甲醇冷凝冷却器的设计

化工单元操作课程设计题目甲醇冷凝冷却器的设计学院化学与化工学院专业轻化工程班级轻化11002班学号1016121072学生姓名李江露指导教师陈飞飞完成日期2013年01月07日-1-目录一、前言························································2二、设计任务书·················································3三、方案简介···················································4四、选型与设计指导思想·······································5五、设计方案···················································61、确定设计方案············································62、确定物性数据············································63、计算总传热系数··········································74、计算传热面积············································85、工艺结构尺寸············································86、换热器核算··············································11六、设计结果一览表···········································15七、主要符号说明·············································16八、个人小结··················································17九、参考文献··················································19-2-前言化工原理主要研究各单元操作的基本原理以及所用典型设备的结构和设备工艺尺寸的计算或设备选型。化工单元操作课程设计是综合运用化工原理课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，并在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。课程设计与平时的作业不同，在设计中需要自己做决策，主观性较强。确定方案、选择流程、查阅资料、进行过程和设备计算，并对自己和选择作出论证和核算，经反复的分析比较，选择出最理想的方案和最合理的设计。本次设计的主要任务是换热器的选型和设计，即对在生产过程中甲醇冷却装置的设计。此次课程设计的主要内容是通过对甲醇和循环水的分析，确定设计方案，选择最佳流程并计算、核算、制图等一系列过程。通过课堂理论知识的学习及课程设计的实际行动和创新，不仅有助于理解和掌握知识，更培养了分析和解决问题的能力。-3-设计任务书1、设计题目甲醇冷凝冷却器的设计2、设计任务及操作条件（1）处理能力12000kg/h甲醇。（2）设备形式列管式换热器（3）操作条件①甲醇：入口温度64℃，出口温度50℃，压力为常压。②冷却介质：循环水，入口温度30℃，出口温度40℃，压力为0.3MPa。③允许压降：不大于105Pa。④每年按330天计，每天24小时连续运作。3、设计要求选择适宜的列管式换热器并进行核算。-4-方案简介本设计任务是利用循环水给甲醇降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。选择换热器时，要遵循经济、传热效果优、方便清洗、符合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器、热管式换热器、列管式换热器等。如表1所示，不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大，尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。表1不同换热器特点类型特点间壁式管壳式列管式固定管式刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般≤50℃），管间不能清洗带膨胀节有一定的温度补偿能力，壳程只能承受低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函管间容易泄露，不宜处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合釜式壳体上部有个蒸发空间用于再沸、蒸煮双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合和固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋管式沉浸式用于管内流体的冷却、冷凝或管外流体的加热喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝板面式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋板式可进行严格的逆流操作，有自洁的作用，可用做回收低温热能伞板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高混合式适用于允许换热流体之间直接接触蓄热式换热过程分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合-5-选型与设计指导思想目前，我国已制定了管壳式换热器系列标准，设计过程中应尽可能选用系列化的标准产品，这样可以简化设计的加工。但是实际生产条件千变万化，当系列化产品不能满足需要时，仍应根据生产的具体要求而自行设计非系列标准的换热器。确定设计方案应遵循的主要原则为：满足工艺和操作的要求，经济效益好，确保生产安全。