-4)(1-5)(2)管程表面传热系数 若管程流体无相变传热， 热系数用下式计算。h. =0.023 re08 prnd,$ 0.4当流体彼加热时 n t 0.3当流体被冷却时式(1-4)的适用条件是： 低

7、黏度流体(r)<2x 10"pas) 雷诺数re> 10000； 普朗特数pi在0.6160 z间； 管长管径之比l/d>50； 定性温度可取流体进出口温度的算术平均值； 特征尺寸取传热管内径4。1.2.2卧式管程冷凝器这种冷凝器的管程多是单程或双程。其屮传热管长度和直径 的大小，以及传热管的排列方式取决于管程和壳程传热的需要。 管程采用双程吋，冷凝液可以在管程之间引出，这样可以减少液 和的覆盖面积也可以减小压降，同时，用减小第二程管数的方法 使其保持质量流速不变。在这种冷凝器屮，蒸气与冷凝液的接触 不好，因此对宽沸程蒸气的完全冷凝是不适宜的。此外，由于冷 凝液只是

8、局部地注满管道，因此过冷度较低。(1) 水平管内冷凝表面传热系数 工艺蒸气在水平管内冷凝表 面传热系数用下式计算。当 re>5x104 时：/?. =0.0265鱼re°8 pi旧(1-6)当 1000<rc<5x104 时:其中:hicpgz 、05ge=ggv-k pv )g/i +g/22q _ 久1 +g#2(1-8)(1-9)(1-10)(1-11)(1-12)式中，gc为当量质量流速，kg/(m2.s)； ©、瓦分别凝液和气体平均质量流速，kg/( m2-s)；下标1、v分别表示凝液和气休；下标1、2分别表示进口和出口； m为膜温下凝液黏度，p

9、a-s；九为膜 温下凝液热导率，w/(m-k)； cm为膜温下凝液定压比热容， kj/(kgk)； pi为膜温下凝液密度，kg/m3； pv为定性温度下气相密 度,kg/m3；山为传热管内径,m。(2)壳程表面传热系数 若壳程流体无相变，则其表面传热系 数用式(113)计算。/?() = 0.36re；55 pr,/3(77/77u.)014(1-13)1.2.3立式壳程冷凝器壳程设置折流板或支撑板,蒸气流过防冲板后自上而下流动, 冷凝液由下端排出。冷却水以降膜的形式在管内向下流动，因而 冷却水侧要求的压力低；由于水的传热系数大，故耗水量少，但 水的分配不易均匀，可在管口安装水分配器。(1)垂

10、直管束外冷凝表面传热系数 工艺蒸气在垂直管束外冷 凝表面传热系数用式(1-14).式(l-15a)和式(l-15b)计算。 垂直管束冷凝：(2、1/3/i* = /?0 -=1.88re',z3(1-14)4m式中，re =(l-15a)7m = q,n(l-15b)7id °n t以上两式仅适用丁液膜沿管樂呈层流流动，即 <2100 oh(2) 管程表面传热系数 若管程水无相变传热，且以降膜的形式在管内向下流动，层流吋的表面传热系数计算式式中,/ 2 1/3( 2、1/3 "i= 0.7811 gp;丿_ aw丿l%re1/9h为管程的表面传热系数,1/3(

11、1-16)w/(m2<k)； l为传热管长度,(m7)式中，qm为水的流量，kg/s； di为传热管内径，mo式(1-16)适用条件:re<rec, re。为临界值，其值为1460p严叭 过渡流时的表面传热系数计算式：= 0.032 re02 pr034(1-18)适用条件：2100>re>reco 湍流吋的表面传热系数计算式:2屮3冬 =5.7xlo-3 re04 pr034( 1-19)gp；丿适用条件：re>2010o1.2.4管内向下流动的立式管程冷凝器管内蒸气及其冷凝液均向下流动的立式管程冷凝器，是一带 有外部封头和分离端盖的管壳式换热器。若壳程不需要清

12、洗或可 用化学方法清洗，则可用i占i定管板式结构，蒸气是通过径向接管 注入顶部，在管内向下流动，在管壁上以环状薄膜的形式冷凝， 冷凝液在底部排岀，为使出口排气屮携带的冷凝液量最少，下面 的分离端盖可设计成扌肖板式或漏斗式。冷凝液液位应低于扌肖板或 漏斗。传热管管径多为1925mm。在低压时，为减少压降，也可 用50mm直径的传热管。(1) 管程表面传热系数 垂直管内气液并流向下流动时的冷凝表 面传热系数，可以应用e.f.carpenter和a.p.colbum的简化关系式 计算。(1-20)(1-21)g；+gg+g(1-22)式中，g、g2分别是进出口的蒸气质量流速，若蒸气全部被冷凝, 则g

