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1、丁二烯卧式冷凝器课程设计 湖南工业大学 课 程 设 计 资 料 袋 机械工程 学院（系、部） 2007 - 2008 学年第 一 学课程 名称 单元过程设备 指导教师 职称 学生姓名 专 业班级 过控041 学号 题目 丁二烯卧式冷凝器 成 绩 起止日期 2007 年 12 月 24日 2008 年 1月 11 日 目 录 清 单 本科课程设计 丁二烯卧式冷凝器 2008 年 1 月 湖南工业大学本科生课程设计 湖南工业大学本科课程设计 丁二烯卧式冷凝器 学 院（部）：机械工程学院 专 业：过程装备与控制工程 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2008 年 1 月 III 湖南工业大学本科生课
2、程设计 课程设计任务书 2007 2008 学年第 一 学期 学院 专业班级 课程名称： 单元过程设备 设计题目： 丁二烯卧式冷凝器 完成期限：自 2007 年 12 月 24 日至 2008 年 1 月 11 日共 3 周 IV 湖南工业大学本科生课程设计 指导教师（签字）： 年 月 日 系（教研室）主任（签字）： 年 月 日 V 湖南工业大学本科生课程设计 .目 录 第1章 冷凝器工艺设计 3 1.1 设计方案选择 3 1.1.1 选择冷凝器类型 3 1.1.1.1 流程安排 3 1.1.1.2 确定物性参数 3 1.2 工艺结构设计 3 1.2.1 估算传热面积 3 1.2.1.1 冷凝
3、器的热流量 4 1.2.1.2 冷却水用量 4 1.2.1.3 平均传热温差 4 1.2.1.4 估算传热面积 4 1.2.1.5 选择管径和管内流速 4 1.2.1.6 管程数和传热管数 4 1.2.1.7 传热管排列和分程方法 4 1.2.1.8 壳体内径 5 1.2.1.9 折流板 5 1.2.1.10 其它附件 5 1.2.1.11 接管 5 1.3 换热器核算 5 1.3.1 热流量核算 5 1.3.1.1. 壳程表面传热系数 5 1.3.1.2. 管内表面传热系数 6 1.3.1.3 污垢热阻和管壁热阻 6 1.3.1.4 传热系数 7 1.3.2 壁温核算 7 1.3.3 换热器
4、内流体的流动阻力 8 VI 湖南工业大学本科生课程设计 第2章 冷凝器机械设计 10 2.1 结构设计 10 2.1.1部件工艺结构和机械结构设计 11 2.1.1.1 筒体内径确定 11 2.1.1.2 管箱结构设计 11 2.1.1.3 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 11 2.1.1.4 固定端管板结构设计 11 2.1.1.5 垫片选择 11 2.1.1.6 鞍座选用及安装位置确定 11 2.1.1.7 折流板布置 11 2.2 强度计算 12 2.2.1 筒体壁厚计算 12 2.2.2 管箱筒节,封头厚度计算 12 2.2.3 固定管板计算 13 结论 14 参考文献 15 附录1 1
5、6 VII 湖南工业大学本科生课程设计 第1章 冷凝器工艺设计 1.1设计方案选择 选择设计方案的原则是要保证达到工艺要求的热流量,操作上要安全可靠,结构上要简单,可维护性好,尽可能节省操作费用和设备投资. 1.1.1 选择冷凝器类型 冷凝丁二烯蒸汽,其温度为40,用冷却水作冷却剂,水的进出口温度分别为15和25.该温差不是很大,所以选择固定管板式卧式冷凝器. 1.1.1.1 流程安排 因为冷却水较容易结垢,若其流速太低,会加快污垢增长速度,使冷凝器的热流量下降,所以从总体考虑,应使冷却水走管程,丁二烯蒸汽走壳程. 1.1.1.2 确定物性参数 定性温度: 壳程气体的定性温度为 T?(40?4
6、0)2?273?313K 管程气体的定性温度为 t?(15?25)2?273?293K 根据定性温度查管程和壳程流体的有关物性数据如下: 丁二烯蒸汽在40时: 密度 ?160kgm2 定压比压容 cp?0.0175kj(kg?K) 热导率 ?(m?K) 粘度 ?0.145?10?3Pa?s 冷却水在20时: 密度 i?998.2kgm2 定压比热容 cpi?4.183kj(kg?K) 热导率 ?(m?K) i 粘度 ui?1.004?10?3Pa?s 1.2工艺结构设计 1.2.1 估算传热面积 8 湖南工业大学本科生课程设计 1.2.1.1 冷凝器的热流量 Q?D3731r?(7503600