此处扼要介绍列管式换热器设计计算的基本步骤：①了解换热流体的物理化学性质和腐蚀性能体；②由热平衡计算传热量的大小，并确定第二种换热流体的用量；③决定流体流入的空间；④计算流体的定性温度，以确定流体的物性数据；⑤初算有效平均温度差，先按逆流计算，再校核；⑥选取管径和管内流速；⑦计算传热系数K值，包括管程对流传热系数和壳程对流传热系数的计算；⑧初估传热面积，考虑安全系数15%～25%；⑨选择管长L，计算管数N，确定管程数；⑩确定壳径D和壳程挡板形式及数量等；⑪校核有效平均温度差、对流传热系数及传热面积；⑫计算流体流动阻力，如阻力超过允许范围，则需调整设计。从以上步骤可看出，换热器的传热设计是一个反复试算的过程，有时需要反复试算2～3次。所以，换热器的设计计算实际上带有试差的性质。-6-设计方案1．确定设计方案（1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度64℃，出口温度50℃冷流体。冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。从两流体温度来看，换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用列管式换热器。（2）流动空间及流速的确定由于循环冷却水易结垢，为便于清洗，应使冷却水走管程，甲醇走壳程。另外，这样的选择可以使甲醇通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/s。2、确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。壳程甲醇的定性温度为：6450572℃管程循环水的定性温度为：℃＝＋＝3524030t根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。甲醇在57℃下的有关物性数据如下：密度ρo=755.77kg/m3-7-定压比热容cpo=2.629kJ/(kg·℃)导热系数λo=0.1919W/(m·℃)粘度μo=0.00039Pa·s循环水在35℃下的物性数据：密度ρi=994kg/m3定压比热容cpi=4.08kJ/(kg·℃)导热系数λi=0.626W/(m·℃)粘度μi=0.000725Pa·s3．计算总传热系数（1）热流量3oopoo12000 2.629106450122687W3600Qwct（2）平均传热温差℃9.2130-5040-64ln)3050()4064(ln't2121ttttm（3）冷却水用量i3pii122687360010825k/ct4.08104030OQwgh（）（4）总传热系数K①管程传热系数13710000725.09945.002.0pudiiiieR4.0iipi8.0iiiiiiicpudd023.0）（）（-8-30.80.40.6264.08100.0007250.0231137100.020.626（）℃）（m/2.2733W2733.2W/(m2·℃)②壳程传热系数假设壳程的传热系数αo=800W/(m2·℃)；污垢热阻为Rsi=0.000344m2·℃/WRso=0.000172m2·℃/W管壁的导热系数λ=45W/(m·℃)③总传热系数Kosomoioiiio1dbddddd1＋＋＋＋RRK1=0.0250.0250.00250.0251+0.00034++0.000172+2733.20.0200.020450.0225800=423W/(m2·℃)4、计算传热面积'2m12268713.2t42321.9QSmK考虑15％的面积裕度，S=1.15×S'=1.15×13.2=15.2m25、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速及管长选用ϕ25mm×2.5mm传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s（2）管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管数-9-2210825=193.1436009940.0200.544siiVndu根按单程管计算，所需传热管长度为215.2=10.23.140.02519osSLmdn按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。若取传热管长L=6m，换热器管程数为2，则15.2323.140.0256soSndL根每程管数为322=16根管内流速22108250.30/3.1436009940.0203244iisVumsdn（3）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数122164501.44030Rtt211140300.296430ttPt按单壳程、双管程结构查温差校正系数图表。可得t0.94平均传热温差'mtt0.9421.920.6mt℃（4）传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用-10-正方形排列。取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32mm横过管束中心线的管数1.191.19326csnn根（5）壳体内径采用双管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径为32=1.051.05322270.7snDtmm圆整可取D＝300mm（6）折流档板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的33.3％，则切去的圆缺高度为h＝33.3％×300＝100mm取折流板间距B＝0.5D，则B＝0.5×300＝150mm折流板数为60001=139150BN传热管长块折流档板间距折流挡板圆缺面水平装配。（7）接管①壳程流体进出口接管取接管内甲醇流速为u1＝3.5m/s，则接管内径为1144120000.04013600755.773.143.5Vdmu-11-圆整后可取内径为40mm。②管程流体进出口接管取接管内循环水流速u2＝1.2m/s，则接管内径为2244108250.05736009943.141.2Vdmu圆整后可取内径为60mm。6．换热器核算（1）热量核算①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式10.550.143ooew0.36erdoRP（）当量直径，由正三角形排列得2222333.144()4(0.0320.025)24240.020m3.140.025oeotddd壳程流通截面积2ood0.0