碳八分离工段乙苯冷凝器设计Word文档下载推荐.docx
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1.2.3立式壳程冷凝器
壳程设置有折流板或者支承板,蒸气流过防冲板后自上而下流动,冷凝液体从下端排出。
冷却水以降膜的形式在管内向下流动,因而冷却水侧要求压力低;
由于水的传热系数大,因此消耗水的量较少,但是水的分配是不均匀的,所以可以在进水口安装一个水分配器。
1.2.4管内向下流动的立式管程冷凝器
管内的蒸气及其冷凝液均向下的冷凝器即为这种冷凝器,带有外部封头和分离端盖。
蒸气是通过径向接管注入顶部,在管内向下流动,在管壁上以环状薄膜的形式冷凝,冷凝液.
在其底部排出,为了使出口排气中携带的冷凝液体量最少,下面的分离端盖可以设计成挡板式或者漏斗式。
传热的管径多在19mm—20mm,在低压的时候可以用50mm直径的传热管。
向上流动的立式管程冷凝器1.2.5
它是管程蒸气和壳程冷却剂均向上流动的立式管程冷凝器。
这种冷凝器通常直接安装在蒸馏塔的顶部,以利用冷凝液回流来汽提少量低沸点的组分。
蒸气经由径向接管注入其底部。
冷凝器的传热管长度为2—3m,其直径多大于25mm。
1.3设计方案简介
1.3.1冷凝器类型的选择
要求管程和壳程的压差均小于50kPa,所以选择壳程冷凝器,在根据任务书的要求采用立式冷凝器。
通过以上的分析,最终选择立式壳程冷凝器。
1.3.2列管式冷凝器的设计安排
(1)弄清楚冷凝的基本要求、冷凝负荷、操作温度和压力情况;
(2)查找流体的物性参数;
(3)初选总传热系数K;
0(4)设计平均温度差和根据传热的基本公式计算传热面积;
(5)确定换热气结构;
(6)计算逆流传热参数和总的传热系数与传热面积;
(二)设计条件和主要物性参数.
2.1设计条件
热流体:
气体
组成摩尔分率
乙苯
对二甲苯
间二甲苯
98.3%
0.57%
1.13%
操作温度为131℃冷却水循环温度30℃,温升10℃冷凝负荷为12560000kJ/h50kPa,设计标准立式冷凝器要求管程和壳程压差均小于2.2主要物性参数℃1)壳程的混合气体温度为131()混合物纯组分物性参数(在131℃的温度下)2(
物性组分
密度3Kg/m
黏度(g)Pa.s
黏度(l)Pa.s
汽化焓J/mol
热容(g)J/mol.k
热容(l)J/mol.k
乙苯
765.434
-6108.700×
0.0002461
4103.599×
172.844
228.084
对二甲苯
760.466
-610×
8.516
0.0002305
410×
3.639
169.440
220.355
间二甲苯
764.583
-68.693×
10
0.0002315
4103.673×
169.743
222.411
℃)管程流体的定性温度t=[30+(30+10)]/2=35(3℃的物性参数:
)水在35(4
密度3Kg/m
热导率W/m.K
黏度Pa.s
热定压比容kJ/kg.K
993.95
4104.350×
0.626
0.0007225
4.174
2.3混合物的物性计算公式液体混合物的密度的计算公式:
(1);
ρ……+w/+w+w/ρ/ρ+/1/ρ=wρ2n3m2131n;
ρ是液体混合物中各纯组分的液体密度,ρρ,ρ……,n132,w是液体混合物中各组分的质量分数;
,,ww……wn213
(2)气体混合物的密度计算公式:
w+……ρ+ρwρw++ρΡ=wn
223mn113……ρ3n在是气体混合物的压力下各纯组分的2,ρ1,ρρ密度;
w,w,w……w是混合物中各组分的体积分数;
n123)低压气体混合物导热系数:
3(.