7、)? 1.2.1.2冷却水用量 m?Q 7 7 7 k W （1.1） c?3?777?10?(25?15)?18.6(kgs)?66960(kgh) tpii （1.2） 1.2.1.3 平均传热温差 ?tm?t1?t2(40?15)?(40?25)?19.6K （1.3） ?t1(40?15)lnln(40?25)?t2 1.2.1.4估算传热面积 根据冷热流体的具体情况,参考换热器传热系数的大致范围1(见表3-1)假设 Q777?103 则 AP? K?470(m?K)?84.3(m2) （1.4）K?Tm470?19.62 1.2.1.5 选择管径和管内流速 选用?25?2.5较高级冷
8、拔传热管(碳钢), 取 1.2.1.6 管程数和传热管数 传热管内径和单程传热管数ns?ui?0.5ms. V 4?diui?118.7?119(根) 20.785?0.02?0.05 （1.5） 按单程管计算,所需的传热管长度为L?AP84.3?9.02(m) （1.6） ?d0ns3.14?0.025?119 按单程管计算.传热管过长,宜采用多程管,现取传热管长l?4.5m,则管程数为 L9.02Np?2(管程) 传热管总根数 NT?119?2?238(根) l4.5 1.2.1.7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?1.25
9、d0,则t?1.25?25?31.25?32(mm) 隔板中心到离其最近一排管中心距离按1 化工单元过程及设备课程设计 9 湖南工业大学本科生课程设计 式(3-16)计算s?t32?6?6?22(mm) 各相邻管的管心距为44mm. 22 管束的分程方法,每程各有传热管119根,其前后管箱中隔板设置和介质流通顺序按图3-14选取. 1.2.1.8 壳体内径 采用多管程结构,壳体内径按式(3-19)估算.取管板利用率?0.7, 则壳体内径为D?1.05?1.05?620(mm) （1.7） 按卷制壳体的进级档圆整D?600(mm) 1.2.1.9 折流板 采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳
10、体内径的25%, 则切去的圆缺高度为h?0.25?600?150(mm) 取折流板间距B?0.35D,则B?0.35?600?210(mm), 圆整取B?200(mm), 折流板数NB?传热管长4500?1?1?21.5?21(块) 折流板间距200 折流板水平装配. 1.2.1.10 其它附件 拉杆数量与直径按表4-7和4-8选取,本冷凝器壳体内径为600mm,故其拉杆直2 径为?16拉杆数量不得少于4个. 壳程入口处,应设置防冲挡板.3参考文献1 (d)图 1.2.1.11 接管 壳程流体进出口接管: 取接管内气体流速u1?s,则接管内径 为 Dt?0.041(m) （1.8） 圆整后取管
11、内径为40mm.摘自HG2059397板式平焊钢制管法兰。 管程流体进出口接管: 取接管内液体流速u2?s,则接管内径为 Dt?0.154(m), （1.9） 2 3化工单元过程及设备课程设计 化工单元过程及设备课程设计 10 湖南工业大学本科生课程设计 圆整后取管内径为150mm.摘自HG2059597带颈对焊钢制法兰 1.3 换热器核算 1.3.1 热流量核算 1.3.1.1. 壳程表面传热系数 2 由公式?0 ? ?1.51Re1/3 ?2g?3? ? Re? 4m n0.495lns?2.08Nt 则 ns?2.08?2380.409?31.2 s? 结合以上三个公式 2 ?0.000
12、145?1.51?4?(75003600)0 ?1602?9.8?0.01753? ? ?4.5?0.000145?31.2? 得到 a0?4484.7Wm2?K? 壳程流通截面积按公式s0?B(D?Ntcd0)?0.2(0.6?16.97?0.025)?0.035(m2)其中 Ntc?1.1Nt0.5?1.1?2380.5?16.97 壳程流体流速及雷诺数分别为 u0?(3600?160)0.035 0.37(m) Re? 4m lN?4?4.5?31.2?0.000145 ?409.34 s0.708?103?0.145?10?3 普朗特数 Pr?0.0175 ?5.866 1.3.1.2
13、. 管内表面传热系数 按式3-32及3-33计算, a ii?0.023Re0.8P0.4dr, n=0.4 i 管程流体流通截面积 s2i?0.785?0.025?238 2 ?0.0374(m2) 管程流体流速 u66960(3600?998.2) i? 0.0374 ?0.4982(ms) 11 （1.10）1.11）1.12）（1.13）（1.14）（1.15） （1.16）1.17）1.18）1.19） （ （ （ （ （ 湖南工业大学本科生课程设计 普朗特数 经查7.02 ?i?0.023?0.599?99060.8?7.020.4?2361W(m2?K) （1.20） 0.02
