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1、 化工原理课程设计报告 正戊烷冷凝器的设计 目录1.1概述21.2任务安排41.3确定物性数据5 1.3.1确定流体流动空间5 1.3.2计算流体的定性温度，确定流体流动的物性数据51.4初选换热器规格6 1.4.1初选换热器规格6 1.4.2核算总传热系数6 1.4.3计算压强降71.5结构设计8 1.5.1 列管式换热器概述8 1.5.2 列管式换热器的设计原则10 1.5.3 流动空间的选择10 1.5.4 传热管排列和分程方法111.6总结表13 1.6.1工艺设计汇总表13 1.6.2设备结构设计14 1.6.3主要零部件汇总表151.1概述 换热器是化工厂中重要的化工设备之一，换热
2、器的类型很多，特点不一，可根据生产工艺要求进行选择。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、过热器等。 依据传热原理和实现热交换的方法可分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器。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。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。 传热器的
3、结构分类 类 型 特 点 间 壁 式 管 壳 式 列管式 固定管板式 刚性结构 用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗 带膨胀节 有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力 浮头式 管内外均能承受高压，可用于高温高压场合 U型管式 管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难 填料函式 外填料函 管间容易泄漏，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质 内填料函 密封性能差，只能用于压差较小的场合 釜式 壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮 双套管式 结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中 套管式 能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器 螺旋管式 沉浸式 用于管内流体的冷却
4、、冷凝或管外流体的加热 喷淋式 只用于管内流体的冷却或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热 螺旋板式 可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用作回收低温热能 平板式 结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求。 （1）合理地实现所规定的工艺条件 传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。 增大传热系数K: 在
5、综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 提高平均温差: 对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 妥善布置传热面S 例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠 换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时
6、，应遵照我国钢制石油化工压力容器设计规定与钢制管壳式换热器设计规定等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修 直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理 评价换热器的最终指标是：在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。 1.2任务安排 1.处理能力： 24000吨/年正戊烷 2
7、.设备形式： 立式列管冷凝器 3.操作条件 (1)正戊烷：冷凝温度51.7 冷凝液于饱和温度下离开冷凝器 （2）冷却介质：井水，入口温度22，出口温度 32 （3) 允许压强降：不大于105Pa (4)每年330天计，每天24小时连续 4.设计项目 ( 1 ) 设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 ( 2 ) 换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 ( 3 ) 换热器的主要结构尺寸设计。 ( 4 ) 主要辅助设备选型。 ( 5 ) 绘制换热器总装配图。1.3确定物性参数 1.3.1确定流体流动空间 根据换热器流体流经选择原则： (1).饱和蒸汽宜走管间，以便于及时排走冷凝
8、液，且蒸汽较洁净，它对清洗无要求； (2)被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，增强冷凝效果； (3)黏度大的的液体或流量较小的流体宜走管间，因流体有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re下即可达到湍流，以提高对流传热系数。综合上述原则，对本次设计：冷却水走管程，正戊烷走壳程 1. 3. 2计算流体的定性温度，确定流体流动的物性数据两流体在定性温度下的物性参数如下：物料温度 密度粘度比热容导热系数kg/m3mPas KJ/（kg） W/（m）正戊烷 51.7 5960.182.34 0.13井水 3299470.510(-5) 4.08 0.616 a.假设井水的出
