碳八分離工段乙苯冷凝器設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)（一）高材131喻俊瑞化 工 原 理 課 程 設(shè) 計(jì)（一） 碳八分離工段乙苯冷凝器設(shè)計(jì) 姓名：喻俊瑞 學(xué)號(hào)：13416010 專(zhuān)業(yè)：高分子材料與工程 班級(jí)：131班 指導(dǎo)教師：李秀平一、概述及設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介11.1 化工原理課程設(shè)計(jì)的主要目的和基本要求11.2 冷凝器的簡(jiǎn)介21.2.1 臥式殼程冷凝器21.2.2 臥式管程冷凝器21.2.3 立式殼程冷凝器21.2.4 管內(nèi)向下流動(dòng)的立式管程冷凝器21.2.5 向上流動(dòng)的立式管程冷凝器31.3 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介31.3.1 冷凝器類(lèi)型的選擇31.3.2 列管式冷凝器的設(shè)計(jì)安排3二:：設(shè)計(jì)條件和主要物性參數(shù)32.1 設(shè)計(jì)條件32.2 主

2、要物性參數(shù)42.3 混合物的物性計(jì)算公式4三：工藝設(shè)計(jì)計(jì)算63.1 估算傳熱面積63.1.1 熱流量63.1.2 平均傳熱溫差63.1.3 估算傳熱面積63.1.4 冷卻水用量63.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸63.2.1 管徑和管內(nèi)流速的選擇63.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù)63.2.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)73.2.4 傳熱排列和分程方法73.2.5 殼體內(nèi)徑73.2.6 管束的分程方法73.2.7 折流板和只承板83.2.8 其他主要附件83.2.9 接管83.3 冷凝器的核算83.3.1 熱流量核算83.3.2 壁溫的計(jì)算103.3.3冷凝器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力103.3.4 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算

3、結(jié)構(gòu)11四：設(shè)計(jì)自我評(píng)述12五：參考資料12六：工藝流程圖.13七：設(shè)備裝置圖.1414化工原理課程設(shè)計(jì)（一）高材131喻俊瑞一、概述及設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.1 化工原理課程設(shè)計(jì)的主要目的和基本要求 化工原理課程設(shè)計(jì)的主要目的是加強(qiáng)化工類(lèi)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)，注重提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、分析與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。力求通過(guò)這個(gè)基本環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，使學(xué)生能夠初步掌握化工單元過(guò)程與設(shè)備設(shè)計(jì)的基本程序和方法，具備查找基本資料的能力和檢索的方法，并且能夠運(yùn)用簡(jiǎn)潔有效的文字和基本的工程語(yǔ)言來(lái)表述設(shè)計(jì)的思想和結(jié)果，運(yùn)用在課堂上所學(xué)的化工原理的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行化工單元課程和設(shè)備設(shè)計(jì)。為此要求學(xué)生完成以下的基

4、本內(nèi)容：（1） 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 根據(jù)任務(wù)書(shū)提供的要求，進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)際調(diào)研或查閱相關(guān)技術(shù)資料，在此基礎(chǔ)上，選定合適的方案。（2） 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 依據(jù)有關(guān)資料進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，即進(jìn)行物料衡算、工藝參數(shù)的優(yōu)化及其選擇、熱量的計(jì)算、設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和工藝尺寸的計(jì)算。（3） 主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行主要的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。（4） 典型輔助設(shè)備的選型 對(duì)典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸進(jìn)行計(jì)算，并且選定設(shè)備的規(guī)格型號(hào)。（5） 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 將設(shè)計(jì)的工藝流程方案用帶控制點(diǎn)的工藝流程圖表示出來(lái)，會(huì)出流程設(shè)備，標(biāo)明物流方向和主要的控制點(diǎn)。（6） 主要設(shè)備的工藝條件圖 繪

