化工原理课程设计纯苯冷凝器的设计

苯冷凝器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解苯冷凝器的构造、工作原理及其在化工行业中的应用。

2. 学生能掌握苯冷凝器的关键部件，如冷却器、压缩机、膨胀阀等，并了解其功能。

3. 学生能了解并描述苯的物理性质，如沸点、凝固点、比热容等，以及其在冷凝过程中的变化。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，分析并解决苯冷凝器在实际运行中可能出现的简单问题。

2. 学生能通过实验或模拟操作，掌握苯冷凝器的操作流程和注意事项。

3. 学生能运用图表、数据等工具，对苯冷凝器的工作效率进行简单评估。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对化学工程设备产生兴趣，激发他们学习化学工程及相关领域的热情。

2. 培养学生的团队协作意识，使他们学会在实验和解决问题时相互合作、共同进步。

3. 培养学生的环保意识，让他们了解化工设备在环保方面的重要性，以及如何降低环境污染。

本课程针对高年级化学工程及相关专业学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。

旨在使学生不仅掌握苯冷凝器的理论知识，还能运用所学解决实际问题，培养他们的实践操作能力和科学素养。

二、教学内容本章节教学内容围绕苯冷凝器的工作原理、结构组成、操作流程及应用案例展开。

具体安排如下：1. 工作原理：- 苯的物理性质：沸点、凝固点、比热容等。

- 冷凝过程的基本原理：热量传递、相变等。

- 苯冷凝器的工作原理：冷却器、压缩机、膨胀阀等部件的协同作用。

2. 结构组成：- 冷却器：类型、结构、材料及其在苯冷凝器中的作用。

- 压缩机：类型、工作原理、性能参数等。

- 膨胀阀：功能、类型、调节原理等。

- 其他辅助设备：如储液器、干燥器、过滤器等。

3. 操作流程：- 苯冷凝器的启动、运行、停车及维护保养操作。

- 实际操作过程中的注意事项：安全、节能、环保等。

- 常见故障及其排除方法。

4. 应用案例：- 苯冷凝器在化工生产中的应用实例。

- 不同工况下苯冷凝器的性能分析。

目录课程设计任务 (3)第一章前言 (4)第二章概述 (5)2.1冷凝的目的 (5)2.2冷凝器的类型 (5)2.2.1立式壳管式冷凝器 (5)2.2.2卧式壳管式冷凝器 (5)2.3设计方案的确定 (6)第三章设计计算 (8)3.1初选结构 (8)3.1.1 物性参数 (8)3.1.2设Ko 初选设备 (9)3.2传热计算 (10)3.2.1管程换热系数α2 (10)3.2.2 壳程传热热系数α1 (11)3.2.3污垢热阻与传导热阻 (11)3.2.4 校核传热 (11)3.3 压降计算 (12)3.3.1管程压降计算 (12)3.3.2壳程压降计算 (12)第四章结构设计 (13)4.1 冷凝器的安装与组合 (13)4.2管子设计 (13)4.3 管间距（S）的设计 (14)4.3.1管子在管板上的固定 (14)4.3.2管间距 (14)4.4管板设计 (14)4.5 壳体的厚度计算 (15)4.6 封头设计 (15)4.7 管程进出口管设计 (15)4.7.1进出口管径设计 (15)4.7.2位置设计 (15)4.8 壳程进出口管设计 (15)4.8.1出口管径（冷凝液） (15)4.8.2蒸汽入口管径的设计 (15)4.8.3位置设计 (16)4.9法兰 (16)4.10支座 (16)4.11其它 (16)第五章设计小结 (17)致谢 (18)参考文献 (18)课程设计任务：设计题目：乙醇=水精馏塔塔顶产品全凝器设计条件：处理量： 6 万吨／年产品浓度：含乙醇 95％操作压力：常压冷却介质：水压力： P= 303.9kPa水进口温度： 30o C水出口温度： 40o C第一章前言课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节。

它要求学生利用课程理论知识，进行融会贯通的独立思考，在规定时间内完成指定的化工设计任务，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试，培养了学生分析和解决工程实际问题的能力。

化工原理课程设计任务书一、设计题目：年产2.5 万吨苯冷却器的工艺设计二、设计条件1. 生产能力2.54吨每年粗苯102. 设备型式：列管换热器3. 操作压力：常压4. 苯的进出口温度：进口 80℃,出口35℃5. 换热器热损失为热流体热负荷的3.5%6. 每年按330天计，每天24小时连续生产7. 建厂地址：兰州地区8. 要求管程和壳程的阻力都不大于104Pa,9. 非标准系列列管式换热器的设计三、设计步骤及要求1. 确定设计方案（1）选择列管换热器的类型（2）选择冷却剂的类型和进出口温度（3）查阅介质的物性数据（4）选择冷热流体流动的空间及流速（5）选择列管换热器换热管的规格（6）换热管排列方式（7）换热管和管板的连接方式（8）选择列管换热器折流挡板的形式（9）材质的选择2. 初步估算换热器的传热面积A3. 结构尺寸的计算（1）确定管程数和换热管根数及管长（2）平均温差的校核（3）确定壳程数（4）确定折流挡板，隔板规格和数量（5）确定壳体和各管口的内径并圆整5. 校核（1）核算换热器的传热面积，要求设计裕度不小于10%,不大于20%.（2）核算管程和壳程的流体阻力损失（3）管长和管径之比为6～10如果不符合上述要求重新进行以上计算.6. 附属结构如封头、管箱、分程隔板、缓冲板、拉杆和定距管、人孔或手孔、法兰、补强圈等的选型7. 将计算结果列表（见表1）四、设计成果1. 设计说明书（A4纸）（1）内容包括封面、任务书、目录、正文、参考文献、附录（2）格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计的格式打印。

