化工原理课程设计冷凝器的设计.doc
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化工原理课程设计
设计题目：
6000t乙醇水分离精馏塔冷凝器的设计
指导教师：
郝媛媛
设计者：
韦柳敏
学号：
1149402102
班级：
食品本111班
专业：
食品科学与工程
设计时间：
2014年6月15日
目录
1.设计任务书及操作条件 2
设计任务 2
设计要求 2
设计步骤 2
设计原则 2
2.设计方案简介 3
3．工艺设计及计算 4
确定设计方案 4
确定定性温度、物性数据并选择列管式换热器形式 4
计算总传热系数 4
工艺结构尺寸 6
4.换热器的核算 9
热量核算 9
传热面积 9
换热器内流体的流动阻力 9
设计结果一览表 10
5．主要符号说明 12
6.设计的评述 13
1.设计任务书及操作条件
设计任务：
1）生产能力：
833.33kg/h
2）乙醇从78.23℃降到40℃
3）冷却水进口：
30℃
4）冷却水出口：
40℃
设计要求：
1）设计一个固定管板式换热器
2）设计内容要包含
a）热力设计
b）流动设计
c）结构设计
d）强度设计
设计步骤
1）根据换热任务和有关要求确定设计方案
2）初步确定换热器的结构和尺寸
3）核算换热器的传热面积和流体阻力
4）确定换热器的工艺结构
设计原则
1）传热系数较小的一个，应流动空间较大，使传热面两侧的传热系数接近
2）换热器减少热损失
3）管、壳程的决定应做到便于除垢和修理，以保证运行的可靠性
4）应减小管子和壳体因受热不同而产生的热应力。
从这个角度来讲，顺流式就优于逆流式
5）对于有毒的介质，必使其不泄露，应特别注意其密封性，密封不仅要可靠，而且应要求方便及简洁
6）应尽量避免采用贵金属，以降低成本
2.设计方案简介
根据任务书给定的的冷热流体的温度，来选择设计一个合适的列管式换热器；再依据冷热流体的性质，判断其是否易结垢，来选择管程走什么，壳程走什么。
从手册中查得冷热流体的物性数据，计算出总传热系数，再计算出传热面积。
根据管径管内流速，确定传热管数，算出传热管程，传热管总根数等等。
然后校正传热温差以及壳程数，确定传热管排列方式和分程方法。
根据设计步骤计算出壳体内径，选择折流板，确定板间距，折流板数等，再设计壳程和管程的内径。
分别对换热的流量，管程对流系数，传热系数，传热面积进行核算，再计算出面积域度，使其在设计范围内就能完成任务。
3．工艺设计及计算
确定设计方案
1.列管换热器的选择
由于两流体温差小于50℃且壳方流体不易结垢，因此选择固定管板式换热器。
选用φ25mm×2.5mm的碳钢管，管内流速取u=0.5m/s.
2.流体流动通道的选择
酒精走壳程，冷却水走管程。
冷却水易结垢，走管程易清洗，且冷却水走管程可减少热量损失；酒精走壳程可利用壳体对外散热，利于冷却，同时酒精粘度比较大，当装有折流板时，走管程可在较低的雷诺数能达到湍流，有利于提高壳程一侧的对流传热系数。
确定定性温度、物性数据并选择列管式换热器形式
定性温度：
可取流体进口温度的平均值。
管程冷却水的定性温度:
℃
壳程乙醇的定性温度为：
℃
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
物性参数
定性温度/
℃
密度ρ/
kg/
黏度μ/
Pa.s
比热容CP/
kJ/（kg.℃）
热导率/
W/（m.℃）
乙醇
冷却水
计算总传热系数
1.热流量（热量损失3%）:
热量损失：
2.平均传热温差
℃
3.冷却水用量
4.估算总传热系数K’
1）管程传热系数
2）壳程传热系数
假设壳程的传热系数=300
3）污垢热阻
4）管壁的导热系数λ=45
5.热负荷
6.传热面积
考虑15%到25%的安全系数，设计的实际需要面积：
取A=5m2。
工艺结构尺寸
1.管径和管内流速
选用φ25×2.5传热管（碳管），取管内流速0.5m/s。
2.管程数和传热管数
1）依据传热管内径和流速确定单程传热管数
根
2）传热管长度
3）按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。
现取传热管长=3.0m，则该换
热器管程数为
管程
传热管总根数：
根
3.平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数
按单壳程，双管程结构，温差校正系数查《化工原理（上册）》第二版图4-20得：