13、2=0,而瓦=0.58g o式(120)适用条件:pr=l5, © = 5150z间。（2）壳程表面传热系数 若壳程流体无相变传热，则其表而传 热系数用式（113）计算。1.2.5向上流动的立式管程冷凝器这种冷凝器通常是直接安装在蒸诸塔的顶部，以利于利用冷 凝液回流来汽提少量低沸点组分。蒸气经由径向接管注入其底部。 冷凝器的传热管长度为23im英直径多大于25mm,管束下端延 仲到管板外，并切成60°75。的倾角，以便于排液。当蒸气向上流动的流速阻碍冷凝液自由回流时，便会产生液 泛，将冷凝液从冷凝器顶部吹出。根据hewitt和halltaylor的准 则，当满足下列条件时，

14、可防止液泛的发生。心畀 + 硏才40.6翻（口。-az）'4（1-23）式屮，知°、你）分别为蒸气和凝液单独在管程流动的折算流 速，m/s；山为传热管内径，m。（1）管程表面传热系数 垂直管内气液两相逆流流动时的冷凝 表面传热系数，可应用下式计算。dipu pr<5丫piv c pi (c -< % )2。.28严，1/8(1-24)管内蒸气流动雷诺数为rev(1-25)£式中，g、o为按进口状态计的蒸气质量流速，kg/(m2 -s)o考虑到冷凝液膜温度* ts降至tw的显热传递，r；可用下式计算 +0.68c“s-几,)(1-26)式中，£为

15、冷凝热，kj/kgo式(1-24)适用条件：rev >2.5xl04, >0.1, <10_7,/ptl(2) 壳程表面传热系数 若壳程流体无相变，则表面传热系数 用式(1-13)计算。冷凝器是将工艺蒸气冷凝为液休的设备，在冷凝过程中热量 传递给循环水等冷却剂。列管式冷凝器屮所用的换热表而可以是 简单的光管、带肋片的扩展表面或经开槽、波纹或具他特殊方式 处理过的强化表而。列管式冷凝器有卧式和立式两种类型，被冷凝的工艺蒸气可 以走壳称，也可以走管程。其屮卧式冷凝和立式冷凝式最常见的 形式。下面简要介绍一下立式壳程冷凝器：课程设置折流板或支 承板，蒸气流过防冲板后自上而下流动，冷

16、凝液由下端排出。冷 却水以降模的形式在关内向下流动，因而冷却水侧要求的压力低; 由于水的传热系数大，故耗水量少，但水的分配不易均匀，可在 管口安装水分配器。1.3设计方案简介1. 选择冷凝器的类型由于管程和壳程的压差均小于50kpa, 为减低压差，故初步确定选择立式壳程冷凝器。2. 流程安排一般列管式冷凝器设计流程如下；（1）明确冷凝要求，操作温度、压力及冷凝负荷；（2）收集流休的物性参数：如密度、黏度、导热系数等;,（3）确定冷凝器形式，合理安排流程；（4）初选总传热系数k（）；（5）计算平均温度差；（6）由传热基本方程式计算传热面积；（7）确定换热器结构；（8）计算逆流传热系数；（9）计算

17、总传热系数与传热而积a；当k= （1.112） k, ao/a1.2；传热面积有20%作用的裕度时，符合要求，否则重 新假定k（）值，重复步骤直到符合要求；（10）计算冷凝器压降，若大于允许的压降，返回（7）、（4）、（4）,重新计算，直到达到要求为止。第二章设计条件及主要物性参数2.1设计条件热流体为气体混合物，其组成摩尔分数如表1所示:表1乙苯对二甲苯间二卬苯98.3%0.57%1.13%操作温度为131°c；冷却循环水温度为30°c,温升10°c；冷凝负荷为3140000kj/h;要求管程和壳程压差均小于50kpa,设计标准立式冷凝器2.2主要物性参数2.2

18、.1原始物性数据（1）壳程混合气体的定性温度为131°c。管程流体的定性温度为t二竺严=35(® o表2混合物各纯组分物性数据（t=131°c）!黏度(g)pa-s黏度（1）pa-s热容(g)ja热容(i)ind*1 -k"1密度kg« nr®汽化焙j'mol"1乙 苯&700x 10-fi0.0002461172.844228.084765.4343.599x 104对屮 苯8.516x 10-fl0.0002305169.440220.355760.4663.639x io4间屮 苯8.693x 20虫0