9、口温度为32，井水入口温度为22b.由设计要求的正戊烷的流量为Wz=240001000/330/24=3030.30 kg/hc.已知51.7时正戊烷的蒸发潜热 r=347.5044KJ/kg 热负荷为Q=Wzr=3030.30347.5044=1053042.58KJ/h=292.51Kw d.在3050之间水的定压比热容为4.08KJ/kgK 做能量衡算井水流量为：W h = Q /（Cpt）= 1053042.58 /（4.08（32-22） = 25809.87kg/h e.井水的定性温度为tm=（22+32）/2 = 27 两流体的温差Tm-tm=51.7-2710000(湍流) 取
10、碳钢的管壁粗糙度为0.1mm，则/d=0.0067，而Rei=13436，查阅莫狄摩擦系数图知：=0.034P1=L/du2/2=0.0343/0.029940.492/2=608.6PaP2=3u2/2=39940.492/2=358.0Pa Pi=（608.6+358.0）21.4=2706.4Pa10000(湍流),流体被加热，n=0.4 Pri=Cpi/=4.0810372.510-5/0.616=4.73 ai=0.023（/d）Re0.8Pr0.4=0.023（0.616/0.02）134360.84.730.4 = 2647.5W/（m2）(2) 计算壳程对流传热系数ao 因为立
11、式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式计算ao 假设外管壁温度为41.3，则平均膜温为46.5，在此温度下，正戊烷冷凝液的物性参数 =0.112W/（m）；=626kg/m3；=0.229mPas a o=1.13（g23r/Lt）1/4=1.13（9.8162620.1123357400/(0.0002293（51.7-46.5）1/4= 1093W/m2 （3）确定污垢热阻 Rso=1.7210-4m2/W（有机液体） Rsi=2.010-4m2/W（井水） （4）总传热系数K 1/K=1/ao+Rso+bdo/dm + Rsid
12、o/di+1/aido/di =1/1093+0.000172+0.002525/(4522.5)+0.000225/20+1/2647.525/20 =1.8710-3 K=534.5W/m2= d0 + 6 b管束中心线上最外层管中心至壳体内壁的距离，一 般取 b= （11.5）d0 对于按正三角形排列的管子，nc=1.1 n1/2 = 10.66，b=1.519=22.8mm，t = 28mm D=t(nc-1)+2b=28(11-1)+222.8=325mm,取整D=400mm 最小壁厚：10mm （3）折流板 （支撑板） 对立式换热器设置折流板，能够有效的防止传热管有破坏性振动。 采
13、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 高度为 h=0.25D=0.25（400-10）=97.5mm 取折流板间距B=0.4D=0.5400=200mm，取板间距B=300mm 折流板数Nb=传热管长/折流板间距=3000/300-1=10块 选取折流板与壳体间的间隙为4mm，因此折流板直径 Dc=400-24=392mm（4）拉杆 拉杆数量与直径可查表选取，本换热器壳体内径为400mm，故拉杆直径为12mm，拉杆数量不得少于4个，取10个。（5）接管 流速u的经验值可取：对液体： u=1.52m/s 对蒸气：u=2050m/s 对气体：u=（0.10.2）m/s
14、a管程接管 Wi=25809.87kg/h/3600=7.17kg/s，接管井水的流速ui=1.5m/s di=4v/u=0.042m选取公称直径为73mm， b壳程接管 壳程入口处接管设管内气体流速为us=10m/s di =ws/3600/0.785/us=0.013m,查表选公称直径为20mm， 壳程出口处接管设接管内流体速度为us=1m/s di=ws/3600/0.785/us=0.034m,查表选公称直径为57mm.1.6总结表 1.6.1工艺设计汇总表 工艺设计汇总表项目符号 单位计算结果冷却水流量WhKg/s7.17正戊烷流量WzKg/s0.84冷却水进水口温度t 122蒸汽入
15、口温度T51.7冷却水出口温度t 232总传热量QKJ/h1053042.58KJ/h总传热系数K计W/（m2）534.5所需传热面积A计m218.24实际传热面积Am221.40裕度H17.32%管内流速um/s0.49管程压降PiPa2706.4壳程压降PsPa25.73 1.6.2设备结构设计程数 2材料碳钢台数 1壳体mm40010传热面积22.5管径mm252.5折流板形式上下管数（根）94折流板数/个10管长（mm）3000折流板间距（mm）300管子排列方式正三角形切口高度mm97.5管间距mm25折流板厚度5mm封头法兰D=400隔板b=10mm拉杆4根d=12mm支座JB/T 4712-92管箱D=400U型膨胀节R=35mm定距管252管板b=40mm壳程接管573.5壳程接管法兰D=140mm管程接管733.5管程接管法兰D=160mm封头内径mm400封头厚度mm10封头曲面高度mm100封头直径高度mm40 1.6.3主要零部件汇总表 结构设计主要零部件汇总表项目厚度材料壳体管板封头筒体法兰垫片螺柱冷却水进口法兰壳程进口法兰壳程出口法兰10mm40mm10mm19mm3mmM16M16M16M12Q235-AQ235-AQ235-AQ235-A耐油石棉橡胶板Q235-A Q235-AQ235-AQ235-A