2. 换热器工艺条件图（2号图纸）（手绘）摘要在石油、化工、食品加工、轻工、制药等行业的生产过程中，换热器是通用工艺设备，可用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热器的类型、性能各异，但设计所依据的传热基本原理相同，不同之处是在结构设计上需要根据各自设备的特点采用不同的方法。

本次我的设计题目是年产 2.5 万吨苯冷却器的工艺设计，要求自行设计非系列标准的换热器管壳式换热器。

化工原理课程设计设计题目：纯苯蒸汽冷凝器的设计指导老师：***系别：环境与安全工程系专业：安全工程班级学号：*********姓名：***目录一、设计任务: (2)1、处理能力：常压下5950kg/h的纯苯蒸汽 (2)2、设备型式：立式列管式冷凝器 (2)二、操作条件 (2)三、设计内容 (2)1、确定设计方案 (2)2、确定流体的流动空间 (2)3、计算流体的定性温度，确定流体的物性参数 (2)4、计算热负荷 (3)5、计算平均有效温度差 (3)6、选取经验传热系数k值 (3)7、估算传热面积 (3)8、结构尺寸设计 (3)（1）换热管规格、管子数、管长、管壳数的确定 (3)（2）传热管排列和分程方法 (4)（3）壳体内径内内径 (4)（4）折流板 (4)四、换热器核算 (5)1、换热器面积校核 (5)2、换热器内压降的核算 (7)五、换热器主要结构尺寸和计算结果一、设计任务:处理能力：1、常压下5950kg/h 的纯苯蒸汽 2、设备型式：立式列管式冷凝器二、操作条件1、常压下苯蒸气的冷凝温度为80.1℃，冷凝液在饱和温度下排出。

2、冷却介质：采用20℃自来水。

3、允许管程压降不大于50KPa 。

三、设计内容本设计的工艺计算如下：此为一侧流体恒温的列管式换热器的设计 1、确定设计方案 两流体的温度变化情况热流体（饱和苯蒸气）入口温度 80.1℃，（冷凝液）出口温度 80.1℃ 冷流体 水 入口温度 20℃，出口温度 40℃ 2、确定流体的流动空间冷却水走管程，苯走壳程，有利于苯的散热和冷凝。

3、计算流体的定性温度，确定流体的物性参数苯液体在定温度（80.1摄氏度）下的物性参数（查化工原理附录） ρ=815kg/,μ=3.09×Pa.s,=1.880KJ/kg.k ,ƛ=0.1255W/m.K, r=394.2kJ/kg 。

自来水的定性温度：入口温度：=20℃， 出口温度 =40℃则水的定性温度为：=（+）/2=（20+40）/2=30℃3m 410 PC 1t 2t m t 1t 2t根据热量衡算方程：=（-）得=/（-）=1.65×394.2/4.173（40-20）=7.79kg/s（式中=1.65kg/s ）两流体在定性温度下的物性参数如下表计算热负荷ƍ==1.65×394.2=651.52kw 5、计算平均有效温度差 逆流温差=℃温差＞50℃故选择固定管板式换热器需加补偿圈 6、选取经验传热系数k 值查《化工原理课程及设计》附录8，查的K 取430~850，暂取K=8507、估算传热面积==15.51m q 1r 2m q 2p c 2t 1t 2m q 1m q 1r 2p c 2t 1t 1m q 1r 1m q 逆m △t 43.4940)]-/(80.120)-(80.1[㏑40-80.1-20-1.80=）（）（逆m t K Q S △=49.43×85010×52.65132m8、结构尺寸设计（1）换热管规格、管子数、管长、管壳数的确定选传热管，内径，外径，材料为碳钢。

化工原理课程设计之苯项目设计方案第2章设计方案的确定2.1操作条件的确定确定设计方案是指确定整个精馏装置的流程、各种设备的结构型式和某些操作指标。

例如组分的分离顺序、塔设备的型式、操作压力、进料热状态、塔顶蒸汽的冷凝方式、余热利用方案以及安全、调节机构和测量控制仪表的设置等。

下面结合课程设计的需要，对某些问题作些阐述。

2.1.1 装置流程的确定蒸馏装置包括精馏塔，原料预热器，蒸馏釜，冷凝器，釜液冷却器和产品冷却器等设备，蒸馏过程按操作方式的不同，分为连续蒸馏和间歇蒸馏两种流程，连续蒸馏具有生产能力大，产品质量稳定等优点，工业生产中已连续蒸馏为主。

间歇蒸馏具有操作灵活，适应性强等优点，适合于小规模，多品种或多组分物系的初步分离。

蒸馏时通过物料在塔的多次部分气化与多次部分冷凝实现分离的，热量自塔釜输入由冷凝器和冷却器中的冷却介质将余热带走，在此过程中，热能利用率很低，为此，中确装置流程时应考虑余热的利用，譬如，用原料作为塔顶产品（或釜液产品）冷却器的冷却介质，即可将原料预热，又可节约冷却介质。

另外，为保持塔的操作稳定性，流程中除用泵直接塔原料外，也可采用高位槽送料，以免受泵操作波动的影响。

塔顶冷凝装置可采用全凝气，分凝器—全凝气两种不同的设备。

工业上以采用全凝气为主，以便于准确的控制回流比，塔顶分凝器对上升蒸汽有一定的增浓作用，若后续装置使用气态物料，则宜用分凝器。

总之，确定流程时要较全面，合理的兼顾设备，操作费用，操作控制及安全诸因素。

2.1.2操作压力蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。

确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。

例如，采用减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。

对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。

当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。

但在塔径相同的情况下，适当地提高操作压力可以提高塔的处理能力。

苯甲苯冷凝器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握苯甲苯冷凝器的基本结构和工作原理；2. 学生能够运用所学知识，分析苯甲苯冷凝器在化工生产中的应用及作用；3. 学生了解并掌握苯甲苯冷凝器的操作步骤和安全注意事项。