19、.0002315169.743222.411764.5833.673x io4表3水的主要物性数据（t=35°c）密度汽化焰比定压热容热导率黏度kg*w-" lpa-s2.2.2混合物物性相关计算公式(1) 液体混合物的密度式中：± =鼻+竺十+竺pm pl rapelp 1,p 2,p n 液体混合物屮各纯组分液体的密度， kg-m3;w|, w2 ,wn液体混合物屮各组分液体的质量分数。(2) 气体混合物密度：pm=p 1 w1+p2 屮 2+pnn式中：p 1?p 2,p n 在气体混合物的压力下各纯组分的密度,kg in-3;v 1, i卩2,wn气体混合

20、物中各组分的体积分数。(3) 低压气体混合物黏度计算公式:式中：卩m混合气体的黏度；yi 气体混合物中某-组分的摩尔分数；u i与气体混合物相同温度下某一组分的黏度； mj气体混合物中某一组分的相对分子量。(4) 分子不发生缔合的液体混合物黏度计算公式：式中:m m液体混合物的黏度；x j液体混合物中某一组分的摩尔分数；u i与液体混合物相同温度下某一组分的黏度。(5) 低压气体混合物导热系数：心组分i传热系数；mi气体混合物中某一组分的相对分了质量。(6) 液体混合物导热系数：1=1式中：入i组分i传热系数；wi液体混合物屮各组分液体的质量分数; r指数，一般情况下取为22.2.3 混合物物

21、性参数导岀值汇总表3混合物物性参数密度kg m y汽化焙j mol黏度pa-s黏度(g)pa-s热导率(g)wm7k-=第三章工艺设计计算3.1估算传热面积3.1热流量根据设计任务书所给的要求：热流量 <d=3140000kj/h=872.22 (kw)3.1.2平均传热温差先按纯逆流计算得:=95.91(°c)3.1.3传热面积由于管程走的是冷水，壳程走的是轻有机物，故假设k=470w/(m2 )，则估算的传热面积为：872.22 x 10az °、470x95,913.1.4冷却用水量37空】冋店呵=20.90(kg« &t)=75227.41k

22、g h"13.2工艺结构尺寸3.2.1管径和管内流速选用019况2较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速ut = irzm s-1o3.2.2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20.90/9925740.785 x 0.015s x 1.2=99a 建100(18)按单-程管计算，所需的传热管长度为ap1935z、l = = 33 (m)kdom? 3.14 x c.019 x 100' '根据本设计要求，采用标准设计，现取传热管长1=1.8米，则 该冷凝器的管程数为np=p=g2(管程)323平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校止系数131-131

23、40-30=0iai-as=0-099对单侧温度变化流体，折流、并流、逆流的平均传热温丼和 等，即 0总=1,则加皿= %tatma = 1 x95.91=95.91 (°c)3.2.4传热排列和分程方法采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧釆用矩 形排列。取管心距t=1.25 ，则t=1.25 19=23.7525(隔板屮心到离其最近一排管屮心距离为s =6 = + 6= 18.5 (mm)各程相邻管的管心距为37mmy每程各有传热管100根。3.2.5壳体内径采用多管程结构，取管板利用率11=0.7,壳体内径为d = 1.051= 1.05 x 2520(-444 (m

24、m)口jid = 45(o3.2.6折流板采用弓形折流板，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 450 = 112.5,故可取 h=110mm。去折流板间距b=0.3d,贝ijb=0.3 x 450 = 135 (m,故可取 b=150mm。折流板=ff龜忧1逐1bc折流板圆缺面水平装配。3.3冷凝器核算3.3.1热流量核算（1）壳程表面传热系数用恩克法计算：h& = 63时瑞円,花十）g当量直径，依式得:4(岁 x g.0252 - 0j85 x 0.0192dg = =0.017 (m)e3.14 x 0.019人 /壳程流通截面积依式得：s

25、q = bd x (1 半)=0.15 x 0.45 x (1 ""丄今0.025=0.0162m2壳程流体流速及英雷诺数分别为0-05847280.0162 = ' 8 10.017 x 3,6 x 76s.404rqq =& 601 xlc"6=5446195普朗特数pr =f严=悶彩黏度校止h° = 0.36 x "呼测 x 54461950.017=2078w/(m- k)(2)管内表而传热系数a£& x 0.996ahf = 0.0234管程流体流通截曲积200s. = 0.785- x 0.0172

