[整理]end正戊烷冷凝器的工艺设计

1、处理量为1.0 102吨 /年正戊烷冷却器的工艺设计课程设计报告专业：化学工程与工艺班级：081姓名：杨佳佳指导教师：王雪静2010 年 12 月 24 日一、化工原理课程设计任务书 41. 设计内容 42. 设计要求 4二、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书 51. 设计名称 52. 设计条件 53. 设计任务 54. 设计说明书内容 55. 设计进度 5三、正戊烷冷凝器的工艺设计指导书 61. 设计目的 62. 设计的指导思想 63. 设计要求 64. 设计课题工程背景 65. 参考文献 66. 设计思考题 77. 部分设计问题引导 7四、正戊烷冷凝器的工艺设计报告 81. 设计题目 82. 设

2、计目的 83. 课题条件 84. 设计描述 85. 热力学计算 95.1 物性数据的确定 95.2 估算传热面积 95.3 工艺尺寸计算 105.4 面积核算 115.5 压降校核 135.6 设计计算结果汇总表 155.7 列管换热器工艺图 165.8 设计结果评价 16一、化工原理课程设计任务书1. 设计内容(1) 根据生产任务的要求确定设计方案换热器类型的选择换热器内流体流入空间的选择(2) 化工计算传热面积的计算管数、管程数及管子排列，管间距的确定壳体直径及壳体厚度的确定(3) 换热器尺寸的确定及有关构件的选择(4) 换热器流体阻力的计算及其输送机械的选择(5) 绘制流程图及换热器的装

3、配图(6) 编写说明书2. 设计要求(1) 在确定设计方案时既要考虑到工艺，操作的要求又要兼顾经济和安全上的要求。(2) 在化工计算时要求掌握传热的基本理论，有关公式，要知道查哪些资料，怎样使用算图以及怎样选择经验公式，并进行优化设计。(3) 要求根据国家有关标准来选择换热器的构件(4) 要求一部分学生利用计算机来辅助设计及优化设计方案(5) 要求必须掌握固定管板式或浮头式列管换热器的设计二、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书1. 设计名称正戊烷冷凝器的设计2. 设计条件(1)正戊烷、冷凝温度为51.7，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器；(2)冷却介质，地下水，流量为100kg/h，入口温度：20；5(

4、3)允许压强降，不大于105 Pa；(4)每年按 300 天计；每天24 h 连续运转。3. 设计任务(1) 合理的参数选择和结构设计(2) 传热计算和压降计算：设计计算和校核计算4. 设计说明书内容(1) 传热面积(2) 管程设计包括：总管数、程数、管程总体阻力校核(3) 壳体直径(4) 结构设计包括壁厚(5) 主要进出口管径的确定包括：冷热流体的进出口管(6) 流程图(以图的形式，并给出各部分尺寸)及结构尺寸汇总(以表的形式)(7) 评价(8) 参考文献5. 设计进度(1) 设计动员，下达设计任务书0.5 天(2) 搜集资料，阅读教材，拟定设计进度1 天(3) 设计计算(包括电算，编写说明

5、书草稿)天(4) 绘图、整理、抄写说明书1.5 天三、正戊烷冷凝器的工艺设计指导书1. 设计目的通过对正戊烷冷凝器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。总之， 通过设计达到让学生自己动手进行设计的实践，获取从事工程技术工作的能力。2. 设计的指导思想(1) 结构设计应满足工艺要求(2) 结构简单合理，操作调节方便，运行安全可靠(3) 设计符合现行国家标准等(4) 安装、维修方便3. 设计要求(1) 计算正确，分析认证充分，准确(2) 条理清晰，文字流畅，语言简炼，字迹工整

6、(3) 图纸要求，图纸、尺寸标准，图框，图签字规范(4) 独立完成4. 设计课题工程背景在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油产品(如汽油、煤油、 柴油等)进行冷却，本设计以正戊烷为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。5. 参考文献【】 马江权，冷一欣，化工原理课程设计，北京，中国石化出版社，年【】匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计第二版，北京，化学工业出版社，年【】陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋，化工原理上册第三版，北京，化学工业出版社，年【】黄英，化工过程设计，西安，西北工业大学出版社，年【】倪进芳，化工设计，上海，华东理工出版社，年【】柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计

