正戊烷课程设计

1、化工原理课程设计说明书 化学与环境工程 学院 化工 系化学工程与工艺 专业题目：正戊烷冷凝器设计姓 名： 学 号：指导老师：起止时间：目 录一、化工原理课程设计书1、正戊烷冷凝器的工艺设计任务书二、概述1、换热器概述2、列管式换热器结构三、设计内容1、换热器类型初选 2、确定物性计算传热面积3、传热系数校正4、压力降校核5、换热器结构尺寸设计一览四、换热器设备图五、参考文献六、化工原理课程设计心得一、 化工原理课程设计书一、正戊烷冷凝器的设计二、设计条件1 操作条件（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） 冷却介质为地下水，流量为70000kg/h，入口温度：20

2、30(任选)此处选择26；（3） 允许压强降不大于105Pa；（4） 每年按300天计；每天24 h连续运转。2 处理能力： （1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.8,3.0,3.2）此处选择2.2×104t/a正戊烷；3 设备型式 立式列管冷凝器三、设计内容1、设计方案简介；2、换热器的工艺计算；3、换热器的主要结构尺寸的设计计算；4、校核计算。四、设计说明书内容1. 目录2. 概述3. 热力计算（包括选择结构，传热计算，压力核算等）4. 结构设计与说明5. 设计总结6. 参考文献7. 附工艺流程图及冷凝器装配图一张 二、概述第一节 换热器概述1.1换热器简介不同温度的流体

3、间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的差别。英语翻译：heat exchanger 换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。列管式换热器的应用已有很悠久的历史。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式

4、换热器仍处于主导地位。同时板式换热器也已成为高效、紧凑的换热设备，大量地应用于工业中。 1.2列管式换热器的种类列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种： 1 固定管板式换热器： 2 1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴3 固定管板式换热器的示意图这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产

5、生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 2 浮头式换热器： 优点：1)管束可以抽出，以方便清洗管程、壳程；2)壳程壁与管壁不受温差限制；3)可在高温、高压下工作，一般温度T450，P 6.4MPa;4)可用于结垢比较严重的场合;5)可用于管程腐蚀场合.缺点:1)浮头端易发生内漏；2)

6、金属材料耗量大，成本高20%；3)结构复杂。可用的场合：1）管壳程金属温差很大场合；2）壳程介质易结垢要求经常清洗的场合；换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。4 填料函式换热器： 这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、

7、易爆和有毒的介质。 5 U型管式换热器： 优点： ）管束可抽出来机械清洗； ）壳体与管壁不受温差限制； ）可在高温、高压下工作，一般适用于T500，P 10MPa; 4）可用于壳程结垢比较严重的场合; 5)可用于管程易腐蚀场合.缺点:1)在管子的U型处易冲蚀，应控制管内流速;2)管程不适用于结垢较重的场合;可用的场合:1)管程走清洁流体;2)管程压力特别高;3)管壳程金属温差很大,固定管板换热器连设置膨胀节都无法满足要求的场合.U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内

8、壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 1.3列管式换热器的设计步骤本设计按以下几个阶段进行： （1）设计方案确定和说明。根据给定任务，对列管式换热器的操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述 （2）列管式换热器的工艺计算。（3）列管式换热器设计：计算列管式换热器各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算，并画出列管式换热器的操作性能图。（4）抄写说明书。（5）绘制列管式换热器的设备图。第二节 设计方案的确定2.1流动空间的选择在管壳式换热器的计算中，首先需决定和中流体走管程，何种流体走壳程，这需遵守一些一般原则。（1）应尽量提高两侧传热系数

9、较小的一个，使传热面两侧的传热系数接近。（2）在运行高温的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失。（3）管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。（4）应减小管子的壳体因受热不同而产生的热应力。从这个角度来说，顺流式就是优于逆流式，因为顺流式进出口端的温度比较平均，不像逆流式那样，热、冷流体的高温部分均集中于一端，易于因两端涨缩不同而产生热应力。（5）对于有毒的介质或气相介质，必使其不泄漏，应特别注意其密封，密封不仅要可靠，而且还应要求方便及简单。（6）应尽量避免采用贵金属，以减低成本。2.1.1宜于通入管内空间的流体（1）不洁净的流体。（2）

