正戊烷冷凝器的设计

课程设计说明书学院：生态与资源工程学院专业班级：2011级化学工程与工艺(2)班课程名称：化工原理课程设计题目：正戊烷冷凝器的设计学生姓名：学号：***********指导老师：2014年6月目录1、设计任务书 (3)1.1设计任务: (3)1.2操作条件 (3)1.3设计内容 (3)1.4设计说明书的内容 (3)1.5设计图要求 (3)2、主要设备设计计算和说明 (4)2.1 确定流体流动空间 (4)2.2 计算流体的定性温度，确定流体的物理性质 (4)2.2.1正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据 (4)2.2.2.自来水的定性温度 (4)2.3估算传热面积 (4)2.3.1计算热负荷 (4)2.3.2冷却水用量 (5)2.3.3计算有效平均温度差 (5)2.3.4选取经验传热系数K值 (5)2.3.5估算换热面积 (5)2.4工艺尺寸计算 (5)2.4.1管径和管内流速 (5)2.4.2管程数和传热管数 (5)2.4.3平均传热温差校正及壳程数 (6)2.4.4壳体内径 (6)2.4.5折流板 (6)2.4.6拉杆直径 (7)2.4.7壳程流通截面积和壳程流体流速 (7)2.4.8 接管 (7)2.5初选换热器规格 (7)2.6.面积核算 (8)2.6.1壳程表面传热系数 (8)2.6.2管内表面传热系数. (8)2.6.3污垢热阻和管壁热阻 (9)2.6.4 传热系数K (9)2.6.5传热面积裕度 (9)2.7.核算壁温 (9)2.8.压降校核 (10)2.8．1计算管程压降 (10)2.8.2计算壳程压降 (10)3.换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表 (12)4.参考文献 (13)1、设计任务书1.1设计任务:正戊烷冷凝器的设计1.2操作条件a）处理能力： 2.5×104吨/年b）设备型式: 列管冷凝器c）操作条件：正戊烷：冷凝温度为51.7℃，冷凝液于饱和温度下离开冷凝器；冷却介质：自来水，入口温度：30℃，出口自选（南平地区）；允许压降：≤105Pa，每年工作时间自定。

1.3设计内容a) 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, 设计过程中自选的参数也应进行必要的说明。

b)冷凝器的工艺计算：物料衡算和能量衡算，确定换热器的传热面积，换热器的主要结构尺寸的设计计算。

c)主要辅助设备的设计与选型计算d)绘制换热器的设备图（参考《化工AutoCAD制图应用基础》第122页陈声宗《化工设计》第四章的要求绘制）e)编制设计说明书1.4设计说明书的内容（1）课程名称、首页、目录及页码；（2）简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等；（3）热量衡算及初步估算换热面积；（4）冷凝器的选型及流动空间的选择；（5）工艺流程图；（6）冷凝器的校核计算；（7）结构及附件设计计算；（8）冷凝器的主要数据一览表；（9）设计结果评价；（10）附立式列管冷凝器总装图。

1.5设计图要求A2图纸绘制冷凝器装配图一张、两个局部放大图。

CAD图自由选做1-2个部件。

2、主要设备设计计算和说明2.1 确定流体流动空间冷水走管程，正戊烷走壳程，有利于正戊烷的散热和冷凝。

2.2 计算流体的定性温度，确定流体的物理性质2．2．1.正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据ρ=596kg/3m ，s a 108.14-⋅⨯=P μ，C =2.34KJ/(kg P ⋅℃），0.13/m W λ=⋅℃（），。

kJ/kg 5.347=r2.2．2.自来水的定性温度入口温度1t =30℃，设出口温度为36℃，每年工作时间为330天，每天工作24h 。

M s1=2.5×107/330×24=3156.57kg/h=0.877kg/s12122s s P m r t t m C =+ m s2=12.17kg/s 自来水的定性温度为()C 332/3630 =+=m t两流体的温差C 50C 7.18337.51 <=-=-m m t T ，故选固定管式换热器。

两流体在定性温度下的物性数据见下表2.3估算传热面积2.3.1计算热负荷s kg q h m 877.0)360024330)105.2(7,=⨯⨯⨯=s kj r q Q h m T 7575.3045.347877.0,=⨯=•=2.3．2冷却水用量c m q ,=t c c p ∆,T /Q =304.7575/（4.174⨯（36-30））=12.170kg/2.3.3计算有效平均温度差正戊烷 51.7C ︒→51.7C ︒冷却水 30C ︒ →36C ︒t ∆ 21.7 C ︒ 15.7C ︒382.17.15/7.21)/(21==∆∆t t ℃≤2所以m t ∆=7.182/)7.157.21(2/)(21=+=∆+∆t t C ︒ 2.3.4选取经验传热系数K 值根据管程走冷却水，壳程走正戊烷，总传热系数K 现暂取：总传热系数K 值可取470至815，可暂取C W/m 5802︒⋅=K2.3.5估算换热面积23`m 099.2818.7580107575.304K S =⨯⨯=∆=m T t Q 2.4工艺尺寸计算2.4.1管径和管内流速选用Φ25×2.5mm 较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 u 1=1.0m/s 。

