2009级化学工程与工艺专业《化工原理》课程设计说明书题目：2.0×104吨/年正戊烷冷凝器的设计姓名：班级学号：指导老师：同组学生姓名：完成时间：2012年5月18日《化工原理》课程设计评分细则评审单元评审要素评审内涵评审等级检查方法指导老师评分检阅老师评分设计说明书35% 格式规范是否符合规定的格式要求5-4 4-3 3-2 2-1格式标准内容完整设计任务书、评分标准、主要设备计算、作图、后记、参考文献、小组成员及承担任务10-8 8-6 6-4 4-1设计任务书设计方案方案是否合理及是否有创新10-8 8-6 6-4 4-1计算记录工艺计算过程计算过程是否正确、完整和规范10-8 8-6 6-4 4-1计算记录设计图纸30% 图面布置图纸幅面、比例、标题栏、明细栏是否规范10-8 8-6 6-4 4-1图面布置标准标注文字、符号、代号标注是否清晰、正确10-8 8-6 6-4 4-1标注标准与设计吻合图纸设备规格与计算结果是否吻合10-8 8-6 6-4 4-1比较图纸与说明书平时成绩20%出勤计算、上机、手工制图10-8 8-6 6-4 4-1现场考察卫生与纪律设计室是否整洁、卫生、文明10-88-6 6-4 4-1答辩成绩15% 内容表述答辩表述是否清楚5-4 4-3 3-2 2-1现场考察内容是否全面5-4 4-3 3-2 2-1回答问题回答问题是否正确5-4 4-3 3-2 2-1总分综合成绩成绩等级指导老师评阅老师（签名）（签名）年月日年月日目录1．设计任务书 (4)1-1设计题目 (4)1-2设计任务及操作条件 (4)1-3设计说明书的内容 (4)1-4设计图要求 (4)2．主要设备设计计算和说明 (5)2-1 确定流体流动空间 (5)2-2 确定流体的物理性质 (5)2-3 计算热负荷 (5)2-4 计算有效平均温度差 (5)2-5 选取经验传热系数K值 (6)2-6 估算换热面积 (6)2-7 工艺结构尺寸 (6)2-8 初选换热器规 (7) (8)2-9 计算管程对流传热系数i2-10计算压降 (9)3．工艺设计计算结果汇总表 (11)4．参考文献 (12)后记 (13)一、设计任务书1.设计题目：正戊烷冷凝器的设计。

设计课题工程背景：炼油厂精馏塔塔顶冷凝器蒸汽主要是正戊烷，以此为原料设计一正戊烷冷凝器。

2.设计任务及操作条件（1）处理量： 2.0×104吨/年（2）正戊烷冷凝温度为51.7℃，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器；（3）冷却介质，地下水，入口温度：20℃；（4）允许压强降：不大于105Pa（5）每年按330天计，每天24小时连续运行（6）设备型式立式列管冷凝器（7）设计项目①设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述；②换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积；③选择合适的立式列管冷凝器并进行较核计算；④绘制换热器总装配图。

3.设计说明书的内容（1）课程名称、首页、目录及页码；（2）简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等；（3）热量衡算及初步估算换热面积；（4）冷凝器的选型及流动空间的选择；（5）工艺流程图；（6）冷凝器的校核计算；（7）结构及附件设计计算；（8）冷凝器的主要数据一览表；（9）设计结果评价；（10）附立式列管冷凝器总装图。

4.设计图要求A2图纸绘制冷凝器装配图一张、两个局部放大图。

CAD图自由选做1-2个部件。

二、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，确定流体的物理性质。

正戊烷液体在定性温度（51.7℃）下的物性数据：ρ=596kg/3m ，s a 108.14-⋅⨯=P μ，C =2.34KJ/(kg P ⋅℃），0.13/m W λ=⋅℃（），r=35.7/KJ kg 。

井水的定性温度：入口温度1t =20℃，出口温度为23℃。

43s1m =2.01010/330242525.25/0.701/kg h kg s ⨯⨯⨯==12122s s P m rt t m C =+ 219.97/s m kg s =井水的定性温度为(2023)/221.5m t =+=℃两流体的温差51.721.530.2m m T t -=-=<50℃℃，故选固定管式换热器。

两流体在定性温度下的物性数据见下表 流体温度 /℃密度 /(kg/3m )黏度/mPa s ⋅比热容[]//(KJ kg ⋅℃） 热导[]//(W m ⋅℃）正戊烷 51.7 596 0.18 2.34 0.13 井水 21.59980.98384.1820.6013. 计算热负荷1m 0.701357.4250.54s Q r =⨯=⨯= kW4. 计算有效平均温度差逆流温差 [](51.720)(51.723)30.2ln (51.720)/(51.723)m t ---∆==--℃5. 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2K 470815W /m =⋅℃）～（，现暂取K=5002W /m ⋅℃）（。

6. 估算换热面积32m 250.5410==16.59m t 50030.2Q A K ⨯=∆⨯7.工艺结构尺寸 ①管径和管内流速管径为φ25mm ⨯2.5mm ，管内流速为u i =1.0m/s 。

