08环工01化工原理课程设计之冷凝器课程设计报告书.doc

目 录课程设计任务 3第一章 前 言 4第二章 概 述 52.1冷凝的目的 52.2冷凝器的类型 52.2.1立式壳管式冷凝器 52.2.2卧式壳管式冷凝器 52.3设计方案的确定 6第三章 设计计算 83.1初选结构 83.1.1 物性参数 83.1.2设Ko 初选设备 93.2传热计算 103.2.1管程换热系数α2 103.2.2 壳程传热热系数α1 113.2.3污垢热阻与传导热阻 113.2.4 校核传热 113.3 压降计算 123.3.1管程压降计算 123.3.2壳程压降计算 12第四章 结构设计 134.1 冷凝器的安装与组合 134.2管子设计 134.3 管间距（S）的设计 144.3.1管子在管板上的固定 144.3.2管间距 144.4管板设计 144.5 壳体的厚度计算 154.6 封头设计 154.7 管程进出口管设计 154.7.1进出口管径设计 154.7.2位置设计 154.8 壳程进出口管设计 154.8.1出口管径（冷凝液） 154.8.2蒸汽入口管径的设计 154.8.3位置设计 164.9法兰 164.10支座 164.11其它 16第五章 设计小结 17致 谢 18参考文献 18课程设计任务：设计题目：乙醇=水精馏塔塔顶产品全凝器设计条件： 处 理 量： 6 万吨／年 产品 浓度： 含乙醇 95％ 操作 压力： 常压 冷却 介质： 水 压 力： P= 303.9kPa 水进口温度： 30oC 水出口温度： 40oC第一章 前 言课程设计是化工原理课程教学中综合性和实际性较强的教学环节。

它要求学生利用课程理论知识，进行融会贯通的独立思考，在规定时间完成指定的化工设计任务，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试，培养了学生分析和解决工程实际问题的能力同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作态度本次课程设计为乙醇-水蒸馏塔塔顶产品冷凝器设计，要求设计一台冷凝器，将精馏塔顶乙醇—水气相产品全部冷凝设计任务包括：一 设计计算初选冷凝器结构 二 传热计算［一］ 压降计算［二］ 冷凝器计算三 结构设计我们选用的冷凝器为卧式冷凝器，传热系数较高，不易积气，检修和安装方便，为减薄液膜厚度，安装时应有1/100左右坡度设计选用的列管换热器类型为固定管板式列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：n，L等，经过二次校核达到了预期的目的最后在结构设计中考虑到合理经济，进行了零部件的设计与选用，使换热器完全发挥其作用。

由于缺乏实际操作经验，我们的设计的产品可能存在某些方面的不足，希望指导老师给予建议和批评同时感谢指导老师和参考文献作者对我们本次设计任务的支持和帮助第二章 概 述 2.1冷凝的目的在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：（1）回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；（2）除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气的有害物质，以免污染大气气体和混合物的分离，往往是根据混合物各组分间某种物理性质和化学性质的差异来进行的根据不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法，冷凝操作仅为其中之一，它是根据混合物各组分沸点不同而达到分离的目的的2.2冷凝器的类型冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类这里只介绍水冷式冷凝器冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器2.2.1立式壳管式冷凝器 　　立式冷凝器的主要特点是：（1）由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=600～700(kcal/m2hk)。

2）垂直安装占地面积小，且可以安装在室外3）冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水4）管水垢易清除，且不必停止制冷系统工作5）但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易被发现2.2.2卧式壳管式冷凝器它与立式冷凝器有相类似的壳体结构，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统，也可以用于氟利昂制冷系统，但其结构略有不同卧式冷凝器传热系数较高，不易积气，检修和安装方便，但占地面积大，为减薄液膜厚度，安装时应有1/100左右坡度，或将管束斜转一个角度本次乙醇——水蒸馏塔塔顶产品冷凝器的设计中，采用的就是卧式壳管式冷凝器2.3设计方案的确定确定设计方案总的原则是在考虑可行性，经济性，先进性，安全性等的基础上，尽量采用科学技术上的最新成就，使生产达到技术上最先进、经济上最合理、生产可行的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则1、方案的可行性（1）设计方案应充分考虑符合国情和因地制宜原则，流程布置和设备结构不应超出一般土建要求和机械加工能力2）满足工艺和操作的要求。