n1/3n1/3)yM)/(∑yλm=(∑λMiiiii=1ii=1式子中的λ代表组分i的传热系数;
iM代表气体混合物中某一组分的相对分子质量;
i(4)低压气体混合物的黏度计算公式:
1/21/2)
yM)/(∑η=(∑yηMiimiiiη代表混合气体的黏度;
m
y代表气体混合物中某一组分的摩尔分数;
iM代表气体混合物中某一组分的摩尔质量;
iη代表气体混合物中某一组分的黏度;
i(5)液体混合物导热系数:
rnrλwλ=∑i
imi=1式中λ代表组分i的传热系数;
iW是液体混合物中各组分液体的质量分数;
ir是指数,通常取值为-2;
2.4混合物的物性参数
密度Kg/m3
热化焓J/mol
765.396
0.0002523
-68.699×
10
43.600×
0.019593
(三)工艺设计计算
3.1估算传热面积
3.1.1热流量
=12560000kJ/h=3488.89Kw
Φ根据任务书的要求,热流量
3.1.2平均传热温差
采用逆流的方式△t=(△t+△t)/ln(△t/△t)212m1=[(131-30)+(131-40)]/ln(131-30)/(131-40)=95.91℃
3.1.3估算传热面积
由于管程走冷水,壳程走工艺蒸气,设K=400W/(㎡.K),则估算其传热面积:
Ap=Φ/K△tm=3488890/(400×
95.91)=90.94(㎡)
3.1.4冷却水用量
q=Φ/c×
△t1m,cp,1=3488890/[4174(40-10)]=27.86Kg/s=100303.50Kg/h
3.2工艺结构尺寸
3.2.1管径和管内流速的选择
选用ф19×
2较高级冷拔传热管(碳钢),取管内流速为u=1.2m/s。
i3.2.2管程数和传热管数
根据传热管内径和流速确定单程传热管数
22)π27.86/993.95)/(0.015×
×
1.2×
dn=4qv/πu=(4is132(=132.18≈根)按照单程管计算,所需的传热管长度为0.019)=11.54(m)
132×
π=90.94/(nπL=Ap/ds0l=6.0采用标准设计,根据本设计要求,现在取传热管长度为米,则有冷凝管的管程数为:
2(管程)N=L/l=11.54/6.0≈p(根)×
传热管的总根数为:
N=1322=264T平均传热温差校正及壳程数3.2.3
冷流体的温升R=热流体的温降/平均传热温差校正系数℃40-30)=0=(131-131)/(两流体的最初温差P=冷流体温升/=0.099
(131-30)P=(40-30)/对于单侧温度变化流体,折流、并流、逆流的平均传热温差ε=1>
0.8,则根据公式有:
相等,所以有t△95.91=95.91℃△△tm=εt=1×
逆t△m3.2.4传热排列和分程方法采用组合排列法,即每程内按照正三角形排列,隔板两侧
,即可以得到采用矩形排列。
取管心距t=1.25d025(mm)
≈t=1.25×
19=23.75为距离排近一管中心其板隔中心离最s=t/2+6=25/2+6=18.5(mm)
根。
各程相邻管的管心距为37mm,每程各有传热管132壳体内径3.2.5
,壳体内径的采用多管程结构,并且取管板利用率η=0.7
估算公式为:
264/0.7=510(25=1.05×
D=1.05tmm)
?
/NTD=600mm
根据卷制壳体晋级档,可以取.
3.2.6管束的分程方法
分程时应该使各程的管子数目大致相等,隔板的形式要简单,密封的长度要短,为了使制造、维修和操作方便,一般都采用偶数管程。
管程的分束方式常常采用平行和T形方式,然而本次的设计采用平行方式。
3.2.7折流板和只承板
本次设计中采用弓形折流板,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×
600=150(mm),那就取h=150mm
取折流板间距B=0.3D,则
B=0.3×
600=180mm,故可以取B=200mm
折流挡板数N=传热管长/折流板间距-1=4000/200-1=24(块)B折流板圆缺面水平安置。
3.2.8其他主要附件
(1)旁路挡板如果壳体与管束之间的环隙过大,则流体会通过该环隙短路,为了防止这种情况的发生,则必要的时候可以设置旁路挡板。
(2)防冲板为了防止壳程进口处流体直接冲击传热管,产生冲蚀,必要的时候应该在壳程物料进口处设置防冲板。
一般壳程介质为气体或者蒸汽时,应该设置防冲挡板。
本次的设计需要设计一个防冲挡板。
接管3.2.9
,则u=1.2m/s管程流体进出口接管,取管内液体的流速水为管内接径?
u/4V?