技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的苯甲苯冷凝器实验装置；2. 学生能够运用苯甲苯冷凝器进行实验操作，并正确收集、处理实验数据；3. 学生能够运用批判性思维和问题解决能力，分析并解决苯甲苯冷凝器实验过程中可能遇到的问题。

情感态度价值观目标：1. 学生通过本课程的学习，培养对化学实验的兴趣和热情，增强探索精神和实践能力；2. 学生能够认识到苯甲苯冷凝器在化工生产中的重要性，增强对化学工业的认识和责任感；3. 学生在实验过程中，培养团队合作意识，学会尊重他人，养成安全、环保的操作习惯。

课程性质：本课程属于化学实验课程，以实践操作为主，理论讲解为辅。

学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的化学基础知识和实验操作能力，对实验充满好奇心和探索欲。

教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调实验操作技能的培养，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。

在教学过程中，关注学生的个体差异，激发学生的学习兴趣，培养良好的情感态度价值观。

通过具体的学习成果评估，确保课程目标的达成。

二、教学内容1. 苯甲苯冷凝器的基本概念与结构特点：介绍苯甲苯冷凝器的定义、分类及其在化工生产中的应用，分析其结构特点及工作原理，对应教材第三章第二节。

2. 苯甲苯冷凝器实验装置的设计与搭建：讲解实验装置的设计原则，指导学生搭建简单的苯甲苯冷凝器实验装置，对应教材第三章第三节。

3. 苯甲苯冷凝器操作步骤及安全注意事项：详细讲解实验操作步骤，强调安全操作规范，对应教材第三章第四节。

4. 实验数据的收集与处理：教授实验数据收集的方法和技巧，指导学生正确处理实验数据，对应教材第三章第五节。

5. 实验现象的分析与问题解决：分析苯甲苯冷凝器实验过程中可能出现的现象，培养学生的问题解决能力和批判性思维，对应教材第三章第六节。

碳八分离工段乙苯冷凝器设计化工原理课程设计（一）碳八分离工段乙苯冷凝器设计姓名：xxxxx学号：xxxxxxx专业：过程装备与控制工程班级：122班一、概述及设计方案简介1.1 化工原理课程设计的主要目的和基本要求化工原理课程设计的主要目的是加强化工类及其相关专业学生的实践能力的培养，注重提高学生的工程实践能力、分析与解决工程实际问题的能力。

力求通过这个基本环节的训练，使学生能够初步掌握化工单元过程与设备设计的基本程序和方法，具备查找基本资料的能力和检索的方法，并且能够运用简洁有效的文字和基本的工程语言来表述设计的思想和结果，运用在课堂上所学的化工原理的基础知识进行化工单元课程和设备设计。

为此要求学生完成以下的基本内容：（1）设计方案简介根据任务书提供的要求，进行生产实际调研或查阅相关技术资料，在此基础上，选定合适的方案。

（2）主要设备的工艺设计计算依据有关资料进行工艺设计计算，即进行物料衡算、工艺参数的优化及其选择、热量的计算、设备的结构尺寸设计和工艺尺寸的计算。

（3）主要设备的结构设计和机械设计按照设计的要求，进行主要的设备结构设计和强度计算。

（4）典型辅助设备的选型对典型辅助设备的主要工艺尺寸进行计算，并且选定设备的规格型号。

（5）带控制点的工艺流程图将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来，会出流程设备，标明物流方向和主要的控制点。

（6）主要设备的工艺条件图绘制主要的工艺条件图，图面包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。

（7）主要设备的总装配图按照国标或行业标准，绘制主要设备的总装配图。

（8）编写设计说明书作为工作的书面总结，在以上的设计完成后，应以简练、准确的文字，整洁、清晰的图纸及表格编写设计说明书。

说明书应该包括：封面、目录、设计任务书、概述及设计方案简介、设计条件及主要物性参数表、工艺设计计算、设备结果一览表、设计自我评述、参考资料以及主要符号说明。

1.2 冷凝器的简介列管式冷凝器有卧式和立式两种类型，被冷凝的工艺气体可以走壳程，也可以走管程。

江西理工大学
化工原理课程设计
说明书
专业：生物工程
学生班级：二○○级班学生姓名：
指导教师：陈喜蓉
冶金与化学工程学院
20 年月日
目录
1．化工原理课程设计任务书 (1)
2．概述与设计方案简介 (2)
3．设计条件及主要物性参数表 (3)
4．工艺设计计算（分章节详细列出） (4)
5．辅助设备的计算和选型 (5)
6．设计结果汇总表： (6)
6．1系统物料衡算表； (6)
6．2设备操作条件及结构尺寸一览表 (7)
7．设计评述（对设计的评价和设计体会） (8)
8．工艺流程图和主要设备的工艺条件图 (9)
参考文献 (10)
主要符号说明 (11)
1．化工原理课程设计任务书工艺条件：
设计要求：
2．概述与设计方案简介（填写正文内容）
3．设计条件及主要物性参数表（填写正文内容）
4．工艺设计计算（分章节详细列出）（填写正文内容）
5．辅助设备的计算和选型（如果有就填，没有则删除该部分内容）
6．设计结果汇总表：6．1 系统物料衡算表；（填写正文内容）
6．2 设备操作条件及结构尺寸一览表（填写正文内容）
7．设计评述（对设计的评价和设计体会）（填写正文内容）
8．工艺流程图和主要设备的工艺条件图（填写正文内容）
参考文献
主要符号说明（如果设计中使用了自定义的符号，则有必要解释说明）。

苯冷却器的课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握苯冷却器的基本结构、工作原理及其在工业中的应用。

2. 让学生了解并掌握苯冷却器相关的热力学知识，如热量传递、流体力学等。

3. 使学生能够运用所学知识，解释苯冷却器在实际操作过程中出现的问题，并提出合理的解决方案。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识，进行苯冷却器的设计、计算和优化能力。