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 n s =2i i v0.785d u =219.97/9980.7850.02 1.0⨯⨯≈64（根）按单程管计算所需换热管的长度L L=s 016.59 1.15=4n d 64 3.140.025S π⨯≈⨯⨯m取传热管长l=2m ，则该换热器的管程数为P N =4/2=2 (管程) 传热管的总根数T N =64⨯2=128 （根） ③壳体内径采用两管程结构，取管板利用率η=0.7，则壳体内径 D=1.05t / 1.0532128/0.7T N η=⨯≈450mm ④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N B =传热管长折流板间距—1=2000153—1≈12 （块） 折流板圆缺水平面安装⑤拉杆直径为φ12mm ，壳程入口应设置防冲挡板。

⑥壳程流通截面积和壳程流体流速 壳程流通截面积000d 0.025(1=0.1530.451)0.0151t 0.0322525.25/(3600596)0.0780.0151S BD u =-⨯⨯-=⨯==壳程流体流速）（⑦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1440.7011394.76 3.1410V D u π⨯===⨯⨯mm 出口接管 取结管内的液体流速为1.5m/s ，则接管内径2440.701==32mm u 596 3.14 1.5V D π⨯≈⨯⨯ b 管程水进出口接管 取接管内水流速为1m/s,则接管内径 d 4419.97==u 998 3.141V π⨯⨯⨯=160mm8. 初选换热器规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 2m 管子直径：φ25mm ⨯2.5mm 管程数P N ： 2 管子排列方式：正三角形 管数T N ：128 换热器的实际换热面积200n d 0.1)128 3.140.025(20.1)19.0912A L m π=-=⨯⨯⨯-=（3200250.5410434.5/(19.091230.2Q K W m A t ⋅⨯===∆⨯℃）9. 计算管程对流传热系数i α①计算管程对流传热系数i αi si 19.97=m /0.020998i V ρ==m 3/s 222i i ii i 330.80.42128=)(d =0.7850.02=0.020m 42==1.0m/s 0.02 1.0998Re 20288.70.00098384.182100.983810Pr 6.850.6010.023Re Pr 4165.4/()T P i i ii i i ii Iii iN A N V A d u Cp W m d πμρμμλλα-⨯⨯⨯⨯===⨯⨯⨯=====⋅℃（）②计算壳程对流传热系数0α231/40 1.13[]r g L tρλαμ=∆现假设管外壁温w t =30℃，则冷凝液膜的平均温度为s w 0.5t +t =0.551.5+30=40.75（）（）℃，在此温度下的物性沿用饱和温度51.7℃下的数据，在层流下：231/420 1.13[]869.3/(r g W m L tρλαμ==⋅∆℃）③确定污垢热阻4242si 1.7210m =1.7210m SO R R --=⨯⋅⨯⋅℃/W(有机液体）℃/W （井水)④总传热系数0K 碳素钢：w λ=45w/⋅℃）（m20w 1=526.3/(m )1()o si o o so i i i m oK W d R d bd R d d d αλα=⋅++++℃所选用换热器的安全系数为：[]526.3434.5)/434.521.1%-=（ 表明该换热器的传热面积裕度符合要求。

⑤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w 0si0t =30.111+w ws iT t t t R R αα--=⇒+℃这与假设基本一致，可以接受。

核算流型，冷凝负荷0.7010.06983.140.025128440.06987Re 15511800(0.00018s m M b M μ===⨯⨯⨯===＜符合层流假设)10. 计算压降 ①计算管程压降12t p s t p s i 0.23i2i 1i 2i 2t p s 12t ()0.1mm /0.005,Re =20288.768=0.1+=0.033dRe u p ==1646.7ad 2u p =3=1497a225mm 2.5mm =1.4=2=1()iipp p F N N F N N d L P P F N N pp p F N εελρλρφ∆=∆+∆=⨯∆∆⨯∆=∆+∆∑ （结垢校正系数，管程数，壳程数）取碳钢的管壁粗糙度为，则而，于是（）对于的管子有，且，p s =aN P ∑8802.36②计算壳程压力降 壳程为恒温恒压蒸汽冷凝，其压降可忽略。

由此可知，所选换热器合适。

三、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)/℃20/23 51.7/51.7物性参数定性温度/℃21.5 51.7 密度/(kg/m3) 998 596 比热容/〔kJ/kg/℃）〕 4.182 2.34 黏度/mPa·s 0.9838 0.18 热导率/〔W/(m·℃)〕0.601 0.13 普朗特数 6.85设备结构参数型式固定管板式台数 1壳体内径/mm 450 壳程数 1管子规格φ25mm×2.5mm 管心距/mm 32 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/m219.0912 折流板距/mm 153 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/(m2·℃)〕4165.4 869.3 污垢热阻/(m2·℃/W) 0.000172 0.000172 热负荷/Kw 250.54传热温差/℃30.2传热系数/〔W/(m2·℃)〕526.3裕度/% 21.1四、参考文献1.上海医药设计院. 化工工艺设计手册(上、下). 北京：化学工业出版社，19862.柴诚敬，张国亮等. 化工原理. 天津：高等教育出版社，20103.卢焕章等.石油化工基础数据手册，北京：化学工业出版社，19824.付家新，王为国，肖稳发主编. 化工原理课程设计，北京：化学工业出版社，20105.时钧，汪家鼎等. 化学工程手册，. 北京：化学工业出版社，1986后记通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关设计冷凝换热器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。