5、制主要的工藝條件圖，圖面包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和接管表。（7） 主要設(shè)備的總裝配圖 按照國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，繪制主要設(shè)備的總裝配圖。（8） 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 作為工作的書(shū)面總結(jié)，在以上的設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)以簡(jiǎn)練、準(zhǔn)確的文字，整潔、清晰的圖紙及表格編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。說(shuō)明書(shū)應(yīng)該包括：封面、目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、概述及設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介、設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備結(jié)果一覽表、設(shè)計(jì)自我評(píng)述、參考資料以及主要符號(hào)說(shuō)明。1.2 冷凝器的簡(jiǎn)介 列管式冷凝器有臥式和立式兩種類(lèi)型，被冷凝的工藝氣體可以走殼程，也可以走管程。其中臥式殼程冷凝和立式管程冷凝是最常用的形式。1.2.1 臥式殼程冷凝器殼程上除了

6、設(shè)有物流進(jìn)出口接口外，還有冷凝液排出口和不凝氣排出口。殼程蒸氣入口處裝有防沖板，以為了減少蒸氣對(duì)管束的直接沖擊。殼程中的橫向弓形折流板或者支承板圓缺面可以水平或者垂直安裝。對(duì)于垂直安裝的折流板，為了便于排出冷凝液體，應(yīng)該切去圓缺高度為殼體內(nèi)徑的50%。然而對(duì)于水平安裝的折流擋板，應(yīng)該切去圓缺高度亦應(yīng)該不大于殼體內(nèi)徑的35%，折流板間的最小間距為殼體內(nèi)徑的35%。無(wú)論是水平安裝或者是垂直安裝，當(dāng)被冷凝工藝蒸氣中含有不凝氣時(shí)，折流板間距應(yīng)隨蒸氣冷凝而減小，為了增強(qiáng)傳熱的效果。1.2.2 臥式管程冷凝器 這種冷凝器的管程多是單程或者雙程。其中傳熱管長(zhǎng)度和直徑的大小，以及傳熱管的排列方式取決于管程和殼

7、程的傳熱需要。管程采用雙程的時(shí)候，冷凝液可以在管程間引出，這樣可以減少液相的覆蓋面積和壓降。同時(shí)，用減少第二管數(shù)的方法使其保持質(zhì)量流速不變。這種冷凝器的缺點(diǎn)是蒸氣與冷凝液的接觸不好。1.2.3 立式殼程冷凝器 殼程設(shè)置有折流板或者支承板，蒸氣流過(guò)防沖板后自上而下流動(dòng)，冷凝液體從下端排出。冷卻水以降膜的形式在管內(nèi)向下流動(dòng)，因而冷卻水側(cè)要求壓力低；由于水的傳熱系數(shù)大，因此消耗水的量較少，但是水的分配是不均勻的，所以可以在進(jìn)水口安裝一個(gè)水分配器。1.2.4 管內(nèi)向下流動(dòng)的立式管程冷凝器 管內(nèi)的蒸氣及其冷凝液均向下的冷凝器即為這種冷凝器，帶有外部封頭和分離端蓋。蒸氣是通過(guò)徑向接管注入頂部，在管內(nèi)向下流

8、動(dòng)，在管壁上以環(huán)狀薄膜的形式冷凝，冷凝液在其底部排出，為了使出口排氣中攜帶的冷凝液體量最少，下面的分離端蓋可以設(shè)計(jì)成擋板式或者漏斗式。傳熱的管徑多在19mm20mm，在低壓的時(shí)候可以用50mm直徑的傳熱管。1.2.5 向上流動(dòng)的立式管程冷凝器 它是管程蒸氣和殼程冷卻劑均向上流動(dòng)的立式管程冷凝器。這種冷凝器通常直接安裝在蒸餾塔的頂部，以利用冷凝液回流來(lái)汽提少量低沸點(diǎn)的組分。蒸氣經(jīng)由徑向接管注入其底部。冷凝器的傳熱管長(zhǎng)度為23m，其直徑多大于25mm。1.3 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介1.3.1 冷凝器類(lèi)型的選擇 要求管程和殼程的壓差均小于50kPa，所以選擇殼程冷凝器，在根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求采用臥式冷凝器。通過(guò)以