2. 培养学生通过实验、观察和数据分析等方法，解决实际工程问题的能力。

3. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，通过小组讨论、报告等形式，展示学习成果。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对化学工程领域的兴趣，培养其探索精神和创新意识。

2. 培养学生具备环保意识，了解苯冷却器在节能减排方面的重要性。

3. 培养学生严谨、细致、负责的学习态度，为将来从事相关工作奠定基础。

本课程针对高中化学或物理学科的学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，明确以上课程目标。

通过本课程的学习，学生将能够掌握苯冷却器相关知识，具备一定的工程实践能力，并形成积极的情感态度价值观。

为后续的教学设计和评估提供具体、可衡量的学习成果。

二、教学内容1. 苯冷却器的基本概念：包括苯冷却器的定义、分类、结构及其在化工生产中的应用。

教材章节：第三章《热交换器》第二节《冷却器》2. 热力学基础知识：热量传递的三种方式、流体力学基本原理。

教材章节：第二章《热力学基础》3. 苯冷却器的设计与计算：介绍苯冷却器的设计原理、计算方法和优化策略。

教材章节：第三章《热交换器》第三节《热交换器的计算与设计》4. 苯冷却器的实验与操作：组织学生进行苯冷却器实验，观察和记录实验数据，分析实验结果。

教材章节：第四章《实验与操作》5. 苯冷却器的实际应用案例分析：分析苯冷却器在工业生产中可能出现的问题及解决方案。

教材章节：第五章《化工设备案例分析》6. 团队协作与成果展示：组织学生分组讨论、设计苯冷却器方案，并进行成果展示。

教材章节：附录《团队协作与成果展示》根据课程目标，教学内容分为以上六个部分，确保科学性和系统性。

第一章列管换热器设计概述1.1.换热器系统方案的确定进行换热器的设计,首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器,确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数,同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积,并确定换热器的工艺尺寸且根据实际流体的腐蚀性确定换热器的材料,根据换热器内的压力来确定其壁厚｡1.1.1全塔流程的确定从塔底出来的釜液一部分进入再沸器再沸后回到精馏塔内,一部分进入到冷却器中｡为了节约能源,提高热量的利用率,采用原料液冷却塔底釜液,这样不仅冷却了釜液又加热了原料液,既可以减少预热原料所需要的热量,又可减少冷却水的消耗｡从冷却器出来的釜液直接储存,从冷却器出来的原料液再通往原料预热器预热到所需的温度｡塔顶蒸出的乙醇蒸汽通入塔顶全凝器进行冷凝,冷凝完的液体进入液体再分派器,其中的2/3回流到精馏塔内,另1/3进入冷却器中进行冷却,流出冷却器的液体直接储存作为产品卖掉｡1.1.2加热介质冷却介质的选择在换热过程中加热介质和冷却介质的选用应根据实际情况而定｡除应满足加热和冷却温度外,还应考虑来源方面,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,冷却剂一般有水和盐水｡综合考虑,在本次设计中的换热器加热介质选择饱和水蒸气,冷却介质选择水｡1.1.3换热器类型的选择列管式换热器的结构简单､牢固,操作弹性大,应用材料广,历史悠久,设计资料完善,并已有系列化标准,特别是在高温､高压和大型换热设备中占绝对优势｡所以本次设计过程中的换热器都选用列管式换热器｡由于本次设计过程中所涉及的换热器的中冷热流体温差不大(小于70℃),各个换热器的工作压力在 1.6MP以下,都属于低压容器,因固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起,这类换热器结构简单､价格低廉､管子里面易清洗,所以可选择列管式换热器中的固定管板式换热器｡1.1.4流体流动空间的选择哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程,下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例)｡(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内,以便于清洗管子｡(2) 腐蚀性的流体宜走管内,以免壳体和管子同时受腐蚀,而且管子也便于清洗和检修｡(3) 压强高的流体宜走管内,以免壳体受压｡(4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净,冷凝传热系数与流速关系不大｡(5) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用,以增强冷却效果｡(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程,且可采用多管程以增大流速｡(7) 粘度大的液体或流量较小的流体,宜走管间,因流体在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(Re>100)下即可达到湍流,以提高对流传热系数｡在选择流体流径时,上述各点常不能同时兼顾,应视具体情况抓住主要矛盾,例如首先考虑流体的压强､防腐蚀及清洗等要求,然后再校核对流传热系数和压强降,以便作出较恰当的选择｡1.1.5流体流速的确定流体的流速对传热来说非常的重要,因为在滞留层的传热是一热传导为主,热传导的传热速率小于对流传热｡所以如果流速太小它形成的滞留层会很厚,会大大减小传热速率,又因如果流速太小杂质会在壁面沉积也会导致传热速率的下降,提高流体在换热器中的流速,可以增大对流体传热系数,减少污垢在管子表面上沉积的可能性,即降低了污垢热阻,使总传热系数增加,所需要传热面积减少,设备费用降低｡