甲醇冷凝冷却器的设计.docx
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甲醇冷凝冷却器的设计
广东石油化工学院
化工原理课程设计
题目：
甲醇溶液冷却器
专业：
应用化学
班级:
应化11-3
学号：
11114060338
姓名：
余文杰
指导老师：
刘伟涛
完成日期：
2014.07.05
目录
一、前言························································2
2、设计任务书·················································3
3、方案简介···················································4
4、选型与设计指导思想·······································5
5、设计方案···················································6
1、确定设计方案············································6
2、确定物性数据············································6
3、计算总传热系数··········································7
4、计算传热面积············································8
5、工艺结构尺寸············································8
6、换热器核算··············································11
6、设计结果一览表···········································15
7、主要符号说明·············································16
8、个人小结··················································17
9、参考文献··················································19
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。
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19400kg/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。
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。
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
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
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。
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：
管程循环水的定性温度为：
根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
甲醇在57℃下的有关物性数据如下：
密度 ρo=755.77kg/m3
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·s
3．计算总传热系数
（1）热流量
（2）平均传热温差
（3）冷却水用量
（4）总传热系数K
①管程传热系数
2733.2W/（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·℃/W
Rso=0.000172m2·℃/W
管壁的导热系数λ=45W/（m·℃）
③总传热系数K
=423W/（m2·℃）
4、计算传热面积
考虑15％的面积裕度，S=1.15×S'=1.15×13.2=15.2m2
5、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
按单程管计算，所需传热管长度为
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
每程管数为
=16根
管内流速
（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、双管程结构查温差校正系数图表。
可得
平均传热温差
（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
（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
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
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
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
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
当量直径，由正三角形排列得
壳程流通截面积
壳程甲醇流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
粘度校正
②管程对流传热系数
当Rei>10000，
时可采用公式
管程流通截面积
管程循环水流速及其雷诺数分别为
普兰特准数
③传热系数K
④传热面积S