10、体积小的流体。（3）有压力的流体。（4）腐蚀性强的流体。（5）与外界温差大的流体。2.1.2易于通入管间空间的流体（1）当两流体温度相差较大时，a值大的流体走管间。（2）若两流体给热性能相差较大时a值小的流体走管间。（3）饱和蒸汽。（4）黏度大的流体。（5）泄漏后危险性大的流体。2.2.流速的确定冷、热流体流动通道的选择在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流经壳程，下列几点可作为选择的一般原则：a) 不洁净或易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。b) 腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。c) 压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。d) 饱和蒸汽宜走壳程，因饱和蒸汽比较清洁，表面

11、传热系数与流速无关，而且冷凝液容易排出。e) 流量小而粘度大（）的流体一般以壳程为宜，因在壳程Re>100即可达到湍流。但这不是绝对的，如流动阻力损失允许，将这类流体通入管内并采用多管程结构，亦可得到较高的表面传热系数。f) 若两流体温差较大，对于刚性结构的换热器，宜将表面传热系数大的流体通入壳程，以减小热应力。g) 需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。以上各点常常不可能同时满足，应抓住主要方面，例如首先从流体的压力、防腐蚀及清洗等要求来考虑，然后再从对阻力降低或其他要求予以校核选定。流速的选择流体在管程或壳程中的流速，不仅直接影响表面传热系数，而且影响污垢热阻，从而影响传热系数的大小，

12、特别对于含有泥沙等较易沉积颗粒的流体，流速过低甚至可能导致管路堵塞，严重影响到设备的使用，但流速增大，又将使流体阻力增大。因此选择适宜的流速是十分重要的。当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使患热面积减少、结构紧凑、成本降低，一般也可以抑制污垢的产生。但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压强降p增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲刷。换热器常用流速的范围见下表表：2-1循环水新鲜水一般液体易结垢液体低黏度油高黏度油气体管程流速，m/s1.02.00.81.50.531.00.81.80.51.5530壳程流速,m/s0.51.50.51.50.21.50.50.41.00.3

13、0.82152.3加热剂、冷却剂的选择在换热过程中加热剂和冷却剂的选用根据实际情况而定。除应满足加热和冷却温度外，还应考虑来源方便，价格低廉，使用安全。在化工生产中常用的加热剂有饱和水蒸气、导热油，冷却剂有水。2.4流体出口温度的确定工艺流体的进出口温度是由工艺条件决定的，加热剂或冷却剂的进出口温度也是确定的，出口的温度是由设计者自己确定的。该温度直接影响加热剂或冷却剂的消耗和换热器的大小，所以此温度的确定有一个优化问题。2.5流动方式的选择除逆流和并流之外，在列管式换热器中冷、热流体还可以作各种多管程多壳程的复杂流动。当流量一定时，管程或壳程越多，表面传热系数越大，对传热过程越有利。但是，采

14、用多管程或多壳程必导致流体阻力损失，即输送流体的动力费用增加。因此，在决定换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的损失。当采用多管程或多壳程时，列管式换热器内的流动形式复杂，对数平均值的温差要加以修正，具体修正方法见计算过程2.6材质的选择在进行换热器设计时，换热器各种零件部件的材料，应根据设备的操作压力，操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。还要考虑材料的经济合理性。一般换热器常采用的材料，有碳钢和不锈钢。碳钢价格低，强度较高对碱性介质的化学腐蚀比价稳定，很容易被酸腐蚀在无耐腐蚀性要求的环境中应用合理。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。第三节 列管式换热器的

15、结构3.1管程结构介质流经传热管内的通道部分称为管程。3.1.1换热管布置和排列间距常用换热器规格有19*2mm、25*2mm、25*2.5mm.换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列。正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定板管式多彩用正三角形排列。3.1.2换热管规格和排列的选择换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我

16、国试行的系列标准规定采用25×2.5，19×2两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有38×2.5，57×2.5的无缝钢管和25×2，38×2.5的耐酸不锈钢管。3.1.3管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分割开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。焊接法在高温高压条件下能保证接头的严密性。管板与壳体的连接有可拆连接和不可拆连接两种。固定管板常采用不可拆连接。3.1.4封头和管箱封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。（1）封头 当壳体直径较小时常采用封头。（2）管箱 壳径较大的换热器大多采用管箱结构。