但是流速增加,流体阻力将相应加大,使操作费用增加｡所选择流速时应该综合考虑｡下表列出工业一般采用的流体流速范围｡1.1.6换热器材质选择在进行换热器设计时,换热器各种零､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｡当然,最后还要考虑材料的经济合理性｡一般为了满足设备的操作压力和操作温度,即从设备的强度或刚度的角度来考虑,是比较容易达到的,但材料的耐腐蚀性能,有时往往成为一个复杂的问题｡在这方面考虑不周,选材不妥,不仅会影响换热器的使用寿命,而且也大大提高设备的成本｡至于材料的制造工艺性能,是与换热器的具体结构有着密切关系｡一般换热器常用的材料,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较稳定,很容易被酸腐蚀,在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的｡如一般换热器用的普通无缝钢管,其常用的材料为10号和20号碳钢｡在本次设计中所涉及的换热器中的流体都是乙醇或水,不存在腐蚀性｡所以本次设计中的换热器的管材和壳材都选用碳钢｡1.1.7换热器壁厚的确定一般内压容器厚度由应满足刚度和压力的要求,本次设计中所用到的换热器内部压降都不太大,都属于常压容器,所以换热器的壁厚只要满足刚度要求即可｡1.2固定管板式换热器的结构1.2.1管程结构1.2.1.1换热器布置和排列间距常用换热管规格有ф19×2 mm,ф25×2.5 mm(碳钢10)｡小直径的管子可以承受更大的压力,而且管壁较薄;同时,对于相同的壳径,可排列较多的管子,因此单位体积的传热面积更大,单位传热面积的金属耗量更少｡所以,在管程结垢不很严重以及允许压力降较高的情况下,采用ф19mm×2mm直径的管子更为合理｡如果管程走的是易结垢的流体,则应常用较大直径的管子,有时采用ф38mm×2.5mm 或更大直径的管子｡这次用到的换热器的压力不大,换热器中流体没有腐蚀性,所以选择ф25×2.5 mm和ф19mm×2mm碳钢管｡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,传热效果好;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｡综合各种因素选择正三角形的排列方式｡1.2.1.2管子与管板连接方式的选择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隔开来｡管板与管子的连接可胀接,焊接和胀焊并用｡胀接法是利用胀管器将管子扩胀,产生显著的塑性变形,靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的｡胀接法一般用在管子为碳素钢,管板为碳素钢或低合金钢,设计压力不超过 4 MPa,设计温度不超过350℃的场合｡焊接法在高温高压条件下更能保证接头的严密性｡这次用到的换热器内流体温度不高,压力不大,所以选择胀接的方式连接管子和管板｡1.2.1.3壳程结构壳程内的结构,主要由折流板､支承板､纵向隔板､旁路挡板及缓冲板等元件组成｡由于各种换热器的工艺性能､使用的场合不同,壳程内对各种元件的设置形式亦不同,以此来满足设计的要求｡如当壳程走的是蒸汽时不安装折流板｡这次设计中的原料预热器和塔顶全凝器的壳程走的是蒸汽所以不安装折流板｡介质在壳程的流动方式有多种型式,单壳程型式应用最为普遍｡如壳侧传热膜系数远小于管侧,则可用纵向挡板分隔成双壳程型式｡1.3列管换热器的设计计算1.3.1换热器设计步骤1.了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能｡2.由热平衡计算传热量的大小,并确定第二种换热流体的用量｡3.决定流体通入的空间｡4.计算流体的定性温度,以确定流体的物性数据｡5.初算有效平均温差,一般先按逆流计算,然后再校核,并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则,决定壳程数｡6.选取经验的传热系数K值, 计算传热面积｡7.由系列标准选取换热器的基本参数｡所选换热器面积应为计算出的面积的1.1-1.25倍｡8. 核算压强降,校核传热系数,包括管程､壳程对流传热系数的计算｡假如核算的K值与原选的经验值比值在1.10~1.30之间,就不再进行校核;如果相不在这个范围,则需重新假设K值并重复上述6以下步骤｡1.3.2计算设计主要公式Q=KSΔtm式中 Q——传热速率(即热负荷),W;K——总传热系数,W/(m2.℃);S——与K值对应的换热器传热面积,m2;Δtm——平均温度差,℃｡1.3.2.1 热负荷(传热速率)Q无相变传热Q=WhCph(T 1-T 2)=WcCpc(t 2-t 1)相变传热(蒸汽冷凝且冷凝液在饱和温度下离开换热器) Q=Whr=WcCpc(t 2一t 1) 式中W ——流体的质量流量,kg/h;Cp ——流体的平均定压比热容,J/(kg·℃); T ——热流体的温度,℃; T ——冷流体的温度,℃;r ——饱和蒸气的冷凝潜热,kJ/kg ｡下标h 和c 分别表示热流体和冷流体,下标1和2分别表示换热器的进口和出口｡ 1.3.2.2平均温度差Δtm一侧恒温,逆流与并流的平均温差相等:两侧变温,错流和折流的平均温差用逆流平均温差校正: Φ△t ——温差校正系数,Φ△t=f (P,R),其中:1.3.2.3 总传热系数K初选换热器时,应根据所要设计的换热器的具体操作物流选取K 的经验数值,选定的K 的经验值为K 选｡确定了选用的换热器后,需要对换热器的总传热系数K 进行核算,总传热系数K 的计算按下列公式:oso m o i o si i i o o h R kd bd d d R d h d K 11++++⨯=式中 K ｡——基于换热器外表面积的总传热系数,w/((m 2.