课程设计正戊烷冷凝器的设计.docx
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课程设计正戊烷冷凝器的设计
江汉大学
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:
2.0×104吨/年正戊烷冷凝器的设计
姓名:
周欢
学号:
201009102126
指导老师:
周富荣老师
起止时间:
2012.12.31—2013.1.13
任务安排
设计任务和操作条件
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:
24℃;
(3)允许压强降不大于105Pa;
(4)每年按300天计;每天24h连续运转。
2.处理能力:
2.0×104t/a正戊烷
3.设备型式:
卧式列管冷凝器
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。
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
1.1概述···························1
1.2确定物性数据·······················2
1.2.1确定流体流动空间···················2
1.2.2流体定性温度,确定流体流动的物性数据·········2
1.3估算传热面积·······················3
1.3.1热负荷························3
1.3.2有效平均温度差····················3
1.3.3估算传热面积·····················3
1.4工艺结构尺寸·······················3
1.4.1管径和管内流速····················3
1.4.2管程数和传热管数···················4
1.4.3传热管排列和分程方法·················4
1.4.4壳体内径·······················4
1.4.5接管·························5
1.4.6其他附件·······················5
1.5初选换热器规格······················6
1.6换热器核算························7
1.6.1计算总传热系数····················7
1.6.2传热面积裕度·····················8
1.6.3核算壁温·······················8
1.6.4计算压降和核算····················9
1.7汇总表··························10
设计总结···························12
参考文献···························13
附换热器装配图························13
1.1概述
换热器是化学工业,石油工业及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备,它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用,而且是一些化工单元操作的重要附属设备,因此在化工生产中占有重要的地位。
由于工业生产中所用换热器的目的和要求各不相同,换热设备的类型也多种多样,可根据生产工艺要求进行选择。
按换热器设备的传热方式划分主要有直接接触式、蓄热式和间壁式三类。
虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单,制造容易等特点,但由于在换热过程中,有高温流体和低温流体相互混合或部分混合,使其在应用上受到限制。
因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。
间壁式换热器的类型也是多种多样,从其结构上大致可分为管式换热器和板式换热器。
管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器;板式换热器主要包括型板式、螺旋板式和板壳式换热器。
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。
(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,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。
1.2确定物性数据
1.2.1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。
1.2.2流体的定性温度,确定流体流动的物性数据
1流体的定性温度
决定准数中各物性的温度称为定性温度。
一般取流体的平均温度。
(1)正戊烷的定性温度:
T=51.7℃。
(2)井水的定性温度:
a.入口温度t1=24℃。
b.有设计要求的正戊烷的流量:
Wh=
=2777.78kg/h
c.热负荷[1]:
r=357.4kJ/kg,Q=Whr=2777.78×357.4=992778.572kJ/h
d.在30~50℃之间水的定压比热容[1]:
4.174kJ/(Kg·℃)
Q=WcCpc(t2-t1)∴t2=
℃
e.井水的定性温度:
t=
℃
两流体的温度T-t=51.7-25.70=26.00℃﹤50℃,选用固定管板式换热器.