7、，天津，天津科学技术出版社，1994年6. 设计思考题(1) 设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？(2) 为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？(3) 在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？(4) 说明列管式换热器的选型计算步骤？(5) 在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？(6) 说明常用换热管的标准规格(批管径和管长)。(7) 列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优缺点？7. 部分设计问题引导(1) 列管式换热器基本型式的选择(2) 冷却剂的进出口温度的确定原则(3) 流体流向的选择(4) 流体流速的选

8、择(5) 管子的规格及排列方法(6) 管程数和壳程数的确定(7) 挡板的型式1. 设计题目正戊烷冷凝器的设计2. 设计目的通过对正戊烷冷凝器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。总之， 通过设计达到让学生自己动手进行设计的实践，获取从事工程技术工作的能力。3. 课题条件（ 1）设计任务处理能力：100kg/h 。正戊烷蒸气压力：0.75kgf/cm2 ，其饱和温度为51.7 C，蒸发潜热为r 347.5kJ/kg冷却剂：自来软水，进口温度t1 20 C 出口温度t2 35

9、o C（ 2）操作条件：生产方式：连续操作生产时间：每年以300 天计算，每天24 小时冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力均不大于105 Kpa4. 设计描述换热器是许多工业生产中常用的设备, 尤其是石油、化工生产应用更为广泛。在化工厂中常用的换热设备有换热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。换热器的类型很多，性能各异，个具特点，可以适应绝大多数工艺过程对换热器的要求。 进行换热器的设计，首先是根据工艺要求选用适当的类型，同时计算完成给定生产任务所需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸。换热器类型虽然很多，但计算传热面积所依据的传热基本原理相同，不同之处仅是在结构上需根据各自设备特点采用不

10、同的计算方法而已。我们设计的是正戊烷冷却器，冷却器是许多工业生产中常用的设备。列管式换热器的结构简单、牢固，操作弹性大，应用材料广。列管式换热器的形式主要依据换热器管程与壳程流体的温度差来确定。因为水的对流传热系数一般较大，并易结垢，故选择冷却水走换热器的管程，正戊烷走壳程。5. 热力学计算5.1 物性数据的确定正戊烷液体在定性温度（51.7 ）下的物性数据（查化工原理附录）596kg/m3，1.8 10 4Pa s， cp 2.34kJ/kg C，0.13W/m C， r 347.5kJ/kg。循环水的定性温度：入口温度为t1 20 C ，出口温度为t2 35o C循环水的定性温度为tm20

11、 35 / 2 27.5 C两流体的温差Tm tm 51.7 27.5 24.2 C 50 C，故选固定管板式换热器两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度kg/m3粘度mPa· s比热容kJ/（kg · ）导热系数W/（m·）正戊烷51.75960.182.340.157循环水27.59940.7254.080.6265.2 估算传热面积1）计算热负荷qm,h=100/3600kg/s=0.0278kg/sQT qm,hr0.0278 347.5kJ/kg9.65kW（ 2）冷却水用量qm,c= QT /cp,c t =9.65/4.0815=0.158

12、kg/s（ 3）计算有效平均温度差正戊烷51.7C 51.7 C冷却水35 C 20 Ct 19.7 C 31.7 Ct2/ t1=16.7/31.7=0.532tm=( t1t2)/2 (31.7 16.7)/2 24.154）选取经验传热系数K值根据管程走冷却水，壳程走正戊烷，总传热系数K 现暂取：K 350W/m2C5）估算换热面积SQTK tm9.65 10321.019m450 24.155.3 工艺尺寸计算1）管径和管内流速选用 25× 2.5mm 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u 1=0.8m/s。2）管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数0.15