℃);h o ､h i ——分别为管外及管内的对流传热系数,w/(m 2·℃); R so ､R si —一分别为管外侧及管内侧表面上的污垢热阻,(m 2.℃)/w; d o ､d i ､d m ——分别为换热器列管的外径､内径及平均直径,m; b ——列管管壁厚度, m;1212ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆冷流体出进口温度差热流体进出口温度差度的差热流体与冷流体进口温冷流体进出口温度差=--==--=12211112t t T T R t T t t P 逆,m t m t t ∆=∆∆ϕk 一列管管壁的导热系数,w /(m ·℃)｡ 1.3.2.4对流传热系数(1)对于低粘度流体(μ小于或等于2倍常温水的粘度)nii ii nd k h Nu Pr Re 023.0Pr Re 023.08.08.0⨯⨯⨯==当流体被加热时,n=0.4 当流体被冷却时,n=0.3 式中:ρ､μ——分别为流体的密度和粘度,kg/m 3､Pa ·s;k ､Cp ——分别为流体的导热系数和比热容,w/(m ·℃)､J/kg •℃; u ——管内流速.m/s; d i ——列管内径,m ｡应用范围:Re>l0000,Pr=0.7-160,管长与管径之比L/d>60,若L/d<60可将1-10式算出的α乘以(1+ (d/L)0.7)特征尺寸:管内径d定性温度:取流体进､出口温度的算术平均值｡ (2)蒸汽在水平管束上冷凝时的冷凝传热系数若蒸汽在水平管束上冷凝,用下式计算冷凝传热系数:413232)(725.0td n gk r h o c o ∆⨯=μρ式中:k ——冷凝液的导热系数,w/(m ·℃); ρ——冷凝液的密度,kg/m3｡; μ——冷凝液的粘度,Pa ·s;γ——饱和蒸汽的冷凝潜热,kJ/kg;Δt ——蒸汽的饱和温度与壁温之差,Δt=t s -t w n c ——水平管束在垂直列上的管数;75.01775.0375.0275.0117321n n n n n n n n n c ++++++++=1.3.2.5流体压力降的计算式 (1)管程压力降()p s t i N N F P P P 21∆+∆=∆∑⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆222u P ρξ--∆1P 直管中因摩擦阻力引起的压力降Pa ; --∆2P 回弯管中因摩擦阻力引起的压力降,Pa;--t F 结垢校正系数,无因次,φ25×2.5mm 的换热管取1.4;φ19×2mm 的换热管取1.5;--S N 串联的壳程数;--p N 管程数｡ξ—— 阻力系数,列管换热器管内ξ=3 (2)壳程压力降()S s i N F P P P '2'1∆+∆=∆()225.3212'22'1o B o S c o u D z N P u N n Ff P ρρ ⎝⎛⎪⎭⎫-=∆+=∆ ()Nn R R f c e e o 1.123000.5228.0=>⨯=---∆'1P 流体横过管束的压力降Pa ;--∆'2P 流体流过折流挡板缺口的压力降Pa ;--s F 结垢校正系数,无因次,对液体,取1.15;对气体,取1.0; F —管子排列方式对压力降的校正系数:三角形排列F=0.5;正方形排列F=0.3;正方形错列F=0.4;--o f 壳程流体的摩擦系数; --c n 横过管束中心线的管数 z- -折流挡板间距,m; D- -壳体直径,m;--B N 折流挡板数目;--o u 按壳程流通面积S o 计算的流速,m/s ｡一般说来,流经列管式换热器允许的压强降,液体为10—100 kPa,气体为1—10 kPa 左右｡第二章换热器工艺计算2.1全塔物料恒算2.1.1全塔组成计算生产任务为年产2.7万吨,组成不低于92%的乙醇｡原料液为50%的乙醇溶液,釜残液为0.5%的乙醇溶液｡以摩尔流量为基准进行物料衡算(生产期为一年300天,一天24小时连续运行)｡已知乙醇的摩尔质量为46g/mol,水的摩尔质量为18g/mol｡则全塔组成为:原料液:M塔顶馏岀液:釜残液:塔顶产量:则根据:可得: W=48.95215mol/sF=74.41515mol/s精馏系统的回流比为:R=3塔顶蒸汽泡点回流:q=1=125.341mol/s=125.341mol/s综上所述,转化为质量流量为F=1.92550kg/sD=1.04167kg/sV=3.12500kg/sW=0.88384kg/sL=2.08333kg/s2.1.2塔底冷却器计算原料液首先通过塔底冷却器进行预热,进行原料液的回收利用｡设0.5%乙醇由99.3冷却到35,则可查得各个温度下元液定性温度的比热,利用试差法求出原料液可预热的温度｡查得:原料液的定性温度为:其比热为:4.18kJ/kg即 0.88384查得 5320℃时即原料液通过塔釜可预热到53即2.2预热器工艺设计2.2.1.设计任务和条件2.2.1.1设计任务处理能力:将1.9255kg/s的50%的乙醇溶液由53℃预热到81.9℃｡设备形式:列管式换热器｡热流体的进出口温度都是120℃,原料液的进口温度是53℃,出口温度为81.9℃｡由于换热器中两流体温度差不大,壳程压力较小,故可选择固定管板式换热器｡2.2.1.2操作条件预热器是把经过塔底冷却器已被加热到53℃的原料液预热到泡点81.9℃,采用120℃的饱和蒸汽进行加热｡2.2.1.3设计要求选择适宜的列管换热器并进行核算｡2.2.2设计计算2.2.2.1确定流体流动空间设计任务的热流体为水蒸汽,冷流体为原料液乙醇,为使原料液出口温度达到泡点,令蒸汽走壳程,原料液走管程｡由于蒸汽比较干净不易结垢,所以蒸汽走壳程以便于及时排除冷凝液,原料液中可能含有杂质､易结垢,所以原料液走管程便于清洗管子｡因碳钢管价格低强度好,预热器中的流体没有腐蚀性,所以选用碳钢管｡