1.2993.95)/(4?
27.86/=D=11D=0.172(m)1圆整后可以取管内径为200mm。
3.3冷凝器的核算
3.3.1热流量核算
(1)壳程表面传热系数用肖恩法计算
55.0?
/RP?
/d1/30.14=0.36h0reew当量直径,依照计算公式有d=0.017(m)e壳程流通截面积,依式得S=BD(1-d/t)
00=0.2×
0.6×
(1-0.019/0.025)=0.0288(㎡)
壳程流体流速及其雷诺数分别为
u=V/S=0.0584728/0.0288=2.03m/s
000-6)10765.396/(8.6992.03×
ρRe=du/η=0.017×
00e=3036420
-63/0.019593×
10×
8.69910×
η普朗特数Pr=C/λ=2.27p=1.01
0.14≈1
/黏度校正(ηη)w0.551/3
1.013036420×
=0.36h0.019593/0.0170.K
㎡=1530/
(2)管内表面传热系数按照公式:
0.80.4
Pr/dReh=0.023λiii2/8Nπd管程流体流通截面积Si=Te)
㎡=0.030(=(27.86/993.95)/0.030=0.934m/su管程流体流速i993.95/0.0007225=21843.5×
0.934则有Re=0.0170.0007225/0.626=4.82
Pr=4174×
普朗特数0.40.8.K)h/0.015=5332(W/㎡4.82×
=0.023×
0.626×
21843.5i(3)污垢热阻和管壁热阻.K/W=0.0004㎡管外侧污垢热阻R0.K/W
㎡=0.0006管内侧污垢热阻Ri。
50W(m.K)管壁热阻,碳钢在这种条件下的热导率为.K/W
㎡所以R=0.002/50=0.00004w)+R+1/h+Rd/dd/dd(4)传热系数K=1/(d/h+R00i0iwcm0i0i533/19/15+1×
19/18+0.0006×
Kc=1/(1/1530+0.0004+0.00004.K)㎡2×
19/15)=478W/()传热面积裕度(5为根据公式计算传热面积Ac
)㎡×
t=3488890/(47895.91)=76.10(△Ac=Ф/KcmA
该冷凝器的实际传热面积
=3.14lNπA=d0.0196.0264=94.50(T0该冷凝器的面积裕度.
H=(A-Ac)/Ac=(94.50-76.10)/76.10×
100%=24.2%
传热面积裕度合适,该冷凝器能够完成生产任务。
3.3.2壁温的计算
液体的平均温度t=0.4t+0.6t=0.4×
40+0.6×
30=34℃1m2气体的平均温度Tm=(T+T)/2=(131+131)/2=131℃21h=h=5332(W/㎡.K)h=h=1530W/㎡.K0ihc传热管的平均壁温tw=(T/h+t/h)/(1/h+1/h)hmccmhtw=(131/5332+34/1532.43)/(1/5332+1/1532.43)=55.65℃
壳体壁温,可以进似取壳程流体的平均温度,即T=131℃
壳体壁温与传热管壁温之差为△t=131-55.65=75.35℃
该温差较大,故需要设温度补偿装置。
3.3.3冷凝器内流体的流动阻力
(1)管程流体阻力△P=(△P+△P)NNFs
irpst2)Re=21843.5由ρu/2d=2,所以△P=(λlN其中=1,Niisip流速=0.042,,λ传热管的相对粗糙度ε/d=0.2/15=0.01333i3=993.95Kg/m,所以有u=0.934m/s,密度ρi2/2)=7283.5(Pa)(993.95×
0.934×
△p=0.042×
(6/0.015)i22/2=1300.6(Pa)u/2=3×
993.95×
0.934=△Pερr1.5=25752.3(Pa)2×
=(7283.5+1300.6)△P×
1t管程流体阻力在允许的范围之内。
NP+P=(P2()壳程阻力计算公式△△△)Fss0iNs=1,Fs=1;
其中
