1、- 1 -|化工原理课程设计任务书专业班级：07 过控 02 学生姓名：赵凯 学号： 0703020228一 设计题目：正戊烷冷凝器的设计二 课题条件（文献资料，仪器设备，指导力量）（一）设计任务设计一冷凝器，冷凝正戊烷蒸气;1) 处理能力：6 万吨/年。2) 正戊烷蒸气压力：0.75kgf/cm2，其饱和温度为 52 ，蒸发潜热为 83kcal/kgC3) 冷却剂：自来软水，进口温度 出口温度C251t 40o2t（二）操作条件：（1）生产方式：连续操作（2）生产时间：每年以 300天计算，每天 24小时（3）冷凝器操作压力为常压，管程和壳程的压力均不大于 30kpa三设计任务1.确定设计方
2、案，绘制工艺流程图。2.热力学计算2.1热力学数据的获取2.2估算传热面积2.3工艺尺寸的计算2.4面积核算2.5壁温校核2.6压降校核3.结构设计- 2 -3.1冷凝器的安装3.2管设计3.3管心距设计3.4管板设计3.5折流板设计3.6壳体设计3.7接管设计3.8封头设计3.9法兰设计3.10支座设计3.11其他4.设计计算结果汇总表5.设计结果评价6.绘制装配图7.编制设计说明书- 3 -设计流程图确定物性常数，热负荷、冷却剂用量及平均温差，确定换热器类型及流体流动空间选择传热管参数，并计算管程相应参数核算冷凝给热系数估计冷凝给热系数总传热系数核算计算管内给热系数估计传热总数，计算传热面
3、积初值计算壳侧压降和管侧压降计算，并与设计压力比较裕度系数校验计算值与假定值相差较大考虑夏冬季的温度差异，改变冷流体进口温度折流板计算计算值与假定值相差不大计算值与假定值相差较大裕度过大或过小裕度合适确定换热器基本尺寸压降大于设计压力压降小于设计压力计算换热器其余零件- 4 -工艺流程图 热力学计算1.热力学数据的获取正戊烷液体在定性温度（52）下的物性数据（查化工原理附录） 。， kJ/g5.347CW/m13.0CkJ/g34.2，sPa108.，kg/m59643 rcp循环水的定性温度：入口温度为 ，出口温度为C251t 0o2t循环水的定性温度为 C5.3/4mt两流体的温差 ，故选
4、固定管板式换热器19.T两流体在定性温度下的物性数据如下物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)正戊烷 52 596 0.18 2.34 0.157循环水 32.5 994 0.725 4.08 0.626- 5 -2.估算传热面积（1）计算热负荷=6 /(300 24)=8333.3kg/h=2.31kg/s1sm70kW3.8046/5.34.8rQs（2）冷却水用量= =804.3/4.08 (40-25)=13.1kg/s2stcp2/（3）计算有效平均温度差逆流温差 C5.184052/ln, 逆mt（4）选取经验传热系数 K值根据管程走循环水，壳
5、程走正戊烷，总传热系数 K现暂取：CW/6502（5）估算换热面积23 m8.61.56084KA， 逆mptQ3.工艺尺寸计算（1）管径和管内流速 选用 252.5mm 较高级冷拔传热管（碳钢） ，取管内流速 u1=0.8m/s。（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= (根）sn538.02.785.094/1342 udVi按单程管计算，所需的传热管长度为L= mndAsop 165302.136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=4.5m，则该换热器的管程数为=pn4.516lL- 6 -传热管总根数 N=534=2
6、12(根）（3）平均传热温差校正及壳程数:平均温差校正系数有 :R=0P= 5.24单壳程，双管程结构，查得0.1t平均传热温差 18.5.0塑mt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。（4）壳体内径 采用多管程结构，壳体内径可按下式估算。取管板利用率 =0.7 ，则壳体内径为D=1.05t mN5847.0/21305./ 按卷制壳体的进级档，可取 D=600mm则横过管数中心线管的根数 （根）183.729 Nnc卧式固定管板式换热器的规格如下：公称直径 D600mm公称换热面积 S66.8m2管程数 4pn管数 n212管长 L4.5m管子直径 m5
7、2.管子排列方式正三角形（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 20%，则切去的圆缺高度为h=0.20*600=120mm。- 7 -取折流板间距 B=0.3D，则B=0.3*600=180mm，可取 B=200mm。折流板数 N=传热管长/折流板间距-1=4500/200-1=22（块）4.面积核算（1）壳程表面传热系数 31312o*Re5.g）（ 495.0182,4e,Mtss NnLnm.208.495.0s21.0)8.014.29536/(1.)4(51. 331* sLnm58)7.95/(.)/( 3123121*0 g（2）管内表面传热系数.， 有4.