2.2.2.2确定流体物性数据50%乙醇溶液定性温度:67.45℃水蒸气定性温度:120℃查得的物性参数为:名称密度ρ定压比热Cp 导热系k 粘度μ汽化热rKg/KJ/(Kg·℃) W/(m·℃) Pa·s KJ/Kg加热蒸汽 1.121 2.10 0.0275 2.42205.2冷凝水943.10 4.24 0.6862 —原料液853.24 4.170.3280—预热器的工艺计算备注(1)热负荷计算水蒸气流量:(2)计算有效平均温度差加热蒸汽T: 120 ℃120℃原料液t: 81.9 ℃53℃Δt 38.1 ℃67℃(3)选取经验传热系数K值根据管程走乙醇溶液,壳程走水蒸气,总传热系数K=580~2910 W/(m2·℃),暂取K=720 W/(m2·℃)｡(4)估算换热面积(5)初选换热器规格由于两流体温差大于50℃,可选用带有热膨胀节的固定管板式换热器,初选换热器型号为:JB/T4715—92主要参数如下:外壳直径273mm 公称压力 2.50MPa公称面积 6.4 m2管子尺寸φ19×2管子数56 管长2000mm管中心距25 mm 管程数Np 2管子排列方式正三角形管程流通面积0.0049 m2实际换热面积:S0=nπd0(L-0.06)=56×3.14×0.019×(2-0.1)=6.35 m2采用此换热面积的换热器,则要求过程的总传热系数为: Wc=F=1.9255kg/s Q=232048 W采取逆流流动, 提高传热效果122211tTttTt-=∆-=∆根据所需换热面积,选择适宜的换热器｡一般说来,流经列(6)核算压降①管程压强降∑ΔP i=(ΔP1+ΔP2)Ft·Ns·Np 其中Ft=1.5,Ns=1,Np=2管程流速对于碳钢管,取相对粗糙度ε=0.1,0.10.006715idε==由λ-Re关系图查得,λ=0.039=(471.46+271.99)×1.5×1×2=2230.35Pa(<50 KPa)②壳程压强降管式换热器允许的压强降,液体为10-100kpa,气体为1-10kpa左右｡列管换热器内阻力系数为3｡其中Fs=1.0,Ns=1管子为正三角形排列 F=0.5壳程流通面积 222220.273560.0190.04264444o o A D n d m ππππ=⋅-⋅⋅=⋅-⋅⋅=壳程流速而=0.51=9.92Pa(<10 KPa)计算结果表明,管程和壳程的压降均能满足条件 (7) 核算总传热系数①管程对流传热系数13672()由于水蒸气汽化热比较大,原料液已经过塔釜残液预热｡因此流量较小,从而使压降较小｡雷诺数越大,流体湍动程度越大,导热效果越好｡壳程气体冷凝为液膜,大大影响了流体间的换热效果｡因此,计算壳程传热系数需用冷凝液的物性参数进行计算｡0.023=2020.09②壳程对流传热系数=0.725=11717.61③污垢热阻查书附录有Rsi=1.7197⨯410-(m2·℃)/W Rso=1.7197⨯410-(m2·℃)/W④总传热系数K=则故所选的换热器是合适的,安全系数为(8)核算面积一般在1.10-1.25之间,否则需另选K值｡管程出口接管也可选用此标准管径｡则 故所选换热器合适,面积裕量为:选择结果:选用带有热膨胀节的固定管板式换热器,型号:JB/T4715—92｡(9)预热器的接管选择 ①管程进口接管选择换热器的接管选择时,对于液体来说速度一般在1-3m/s ｡由于管程流体为原料液,则进出口接管相同,取进口速度为u=2.0m/s则由24i V d u π=⋅⋅,可得:根据规格选取标准管径则可知,所选管径适合｡②壳程进口接管的选择换热器的接管选择时,对于气体来说速度一般为10-30m/s ｡由于壳程为水蒸气,则取进口速度为u=25 m/s ｡则由24i V d u π=⋅⋅,可得:根据规格选取标准管径则可知,所选的管径合适｡③壳程出口接管的选择壳程出口为冷凝液则取进口速度为u=1.5 m/s 可得:根据规格选取标准管径则可知,所选管径适合2.3全凝器工艺设计2.3.1设计任务和条件2.3.1.1设计任务处理能力:冷凝3.125Kg/s的92%的乙醇溶液｡设备形式:列管式换热器｡由于热流体进出口温度都为78.3,冷流体进口温度15,出口温度为35｡冷热流体温度差异不大,壳程压降较小,因此可以采用固定管板式换热器｡2.3.1.2操作条件92%乙醇:冷凝温度78.3冷凝液于饱和温度下离开冷凝器｡冷却介质:水｡入口温度15,设定出口温度35｡允许压降:液体10-100kPa,气体1-10kPa｡2.3.1.3设计要求选择适宜的列管换热器并进行核算｡2.3.2.设计计算此为一侧流体恒温的列管式换热器设计｡2.3.2.1确定流体流动空间冷却水走管程,乙醇蒸汽走壳程｡由于蒸汽比较干净不易结垢,乙醇蒸汽通过壳壁面向空气中散热,提高冷凝效果的同时可以及时排除冷凝液｡原料液中可能含有杂质､易结垢,所以原料液走管程便于清洗管子｡因碳钢管价格低强度好,预热器中的流体没有腐蚀性,所以选用碳钢管｡2.3.2.2确定流体物性数据水的定性温度: 25℃92%乙醇定性温度:78.3℃根据定性温度查得的物性参数为:名称密度ρKg/定压比热CpKJ/(Kg·℃)导热系kW/(m·℃)粘度μPa·s汽化热rKJ/Kg乙醇蒸汽 1.4040 —— 1.052—饱和乙醇750 4.24 0.1780 992液体水996.95 4.17850.6072—冷凝器的工艺计算备注(1)热负荷计算Q h = V ·r = 3.125 3.100×106 W冷却水耗量 Wc=hp Q C t⋅∆=(2)计算有效平均温度差92%乙醇蒸汽 T:78.3 ℃ 78.3℃ 水 t: 35 ℃ 15℃ Δt 43.3 ℃ 63.3℃(3)选取经验传热系数K 值根据管程走水溶液,壳程走乙醇蒸气,总传热系数K=470~815 W/(m 2·℃),暂取K=750W/(m 2·℃) (4)估算换热面积(5)初选换热器规格由于两流体温差大于50℃,可选用带有热膨胀节的固定管板式换热器,初选换热器型号为:JB/T4715—92主要参数如下: 外壳直径 600mm 公称压力 2.50MPa公称面积 80.1m 2 管子尺寸 φ25×2.5 管子数 232 管长 4500mm 管中心距 32 mm 管程数Np 2 管子排列方式正三角形管程流通面积0.0364 m 2实际换热面积:S 0=n πd 0(L-0.06)=232×3.14×0.025×(4.5-0.1)=80.13 m 2 采用此换热面积的换热器,则要求过程的总传热系数为:Q=3100000 W采取逆流流动,提高传热效果122211t T t t T t -=∆-=∆根据所需换热面积,选择适宜的换热器｡