正戊烷冷凝器的设计汇总.doc

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1、正戊烷冷凝器的设计目 录第一章 前言1第二章 概述22.1列管式换热器的概述22.2列管式换热器的结构组成2第三章 正戊烷立式列管式换热器的设计和计算33.1设计方案的论述33.1.1列管式换热器形式的选择33.1.2流体流动通道的选择43.1.3换热器的安装方式43.1.4流体流速的选择43.2工艺计算和设备结构的设计计算63.2.1计算冷、热载体的定性温度63.2.2计算热负荷63.2.3选取经验传热系数K值63.2.4初选换热器的规格73.2.5核算总传热系数KO83.2.6计算压降10第四章 换热器材料和主要参数114.1换热器材料选用11第五章 设计总结125.1本设计的优点及存在问

2、题125.2设计过程中的体会12附录13参考文献14第一章 前 言课程设计是本课程的一个重要组成部分，它是学生理论联系实际，巩固和综合运用所学知识的学习过程，是培养学生掌握典型的化工设备的设计程序和计算方法，查阅各种技术资料，编写技术文件及进一步提高绘图能力的一种教学方法；也是培养学生深入掌握和灵活运用所学知识，特别是较全面地运用该课程知识的一次锻炼；同时又培养学生的独立工作能力和分析问题的一个重要的教学环节。根据化工原理课程设计要求，同时注意理论，联系实际，根据生产工艺要求设计一台多程列管式换热器，包括设计方安论述、工艺计算和主要结构尺寸的计算或选择。换热器是进行热量传递的通用工艺设备，它在

3、炼油、轻化工及其一般化工业中广泛应用着，例如冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等。随着化学工业的迅速发展，各种换热器发展很快，新型结构不断出现，以满足各工业部门的需要。列管式换热器是目前生产上应用最广泛的一种传热设备，由于不断的改进，其结构也教完善。换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。换热器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上

4、合理和技术上可行的换热器。第二章 概 述2.1换热器的概述换热器是进行热量传递的通用工艺设备，它在炼油、轻化工及其他一般化学工业中广泛应用着，例如冷却、加热、蒸发和废热回收等。随着化学工业的迅速发展，各种换热器发展很快，新型结构不断出现，以满足各工业部门的需要。列管式换热器是目前生产上应用最广泛的一种传热设备，由于不断的改进，其结构也较完善。在本书中讲述的换热器也是列管式的黑液加热器，其它类型在此书不作概述。2.2列管式换热器的结构组成列管式换热器主要由管束、管极、折流极、壳体和封头（或称壳盖）等部分组成。管束由许多平列的管子组成并紧紧地固定在管极上，而管极和外壳连接在一起。在管外安装的许多折

5、流极是为了增加流体在管外空间的流速，并是流体能多次错流流国管束以改善给热情况，而折流极的安装固定则通过拉杆和定距管束实现。在换热器的外壳和封头装有流体的出入口，封头与管极之间构成流体的分配室（亦称管箱），有时在壳体和封头还装有检查孔，为安装测量仪表用的接口管以及排液孔和排气孔。此外，还有封头与壳体的连接附件法兰，承托设备重量并固定的位置的支座等。 进行换热时，一种流体由封头的连接管处进入，在管内流动，从另一端封头的出口管流出，称为管程；另一种流体由壳体的接管进入，在壳与管间流动，从壳体上的另一接管处流动，称为壳程。 在列管换热器中，管束的表面积就是传热面积，即当列管式换热器在进行热交换时，一种

6、流体由管程接管处进入换热器内，另一种流体从壳程接管进入管束和筒体之间的空隙内流动，依靠两种流体的温度差，通过管壁进行换热。当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的对流传热系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，然后折回进入另一组管子，如是依次往返流过各组管子，最后由出口处流出，成为多管程结构。第三章 正戊烷立式列管式换热器的设计和计算3.1 设计方案的论述3.1.1列管式换热器形式的选择列管式换热器易于制造,生产成本较低,选用的材料范围广,换热表面清洗性较方便适应性强,处理能力大,高温高压场合下也能应用.现在,列管式换热器种类很多,目前广泛使