2.4.2管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数3996.380.102.0785.0995/12.17422≈=⨯⨯==u d V i s n π(根） 按单程管计算，所需的传热管长度为m n d S L s o 178.939025.014.328.099=⨯⨯==π 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=3.0m ，则该换热器的管程数为p n =43.09.178≈=l L 传热管总根数 N=39×4=156(根）2.4.3平均传热温差校正及壳程数平均温差校正系数: R=06/0/==冷流体升高的温度热流体降低的温度 P=276.07.216307.513036==-- 单壳程，双管程结构，查得95.0=∆t ε平均传热温差 16.8318.70.9=⨯=∆=∆∆逆m t m t t ε℃由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

2.4.4壳体内径采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。

mm N t D T 5004698.01563205.105.1≈=⨯⨯==η2.4.5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=0.25×500=125mm 。

取折流板间距B=0.3D ，则B=0.3×500=150mm折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=3000/150-1=19（块）折流板圆缺水平面安装2.4.6拉杆直径拉杆直径为Φ=12mm ,壳程入口应设置防冲挡板2.4.7壳程流通截面积和壳程流体流速 壳程流通截面积2010641.1)032.0025.01(500.0150.0)1(0-⨯=-⨯⨯=-=t d BD S 壳程流体流速s m u /089.010641.15963600/3156.5720=⨯⨯=- 2.4.8 接管 a 壳程接管 进口接管 取接管内蒸汽流速为10m/s,则接管内径mm u V D 1501014.376.4877.0441≈⨯⨯⨯==πmm 出口接管 取结管内的液体流速为1.5m/s ，则接管内径mm u V D 405.114.3596877.0442≈⨯⨯⨯==π b 管程水进出口接管 取接管内水流速为1m/s,则接管内径 mm u V d 125995114.317.1244=⨯⨯⨯==π 2.5初选换热器规格立式固定板式换热器的规格如下：公称直径D ：500mm 管长L ：3.0m公称换热面积A ：28.099 2m 管子直径：φ25mm ⨯2.5mm 管程数P N ： 4 管子排列方式：正三角形 管数T N ：156换热器的实际换热面200m 5134.35)1.00.3(025.014.3156)1.0(=-⨯⨯⨯=-=L d n A π C .m /9.4587.185134.35107575.30402300W t A Q K =⨯⨯=∆=2.6.面积核算2.6.1壳程表面传热系数现假设管外壁温t w =32℃7.51=s t ℃ 则冷凝液膜的平均温度为85.412327.51=+℃，在此温度下的物性沿饱和温度51.7摄氏度下的数据072.015614.3025.0877.00s =⨯⨯==T N d m M π 1800160000018.0072.044Re =⨯==μM 故)/(59.798])327.51(0.3108.18.913.05695.347[13.1])([13.124/14324/1-32C m w t t L g r w s ︒•=-⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-μλρα2.6.2管内表面传热系数. 4.08.0Pr Re 023.0i ii d λα=管程流体流通截面积s m m V i i i 30122.099517.12===ρ 0122.0415602.042=⨯⨯=πi S ）（2m 管程流体流速 s m S V u I i i 0.10122.00122.0=== 2132.26452107523.09950.102.0Re 3=⨯⨯⨯==-i ii i i u d μρ 普朗特数6624.66265.0100.110174.4Pr 33=⨯⨯⨯==-i i pi i u C λC).(/W 3433.53096624.62132.2645202.06265.0023.0Pr Re 023.0O 24.08.04.08.0m d i i =⨯⨯⨯==λα 2.6.3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻 W /C 172000.0O 2⋅=m R so管内侧污垢热阻W /C 172000.0O 2⋅=m R si 管壁热阻计算，碳素钢在该条件下的热导率为45=w λw/(m ·K)。

2.6.4 传热系数K C)(/W 43.516）59.7981000172.00225.045025.00025.0020.0025.0000172.0020.03433.5309025.0（1)1(1O 2⋅=++⨯⨯+⨯+⨯=++++=m R d bd d d R d d K o so m o i o si i i o αλα所选用换热器的安全系数为(516.43-458.9)/458.9=12.54%表明该换热器的传热面积裕度符合要求。