(6)核算压降①管程压强降∑ΔP i=(ΔP1+ΔP2)Ft·Ns·Np其中Ft=1.4,Ns=1,Np=2管程流速对于碳钢管,取相对粗糙度ε=0.1,由λ-Re关系图查得,λ=0.035=(4100.00+1561.95×1.4×1×2=15852.00Pa(<50 KPa)②壳程压强降其中Fs=1.0,Ns=1,管子为正三角形排列F=0.5取折流挡板间距z=0.4 ,0.150.6,1=10.25 一般说来,流经列管式换热器允许的压强降,液体为10-100kpa,气体为1-10kpa 左右｡列管换热器内阻力系数为3｡增加折流挡板可以加大流体流速并提高湍动程度,致使壳程对流传热系数提高｡壳程流通面积壳程流速=0.5=10.25(3.5 2)= 1549.68Pa=4606.84Pa(<10 KPa)计算结果表明,管程和壳程的压降均能满足条件｡(7)核算总传热系数①管程对流传热系数228940.023雷诺数越大,流体湍动程度越大,导热效果越好｡壳程气体冷凝为液膜,大大影响了流体间的换热效果｡因此,计算壳程传热系数需用冷凝液的物性参数进行计算｡=4467.59②壳程对流传热系数=0.725=2167.48③污垢热阻查书附录有:Rsi=1.7197⨯410-(m2·℃)/W Rso=1.7197⨯410-(m2·℃)/W④总传热系数K=则故所选的换热器是合适的,安全系数为(8)核算面积则一般在1.10-1.25之间,否则需另选K值｡故所选换热器合适,面积裕量为:选择结果:选用带有热膨胀节的固定管板式换热器,型号:JB/T4715—92 (8)全凝器的接管选择①管程进口接管选择换热器的接管选择时,对于液体来说速度一般在1-3m/s ｡由于管程流体为原料液,则进出口接管相同,取进口速度为u=2.0m/s则由24i V d u π=⋅⋅,可得:根据规格选取标准管径:则可知,所选管径适合｡②壳程进口接管的选择换热器的接管选择时,对于气体来说速度一般为10-30m/s ｡由于壳程为水蒸气,则取进口速度为u=30 m/s ｡则由24i V d u π=⋅⋅,可得:根据规格选取标准管径则可知,所选的管径合适｡③壳程出口接管的选择壳程出口为冷凝液则取进口速度为u=2.0 m/s, 可得:根据规格选取标准管径:则可知,所选管径适合｡2.4.1离心泵的体积流量计算查得原料液的物性参数为:4.306Pa s2.4.1根据伯努利方程式,计算泵的压头已知原料液的输送高度为20m,管路总长100m｡根据工艺流程图可知其中有7个弯头,3个阀门,根据预热器接管计算,可知输送管为的不锈钢管｡原料液储罐内液面恒定,上方表压为101.3kpa,精馏塔进料口处塔内表压为121.0kpa｡以储罐液面为水平基准面:式中:,m/s,｡而 2.09m/s①直管阻力损失:雷诺数:对于碳钢管,取相对粗糙度ε=0.1,由λ-Re关系图查得,λ=0.027｡∑=0.027=16.25m②局部阻力损失:7个弯头:Le=7 1.5=10.5m2个截止阀:Le=215=30m1个标准阀:由工艺流程图确定弯头与阀门数目｡)=7.92m③冷却器阻力损失:④预热器阻力损失:则==16.25+7.92+4.06+0.27=28.5m=20+=51.076m由于原料液密度小于水的密度,所以不需要核算轴功率｡因此,所需泵的流量为,扬程为51.076m｡由于离心泵输送的是50%乙醇溶液,应该选用油泵｡则根据Y型离心油泵性能表可知:型号:50Y-60离心泵的主要参数转速n/(r/min)流量Q/( m3/h)扬程H/m效率η/%轴功率kw(NPSH)rm2950 12.5 60 35 5.95 3.03.1换热器设计结果3.1.1原料预热器主要结构尺寸和计算结果3.1.2塔顶全凝器主要结构尺寸和计算结果设计心得课程设计是我们专业课程知识的综合训练,是课本知识的一个升华｡通过课程设计,我们综合运用自己所学的专业知识与生产实际｡同时锻炼了自己独立工作的能力｡对我们是一个很大的锻炼与提高｡在课设过程中,我深刻感受到了书本知识在现实面前是那么地暗淡无光｡自己在设计过程中不仅需要遵守化工原理的思路与方法,而且设计需要与实际相结合,根据现实情况选择泵､换热器､是否需要热膨胀节等等问题｡同时,我还明白了做学问必须严格谨慎,不怕吃苦｡我们在换热器计算过程中需要不断校核换热系数,这不仅锻炼了我们的耐心,而且帮助我们思考问题,怎么样才能快速选出自己需要的换热器｡还有本次课程设计的过程中,我们积极查阅各种各种资料,这对我们设计与学习帮助很大｡作为一名化工专业大三的学生,我觉得能够做这样的课设设计师十分有意义的｡在已度过的三年大学生活里我们大多数接触的是专业基础课,我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面,如何去面对现实中的各种化工设备的机械设计?如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢?我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台｡短短的两周课程设计,使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏,综合应用所学的专业知识能力的不足｡做学问过程中非常浮躁,这都是我今后需要克服与改正的问题｡相信此次设计训练对自己的今后工作都会有一定的帮助｡最后,在此感谢老师给予我们的帮助,给予我们这次锻炼的宝贵机会｡参考文献[1]柴诚敬,张国亮主编.化工流体流动与传热.化学工业出版社.2007年.。