9、上的分析，最終選擇立式殼程冷凝器。1.3.2 列管式冷凝器的設(shè)計(jì)安排 （1）弄清楚冷凝的基本要求、冷凝負(fù)荷、操作溫度和壓力情況；（2）查找流體的物性參數(shù)；（3）初選總傳熱系數(shù)K0；（4）設(shè)計(jì)平均溫度差和根據(jù)傳熱的基本公式計(jì)算傳熱面積；（5）確定換熱氣結(jié)構(gòu)；（6）計(jì)算逆流傳熱參數(shù)和總的傳熱系數(shù)與傳熱面積；二:：設(shè)計(jì)條件和主要物性參數(shù)2.1 設(shè)計(jì)條件熱流體：氣體組成摩爾分率乙苯對(duì)二甲苯間二甲苯98.3%0.57%1.13%操作溫度為131冷卻水循環(huán)溫度30，溫升10冷凝負(fù)荷為1884000kJ/h要求管程和殼程壓差均小于50kPa,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)臥式冷凝器2.2 主要物性參數(shù)（1） 殼程的混合氣體溫度為

10、131（2） 混合物純組分物性參數(shù)（在131的溫度下） 物 性組 分密度Kg/m3黏度（g)Pa.s黏度（l)Pa.s汽化焓J/mol熱容（g)J/mol.k熱容(l)J/mol.k乙苯765.4348.700×10-60.00024613.599×104172.844228.084對(duì)二甲苯760.4668.516×10-60.00023053.639×104169.440220.355間二甲苯764.5838.693×10-60.00023153.673×104169.743222.411 （3） 管程流體的定性溫度t=30+(30

11、+10)/2=35（4） 水在35的物性參數(shù)：密度Kg/m3汽化焓J/mol熱導(dǎo)率W/m.K黏度Pa.s比定壓熱容kJ/kg.K993.954.350×1040.6260.00072254.1742.3 混合物的物性計(jì)算公式(1) 液體混合物的密度的計(jì)算公式： 1/m=w1/1+w2/2+w3/3+wn/n；1，2，3，n是液體混合物中各純組分的液體密度 ；w1，w2，w3,wn是液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(2) 氣體混合物的密度計(jì)算公式： m=1w1+2w2+3w3+nwn1,2,3n在是氣體混合物的壓力下各純組分的密度；w1,w2,w3wn是混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)；（3）

12、低壓氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)： m=(ni=1iyiM1/3i)/(ni=1yiM1/3i )式子中的i代表組分i的傳熱系數(shù)；Mi代表氣體混合物中某一組分的相對(duì)分子質(zhì)量；（4） 低壓氣體混合物的黏度計(jì)算公式： m=(yiiM1/2i)/(yiM1/2i) m 代表混合氣體的黏度； yi代表氣體混合物中某一組分的摩爾分?jǐn)?shù)； Mi代表氣體混合物中某一組分的摩爾質(zhì)量； i代表氣體混合物中某一組分的黏度；（5） 液體混合物導(dǎo)熱系數(shù)： rm=ni=1wiri式中i代表組分i的傳熱系數(shù)；Wi是液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；r是指數(shù)，通常取值為-2；2.4 混合物的物性參數(shù)密度 Kg/m3黏度（l)Pa.s黏

13、度(g)Pa.s熱化焓J/mol熱導(dǎo)率W/m.K765.3960.00025238.699×10-63.600×1040.019593三：工藝設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 估算傳熱面積3.1.1 熱流量 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，熱流量=1884000kJ/h=523.33Kw3.1.2 平均傳熱溫差 采用逆流的方式 tm=（t1+t2)/ln(t1/t2)=(131-30)+(131-40)/ln(131-30)/(131-40)=95.913.1.3 估算傳熱面積 由于管程走冷水，殼程走工藝蒸氣，設(shè)K=300W/(.K),則估算其傳熱面積:Ap=/Ktm=1884000/(300×

14、95.91)=18.19()3.1.4 冷卻水用量 qm,c=/cp,1×t1=1884000/4174(40-30)=12.54Kg/s=45137Kg/h3.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸3.2.1 管徑和管內(nèi)流速的選擇 選用30×2.5較高級(jí)冷拔傳熱管(碳鋼），取管內(nèi)流速為ui=0.5m/s。3.2.2 管程數(shù)和傳熱管數(shù) 根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)ns=4qv/d2iu=(4×12.57/993.95)/(0.0252×0.5×) =51.552(根）按照單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為L(zhǎng)=Ap/d0ns=18.18/(×52