7、用的按其温差补偿结构来分,主要有以下几种:（一）固定管板式换热器 如图1-a所示,这种换热器是列管换热器中构造最简单,使用较普通的一种.它是借胀接,焊接法成胀接焊接法等,将管束的两端固定在壳体两端的固定板上构成的.由于管板是与外壳固定在一起的,所以称之为固定管板式列管换热器.这类换热器的结构比较简单/紧凑,重量轻,造价便宜,在相同的壳程情况下,可较其它型式的列管换热器多排一些传热管子,但管外不能机械清洗. 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。图1-b为具有温差补偿圈的固定管极换热器依靠膨胀节的弹性变形可以减少温差应力，但

8、这种装置只能用在壳壁与管壁温差低与 和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6 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。（二）浮头式换热器 换热器的一块管极用法兰与外壳相连接，另一块管极不与外壳连接，以便管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管极上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。如图1- c 所示，这种换热器的优点为管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不收壳体约束，因而当两种换热介质的温差较大时，不会因管束也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。 对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其他特性来选择结构

9、与材料，根据材料的加工性能，流体的压力与温度，本次课程设计的是黑液由62 加热到83 ；采用蒸汽加热，温差等于47 ，再根据上述（一）、（二）的两种类型换热器，所以选固定极管式换热器，因为其结构比较简单、紧凑、重量轻、造价低廉等优点。3.1.2流体流动通道的选择由于用固定管极式换热器，它要求不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便清洗管子；腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管子同时受腐蚀；饱和水蒸汽宜走壳程，以便于及时排除冷凝水；被冷却的流体宜走壳程，以便与散热。所以，黑液走管程通道，饱和水蒸汽走壳程通道，这是最合理的选择方式。3.1.3换热器的安装方式换热器的安装方式有立式、卧式两种。1 立式 立式的

10、安装方式有其自身的优缺点。其优点是占地面积小，不用支承极，结构简单，造价便宜，清洗方便。其缺点是重心不稳，冷凝时，传热效果差。2 卧式 卧式的安装方式也有其优缺点。重心稳，维修方便，冷凝时，传热效果好，但其占地面积大，需要支承极。根据本设计的要求，再综合立式、卧式的优缺点，认为立式安装方式最为适合本设计的要求。3.1.4流体流速的选择提高流体在换热器中的流速，可增大对流传热系数；减少污垢在管壁上沉积的可能性，即减少污垢热阻；使传热系数k 值提高，从而减少换热器的传热面积。但是，流速增加，又会使流体阻力增大，动力消耗增多。所以，适宜的流速要通过经济核算才能定出。在选择流速时，还需考虑结构上的要求

11、。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数；管子太长不易清洗，且一般管子的长度都有一定的标准；单程变为多程又会使平均温度差下降。此外，当提高流速能使对整个传热有决定性影响的 增大时，才能提高k 值，否则对传热将无多大改善，这些都是选择流速时应予以考虑的。表31列出了常用的流速。表11 流体在管路中常用流速范围流体性质及情况常用流速的范围m/s一般液体（水及低于水液体）1.53.0粘性液体0.51.0饱和水蒸气2030冷凝水0.30.53.2工艺计算和设备结构的设计计算3.2.1计算冷、热载体的定性温度入口温度为，出口温度为 (3-1)式中 (3-2

12、) (3-3)水的定性温度为 (3-4) 两流体的温差，故选固定管板式换热器 (3-5)物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)正戊烷51.75960.182.340.13地下水28.99995.70.80074.1740.61763.2.2计算热负荷1、计算热负荷Q,按正戊烷计算： (3-6)Wc= (3-7)2、有效平均温差：t1=51.7-18=33.7 t2=51.7-42=9.7逆流温差 (3-8)3.2.3选取经验传热系数K值在设计计算中,往往参照工艺条件相仿,设备类似而又比较成熟的经验数据作为设计的依据,表3-2列出了列管换热器中k的经验值,供

