1、辽宁科技学院本科生课程设计1辽 宁 科 技 学 院课 程 设 计课 程 名 称 ： 化工原理课 程设计题目： 正戊烷冷凝器设计专 业 ： 环境工程学 生 姓 名 ： 朱延玮班 级 ： 环境 BG111 学号： 641111131指 导 教 师 姓 名 ： 潘宁宁设 计 完 成 时 间 ： 2014 年 1 月 8 日2目录目录 2一设计任务书 31.设计题目 .32. 设计任务及操作条件 3二概 述 .41.固定管板式换热器 .42填料函式换热器 53U 型管式换热器 .54浮头式换热器 6三主要设备设计计算和说明 71. 确定流体流动空间 72. 计算流体的定性温度，确定流体的物理性质 73
2、. 计算热负荷 74. 计算有效平均温度差 75. 选取经验传热系数 K 值 86. 估算换热面积 87. 初选换热器规格 88. 计算管程对流传热系数 i.99. 计算压降 .11四工艺设计计算结果汇总表 .15五参考文献 .16六、设备装置图 .163一设计任务书1.设计题目正戊烷冷凝器的设计2.设计任务及操作条件 2.1、处理能力： 2.0104t/a 正戊烷2.2、设备型式：标准立式列管冷凝器2.3、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：地下水，入口温度 20，出口温度 28。（3）允许压降：不大于 105Pa。（4）正戊烷在 51.7
3、下的物性数据：=596kg/m3 =1.810-4Pa.s Cp=2.34kJ/(kg) =0.13W/(m) r=357.4kJ/kg（5）每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行。2.4、建厂地址：本溪地区4二概 述在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称热换器。在热换器中至少需要两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的作用和地位的不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式
4、换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在换热器中占据主导地位。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：1.固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力
5、必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差 50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于 6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过 600kpa 时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。52填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理易挥发、易燃、易爆和有毒的介质。3U 型管式换热器U 形管式换热器，每根管子都弯成 U 形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以
6、自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。64浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头” ，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点为结构复杂，造价高。7三主要设备设计计算和说明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. 计算流体的定性温度，确定流体
7、的物理性质正戊烷液体在定性温度（51.7）下的物性数据：=596kg/ ，3m， ， ， 。sa108.4-PC=2.34KJ/(kgP ） 0.13/W（ ） 57.4kJ/gr井水的定性温度：入口温度 =20，出口温度为 28。1t43s1m=2.0/0245./0.71/kghkgs212sPrttC219.7/sms井水的定性温度为 C4/80to）（两流体的温差 ，故选固定管式换热器。t Oom507.2.51-T3. 计算热负荷kW10.735.420.sQr4. 计算有效平均温度差逆流温差 Co5.27)8.51/()207.(ln-tm0287.1.,351281212 tTR
8、tTp8查表得： ，所以0.1tCtmm27.5.t5. 选取经验传热系数 K 值根据管程走井水，壳程走正戊烷，总传热系数 ，现2K470815W/m ） （暂取 K=500 。2W/m ）（6. 估算换热面积 23m18.m27.504tKQA7. 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：450mm 管长 L：2.0m公称换热面积 A：20 管子直径：25mm 2.5mm2m管程数 ： 2 管子排列方式：正三角形PN管数 ：128T换热器的实际换热面积 200nd.1)283.4025(.1)9.0AL m（ C)W/(.7.9.5tQKo20 折流板9采用弓形折流板，取
9、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=0.25 450=112.5，取 h=113mm。取折流板间距为 B=0.34D=0.34 450=153mm。则折流板数 NB= 1= 1 12 （块） 折流板圆缺水平面安传 热 管 长折 流 板 间 距 2053装接管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mm140.713964VDu出口接管 取结管内的液体流速为 1.5m/s，则接管内径240.71=32mu59645Vb 管程水进出口接管 取接管内水流速为 1m/s,则接管内径d =160mm419.7=u834V8. 计算管程对流传热系数 i
10、计算管程对流传热系数 i222 05748.160.4mNdApii svuii /6.7.95368。10253108.7.9620Re3-iiud 409.6.74.Pr 3pic ()Cm/w4.653)409.5()253(0.61823. .8.0i =计算壳程对流传热系数 0231/401.rgLt现假设管外壁温 =30，则冷凝液膜的平均温度为wt，在此温度下的物性沿用饱和温度 51.7下的数sw0.5t+=.51304.75（ ） （ ）据，在层流下： 231/4201.869./(rgWmLt ）确定污垢热阻42si1.70=mSOR /(有 机 液 体 ） （ 井 水 )总传
11、热系数 K 碳素钢： =45w/ ）（ mC)W/(3.526)bd1/( o2ioSiomoSOo dRR11由前面的计算可知，选用该型号换热器时要求过程中总传热系数为477.2W/(m2.)，在规定的流动条件下，计算出的 K 值为 526.3W/(m2.)，因为： 0.15.4386oK在 1.15 至 1.25 之间，故所选择的换热器是合适的。表明该换热器的传热面积裕度符合要求。核算壁温与冷凝液流型 核算壁温时，一般忽略管壁热阻，按以下近似计算公式计算 w0sit=30.11+wsiTtR这与假设基本一致，可以接受。核算流型，冷凝负荷 0.710.6983425.698Re (smMb
12、符 合 层 流 假 设 )9. 计算压降(1) 计算管程压降 pi（p 1+p 2）Ft NpNs管程流通面积为： 22p2ii m109.640.4Nd4A=管程流体流速为：12sAvuisi /m2549.01.79536084雷诺数： （湍流）.63708.2Re3iid设管壁粗糙度 05.21.d,m1.0i=由 关系图中可查得：Re- 036.所以： Paudlpiii 7.16421Pa04.972Pi8802.36 Pa =fo 67.e0.5 28.028.0o=2337.7 Pa 23.85)19(1567p1 +pa3.946.0).02-.3(52 =14kPapo 10
13、2.7531.39467.23P 因此，壳程压强降在允许的范围内。综上所述，管程和壳程压强降都能满足题设要求15四工艺设计计算结果汇总表换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表参数 管程 壳程流率 kg/h 71892 2525.25温度（进/出)/ 20/28 51.7/51.7定性温度/ 24 51.7密度/(kg/m 3) 998 596比热容/kJ/kg/） 4.182 2.34黏度/mPas 0.9838 0.18热导率/W/(m) 0.601 0.13物性参数普朗特数 6.85 型式 固定管板式 台数 1壳体内径/mm 450 壳程数 1管子规格 25mm2.5mm 管心距/mm 3
14、2管长/mm 2000 管子排列 正三角形管子数目/根 128 折流板数/块 12传热面积/m 2 19.0912折流板距/mm 153设备结构参数管程数 2 材质 碳钢主要计算结果 管程 壳程流速/(m/s) 1 0.078传热膜系数/W/(m 2) 4165.4 869.3污垢热阻/(m 2/W) 0.000172 0.000172热负荷/Kw 250.54传热温差/ 27.5传热系数/W/(m 2) 526.316五参考文献1 夏清，姚玉英 ，陈常贵主编化工原理M. 天津：天津大学出版社，2001年2 华南理工大学化工原理教研组化工过程及设备设计M. 广州：华南理工大学出版社，1996年3 刁玉玮， 王立业化工设备机械基础（第五版）M. 大连：大连理工大学出版社, 2000年4 魏崇光，郑晓梅主编 化工设备结构图册M北京：化学工业出版社,1998年5 GB 151-1999 管壳式换热器6 JB/T 4715-92 固定管板式换热器与基本参数六、设备装置图
