化工原理课程设计 (2)

* 化工原理课程设计 *

正戊烷换热器的设计

学生姓名： 陈 樊 学 号：**********

专 业： 生物工程 班 级：10411

成 绩：

指导教师： 廖庆玲 柯斌清

设计时间：2012年4月27日至2012年5月31日

化学与生物工程学院 化工原理设计任务书

班级：2009级 姓名：陈樊 日期：2012年4月27日-2012年5月31日 一、设计任务书

某厂用井水将正戊烷饱和蒸汽冷凝（冷凝温度51.7℃），井水进口温度28℃，井水流量为70000kg/h，正戊烷年处理能力为25500t/a。要求冷凝器允许压降不大于500000Pa；试设计一台管壳式立式液体冷凝器完成该生产任务。每年按330天计算，每天按24h连续运行。 二、设计要求

1、标题页 2、目录

3、确定设计方案 4、传热面积计算 5、工艺结构尺寸计算 6、换热器校核

7、换热器主要结构参数和设计结果一览表 8、.换热器工艺条件图

9、自设计使用该换热器的工艺流程图 10、设计评述 11、参考文献

2

目录

一、设计题目 ............................................ 4 二、设计条件 ............................................ 4 三、设计内容 ............................................ 4 3.1概述 .............................................. 4 3.2 换热器的分类 ..................................... 4 3.3 换热设备设计步骤 .................................. 4 四、设计说明 ............................................ 6 4.1选择换热器的类型 .................................. 6 4.2流动空间的确定 .................................... 6 五、传热过程工艺计算 .................................... 5 5.1计算液体的定性温度，确定流体的物性数据 ............. 5 5.1.1正戊烷流体在定性温度（51.7℃）下的物性数据 .... 5 5.1.2井水的定性温度 ............................... 5 5.2估算传热面积 ...................................... 6 5.2.1换热器热负荷计算 ............................. 6 5.2.2平均传热温差 ................................. 6 5.2.3估算传热面积 ................................. 6 5.2.4初选换热器规格 ............................... 6 5.2.5立式固定管板式换热器的规格 ................... 7 5.2.6计算面积裕度H及该换热器所要求的总传热系数K0 .. 9 5.2.7折流板 ....................................... 8

3

5.2.8换热器核算 ................................... 8 5.3核算壁温与冷凝液流型 .............................. 9 5.3.1核算壁温 ..................................... 9 5.3.2核算流型 .................................... 12 5.4计算接口直径 ..................................... 12 5.4.1计算壳程接口直径 ............................ 12 5.5计算管程接口直径 ................................. 10 5.6计算压强降 ....................................... 10 5.6.1计算管程压降 ................................ 10 5.6.2计算壳程压降 ................................ 11 六、设计结果 ........................................... 13 八、化工课程设计心得 ................................... 14 七、参考文献 ........................................... 15

一、设计题目

正戊烷换热器的设计 二、设计条件

1、处理能力：25500t/a正戊烷 2、设备形式：管壳式立式液体冷凝器 3、操作条件：

1）正戊烷饱：冷凝温度51.7℃；液体于饱和温度下离开冷凝器51.7℃

4

2）冷却水介质：井水，入口温度28℃；流量为70000kg/h 3）允许压降：不大于500000Pa

4）每年按330天计算，每天按24h连续运行 三、设计内容 3.1概述

换热器在石油、化工生产中应用非常广泛。在炼油厂中，原油常减压蒸馏装置中换热器的投资占总投资的20%；在化工厂中，换热器约占总投资的11%以上。由于在工业生产中所用换热器的目的和要求不同，所以换热器的种类也多种多样。列管式换热器在石油化工生产中应用最为广泛，而且技术上比较成熟。 3.2 换热器的分类

1）混合式换热器：冷、热流体直接接触和混合进行换热。这类换热器结构简单，价格便宜，常做成塔状。

2）热式换热器：冷、热流体交替通过格子砖或填料等蓄热体以实

现换热，这类换热器由于少量流体相互掺和，易造成流体间的“污染”。

3）壁式换热器：冷、热流体通过将它们隔开的固体壁面进行传热，

这是工业上应用最为广泛的一类换热器。 3.3 换热设备设计步骤

1）据任务的要求，确定设计方案； 2）行工艺计算；

3）择适宜的结构方案，进行结构设计；

5

4）行流体阻力核算；

5）制流程图及设备图纸，写说明书。 四、设计说明 4.1选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体正戊烷温度51.7℃：冷流体井水入口温度32℃，出口温度 经计算为35.57℃，估计该换热器的管壁温和壳体壁温相差不大。因此初步确定选用固定管壳式换热器。 4.2流动空间的确定

