碳八分离工段乙苯冷凝器lj.doc

《碳八分离工段乙苯冷凝器lj.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳八分离工段乙苯冷凝器lj.doc（25页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

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: XXXX 专业班级:XXXX学 号: XXXXXXXX 指导教师:(一)设计任务书3(二)概述及设计方案简介4(1)碳八芳烃分离5(2) 换热器的类型6(3)冷凝器的类型及其选择71.卧式壳程冷凝器72.卧式管程冷凝器10(三)设计条件及主要物性参数103.1 原始物性数据103.2 混合物物性相关计算公式113.3 混合物物性参数导出值汇总13(四)工艺设计计算134.1估算传热面积134.1.1 热流量134.1.2 平均传热温差144.1.3 传热面积144.1.4 冷却用水量144.2 工艺结构尺寸144.2.1

2、管径和管内流速144.2.2 管程数和传热管数154.2.3 平均传热温差校正及壳程数154.2.4 传热排列和分程方法164.2.5 壳体内径164.2.6 折流板164.3 冷凝器核算174.3.1 热流量核算174.3.2 壁温核算194.3.3 冷凝器内流体的流动阻力204.3.4 冷凝器主要结构尺寸和计算结果22(五)设计自我评述23(六)参考资料24(七)主要符号表25(一)设计任务书 作品名称: 碳八分离工段乙苯冷凝器 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:131 冷循环水温度:30,温升10 冷凝负荷:3

3、140000KJ/h 要求管程和壳程压差均小于50kPa 设计标准:卧式冷凝器(二)概述及设计方案简介(1)碳八芳烃分离碳八芳烃分离, 根据工业需要将碳八芳烃分离成单一组分或馏分的过程。目前，C芳烃分离的主要目的是获得经济价值较高的对二甲苯和邻二甲苯。因此，C芳烃分离又常常与碳八芳烃异构化结合在一起，以获得更多的对、邻二甲苯。各种C芳烃间沸点很接近(表1C芳烃的沸点和凝固由C8芳烃中分出乙苯，工业上有三种方法：精馏，需用300400块塔板，回流比为75；吸附分离，该法操作费用比精馏法低 1/3；色层分离，在分离对二甲苯的同时，也联产乙苯。 邻二甲苯分离将邻二甲苯与其他两种异构体分离约需100块

4、塔板。如果C8芳烃中含有少量的碳九芳烃,则尚需另设30块板的精馏塔以分离C8芳烃，才能得到较高纯度的邻二甲苯。 对二甲苯分离分离间二甲苯和对二甲苯可采用低温结晶、吸附分离或络合萃取等方法邻二甲苯沸点与对、间二甲苯的相差较大，可以通过精馏的方法分离。 (2) 换热器的类型 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。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。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式(3)冷凝器

5、的类型及其选择 冷凝器是将工艺蒸气冷凝为液体的设备,在冷凝过程中将热量传递给循环水等冷却剂。列管式冷凝器中所用的换热表面可以是简单的光管、带助片的扩展表面或经开槽、波纹或其他特殊方式处理过的强化表面。列管式冷凝器又卧式和立式两种类型，被冷凝的工艺蒸气可以走壳程，也可以走管程，其中卧式壳程冷凝和立式冷凝是最常用的形式。1.卧式壳程冷凝器 壳程上除设有物流进出口接管外，还设有冷凝排出口和不凝气排出口。壳程蒸气入口处装有防冲板，以减少蒸气对管束的直接冲击。壳程中横向弓形折流板或支撑板圆缺面可以水平或者垂直安装。对于水平安装的折流板，为了防止流体短路，切去的圆缺高度不宜大于壳体内径35%，折流板间最小

6、间距为壳体内径的35%，最大间距不宜大于壳体内径的2倍。为了便于排出冷凝液，折流板下缘开有槽口。这种水平安装方式可以造成流体强烈扰动，传热效果好。对于垂直安装的折流板，为了便于排出冷凝液，应切去的圆缺高度为壳体内径的50%。不论弓形折流板的圆缺面是水平还是垂直安装，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、冷凝表面传热系数小时，在管外可以使用低翅管，翅高12cm。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。故选用此型冷凝器。（1） 水平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