26、, x = 0.023(ms)管程流体流速u严津眩心唤品坯）=曲6叶严普朗特数=20886=4984a74 x 10a x 0.00073990620h. = 0.023 xx 2o88605 x 4n?8m = 4555w/(m2 k)(3)污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻r° = 0.0004m2 k/w管内测污垢热阻r. = 60006胪k/w管壁热阻，碳钢在该条件卜的热导率为50w/(m-iqo所以警=0.00004m： k/w(4)传热系数kc ="(為+0.0004+0.00004 x + 0.0006 xg + rx 寻)=544w/(m2 - k)(5)传热

27、面积裕度昕2w2x忖£4gx昭肌该冷凝器的实际传热面积a=ndolnt = 3.14 x 0.019 x 1.8 x 200 = 21.5m2 (m2)该冷凝器的面积裕度讷=££三字=28.7%如16.7传热面积裕度合适，该冷凝器能够完成生产任务。3.3.2壁温核算液体的平均温度t显=0.4 x 30 + 0.6 x 40 = 3s.2(°c)气体的平均温度1=7(131+131) = 131(°c)hc = ht = 4555w/(m2 k)如=% = 2078w/(n? k)传热管平均壁温x _ 131/4ssb42m/2073“、t =亠

28、亠=25.3(壳体壁温，可近似取课程流体的平均温度，即t=131(°c)。 壳体壁温和传热管壁温之差为t= 131-25.3 = 105.7(°c)该温差较大，故需设温度补偿装置。3.3.3冷凝器内流体的流动阻力pt = apt+apr)nfnsfsn5 = l,np = 2由r-= 20886,冷凝管相对粗糙度 = 0.0133, x =0.042,流速 u=0916m - s"1 p =992.374kg- kt鷺所以0i042 x1®9% 却 x091pa.gisa z=20985 (pa)ipr = = 5x 規"t 心席=1249(p

29、a)台-班=(209&3 + 1249) x 1 m 2 m 1.5 = 10042pa(2)壳程阻力魚=(&p©+api)f 儿ns = 1,fs = 1流体流经管数的阻力x pusipc = ff&ntc(ns + 1)牙f=0.5fft = 5 x 5446195-28 = 0d456ntc = :lin护=£1 x 20cas = 15.6nb = ll?u0 = 3,6m s"1z 、76.560 x 3.&2pq = os x 0.1456 x 15,6 x (11+ 1) x=6761(pa)流体流过折流板缺口的阻力2

30、p u.b =015m，d=0.45m却严 (35-夕宁ap尸 11x(3.5 一x 苗託"決匸=15462(pa)总阻力ips = 6761+ 15462 = 22223(pa)经比较可知，系统总阻力符合设计所给要求。3.3.4冷凝器主要结构尺寸和计算结果冷凝器主要结构尺寸见表4冷凝器计算结果见表5表4冷凝器主要结构尺寸参数管程壳程流率(kg/h)75227进出/口温度(°c)30/40131/131压力(pa)35860定性温度(°c)35131物性密度(kg/m3)992.374765.404定压比热容47425黏度(pa/s)0.00024520.0007

31、399热导率0.6200.019593普朗特数4.980.54设 备 结 构 参 数形式立式台数1壳体内径(mm)450壳程数1管径(mm)*19x2管心距25管长(mm)1800管了排列管数目(根)100折流板数11传热面积(m2)21.5折流板间150管程数2材质碳钢表5计算结果主要计算结果管程壳程流速(m-su)0.9163.6表面传热系数45552078污垢热阻(m2-k)/wl0.00060.0004阻力(mpa)1004222223热流量(kw)872.22传热温差(°c)95.91传热系数w/(m2-k)l544裕度(%)2&7设计自我评述通过这次课程设计，我学到了很多化工设计的基础知识。首先，从整个设计过程和设计结果来看。由于首次做这样的 设计，所以感到有些难度，不过经过我努力研究，此次设计的立 式冷凝器基木满足要去，冷凝器的面积裕度、总阻力的各项指标 均满足设计要求。其次，在完成整个设计方案的过程屮，由于缺乏经验，对- 些参数的选取不是很顺利，很多参数都是经过反复验算才得到最 后的结果，但最终终于设计出合理的方案。通过此次课程设计，我学会了使用软件制图，同时通过查阅 大量的文献及资料，是我的