该换热器的实际传热面积Sp
该换热器的面积裕度为
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
（2）换热器内流体的压力降
①管程流动阻力
由Re＝20291，传热管相对粗糙度
，查莫狄图得λi＝0.035W/m·℃，流速ui＝0.74m/s，ρ＝994kg/m3，所以
管程压力降在允许范围之内。
②壳程压力降
流体流经管束的阻力
流体流过折流板缺口的阻力
壳程压力降也在允许压力降范围内。
经上述计算和核算，可知所选工艺参数符合条件，即设计的换热器能满足生产要求。
设计结果一览表
设备名称
甲醇冷凝冷却器
换热器形式
列管式换热器
设备型号
G300Ⅱ-2.5-12.1
工艺参数
序号
名称
单位
管程
壳程
1
物料名称
循环水
甲醇
2
操作压力
Pa
0.3Mpa
常压
3
操作温度
℃
30进/40出
64进/50出
4
流量
kg/h
10825
12000
5
流体密度
kg/m3
994
755.77
6
定压比热容
kJ/（kg·℃）
4.08
2.629
7
流速
m/s
0.74
0.45
8
传热量
W
122687
9
平均温度差
℃
20.6
10
总传热系数
W/m2·K
565
11
换热面积
m2
12.1
12
传热系数
W/（m2·℃）
3742
1296
13
污垢系数
m2·K/W
0.000344
0.000172
14
阻力降
kPa
10.3
14.3
15
程数
2
1
16
使用材料
碳钢
碳钢
17
直径
mm
φ25×2.5
300
18
长度
mm
6000
19
管子规格
32根，管间距32mm，△排列
20
折流档板规格
39块，间距150mm，切口水平高度33.3%
21
说明：
参照标准JB/T4715-92
主要符号说明
甲醇的定性温度
T
循环水定性温度
t
甲醇密度
ρo
循环水密度
ρi
甲醇定压比热容
cpo
循环水定压比热容
cpi
甲醇导热系数
λo
循环水导热系数
λi
甲醇粘度
μo
循环水粘度
μi
甲醇流量
wo
循环水流量
wi
热负荷
Qo
平均传热温差
总传热系数
K
管程雷诺数
Re
温差校正系数
管程、壳程传热系数
、
初算初始传热面积
传热管数
初算实际传热面积
S
管程数
壳体内径
D
横过中心线管数
折流板间距
B
管心距
t
折流板数
NB
接管内径
、
管程压力降
当量直径
壳程压力降
面积裕度
H
换热器壁面内、
外侧的污垢热阻
Rsi、Rso
管板利用率
η
切去的圆缺高度
h
壳程流通截面积
So
普兰特准数
Pr
换热器实际传热面积
Sp
个人小结
初次接触化工原理课程设计，还荒谬地以为是像平时计算类的作业一样会很简单。
直到自己去计算设计时才发现一头雾水，根本不知道该做什么，该怎么做，无从下手，只是觉得好难。
有一段时间都在观望。
于是自己设计的时候只能是根据老师提供的模板，用新的数据代替旧的数据，其他的公式完全照抄，花了一天时间，终于把计算部分完成了。
核算时才发现实际面积比理论面积还要小，完全不合理。
再细看模板和自己的设计的时候，发现了很多问题，我的设计根本是行不通。
所以我决定重新来过。
做出来的实际面积一直比理论面积要小，重新分析计算的过程中也出现了几次错误，由于急于求成，算出来后的结果偏离太多，检查才发现部分数据出现了错误，而且老师给的模板里面也有一些错误，这样照搬下去的一些公式就出了问题，只好静下心来认真地理解和消化原有的一些公式，这样又一次重新算过。
因此，又花了一天的时间在计算上，还好最后终于成功了。
那么接下来就是画图了，由于学过机械制图，以为画图比较简单，半天就可以完成，谁知道，画图更难，这主要是因为在设计的时候，没有兼顾考虑到画图，因此设计出来的管数很难安排，冥思苦想了好久，换了好多方案，查了好多资料，换了多种排列方法，还是行不通。
最终，只好修改设计把管数安排成易于排列的数目，才解决了这个问题。
通过这些天的课程设计工作，我才真正认识到工程实际问题的复杂性，也加深了对化工原理这门课程的认识。
在通过准确的计算和合理的选择方案的过程中，我也进一步巩固了化工原理的基础知识并学会了将其应用于实际问题。
其实，在整个过程中，虽然遇到了很多问题，也犯了不少错误，但是自己真的学到了很多东西，比如word文档公式的运用，比如如何使自己的设计更加合理，这就要求自己在设计前要详细的考虑各种可能出现的问题和解决办法，才能达到事半功倍的效果。
我觉得，如何查找数据也很重要，假如自己查不到数据，接下来的工作完全没办法做，假如查的数据是错误的，那设计出来的东西也是错误的，而且很可能导致严重的后果。
往往我们自以为简单的东西，总是会在放松的时候出现问题。
对于学习，我们要以严谨的态度去对待，根据自己的实际能力，作出合理的安排，不能急于求成。
通过课程设计过程中反复假设与验证，让我树立了正确的设计思想，培养了严肃认真、高度责任感的工作作风。
参考文献
1.夏清，贾绍义.《化工原理·上册》.天津大学出版社，2005.
2.贾绍义，柴诚敬.《化工单元操作课程设计》.天津大学出版社，2011.
3.刘光启，刘杰.《化学化工特性数据手册》.化学工业出版社，2002.
4.卢焕章.《石油化工基础数据手册》.化学工业出版社，1982.
5.夏清，陈长贵.《化工原理·上册》.天津大学出版社，2008.
6.焦守家.《化工制图》.化学工业出版社，2005.
7.李功样，陈兰英.《常用化工设备设计》.华南理工出版社，2003.
8.郑津洋，董其伍，桑芝富.《过程设备设计》.化学工业出版社，2005.
9.王志魁.《化工原理》.化学工业出版社，2006.
10.潘国吕，郭庆丰.《化工设备设计》.清华大学出版社，1996.
11.周大军.《化工工艺设备》.化学工业出版社，2005.
12.陈庆，邵泽波.《过程设备工程设计概论》.化学工业出版社，2008.
13.尹亮，黄儒强.《生物工程专业课程设计》.
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