13、使用参考.表2-2列管换热器中k的经验值冷流体热流体传热系数水水8501700水气体17280水轻有机溶剂470810粘性胶体水蒸汽冷凝280850水水蒸汽冷凝14204250气体水蒸汽冷凝30300糖液水蒸汽冷凝5801400有机溶剂有机溶剂115340根据管道走水，壳程走正戊烷，根据经验值总传热系数K=470815W/（m2.），取K0=550W/(m2.)传热面积计算：S= (3-9)考虑20%的面积裕度，则S=1.20S=1.221.34=25.63.2.4初选换热器的规格1、管径及管内流速：选用252.5的传热钢管，取管内流速0.6m/s。2、管程数和传热管数：依据热管内径和流速确定

14、单程传热系数： (3-10)按单程管计算，所需的传热管长度为 (3-11)按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长l=3m，则该换热器管程数为 (3-12)传热管总根数：N=453=135根3、换热器实际换热面积：S0=nd0(L-0.1)=1353.140.025(3-0.1)=30.73m2 (3-13)实际总传热系数：K0= W/( m2.) (3-14)4、传热管排列和分程方法：采用正三角形排列，取管心距t=1.25d,则T=1.2525=31.2532(mm) (3-15)横过管数中心线的管数：n=1.1 (3-16)5、壳体内径：采用多管程结构，取管板利用率则壳体内

15、径为：D=1.05t (3-17)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=0.25500=125mm，取折流板间距B=0.3500=150mm折流板数 Nb=-1=19块7、接管壳程流体进出口接管：取接管内油品流速为u=1.0m/s则接管内径为d= =0.122m取标准管径为120mm管程流体进出口接管：取接管内循环水流速u=1.5m/s，则接管内径为d= =0.088m去标准管径为80mm3.2.5核算总传热系数KO 1、 计算管程对流传热系数因为Wc=8.33kg/s, Vc=m3/s (3-18)Ai= (3-19)ui=m/s (3-20

16、)Rei=(湍流) (3-21)Pri= (3-22) (3-23)= (3-24)2、计算壳程对流传热系o（1）因为是立式换热器，壳程为正戊烷的饱和冷凝液，为饱和液体后离开换热器。现设管外壁温tw=40，则冷凝管液膜的平均温度为：0.5（ts+tw）=0.5(51.7+40)=45.85 这与饱和温度很接近，故在平均液膜45.85下的物质可沿用饱和温度51.7下的数据：故可安垂直冷凝管的计算公式计算：（2-24）其中 (3-25)（2）确定污垢热阻：R1R2=（井水） (3-26)（3）核算总传热系数管材为碳管，导热系数，所以 （3-27）选用该换热器时要求过程的总传热系数为381.1W/(

17、m2.)，在传热认为所规定的流动条件下计算出的K0=5304.36W/（m2.），故所选择的换热器的安全系数为：（4）核算壁温及冷凝液流型 核算壁温时一般忽略管壁热阻，根据下列近似关系核算tw值： (3-28)与假设的tw=40相差不多，原假设合理。核算冷凝液液膜流型时，计算代为润湿周边上冷凝液流率： (3-29) 所以假设液膜内的流动为滞流是正确的。3.2.6计算压降因为壳程为正戊烷在等温等压下的冷凝传热，压强降忽略，故下面仅计算管程压强降 (3-30) 前已算出：ui=0.592m/s,Rei=14608(湍流) 取碳钢粗糙度， (3-31)由摩擦因数图得， (3-32) 对于252.5m

18、m的管子，Ft=1.4,且Np=3,Ns=1所以=（882.287+504.1） (3-33)由上面计算可知，该换热器压强降符合题设要求，故所选换热器合适。第四章 换热器材料和主要参数4.1换热器材料选用列管接热器的材料，主要根据操作温度，压强和物料的腐蚀性等选用。常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金、钢、铅等；非金属材料有石墨。聚四氯乙烯。玻璃等。在本设计中多彩低合金钢和碳钢。列管式接热器的主要参数项目参数项目参数壳体尺寸52814mm管子排列方式正三角形壳内径Di500mm管子根数N135根管外径d025mm管子中心距t32mm管内径di20mm传热面积30.73管壁厚2.5mm管内座数3