8、08.PrRe023.iid管程流体流通截面积 016.402.785.iS）（ 2m管程流体流速 sui /0.7916./3216)05.(42Re3i普朗特数 .62.0118.4Pr 33- 8 -C).(/3940.2W75.2084.603. O2.0. mi （3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 /C1.O2mRso管内侧污垢热阻 0si管壁热阻计算，碳钢在该条件下的热导率为 50.29w/(mK)。所以wkRw/5.5.2902（4） 传热系数 依式 3-21有 KC)(/W6.90 158072.025.02.512345.)(1O mRddomowioio ）（ （5）
9、传热面积裕度 :可得所计算传热面积 Ap 为 239.618.56904mtKQAmp 该换热器的实际传热面积为 c 28.7406.54210.143LNmdAoc ）（该换热器的面积裕度为 %.9.6287pcH传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。5.壁温核算与冷凝液流型核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算021.3941072.151 wwsiiwsow ttRttT- 9 -，这与假设相差不大，可以接受。C2.39wt核算流型冷凝负荷 skg/m139.025.01436/8bmMs（符合层流假设）702.94Re6.压降校核（1）计算管程压降（ 结垢校正系数，
10、 管程数， 壳程数）spti NFp21t pNs取碳钢的管壁粗糙度为 0.1mm，则 ，而 ，于是05./de216Rei3.2168.0Re681.02.23.0idPa079.4.5.221 iiuLpa1.867904322i对 的管子有m5.,5. spt NF且30KPaPa2.9451.8623021 spti NFp故, 管程压降在允许范围之内。（2）计算壳程压降 按式计算, , siosNFpp)(1ssF流体流经管束的阻力2)(oBTCoufF=0.5- 10 -206.)3251(6.0)1( mtdBDSoo 壳程流体流速及其雷诺数分别为：取 suo/m019008.7
11、6.42Re气 气od3519528.0of1.6.05. TTCN2B0.50.33516.01(22+1) =14679Paop 207.4流体流过折流板缺口的阻力, B=0.2m , D=0.6m2)5.3(oBi uDNpPa9421076.4).0.(14i总阻力 14679+9429=24108Pa30KPasp由于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。 结构设计1.冷凝器的安装（1）采用卧式换热器卧式换热器相对立式换热器，其占地面积虽然大一些，但其传热系数高， 不易积气，易于安装和维修等 。为了减少液膜在列管上的包角及液膜的厚度，管板在装配时留有 1%左右
12、的坡度，或 者将其轴线与设备水平线偏转一定的角度，其计算公式为：39.025)30sin(tdo得： o7.arcsi（2）随蒸汽冷凝，流通截面积逐 渐缩小，以保持蒸汽的流速。- 11 -（3）冷凝器的组合方式：单台。（4）冷凝器内部安装折流板在对流传热的换热器中，为了加强壳层流动的速度和湍流程度，以提高传 热效率，再在壳层内可安置折流板，折流板还起支撑的作用。 （5）通入蒸汽前要用一排气管排出里面的空气和不凝气，但传热冷凝过程中必须关闭。2.管子的设计（1）采用光滑管光滑管结构简单，制造容易。缺点是它强化传热的性能不足。为了提高换热器的传热系数，可采用结构形式多样化的管子，如异性管，翅片管，