2.流体流动的物性数据
两流体在定性温度下的物性参数如表1[1]
流体
温度,℃
密度,kg/m3
比热容,kJ/(Kg·℃)
粘度,Pa·s
导热系数,W/(m·℃)
正戊烷
51.7
596
2.34
1.80×10-4
0.13
井水
25.70
996.775
4.178
8.89×10-4
0.6096
表1两流体物性参数
1.3估算传热面积
1.3.1热负荷Q=992778.572kJ/h=275.77kW
1.3.2有效平均温度差
逆流温度△tm=
℃
1.3.3传热面积
高温流体为有机物粘度0.5×10-3Pa·s以下,低温流体为水时,总传热系数范围[2]:
430~850W/(m2·K)。
先暂取K=500/m2·K
则估算的传热面积A=
m2
考虑到估算性质的影响,取实际传热面积为估算值的1.15倍,则实际传热面积A‵=1.15×21.25=24.44m2
1.4工艺结构尺寸
1.4.1管径和管内流速
管径为φ25mm
2.5mm,一般液体的流速[3]:
0.5~3m/s,取管内流速为u=0.8m/s。
1.4.2管程数和传热管数[4]
单程传热管数
=
(根)
按单程管计算,所需的传热管长度为
L=
≈4m
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=2.0m,则该换热器的管程数为
Np=
(管程)
传热管总根数NT=78×2=156(根)
1.4.3传热管排列和分程方法[5]
对于多管程换热器,常采用组合排列方式。
每程内都均按正三角形排列,而各程之间为了便于安装隔板,采用正方形排列方式。
本次设计,焊接法取管心距t=1.5d0=1.25×25=31.25mm≈32mm
隔板中心到其最近一排管中心距离:
S=t/2+6=32/2+6=22mm
各程相邻管的管心距为22×2=44mm。
1.4.4壳体内径[6]
对于按正三角形排列的管子,nc=1.1
=1.1
(根)
D=t(nc-1)+2b′
D——壳体内径,m
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′=(1~1.5)d0∴b′=1.5d0=1.5×25=37.5mm。
∴D=t(nc-1)+2b′=32×(14-1)+2×37.5=491mm≈500mm。
最小壁厚:
10mm,取20mm。
1.4.5接管
流速u的经验值可取[6]:
对液体:
u=1.5~2m/s
对蒸气:
u=20~50m/s
壳程内径
进口接管取接管内蒸汽流速为30m/s,正戊烷蒸气的密度[17]:
3.585Kg/m3,则接管内径
D1=
95.6mm≈96mm
选的标准接管[14]:
Φ108×6mm。
出口接管取接管内的液体流速为1.5m/s,则接管内径
D2=
33.16mm≈34mm
选的标准接管[15]:
Φ45×6mm。
管程水进出口接管
取接管内水流速为1.5m/s,则接管内径
d=
mm≈129mm
选的标准接管[15]:
Φ150×6mm。
1.4.6其他附件
带法兰的封头[8]:
公称直径为500mm,曲面高度为125mm,直边高度为50mm,厚度为20mm。
1.5初选换热器规格
计算的卧式固定换热器的规格如下:
管子规格:
Φ25×2.5mm
公称直径D:
500mm
公称压力P:
不大于105Pa
管程数NP:
2
换热管长度L:
2.0m
传热管总根数NT:
156
计算换热面积:
24.44m2
管子排列方式:
正三角形错列
所以选的标准卧式固定换热器G500Ⅱ-0.6-24.5的规格如下[9]:
管子规格:
Φ25×2.5mm
公称直径D:
500mm
公称压力P:
0.6MPa
管程数NP:
2
换热管长度L:
2.0m
传热管总根数NT:
164
中心排管数:
15
公称换热面积:
24.5m2
管程流通面积:
0.0257m2
管子排列方式:
正三角形错列
1.6换热器核算
1.6.1核算总传热系数
计算管程对流传热系数
管程流体流通截面积A=0.0257m2
管程流体流速u=
=
m/s
雷诺数Re=
普兰特数Pr=
=
=
0.8×6.0930.4=3503.02W/(m2·℃)
②计算壳程对流传热系数
现假设管外壁温
=41.7℃,则冷凝液膜的平均温度为
℃,这与其饱和温度很接近,故在平均膜温46.7℃
下的物性可沿用饱和温度51.7℃下的物性数据,
△t=ts-tw=51.7-41.7=10℃
=0.725
=865.33W/(m2·℃)
确定污垢热阻[10]
Rso=1.72×10-4m2·℃/W(有机液体)
Rsi=2.0×10-4m2·℃/W(井水)
总传热系数K
碳素钢[11]:
=45W/(m·℃)
K=
=
=500.95W/(m2·℃)
1.6.2传热面积裕度
实际传热面积A=
m2
公称换热面积A0=24.5m2
∴该换热器的面积裕度F=
=15.5%
为保证换热器操作的可靠性,一般应使换热器的面积裕度大于15%~25%[12]
所以该换热器较为合适。
1.6.3核算壁温
tw=39.5℃
∴假设值可以接受。
1.6.4计算压降和核算
(1)计算管程压降
⊿P1,⊿P2—分别为直管及回弯管中因摩擦阻力引起的压降,Pa
Ft--结垢校正因数,量纲为1,对
的管子取1.4
NP—管程数
Ns—串联的壳程数
取碳钢的管壁粗糙度为0.1mm,则
=0.005,Re=17020
由摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系图[13],读得λ=0.034
NP=2,Ft=1.4,Ns=1
∴
=(976.18+861.33)×1.4×2×1=5145.028Pa﹤105Pa
∴管程压降在允许的范围内。
(2)计算壳程压力降
壳程为恒温恒压蒸汽冷凝,其压降可忽略。
(3)总阻力
5145.028﹤105Pa
∴该换热器的总压降也在允许范围之内。
该换热器可取。
1.7汇总表
表2设计计算汇总表
名称
单位
结果
正戊烷流量Wh
kg/h
2777.78
正戊烷蒸汽进口温度
℃
51.7
冷却水流量Wc
kg/h
70000
冷却水进口温度
℃
24
冷却水出口温度
℃
27.40
热负荷Q
kJ/h
992778.572
总传热系数K
W/(m2·℃)
500.95
实际传热面积
m2
21.21
公称传热面积
m2
24.5
面积裕度F
--
15.5%
管程流通截面积A
m2
0.0257
管程流体流速u
m/s
0.759
管程对流传热系数
W/(m2·℃)
3503.02
管程压降∑
Pi
Pa
5145.028
壳程对流传热系数
0
W/(m2·℃)
865.33
壳程压降∑
P0
Pa
0
总阻力
Ps
Pa
5145.028
表3换热器工艺尺寸汇总表
名称
单位
结果
管子规格
mm
Φ25×2.5
公称直径DN
mm
500
壳体壁厚
mm
20
公称压力PN
MPa
0.6
管程数NP
--
2
换热管长度L
m
2.0
传热管总根数NT
根
164
中心排管数
--
15
管子排列方式
--
正三角性错列
管心距t
mm
32
隔板中心到其最近一排管中心距离S
mm
22
各程相邻管的管心距
mm
44
壳程进口接管内径
mm
108
壳程出口接管内径
mm
45
管程水进出口接管内径
mm
150
封头公称直径
mm
500
封头曲面高度
mm
125
封头直边高度
mm
50
封头厚度
mm
20
设计总结
在设计的前期,通过去图书馆借书,看书,了解换热器的结构,传热特点和阻力性能等特点,查找相关物质的物性数据,大致知道设计内容要做什么和怎样去做。
在设计过程中,一步一步的计算,查找符合的换热器,在进行该换热器的核算,看是否符合,不符合再进行假设,直到符合为止。
上面设计的换热器,通过核算总传热系数,总阻力,壁温,都在符合范围之内,所以该换热器是可行的。
也要对对该换热器经济和环境效益进行评价生命周期方法是一种针对产品或生产工艺对环境影响进行评价的过程,它通过对能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识和量化,来评估能量和物质利用对环境的影响,以寻求对产品或工艺改善的途径。
这种评价贯穿于产品生产、工艺活动的整个生命周期,包括原材料的开采和加工、产品制造、运输、销售、产品使用与再利用、维护、再循环及最终处置。
本设计中使用水作冷却剂,无污染,耗资少,无有害气体产生,整个过程简单,易操作,环境和经济效益良好。
而换热器使用的好坏,也要经常进行定期检查,维修和清洗的。
特别是冷却水经过长时间的操作,腐蚀生成物和水垢污垢等附着管壁,会降低传热系数而影响传热效率及增大压降,因此必须通过清洗来改善换热器的性能。
在设计的后期,就是通过设计出来的换热器规格,把该换热器的图用A3的图纸画出来。
以上就是在设计换热器过程中的小小总结。
参考文献
[1]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P335,P338,P343,P345,P346
[2]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P363[3]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P287[4]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P18
[5]大连理工大学化工原理教研室编化工原理课程设计大连理工大学出版社1997年P38
[6]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P289
[7]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P289
[8]熊洁羽编化工制图化学工业出版社2007年P381
[9]夏清贾绍义主编化工原理第二版上册天津大学出版社2011年P360
[10]付家新,王为国,肖稳发主编化工原理课程设计
化学工业出版社2010.11P72
[11]大连理工大学化工原理教研室编化工原理课程设计大连理工大学出版社1997年P31
[12]大连理工大学化工原理教研室编化工原理课程设计大连理工大学出版社1997年P291
[13]大连理工大学化工原理教研室编化工原理课程设计大连理工大学出版社1997年P52
[14]熊洁羽编化工制图化学工业出版社2007年P207
[15]熊洁羽编化工制图化学工业出版社2007年P207
[16]熊洁羽编化工制图化学工业出版社2007年P215
[17]XX搜索
附上换热器装备图一张
..
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