17、（3）分程隔板 当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。 3.2壳程结构 换热器介质流经传热管外面的通道部分称为壳程 。壳程内的结构，主要有折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管最有效的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板：另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。3.2.1壳体壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进入和排出之用。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求是，大多考虑使用符合金属板。介质在壳程的流动方式有多种型式。3.2.2折流板在壳程管束中

18、，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向刘国管束，增加流体流速，以增强传热；同时支撑起管束、防止管束震动和管子弯曲的作用。折流板的型式有圆缺型、防止管束震动和孔流型等。圆缺型折流板又称弓形折流板是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。环盘型折流板是由圆板和环形组成，压降较小，但传热也差些。孔流型折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用于清洁流体。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种（图4.7.11a，图4.7.11b）。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如

19、将正方形排列的管束斜转45°安装（图4.7.11c），可在一定程度上提高表面传热系数。 图4.7.11 管子在管板上的排列折流挡板安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。由图4.7.12可以看出，弓形缺口太大或太小都会产生"死区"，既不利于传热，又往往增加流体阻力。 a.切除过少b.切除适当 c.切除过多图4.7.12挡板切除对流动的影响挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造

20、和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有100，150，200，300，450，600，700mm七种 浮头式有100，150，200，250，300，350，450（或480），600mm八种。3.2.3缓冲板在壳程进口接管处常装有防冲挡板，或称缓冲板。它可以防止进口流体直接冲击管束而造成管子的侵蚀和管束振动，还有使流体沿管束均匀分布的作用。也有在管束两端放置导流筒，不仅起防冲板的作用，还可以改善两端流体的分布，提高传热效率。3.2.4其他主要附件（1）旁通挡板（2）假管（3）拉杆和定距管三、设计内容（一）设计目的 通过对正

21、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。（二）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（三）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3.图纸要求，图纸、尺寸标准，图框，图签字规范4.独立完成（四）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

22、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。（二）换热器设计计算1.选择换热器类型处理量 2.2×104×103300×24=3055.56kgh=0.848 kgs入口温度 t1 =26出口温度 t2 =3055.56×357.470000×4.174+26=29.73定性温度 tm=26+29.732=27.86Tm-tm=51.7-27.86=23.84<50所以选取固定板式换热器tm=51.7-26-（51.7-29.73）ln51.7-2651.7-29.73=23.79QT=qr=357

23、.4×0.848=303.349Kw冷却水用量 qm，c=QTCpt=303.349(29.73-26)×4.176=19.47kgs通过化工原理后附录计算和化学化工物性数据手册整理常得下表表3-1物性流体温度密度kg/m3粘度Pa·s比热容kJ/(kg·)导热系数W/(m·)正戊烷51.7596（液）4.76（气）0.000182.340.157冷却水27.869960.0008424.1760.614由化工原理P363管壳式换热器总传热系数K的推荐如表所示由以下截取的部分表 设总传热系数K表3-2高温流体低温流体总传热系数范围W/·

24、;水水1400-2840甲醇，氢水1400-2840有机物粘度 0.5×10-3Pas以下水430-850有机物粘度 0.5×10-3Pas以下冷冻盐水220-570有机物粘度 0.5-1×10-3Pas水280-710有机物粘度 1×10-3Pas以上水28-430气体水12-280表3-1中正戊烷粘度：0.00018 Pas设K=440 W/·换热面积 S=30334923.79×440=28.9 m2tw=51.7+262=38.85 ，ts=51.7初选换热器规格：25×2.5换热器面积：28.7m2查表 L=300

25、0mm Np=1 D=450mm 管流通面积 0.0198m2管程数：2 冷却水 壳程数：1 正戊烷管子根数：126排列方式：正三角形错列此时 K0=30334923.79×28.7=444 W/·校正总传热系数0=1.31（9.81×5962×0.133×357.4×1030.00018×3×51.7-38.85）14=1038 W/· U=19.479960.0198=0.99kgsRe=du=0.02×996×0.990.000842=23357Pr=4.176×103

26、×0.0008420.614=5.727i=0.023diRe0.8Pr0.4=0.023×0.6140.02×233570.8×5.7270.4=4434 W/· =524 W/·Sp=Q524×23.79=24.3<28.7 成立面积裕度：28.724.3=1.181 在1.151.25之间传热系数裕度：524444=1.180 在1.151.25之间Re=23357 相对粗糙度：0.0120=0.005 查图 =0.034（二）压降校核计算管程压力降Pi=P1+P2FtNpNs P1=Ldiu22=0.034&#