13、螺纹管等。（2）选用 的管子。m52.（3）管长 我国生产的无缝钢管长度一般为 6m，故系列中换热管的长度 分为 1.5，2,3,4.5,6 米几种， 本设计中采用 4.5米长的管子。（4）管子的排列形式管子的排列方法常用的有正三角形直列，正三角形错列，正方形直列和正方形错列。.正三角形错列 .正方形直列 .正方形错列abc正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果- 12 -好，但管外清洗较为困难。而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学
14、处理掉的场合。本设计中采用正三角形错列的排列方式，而在隔板两侧采用正方形直列。（5）管数标准管数为 212根。3.管心距的设计： mt32采用胀接法固定时，管心距过小会造成胀接在挤压作用下发生变形，失去管子与管板之间的连接力。故采用焊接法。根据经验公式：mdt 325.125.0隔板中心到离其最近一排管中心距离S=t/2+6=32/2+6=22各程相邻管的管心距为 44。S24.管板的设计（1）管板的作用：固定作为传热面的管束，并作为换热器两端的间壁，将管程流体分隔开来。（2）管板上的管孔数：即为壳体中的传热系数（包括圆缺形板区安置的） 。（3）管板上的孔间距不宜过大，避免布管疏松，不利传热；
15、也不宜过小，避免焊接时引起较大的应力，影响焊接质量，另外也不利于清扫壳程管束。（4）管板与壳体连接采用不可拆式，即直接焊在壳体上，稍微延伸，兼作法兰，便于对胀口进行检查和维修以及清洗管子。（5）管板直径与厚度管板与壳体直径应保持一致。管板厚度与材料强度，介质压力，温度和压差，温差以及管子和外壳的- 13 -固定方式和受力因素有关。对于管子与管板胀接时，为保证胀接的可靠性，管板的最小厚度为 0.75 。管子与管板焊接时，由于焊接可以达到甚至超od过 管子本身的强度，只要管子强度足够，管子厚度可不受限制，而由焊接工艺及焊接变形等要求来确定。 本设计中选用由于管子与管板采用 ，但焊接式，故取 。 m
16、Cdo 75.2475.0.T m2T（6）采用多管程，故管板中间要留有隔板的位置。（7）管子在管班上的固定方法，必须保证管子和管板连接牢固，不会在连接处产生泄漏。连接方式一般有三种：胀接法，焊接法，胀焊并用法；一般采用的事胀接法和焊接法。由于焊接法在高温高压下仍能使用，保持连接的紧密性，管孔加工要求低节约空的加工工时，同时焊接工艺比胀接工艺简单等优点，故本设计中采用焊接法。根据标准规定，管子外径为 25mm时，管板孔的直径为 25.8mm,允许偏差 ；相邻孔中心距 32mm，管孔中心距偏m2.0差：相邻孔间 ，任意孔间 ；支撑板孔直径 25.6mm,允许3.01.偏差 。 m4.管子露出管板
17、的长度 ，采用 1.5mm。2l5.折流板设计（1）采用圆缺形性折流板。（2）圆缺形折流板在卧式换热器中的排列分为圆缺上下方向和圆缺左右方向两种。上下方向排列者可造成液体的剧烈湍动，增大传热膜系数，这种结构最为常用。故本设计中选用圆缺上下方向排列。（3）圆缺折流板的圆缺高度一般为 %至 40% ，本设计中采用 10iDh=20% =20% 600mm=120mm。iD（4）允许折流板的间距与管径有关，取折流板间距 B=0.3D，- 14 -则 B=0.3600mm=180mm，取 B为 200mm。折流板数目 =N210.45折 流 板 间 距传 热 管 长折流板圆缺面水平装配(5)折流板外径
18、为 600-5=595mm。（6）折流板厚度为 5mm6.壳体设计壳体厚度计算：212CpDtid其中 ， , ， （双面焊缝） ，mi60PaM735.0Pa13t85.0C8,421故 md .7804735.0考虑到开孔的削弱及安全，以及开孔的强度补偿措施，取壳体厚度为 11mm。壳体总重约 155Kg。7.壳程接管的设计（1）壳程流体进口接管：取接管内气体流速为 u1=10m/s，则接管内径为m24.0.3476/8VD1 圆整后可取接管规格为 。2（2）管程流体进出口接管：取接管内液体流速 u2=2.0m/s，则接管内径为m09162143/2D圆整后可取接管规格为 。8（3）壳层流