2/2)u+1)(ρ=Ff△PN(N流体流经管束的阻力0TC0B0-0.228-0.228=0.1663
3036420F=0.5,f=5.0Re=5.0×
00.50.5N=1.1N=1.1×
264=17.87N=24u=2.03m/s
0TTCB2/2=58583(Pa)×
2.03×
25×
765.396△P=0.5×
0.1663×
17.8702/2)u=N(3.5-2B/D)(ρ流体流过折流板缺口的阻力△p0iB2.032/2)=107240(Pa)×
(765.396×
=24(3.5-2×
0.2/0.6)Ps=58583+107240=165823(Pa)
总阻力△经比较可知,系统总阻力符合设计所给的要求。
3.3.4冷凝器主要结构尺寸和计算结构
冷凝器主要结构尺寸和计算结果表
物性设备结
参数
管程
壳程
流率/(Kg/h)
100303.5
进/出口温度/℃
30/40
131/131
压力/Pa
小于50kPa
℃定性温度/
35
131
/(Kg/m3)
密度
/[kJ/(kg.K)]定比压热
2.27
黏度/Pa.s
热导率/[W/(m.K)]
普朗特数
4.82
1.01
形式立式台数1
/mm
壳体内径
600
壳程数
1
管径/mm
Φ19×
2
管心距/mm
25
/mm管长
6000
管子排列
△
管数目/根
264
折流板数/个
24
传热面积/㎡
94.5
折流板间/mm
距
200
管程数
材质
碳钢
主要计算结果
壳程
/(m/s)流速
1.2m/s
0.934m/s
表面传热系数.K)]㎡/[W/(
5332
1530
.K/W)㎡污垢热阻/(
0.0006
0.0004
阻力/MPa
0.10724
0.165823
/kW热流量
3488.89
传热温差/℃
95.91
.K)]㎡/[W/(传热系数
478
裕度/%
24.2
(四)设计自我评述通过这次化工课程设计,我学到了很多化工设计的基础知识。
首先从整个设计过程和计算结果来看,由于是进入大.
学的第一次课程设计,自我感觉比较难。
因为我不知道怎么查找资料,不知道怎么组织格式。
不过经过我的不懈努力,我最终完成了这次课程设计,同时设计的冷凝器也是满足设计任务的要求。
其次,在我设计的整个过程中认真复习了《化工原理》的基础知识,同时对热量、表面传热系数、雷诺数等的计算更加熟悉,对基本的公式记得更加牢固。
在我刚开始选取参数的时候是没有选对的,经过反复的计算和合理的假设才得到了现有的结果。
通过此次的课程设计,我又重新复习了CAD的画法和基本操作。
同时,我也学会了如何去查找资料,并且合理的运用所找的资料。
这些都培养了严谨认真的态度,对以后的设计是非常重要的。
(五)参考资料
匡国柱主编《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社
大连理工大学编《化工原理》高等教育出版社
刘光启主编《化学化工物性数据手册》化学工业出版社
柴诚敬主编《化工流体流动与传热》化学工业出版社
主要符号表
符号
意义与单位
符号
Ac
计算传热面,㎡
K
.K)㎡假定传热系数,W/(
A
实际传热面积,㎡
Kc
.K)计算传热系数,W/(㎡
B
折流板间距,m
L
m传热管长度,
Cp
kJ/(Kg.K)定压比热容,
NT
传热管数目
D
m壳体内径,
Np
冷凝器管程数
d0
传热管外径,m
Ns
冷凝器壳程数
di
传热管内径,m
Φ
冷凝器热流量,kW
dm
传热管平均直径,m
R0
管外污垢热阻,㎡.K/W
H
冷凝器面积裕度
Ri
.K/W管内污垢热阻,㎡
qm
质量流量,Kg/s
Rw
管壁热阻,㎡.K/W
S
流通截面积,㎡
t
物流温度,℃
t△
传热温差,℃
u
m/s流速,
h0
管外表面传热系数,W/(㎡.K)
η
流体黏度,Pa.s
hi
.K)管内表面传热系数,W/(㎡
ρ
密度,Kg/m3
f0
壳程流体摩擦因子
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