热流体正戊烷需提高流速以增大传热膜面积，而井水粘度较大，走壳程易增大其湍动，则井水走管程，正戊烷走壳程。 五、传热过程工艺计算

5.1计算液体的定性温度，确定流体的物性数据 5.1.1正戊烷流体在定性温度（51.7C）下的物性数据

密度： 0598kg/m3 定压比热容： cp02.34kJ/(kgoC) 黏度： 0=1.8104pas 导热系数： 0=0.13w/(moC) 5.1.2井水的定性温度

o 入口温度：t128C ；

出口温度：t231.83oC（经过试差法得到此数据，详见草稿本）； 井水的定性温度为：tm2831.83/229.915C； 两流体的温差：Tmtm51.729.91520.085C50C， 故选固定管壳式换热器。

当水在定性温度（29.915C）下的物性数据：

6

密度：

0995.7kg/m3

定压比热容： cp04.174kJ/(kgoC) 黏度： 0=0.8027103pas 导热系数： 0=0.6178w/(moC) 两流体在定性温度下的物性数据如下：

表5-1 定性温度下的物性数据

比热容

密度

物性 温度℃

kg/m

正戊烷 井水

5.2估算传热面积 5.2.1换热器热负荷计算

255001033219.697kg/h0.8943603kg/s； 质量流量：ms1330243

粘度

kJ/(kg·

mPa·s

℃)

0.18 0.8027

2.34 4.174

导热系数 W/(m·℃) 0.13 0.617

51.7 29.915

596 995.7

热负荷： Qms1r0.8943603347.5044310.7941kW 5.2.2平均传热温差 tm,逆51.729.91551.72821.729oC ln51.7-29.915/51.7285.2.3估算传热面积

假设总传热膜系数：K550w/(m2oC)；

7

则： Ap310794.1

26m2；故：A=261.128.6m2 ktm55021.7295.2.4初选换热器规格

选择固定管板换热器: 管程数Np： 1 管长L： 3m

管子直径： Φ25mm×2.5mm（碳素钢管） 管中心距： 32mm

管子排列方法： 正三角性排列方式 因为ANtd0L0.1；

所以管数：Nt=A/d0L0.1=28.6(0.0252.9)126根。 中心线或中心线附近的管子根数:nc1.1Nt1.112613根按单管程， 由于t32mm，b'1do125mm时，

D321312434mm；

当b'1.5do=1.52537.5mm时，D32(131)237.5459mm；所以D在434459mm之间，参见表4-2标准尺寸可得出D440mm，除去最小壁厚得D'500210480mm；因此可根据以上计算得出的数据用CAD画出管子以正三角性排列方式的具体排列，所以最终数出来的可排列在D'480mm的圆内的总管子数是157根，只取149根管子，其他的8根管子不用；各种换热器的直径和拉杆数，可参见表4-3选用，经查表易得，拉杆数为6；因此最终的传热管总数为143。

表5—2标准尺寸

8

壳体内径/mm 最小壁厚/mm 325 440 500 600 8 10 700 800 900 12 1000 1100 1200 14 表5—2杆直径和拉杆数

最少拉杆壳体直径/mm 拉杆直径/mm 200～250 273，400，12 500，600 800，1000 12 6 4 ＞1250 12 10 10 最少拉杆数 4 壳体直径/mm 拉杆直径/mm 数 1100 12 8

5.2.5立式固定管板式换热器的规格

壳体内径D： 500mm 管程数Np： 1 管长L： 3m

管子直径： Φ25mm×2.5mm（碳素钢管） 管中心距： 32mm 管子根数N： 143根 拉杆数： 6根

管子排列方法： 正三角形排列； 5.2.6计算面积裕度H及该换热器所要求的总传热系数K0

换热器的实际换热面积：

A0Ntd0L0.11430.0230.126.06m2；

面积裕度：

HAoA估Ao100%26.0626100%0.23%30%，故符合要求。 26.06 9

热器所要求的最低总传热系数：

KoQ310794.1548.86W/m2C

Aotm，逆26.0621.7295.2.7折流板

在对流传热的换热器中，为了加强壳程内流体的流速和湍流程度，以提高传热效率，在壳程内装置折流板，折流板还起支撑换热器作用。此次设计采用比较常见的弓形折流板。在这种折流板中，流体经圆缺部分后垂直流过管束，流动中死区较少，较为优越，结构也较为简单。采用上下方向排列，这样可造成液体的剧烈扰动，增大传热摸系数。

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125m；

取折流板间距：B0.4D0.4200mm； 折流板数：Nb配。

5.2.8换热器核算

①程传热膜系数i核算：

21432管程流通截面积：Sidi2NpN0.78510.044902m；

l3000折流板圆缺面水平装1114 (块)；

B2004管程流体流速为：ui70000(3600995.7)0.435ms；

0.044902i0.0200.435995.7 10791.8152000；0.0008027管程流体雷诺数为：Reidiuii普朗常数：Prii0.023

cpiii4.1741030.80271035.43；

0.617i0.80.40.617RePr0.0230.85.430.42351.68W/(m2C)di0.0210

②程传热膜系数o核算：

因为立式管壳式换热器，壳程为正戊烷饱和蒸汽冷凝为饱和液体后离开换热器，故可按蒸汽在垂直管外冷凝的计算公式

g23r计算αo：o1.13；现假设管外壁温tw40C，则冷凝Lt1/4液膜的平均温度为：0.5tstw0.551.74045.85C，这与其饱和温度很接近，故在平均膜温45.85℃下的物性可沿用饱和温度