19、体出口接管，为方便计算，取与管程进出口管规格相同。（4）接管的外伸长度 l2508.封头设计由于椭圆形封头制造方便，结构合理，用材较少，故本设计采用标准椭- 15 -圆形封头：mCpDtid 1.7804735.08.13265.021 为了与筒体配套和焊接方便，标准椭圆形封头内径为 600mm，厚度为10mm，曲面高度为 120mm，直径高度为 30mm，重量约为 15.5Kg。 9.法兰设计（1）壳层流体进出口接管法兰，查表得：mfDmDmg 5328,350,40,251 ，0M,K.,0个 ， 直 径螺 栓重 量 gdb焊缝 HK0,8（2）管层流体进出口接管法兰，查表得： mfDmD
20、mg 5168,2,5,121 ，20M4,K0.3,20, 个 ， 直 径螺 栓重 量 gdb焊缝 HK,310.支座设计化工设备中的支座是支撑设备位置用的一种必不可少的部件，在某些场合，支座还可以承受设备操作时的震动，地震载荷，风雪载荷等。支座的结构形 式和尺寸往往取决于设备的型号，载荷情况及构造材料。常用的有：悬挂式支座，支撑式支座和鞍式支座。本设计中采用鞍式支座，以满足卧式冷凝器的要求。查表得选用 支座一个 ， 支座一204DBIMg 2040BIMDg个。11.其他- 16 -（1）拉杆数量与直径选取，本换热器壳体内径为 600mm,故其拉杆直径为12拉杆数量不得少于 10。壳程入口
21、处，应设置防冲挡板。（2）其他附属部件可根据国家标准的有关规定及容器设计规范进行选用，计算和制造。 换热器主要结构尺寸和计算结果列表如下：项目 结果 单位换热器公称直径 D 600 m换热器管程数 pn 4 -换热器管子总数 Nt 212 根换热器单管长度 L 4.5 换热器管子规格 5.2 m换热器管子排列方式 正三角形错列 -管心距 t 32 隔板中心到最近管中心距 S 22 各程相邻管管心距 2S 44 m管板厚度 T 22 折流板间距 B 200 折流板个数 NB 22 根折流板外径 595 m折流板厚度 5 壳体厚度 d 11 壳程流体进口接管规格 620 壳程流体出口接管规格 41
22、8 m管程流体进出口接管规格 封头厚度 d 10 - 17 -封头内径 600 m封头曲面高度 120 封头直径高度 30 传热负荷 Q 804.3 KW正戊烷蒸汽流量 m1 2.31 Kg/s循环水流量 m2 13.1 Kg/s初选总传热系数 Ko 650 W/m2.K 初步估算传热面积 A 66.8 m2管程流速 u 0.79 m/s壳程传热系数 o 1558 W/m2.K管程传热系数 i 3940 W/m2.K总传热系数 K 690.6 W/m2.K所需传热面积 Ap 62.9 m2实际传热面积 Ac 74.8 m2传热面积裕度 F 19.06% -校核壁温 tw 39.2 oC管程压降
23、 Pt 2.945 Pa壳层压降 Ps 24108 Pa 设计结果评价(1)通过分析管壳式换热器壳程传热与阻力性能特点,说明在采用能量系数/ 来评 价强化传热时,应更着眼于提高其换热性能。本设计中：， =1+2+ 3+4=33603PaC)(/W6.90O2mKK/N=0.0253满足要求，性能良好。（2）本设计通过对面积校核，压降校核，壁温校核等计算可知均满足要求，且传热效率为 70%，能很好的完成任务。（3）经济和环境效益评价：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- 18 -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。（4）本设计中面积，传热系数，压降等均有比较好的裕度保证，即使生产使用中出现比较大的误差，设备结构也能保证不出现打的安全损伤的事故，具有良好可靠的安全保证。