27、215;60.02×996×0.9922=4114.48PaP2=3×u22=3×996×0.9922=1464.27Pa对的管子有 Ft=1.4 Np=1 Ns=1Pi=P1+P2FtNpNs=(P1+P2)1×1×1.4=7810.25Pa<105Pa计算壳程压力降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20%切去高度h为h=0.2×450=90mm取折流板间距 B=0.3DB=0.3×450=135mm 取B=150mm折流板数 NB=3000150-1=19S0=0.09×

28、;0.45-2×0.025=0.036u0=q气=0.8484.76×0.036=4.95kgsRe0=du0气=0.02×4.95×4.760.00018=2617f0=5×2617-0.288=0.518排列方式正三角形：Nc=2,F=0.5P1=Ff0NcNB+1u022=0.5×0.518×2×19+1×4.76×4.9522=604.15PaP2=NB（3.5-2BD）u022=19（3.5-2×150450）4.76×4.9522=3139.34PaPi=(P1+

29、P2)FsNs=1393.06+7677.53×1×1=3743.49Pa<105Pa（三）工艺结构尺寸管心距：取t=1.25d0t=1.25×25=31.5mm取t=32mmS=t2+6=22mm各程相邻管心距：2s=44mm查化工课程设计一书 壳体标准尺寸表3-3：壳体外径mm325400，500，600，700800，900，10001100,1200最小壁厚mm8101214壳程流体进出口接管 u0=4.95kgs 接管：d=4Vu0 =4×0.8484.76×4.95=0.214m=214mm管程流体进出口接管接管：d =4vu

30、 =4×19.47996×0.99=0.158mm=158mm换热器固定板类型：固定板式规格：25×2.5换热器面积：28.7m2管程数：2 冷却水 壳程数：1 正戊烷总传热系数：524 W/·管程流通面积：0.0198m2中心排管数：12管子根数：126公称压力：2.50 MPa公称直径：450 mm排列方式：正三角形错列折流板个数：19个折流板间距：150 mm换热器形式：固定板式换热器工艺参数如下表表3-4：名称管程壳程设计压力105Pa105Pa流量70092kgh3055.56kgh流速0.99kgs4.95kgs密度996kgm34.76kg

31、m3物料名称循环水正戊烷压力降7810.25Pa3743.49Pa程数21腐蚀裕度2mm2mm焊缝系数0.850.85容器类别使用材料碳钢换热面积28.7m2总传热系数524 W/·折流板形式上下间距150mm切去高度90mm排列方式正三角形排列管子规格25×2.5管数126管长3000mm四、换热器设备图另附图纸设备图纸一张。五、参考文献化工原理 第2版 天津大学出版社 夏清 贾绍义主编 P210-P294工程常用物质热物理性质手册 新时代出版社 化学化工物性数据手册 化学工业出版社 刘光启 马连湘 刘杰化学物性算图手册 化学工业出版社 刘光启 马连湘 刘杰化工传递与单元

32、操作设计天津大学出版社 贾绍义 柴诚敬 P37-P59化工单元操作及课程设计化学工业出版社 匡国柱 史启才 P62-P87化工设备机械基础第二版 科学出版社 潘永亮 P179-P209化工制图 化学工业出版社 熊洁羽 P381-P383化工原理课程设计 化学工业出版社 付家新 王为国 肖稳发 P43-P93GB151-1999 管壳式换热器 P2-42 附录P69-85六、化工原理课程设计心得通过为期两个星期的化工原理课程设计我受益良多。这个是我们第一次做课程设计，老师给我们分配的任务书是正戊烷冷凝器的设计。一开始接到这个任务书的时候我有些不以为然，想着不就是个换热器的设计吗，换热器不就是那么几个参数样式能难到哪里去。可是等到一个星期过了一半的时候，周围的每一个人都在为课程设计忙的一筹莫展的时候，我才意识到我把问题看简单了。于是立即跟着同学去图书馆着手设计。刚开始设计的时候说实话我对着简简单单的任务书脑海一片空白真是不知如何下手好。这才发现当把平时所学的理论应用到实际设