7、。表面传热系数： （1-1）水平管束冷凝： （1-2）式中，h *为无量纲冷凝表面传热系数；h0为冷凝表面传热系数，W/(m2K)。 （1-3）式中，qm为冷凝液的质量流量，kg/s；l为传热管长度，m；ns为当量管数。（2） 管程表面传热系数 若管程流体无相变传热，则其表面传热系数用下式计算。 （1-4） （1-5）式（1-4）的适用条件是：低黏度流体（10000；普朗特数Pr在0.6160之间；管长管径之比l/d50；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di。2.卧式管程冷凝器 这种冷凝器的管程多是单程或双程。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

8、程和壳程传热需要。管程采用双程时，冷凝液可以在管程之间引出，这样可以减少相液的覆盖面积也可以减小压降，同时，用减少第二程管数的方法使其保持质量流速不变。在这种冷凝器中，蒸气于冷凝液的接触不好，因此对宽沸程蒸气的完全冷凝是不适宜的，此外，由于冷凝液只是局部的充满管道，因此过冷度较低。(三)设计条件及主要物性参数 3.1 原始物性数据(1) 壳程混合气体的定性温度为131。表2 混合物各纯组分物性数据（T=131） 物性组分黏度（g）Pas黏度（l）Pas热容（g）J热容（l）J密度（l）Kg汽化焓J乙苯8.7000.0002461172.844228.084765.4343.599对二甲苯8.5

9、160.0002305169.440220.355760.4663.639间二甲苯8.6930.0002315169.743222.411764.5833.673(2) 管程流体的定性温度为。表3 水的主要物性数据（T=35）密度kg汽化焓J比定压热容热导率W黏度Pas992.3744.3504.1740.6200.00073993.2 混合物物性相关计算公式（1） 液体混合物的密度式中：1,2,n 液体混合物中各纯组分液体的密度，Kgm-3;w1，w2 ，wn液体混合物中各组分液体的质量分数。（2） 气体混合物密度:m=11+22+nn式中： 1,2,n 在气体混合物的压力下各纯组分的密度，

10、Kgm-3;1,2,n气体混合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：m混合气体的黏度；yi 气体混合物中某一组分的摩尔分数；i与气体混合物相同温度下某一组分的黏度；Mi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液体混合物的黏度；i液体混合物中某一组分的摩尔分数；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：式中：i组分i传热系数；Mi气体混合物中某一组分的相对分子质量。（6） 液体混合物导热系数：式中：i组分i传热系数；wi液体混合物中各组分液体的质量分数；r 指数，一般情况下取为-23.3 混

11、合物物性参数导出值汇总表3 混合物物性参数密度kg汽化焓J黏度(l)Pas黏度(g)Pas热导率（g）765.4043.6000.00025238.6010.019593(四)工艺设计计算4.1估算传热面积4.1.1 热流量根据设计任务书所给的要求：热流量 =3140000kJ/h=872.22（kW）4.1.2 平均传热温差 先按纯逆流计算得：=95.91()4.1.3 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：4.1.4 冷却用水量=75227.41kg4.2 工艺结构尺寸4.2.1 管径和管内流速 选用19较高级冷拔传热管（碳钢），

12、取管内流速。4.2.2 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按单程管计算，所需的传热管长度为根据本设计要求，采用标准设计，现取传热管长l=1.8米，则该冷凝器的管程数为Np=(管程)传热管总根数 NT=100（根）4.2.3 平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 R= P=对单侧温度变化流体，折流、并流、逆流的平均传热温差相等，即=1,则95.91=95.91（） 4.2.4 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，隔板两侧采用矩形排列。取管心距t=1.25,则t=1.2519=23.75隔板中心到离其最近一排管中心距离为各程相邻管的管心距为37