15、5;0.03)=3.75(m)根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在取傳熱管長(zhǎng)度為l=1米，則有冷凝管的管程數(shù)為： Np=L/l=3.75/14(管程）傳熱管的總根數(shù)為：NT=52×4=208（根）3.2.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) 平均傳熱溫差校正系數(shù) R=熱流體的溫降/冷流體的溫升 =（131-131）/（40-30）=0P=冷流體溫升/兩流體的最初溫差 P=（40-30）/（131-30）=0.099對(duì)于單側(cè)溫度變化流體，折流、并流、逆流的平均傳熱溫差相等，所以有t=1>0.8,則根據(jù)公式有：tm=ttm逆=1×95.91=95.913.2.4 傳熱排列和分程方法

16、 采用組合排列法，即每程內(nèi)按照正三角形排列，隔板兩側(cè)采用矩形排列。取管心距t=1.25d0，即可以得到t=1.25×30=37.540mm隔板中心離其最近一排管中心距離為s=t/2+6=40/2+6=26(mm)各程相鄰管的管心距為52mm，每程各有傳熱管72根。3.2.5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，并且取管板利用率=0.7，殼體內(nèi)徑的估算公式為：D=1.05t=724（mm)根據(jù)卷制殼體晉級(jí)檔，可以取D=730mm3.2.6 管束的分程方法 分程時(shí)應(yīng)該使各程的管子數(shù)目大致相等，隔板的形式要簡(jiǎn)單，密封的長(zhǎng)度要短，為了使制造、維修和操作方便，一般都采用偶數(shù)管程。管程的分束方式常常采用平

17、行和T形方式，然而本次的設(shè)計(jì)采用平行方式。3.2.7 折流板和只承板 本次設(shè)計(jì)中采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為：h=0.25×730=182.5(mm)，那就取h=190mm取折流板間距B=0.3D，則 B=0.3×730=219mm,故可以取B=220mm折流擋板數(shù)NB=傳熱管長(zhǎng)/折流板間距-1=1000/220-1=4(塊）折流板圓缺面水平安置。3.2.8 其他主要附件（1） 旁路擋板 如果殼體與管束之間的環(huán)隙過(guò)大，則流體會(huì)通過(guò)該環(huán)隙短路，為了防止這種情況的發(fā)生，則必要的時(shí)候可以設(shè)置旁路擋板。（2） 防沖板 為了防止殼程進(jìn)口處

18、流體直接沖擊傳熱管，產(chǎn)生沖蝕，必要的時(shí)候應(yīng)該在殼程物料進(jìn)口處設(shè)置防沖板。一般殼程介質(zhì)為氣體或者蒸汽時(shí)，應(yīng)該設(shè)置防沖擋板。本次的設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)防沖擋板。3.2.9 接管 管程流體進(jìn)出口接管，取管內(nèi)液體的流速u(mài)水=0.5m/s，則接管內(nèi)徑為D1=D1=0.172（m）圓整后可以取管內(nèi)徑為200mm。3.3 冷凝器的核算3.3.1 熱流量核算 （1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 用肖恩法計(jì)算 h0=0.36 當(dāng)量直徑，依照計(jì)算公式有de=0.029(m)殼程流通截面積，依式得S0=BD（1-d0/t) =0.26×0.86×(1-0.03/0.04)=0.0396()殼程流體流速及其雷諾數(shù)

19、分別為 u0=V0/S0=0.0584728/0.0396=1.5m/sRe0=deu0/=0.029×1.5×765.396/(8.699×10-6) =3827420普朗特?cái)?shù)Pr=Cp/=2.27×103×8.699×10-6/0.019593 =1.01黏度校正 （/w)0.141h0=0.36×0.019593/0.029×38274200.55×1.011/3 =1018/.K(2) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按照公式: hi=0.023i/diRe0.8Pr0.4管程流體流通截面積Si=de2NT/8

20、 =0.034()管程流體流速u(mài)i=(12.54/993.95)/0.030=0.37m/s則有Re=0.029×1.4×993.95/0.0007225=14315普朗特?cái)?shù) Pr=4174×0.0007225/0.626=4.82hi=0.023×0.626×55853.80.8×4.820.4/0.025=1974(W/.K)(3) 污垢熱阻和管壁熱阻 管外側(cè)污垢熱阻 R0=0.0004.K/W 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 Ri=0.0006.K/W 管壁熱阻，碳鋼在這種條件下的熱導(dǎo)率為50W（m.K)。所以Rw=0.002/50=0.000