即所设计出来的流程和设备，首先必须保证产品达到任务规定的要求，而且质量要稳定，这就要求各流体流量和压头稳定，入塔料液的温度和状态稳定，从而需要采取相应的措施其次所定的设计方案需要有一定的操作弹性，各处流量应能在一定围进行调节，必要时传热量也可进行调整2、方案的经济性（1）应对市场情况作适当的综合分析，估计产品目前和将来的市场需求；（2）设计应符合能量充分有效合理利用和节能原则，符合经常生产费用和设备投资费用的综合核算最经济原则，符合有用物料高回收率、低损耗率原则，也即近代所提出的“优构低耗高效”原则3、方案的先进性应对目前工厂生产上和设备上存在的问题提出改进方案和改进措施，并尽可能采用国外最新技术成果4、方案的安全性对易燃、易爆、有腐蚀的物料，在设计时应格外注意，都应采用相应的设备与操作参数以确保又如，塔是指定在常压下操作的，塔压力过大或塔骤冷而产生真空，都会使塔受到破坏，因而需要安全装置5、方案的可靠性和稳定性 现代化生产应优先考虑运行的安全可靠和操作的稳定易控这一原则不得采用缺乏可靠性的不成熟技术和设备，不得采用难以控制或难以保证安全生产的技术和设备以上几项原则在生产中都是同样重要的。

但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，对第二个原则只作定性的考虑，而对其他原则只要求作一般的考虑第三章 设计计算3.1初选结构3.1.1 物性参数1、原始数据表 表3-1 原始数据表冷却水进口温度 t’=30o备 注冷却水出口温度 t’=40oCI二者均为表压力冷却水工作压力 P2 =303.9kPa饱和蒸汽冷凝操作压P1 =1.033kgf/cm2冷凝蒸汽质量含量： 含乙醇95％2、物性参数计算（1）乙醇蒸汽①摩尔分数 ＝（95/46）/(95/46+5/18)*100%=88.14%②冷凝蒸汽的泡点： 泡点Fs=78.2oC③液体密度ρ1=804.52kg/m3④冷凝蒸汽的流量：一年以365天计，除去一月30天大修时间，则 G1=60000×103kg/(335×24×3600)s＝2.073kg/s⑤蒸汽的汽化潜热: r1=946.75KJ/kg (冷凝水出口温度接近Fs’)⑥蒸汽的密度：ρ=1.5kg/ m3 (P=1.013bar)总结如下表表3-2 乙醇蒸汽物性参数符号计算项目单位数值备注Y摩尔分数88.14%依公式计算Fs冷凝蒸汽的泡点oC78.2查物性表ρ1液体密度kg/m3804.52查物性表G1冷凝蒸汽的流量kg/s2.依公式计算r1蒸汽的汽化潜热KJ/kg946.75查物性表（冷凝水出口温度接近Fsρ蒸汽的密度kg/m31.5查物性表(2)水计算过程：定性温度tm=（t1 +t2）/2=（30+40）oC /2=35 oC普朗特数Pr2=Cp2μ2／λ2=4.174×103×0.7225×10-3/0.626=4.82表3-3 水的物性参数表符号计算项目单 位数 值计算公式或图表备 注tm水的定性温度oC35(t2+ t2/2出入口温差不大ρ2水的密度kg/ m3994查物性表［3］Cp2水的比热KJ/kgoC4.174查物性表［3］定压重量比热λ2水的导热系数w/moC0.626查物性表［3］μ2水的粘度PaS727.4×10-6查物性表［3］Pr2水的普朗特指数4.847查物性表或计算Cp2μ2／λ23、物料衡算 Q0=ms1r1=ms2Cp2(t2″- t2′) G1=ms1 G2=ms2 设计传热量 Q0=G1r1=2.073kg/s×946.75KJ/kg=1.963×106w 冷却水流量 G2= Q0/ Cp2(t2- t1)= 1.963×106/4×174×(40-30)=47.02kg/s4、平均温度差（逆流时）Δtm=(Δt1-Δt2)/ln(Δt1/Δt2) =[(78.2-30)-(78.2-40)]/ ㏑[(78.2-30)/(78.2-40)]=43.01 oC5、壁温的确定由于蒸汽冷凝一侧的对流传热系数较水侧的小得多，故壁温度接近于水的温度。

同时，由于管壁的热阻也很小，故管外壁温度比较接近于壁温度，故可设tw=Tw=58oC,则冷凝蒸汽的液膜平均温度Tm=1/2(Tw+Ts)=1/2(78.2+58)=68 oC,此即冷凝液膜的定性温度由此得：冷凝液膜的导热系数λ1＝0.177 w/m2·oC，粘度μ1=0.54×10-3 PaS3.1.2设Ko 初选设备1.在进行换热器的计算时，需先估计冷﹑热流体的传热系数，工业换热器中传热系数的大致围如表2-4，由表可见，一侧冷凝的管壳式换热器传热系数k为290-4700 w/m2·oC故可初设Ko＝650 w/m2·oC，由公式：Q0=KoA0Δtm →A0’= Q0/ KoΔtm故初步设计其传热面积A0’=1.963×106/（650*43.01）=70.2 m22、选用Φ25X2.5mm碳钢管，设水速Uw≈0.8m/s单程管数Nt‘= G2/（uπ/4d2ρ2）=47.02/（0.8*0.875*0.0004*9。