13、8/9940.6 1(根)ns=220.785 0.022 0.8di u4i按单程管计算，所需的传热管长度为L=Sd ons0.6153.14 0.025 0.613.057m 13m按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，现取传热管长 l=3.0m，则该换热器的管程数为L 13 n =4.33 5pl 3传热管总根数N=1× 5=5（根）（ 3）平均传热温差校正及壳程数:平均温差校正系数有:R=热流体降低的温度/冷流体升高的温度0/15 0P=35 2051.7 201531.70.47单壳程，双管程结构，查得t 1.5平均传热温差tmt tm逆1.5 2

14、4.15 36.225 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。（ 4）壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。横过管数中心线管的根数nc1.1N 1.13 1.9 2（根）D t（nc1）2b32 12 （1.5 0.025）0.107m卧式固定管板式换热器的规格如下：公称直径D107mm公称换热面积S0.615m2管程数 n 4p管数n5管长L3m管子直径25 2.5mm管子排列方式正三角形（ 5）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20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*107=21.4mm。取折流板间距B=0.3D，则B=0.3

15、*107=32.1mm，可取B=30mm。折流板数N=传热管长/折流板间距-1=3000/30-1=99 （块）5.4 面积核算（ 1）壳程表面传热系数51.7 20ts 51.7tw35.85231.13 Lr(tsgtw)1/423347.5 5692 0.133 9.81/41.13 41.8 10 4 0.025 (51.7 35.85)458.096w/(m2 C)2)管内表面传热系数. ， 有i 0.023 i Re0.8 Pr0.4di管程流体流通截面积Si 0.785 0.022 1 0.000314( m2)管程流体流速0.158/994ui0.51m/si 0.000314

16、Reidu 0.02 0.51 9940.725 10 313984.55普朗特数4.08 103 0.725 10 3Pr4.7250.6260.80.40.6260.80.42 Oi 0.023 Re0.8 Pr0.40.023.13984.55 0.8 4.7250.4 2776.9W /(m2.Odi0.02C)3)污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻Rso 0.000172m2 OC/W管内侧污垢热阻Rsi 0.000172m2 OC/W管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为50.29w/(m · K)。所Rw 0.0025 0.00005m2 k/w52.344）传热系数K

17、依式 3-21 有doRsidobdo1(Rso)idi di dmo0.0250.000172 0.025 0.0025 0.02510.0001722776.9 0.0200.02052.34 0.0225458.096325.5W/(m2 OC)5）传热面积裕度: 可得所计算传热面积Ap 为ApKQtm9.65 103325.5 24.151.228m22）计算壳程压降5.5 压降校核（ 1）计算管程压降pip1 p2 FtNpNs（ Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则/d 0.1/20 0.005，而 Rei 13984.55 ，于是0.230

18、.230.1680.10.005680.0346dRei13984.55639.89Pap1L ui20.0333994 0.512di 20.0202p23 ui222387.81Pa994 0.51232对 25 2.5mm 的管子有Ft 1.5, 且 N 2, N 1pspip1p2 FtNpNs639.89 387.81 1.5 2 1 3083.1Pa 105 Pa故 , 管程压降在允许范围之内。按式计算ps ( popi)FsNs , Ns 1, Fs 1流体流经管束的阻力poFfoNTC (NB 1) u2o2管子为正三角形排列F=0.5 Nc 2D=107mm1 DzD5z 8

19、0mmSo z(D ncd0)0.05 (0.107 2 0.025)20.00456m2壳程流体流速及其雷诺数分别为：deuo 气Reo气取 uo 10m/s0.02 10 4.76119000.00008fo 5 11900 0.2880.335L3NB 11 36.5 37z 0.08总阻力ps 3029.74+25889.6=28972.7Pa 105 Pa流体流过折流板缺口的阻力po0.5× 0.335× 2× (37+1) ×4.76 1022=3029.74PapiNB(3.52B) uo2D2, B=0.2m , D=0.6m2 0 034 76 102pi 37 (3.5 2 0.03) 4.76 1025889.6Pa Pai0.10725.6 设计计算结果汇总表项目结果单位换热器公称直径D107mm换热器管程数n p5-换热器管子总数Nt5根换热器单管长度L3m换热器管子规格25 2.5mm换热器管子排列方式正三角形错列-管心距t32mm管板厚度T22mm折