21、04.K/W(4) 傳熱系數(shù) Kc=1/(d0/hidi+Rid0/di+Rwd0/dm+R0+1/h0)Kc=1/(1/1018+0.0004+0.00004×30/29.5+0.0006×30/25+1/1974×30/25)=363W/(.K)（5） 傳熱面積裕度 根據(jù)公式計(jì)算傳熱面積Ac為 Ac=/Kctm=1884000/(363×95.91)=15.03() 該冷凝器的實(shí)際傳熱面積A A=d0lNT=3.14×0.03×1×208=19.59()該冷凝器的面積裕度 H=（A-Ac)/Ac=(19.59-15.03

22、)/15.03×100%=30.40%傳熱面積裕度合適，該冷凝器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。3.3.2 壁溫的計(jì)算 液體的平均溫度tm=0.4t2+0.6t1=0.4×40+0.6×30=34 氣體的平均溫度Tm=(T1+T2)/2=(131+131)/2=131 hc=hi=1974(W/.K) hh=h0=1018W/.K傳熱管的平均壁溫 tw=(Tm/hc+tm/hh)/(1/hc+1/hh)tw=(131/1974+34/1018)/(1/1974+/1018)=67殼體壁溫，可以進(jìn)似取殼程流體的平均溫度，即T=131殼體壁溫與傳熱管壁溫之差為 t=131-67=6

23、4該溫差較大，故需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。3.3.3冷凝器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （1）管程流體阻力 Pt=(Pi+Pr)NsNpFs其中Ns=1,Np=2,所以Pi=(ilu2)/2di 由Re=55853.8傳熱管的相對(duì)粗糙度/d=0.2/15=0.01333，i=0.042,流速u(mài)i=0.37m/s，密度=993.95Kg/m3，所以有pi=0.042×(2/0.025)×(993.95×0.372/2)=112.7(Pa)Pr=u2/2=3×993.95×0.372/2=201.3(Pa)Pt=(3272.9+2922.2)×1×

24、;2×1.5=1884.2(Pa)管程流體阻力在允許的范圍之內(nèi)。 （2）殼程阻力計(jì)算公式 Ps=(P0+Pi)FsN 其中Ns=1, Fs=1;流體流經(jīng)管束的阻力 P0=Ff0NTC(NB+1)(u02/2)F=0.5,f0=5.0Re-0.228=5.0×382420-0.228=0.0635NTC=1.1NT0.5=1.1×2880.5=15.86 NB=5 u0=1.5/sP0=0.5×0.1712×12.54×5×765.396×1.052/2=2320(Pa)流體流過(guò)折流板缺口的阻力 pi=NB(3.5-

25、2B/D)(u02/2) =5×(3.5-2×0.26/0.86)×(765.396×1.52/2)=21619(Pa)總阻力 Ps=2320+21619=21939(Pa)經(jīng)比較可知，系統(tǒng)總阻力符合設(shè)計(jì)所給的要求。3.3.4 冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)構(gòu)冷凝器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果表參數(shù)管程殼程流率/(Kg/h)45137進(jìn)/出口溫度/30/40131/131壓力/Pa小于50kPa小于50kPa定性溫度/35131物性密度/(Kg/m3)993.95765.396定比壓熱/kJ/(kg.K)4.1742.27黏度/Pa.s0.00072250.0002523熱導(dǎo)率/W/(m.K)0.6260.019593普朗特?cái)?shù)4.821.01 形式 臥式 臺(tái)數(shù) 1殼體內(nèi)徑/mm600殼程數(shù)1 設(shè) 備 結(jié) 備 尺 寸管徑/mm30×2.5管心距/mm40管長(zhǎng)/mm1000管子排列管數(shù)目/根208折流板數(shù)/個(gè)4傳熱面積/18.18折流板間距/mm220管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/(m/s)1.5m/s0.367m/s表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/(.K)1974363污垢熱阻/(.K/