51.7℃

1/4下的数据，在

1/4层流下：

9.8159620.133347.5103g23r2o1.131.131474.36W/mC 3Lt0.1810351.750③定污垢热阻

,Rsi2.0104m2C/W（井水） Rso1.72104m2C/W（有机液体）

④传热系数Ko

d11bdo1doRsoRsioKoowdmdiidi10.002525251250.0001720.00021474.364522.5202351.6820 0.00067830.0001720.0000620.000250.00053150.0016938Ko591W/m2C>539.83W/m2C591550100%6.94%10% 591 所选换热器的安全系数为：5.3核算壁温与冷凝液流型 5.3.1核算壁温

核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算：

Ttwttw11RsoRsi51.7tw10.0001721474.36tw33.35；

10.00023089oi 11

tw41.06C，这与假设tw40C相差不大，在5—10℃之间，可

以接受。 5.3.2核算流型

冷凝负荷：MRe4Mms10.89436030.08196kg/ms； b3.140.02513940.08196408.42162000；（符合层流假设）。

0.00080275.4计算接口直径 5.4.1计算壳程接口直径

①假设正戊烷进口速度为u033m/s：

壳程流通面积：SoBD(1)0.2壳体进口内径：d14qvπuodot25m2； 3240(3600)0.02141m；

3.14故壳程的进口接管内径：d122mm。 ②假设正戊烷出口速度为u0'9m/s： 壳体出口内径：d1'4qvπuo'40(3600)0.041m；

3.14故壳程的出口接管内径：d141mm。 5.5计算管程接口直径

①假设管程流体流速为ui9ms： 管程内径：d24qv40(360095.7)0.0526m； πui3.14故管程的接管内径：d253mm。 5.6计算压强降 5.6.1计算管程压降

12

ΔpiΔp1Δp2FtNpNs（Ft结垢校正系数，Np管程数，Ns壳程数）；

取碳钢的管壁粗糙度为：0.1mm，则ε/d0.005，而

Rei11089.52；

e68则：0.1dRe0.23680.10.12011089.520.230.0355；

Lui23995.70.4472p10.0355529.704Pa；

di20.022995.70.4472p233298.42Pa；

22ui2对φ252.5mm的管子有：Ft1.4,且Np1,Ns1；

pppFNi12tpNs529.704298.421.4111159.3736Pa

5.6.2计算壳程压降

由于壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，故可忽略此压降。

因设计要求冷凝器允许压降不大于500000Pa，由计算结果可知，所选换热器是合适的。

六、设计结果

13

换热器主要结构尺寸和计算结果表

换热器形式：固定管板式 名称 物料名称 操作压力，Pa 操作温度，℃ 流量，kg/h 流体密度，kg/m3 流速，m/s 热负荷，kw 总传热系数，W/m2·K 污垢系数，m2·K/W 阻力降，Pa 程数 推荐使用材料 管子规格 管间距，mm 折流板型式 壳体内径，mm 壁厚，mm 换热面积，m2 传热系数安全系数，% 面积裕度，% 2.0×10-4 1159.3736 1 碳钢 管数 143 管长mm 3000 28/31.83 70000 995.7 0．447 310.794 595 1.72×10-4 忽略 1 管程 井水 5.0×105 51.7 3219.697 596 0.068599 壳程 正戊烷 ф25×2.5mm 32 上下 排列方式 间距，mm 500 10 25.33 7.56 1.86 200 正三角形排列 切口高度% 25 八、化工课程设计心得

努力了二周，我的第一次课程设计终于画上了完美的句号。虽然在工作期间遇到了许多的困难，但我从中收获吸取的知识与这次的经历，将让我受益终生。在这次的课程设计中，我懂得了理论与实际相结合

14

是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能真正获得答案。每一次的假设取值，每一次的结果核算，着实的磨练了我的耐心，教会了我如何寻求最佳值。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，毕竟这是第一次做，难免会遇到过各种各样的问题。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程还教会了查阅资料的能力，很多东西都要自己去翻资料书，自己去寻找答案。本次换热器的课程设计，不仅增加了自己的逻辑推算能力，并且增加了自己动手的能力，更从内心深处产生了对化工原理课程设计的热爱！终于在老师的辛勤指导下，我顺利的完成了这次的课程设计。在此对给过我帮助的所有同学和各位指导老师表示忠心的感谢！ 七、参考文献

[1] 李德华.化学工程基础（第二版）.北京：化学工业出版社，2007.7

[2] 王国胜.化工原理课程设计（第二版）.大连：大连理工大学

出版社，2006.8

[3] 秦叔经、叶文邦.化工设备设计全书. 换热器.化学工业出版社.2003.

2012年5月31日

15