平均传热温差:
℃
4.传热管排列和分程方法
采用正三角形排列，取管心距t=1.25，则
隔板中心到离其最近一排管中心距离为
各程相邻管的管心距：
44mm
横过管束中心线管数：
根。
5.壳体内径
1）采用多管程结构，取管板利用率η=0.7,则壳体内径为
圆整可取D=219mm
6.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25%，则切去的圆缺高度为,可h取为60mm。
取折流板间距B=0.3D，则
可取B为70mm
7.计算壳程流通面积及流速
1）流通面积
2）冷却水流速
3）壳程流体进出口接管：
取接管内乙醇流速为，则接管内径为
4）当量直径
8、计算管程流通面积及流速
1）流通截面积：
2）冷却水流速：
3）雷诺数：
4.换热器的核算
热量核算
1）壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用克恩公式
其中，普朗特常数：
黏度校正：
，则
W/（m2.℃）
2）对流传热系数
普朗特常数：
W/（m2.℃）
传热面积
实际传热面积：
面积裕度：
换热器内流体的流动阻力
（1）管程流动阻力
其中，，。
由，传热管相对粗糙度，根据《化工原理（第二版）》上册图1-27得：
。
则有：
即：
管程流动阻力在允许的范围内。
（2）壳程阻力
其中，,
因，故：
由前面计算得挡板数：
块，则：
取污垢校正系数，则：
壳程流动阻力也比较适宜。
设计结果一览表
参数
管程
壳程
流率/（kg/h）
833.33
398000
进/出温度/℃
30/40
78.23/40
物性
定性温度/℃
35
61.62
密度/（kg/m³）
994.0
792.7
定压比热容/[KJ/（kg/k）]
4.174
2.30
粘度/Pa·s
7.274E-7
5.95E-6
热导率/[w/（m·k）]
0.627
0.156
普朗特数
4．84E-3
8.77E-3
设备结构参数
形式
固定管板式
台数
1
壳体内径/mm
219
管程数
1
管径/mm
Φ25×2.5
管心距/mm
32
管长/mm
3000
管子排列
Δ
管数目/根
44
折流板数/个
42
传热面积/m²
5
折流板间距/mm
70
管程数
8
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速/（m/s）
0.31
0.16
表面传热系数/[w/（m²·k）]
14801.52
7278.62
污垢热阻/（m²·k/w）
0.00034394
0.00017197
阻力/Pa
10300
1219.12
热流量/w
20400
5．主要符号说明
P——压力，Pa;Q——传热速率，W；
R——热阻，㎡·℃/W；Re——雷诺准数；
S——传热面积，㎡；t——冷流体温度，℃；
T——热流体温度，℃；u——流速，m/s;
——质量流速，㎏/h;——对流传热系数，W/（㎡·℃）;
——有限差值；——导热系数，W/（m·℃）;
——粘度，Pa·s;——密度，㎏/m3;
——校正系数。
——实际传热面积，
Pr——普郎特系数n——板数，块
K——总传热系数，——体积流量m3/h
N——管数
6.设计的评述
通过翻阅文献资料、上网搜索以及组员间反复讨论与计算，这个换热器的设计终于顺利完成。
本次设计中，在确定了各自的任务后，大家都能够积极投入其中，一起查找有关资料，学会了如何的分工与协作，更懂得了团队意识的重要性。
虽然过程中遇到了一些困难，但是大家都没有退缩，都努力的寻找解决问题的方法。
通过这次课程设计，知道了如何根据工艺过程的条件查找相关重要的资料资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。
通过课程设计书上的参考例题了解到工艺设计计算过程中要进行的相关工艺参数的计算，同时也巩固了主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的画法。
通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深入的了解和认识。
但由于本课程设计是第一次设计，而且时间比较仓促，查阅文献有限，本课程设计尚有些不足之处，在此，希望老师能够指出，同时谢谢老师的耐心指导。
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