19、管长L3m管外座数1公称压力管内0.6mPa管材质无缝钢管管外0.6mPa壳材质A3工作温度管内 28.99折流板数19管外51.7折流板间距150mm管程接口管径90mm壳程接口管径120mm第五章 设计总结5.1本设计的优点及存在问题本设计的优点:结构简单,易于制造,价格便宜,操作管理方便。换热管内清洗方便，适应性强，处理量大，高温高压下也能应用。但过程清洗不方便，因此，走壳程的液体必须为清洁液体。传热面积较少，只适应中，小型工厂使用；传热低，结构紧凑性以及单位换热面积的金属消耗等方面讨论，本设计采用的列管式换热器，不如“板式”换热器。这也是本设计的一个缺点。5.2设计过程中的体会通过这次

20、设计学习，我们需要耐心地计算好每一步，需要学会在不断地演算中发现问题，并通过查阅资料和联系实际来解决这些问题，。要能够善于前后联系，整体上把握好设计的方向。总的来说，这次的设计还是比较成功的。要想设计更好的，更适合工业化生产的换热器，那还需要大量查阅资料，不断积累经验与相关知识。通过这次设计巩固和运用了所学的知识。它不但要求设计方案要专业，创造性，且计算方面也要极为精确。通过查阅各种资料，编写技术文件，使自己各方面都有了很大的提高。主次设计使自己较全面地运用该课程的知识，培养了自己的独立工作能力和分析问题。通过这次设计，使自己对自己的能力有很大的认可，以后要更加努力，使自己更进一步。 附录符号

21、说明英文字母B折流板间距，m;C系数，无量纲；d管径，m；D换热器外壳内径，m；f摩擦系数；F系数；h圆缺高度；K总传热系数，W/（m）；L管长，m；m程数；n指数； 管数； 程数；N管数； 程数；NB折流板数；Nu努赛尔特准数；P压力，Pa； 因数；Pr普兰特准数；q热通量，W/m2；Q传热速率，W；r半径，m； 气化潜热，kJ/kgR热阻，m2/W 因数；Re雷诺准数；S传热面积，m2；t冷流体温度，； 管心距，m；T热流体温度，；u流速，m/s；W质量流量，kg/s。希腊字母对流传热系数，W/(m)有限差值；导热系数，W/(m)；粘度，Pas；密度，kg/m3；校正系数。下标i管内；m平

22、均；o管外；参考文献1 姚玉英化工原理（下）M天津：天津科技出版社，19992 谭天恩化工原理（下）M北京：化学工业出版社，19943 陈敏恒化工原理（下）M北京：化学工业出版社，19894 贾绍义，柴诚敬化工原理课程设计M天津：天津大学出版社，20025 吴楼涛，李永刚离子膜法氢碱技术的发展及建议化工进展J2003，22(8)：876-8806 梁莹，高桂华辽河集团公司氯碱厂扩产改造项目工艺设计氯碱工业J2000，6：13-167 Kurtz. Electrolytic production of alkali metal hydroxideP. United States Patent,

23、4057474, 1977-11-88 国家医药管理局上海医药设计院著化工工艺设计手册M北京：化学工业出版社，19969 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州：华南理工大学出版社，198610 朴洪忠新型季膦盐杀菌剂的合成及应用D南京：南京化工大学，1999，23-3411 胡源，宋磊，陈耀祖，等全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集C，中国材料研究学会，杭州，2001，5，B6712 谢希德创造学习的思路N人民日报，1998-12-25(10)13 王明亮关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展EB/OL 10-2.html,1998-08-16/1998-10-0414 钟文发非线性规划在可燃毒物配置中的应用A赵玮运筹学的理论与应用中国运筹学会第五届大会论文集C西安：西安电子科技大学出版社，1996468-47115 GB/T 16159-1996，汉语拼音正词法基本规则S