13、mm。每程各有传热管100根。4.2.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，壳体内径为=1.05=444（mm）可。4.2.6 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，故可取h=110mm。去折流板间距B=0.3D，则B=0.3，故可取B=150mm。折流板=折流板圆缺面水平装配。4.3 冷凝器核算4.3.1 热流量核算（1）壳程表面传热系数 用恩克法计算： 当量直径，依式得：壳程流通截面积依式得：壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数 黏度校正 1(2) 管内表面传热系数 管程流体流通截面积管程流体流速Re=普朗特数（3）污

14、垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 管内测污垢热阻 管壁热阻，碳钢在该条件下的热导率为50W/(m。所以 =0.00004K/W（4）传热系数 +0.0004+0.00004)=544（5）传热面积裕度 )该冷凝器的实际传热面积 A=)该冷凝器的面积裕度 H=传热面积裕度合适，该冷凝器能够完成生产任务。4.3.2 壁温核算 液体的平均温度() 气体的平均温度() 传热管平均壁温 =25.3()壳体壁温，可近似取课程流体的平均温度，即T=131()。壳体壁温和传热管壁温之差为 ()该温差较大，故需设温度补偿装置。4.3.3 冷凝器内流体的流动阻力（1） 管程流体阻力 , 由，冷凝管相对粗糙度，=0.

15、042，流速u=,=992.374kg，所以()()（2）壳程阻力 + ,流体流经管数的阻力F=0.5,流体流过折流板缺口的阻力，0.15m，D=0.45m=11总阻力经比较可知，系统总阻力符合设计所给要求。4.3.4 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（）30/40131/131压力（Pa）35860物性定性温度（）35131密度（kg/m3）992.374765.404定压比热容J4.1742.15黏度（Pa/s）0.00024520.0007399热导率W/(mK)0.62

16、00.019593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）19管心距（mm）25管长（mm）1800管子排列管数目（根）100折流板数（个）11传热面积（m2）21.5折流板间距（mm）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（ms-1）0.9163.6表面传热系数W/(m2K)45552078污垢热阻(m2K)/W0.00060.0004阻力（MPa）1004222223热流量（kW）872.22传热温差（）95.91传热系数W/(m2K)544裕度（%）28.7(五)设计自我评述 通过这次课程设计，我学到了很多化工设计

17、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本满足要求，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中，由于缺乏经验，对一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，我重新复习了CAD制图,学习了怎么去图书馆以及网上查阅资料及参考文献, 学能力有了进一步提高。做设计时，需要考虑很多因素，这培养我们谨慎的品质。此外，由于这是我第一次做课程设计，因此在设计某些方面还有不足之处，不过经过我努力的工作，最后设计出的冷

18、凝器是较为合理的。(六)参考资料化工单元过程及设备课程设计 主编：匡国柱 出版社：化学工业出版社 化工原理 主编：大连理工大学 出版社：高等教育出版社 化学化工物性数据手册 有机卷2 链接： (七)主要符号表 Q 热流量 m 质量 工艺流体定压比热容 工艺流体的温度变化 蒸气冷凝质量流量 饱和蒸气的冷凝热 w质量分数 平均传热温差 温差校正系数 估算传热面积 K传热系数单程管子数目 V单程管体的体积流量传热管内径 传热管外径 u管内流体流速L按单程计算的管子长度 l选取的每段管子长度管程数 热流体进出口温度冷凝体的进出口温度 冷凝器的总管数t管心距 管程表面传热系数壳程流体热导率当量直径 普朗特数 流体在定性温度下黏度流体在壁温下的黏度 B折流板间距b传热管壁厚 管壁热导率 H冷凝器面积裕度实际传热面积 D冷凝器壳程内径壳程流体摩擦因子 壳程表面传热系数壳程污垢热阻 管壁热阻 管程污垢热阻传热管平均直径 计算传热面积单程管阻率 局部阻率 摩擦系数管程总阻力 管程结垢校正系数局部阻力系数 壳程总阻力