14、1.3.1.3污垢热阻和管壁热阻 管外则污垢热阻 R0?1.76 ?10?4(m2?K)W （1.21） 管内侧污垢热阻 RI?5.8?10?4(m2?K)W （1.22） 管壁热阻按式3-34计算,依表3-11,碳钢在该条件下的热导率为(m?K), 所以Rw?0.0025?0.00005(m2?KW) 504 1.3.1.4.传热系数 KC依式3-21有 KC?(12525125?0.000176?0.00005?0.00058?588W(m2?K)4484.722.520236120 （1.23） 1.3.1.5 传热面积裕度 依式3-35可得所计算传热面积AC为该冷凝器的实际传热面积 A
15、p?D0lNr?3.14?0.025?4.5?238?84.1(m2) （1.24） 该冷凝器的面积裕度按式3-36计算为 H?AP?Ac84.1?67.4（1.25） ?24.8% Ac67.4 传热面积裕度合适,该冷凝器能够完成生产任务. 1.3.2 壁温核算 因管壁很薄,且管壁热阻很小,故管壁温度可按式3-42计算.由于该冷凝器用循环水冷却,冬季操作时,水的进口温度会降低.为确保可靠,取水的进口温度10,出口温度25计算传热管壁温.另外,由于传热管内侧污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,降低了壳体和传热管壁温之差.但在操作初期,污垢热阻较小,壳体和传热管间壁温差可能较大.计算中,应按最不利
16、的操作条件下考虑,因此,取两侧污垢絷 阻为零计算成4化工单元过程及设备课程设计 12 湖南工业大学本科生课程设计 本传热壁温.于是,按式4-42有 tw?Tmac?tmah 式中液体的平均温度tm和气体的平均温度分别按式3-44ac?ah 和3-45计算为 1tm?0.4?25?0.6?10?16 Tm?(40?40)?40 2 ac?ai?2361W/(m2?K) 传热管平均壁温 t?2?(m?K) ?h?o2361?4581.5（1.26） ?32.8 2381?4581.5 壳体壁温,可近似取为壳程流体的平均温度,即T?40 壳体壁温和传热管壁温之差为 ?t?40?32.8?7.2 由于
17、该温差不大,所以不需要温度补偿装置,选用卧式冷凝器合适. 1.3.3 换热器内流体的流动阻力 (1) 管程流体阻力 依式(3-47)(3-48)(3-49)可得 ?Pt?(?Pi?Pr)NSNpFS （1.27） lu2 （1.28） Ns?1 Np?2 ?Pi?idi2 由Re?9906 , 传热管对粗糙度 查莫狄图得 0.2?0.01 203 流速 u?s?998.2kgm?0.028?i 24.50.49?82所以 ?Pi?0.020.022998.2?780.4 ( P a ) 998.2?0.4982 ?Pr?3?371.3(Pa) 22?u2 ?Pt?780.4?371.3?115
18、1.7(Pa) 管程流体阻力在允许范围之内. (2) 壳程阻力 按式3-50-3-54计算. ?PS?(?p0?Pi)FsNS （1.29） 13 湖南工业大学本科生课程设计 Ns?1, Fs?1 流体流经管束的阻力 ?P0?Ff0NTC(NB?1) 0.228F?0.5 f0?5?409.?43? 0.5NTC?1.1NT?1.1?2380.5?16.97 ?u022 （1.30） 891. 2 6 NB?21 u0?0.37 160?0.372 ?P0?0.5?1.2689?16.97?(21?1)?2594(P0) 2 流体流过折流板缺口的阻力 2Bu02?Pi?NB(3.5?) B?0
19、.2m D?0.6m D2 2?0.2160?0.372 ?Pi?22?(3.5?)?651.6(Pa) 0.62 总阻力 ?Ps?2594?651.6?3245.6(Pa) 由于该冷凝器壳程流体的操作压力较高,所以壳程流体的阻力也比较适宜. 14 湖南工业大学本科生课程设计 第2章 冷凝器机械设计 2.1机械设计 冷凝器中,完成了其工艺设计计算后,冷凝器的工艺尺寸即可确定.若能用冷凝器标 15 湖南工业大学本科生课程设计 准系列选型,则结构尺寸随之确定,否则尽管在传热计算和流体阻力计算中已部分确定了结构尺寸,仍需进行结构设计,此时除了应进一步确定那些尚未确定的尺寸以外,还应对已确定的尺寸进行
20、某些较核,修正. 2.1.1部件工艺结构和机械结构设计 冷凝器机械设计其中的一方面是工艺结构与机械结构设计,主要是确定有关部件的结构形式,结构尺寸,零件之间的连接等,如管板结构尺寸确定;折流板尺寸,间距确定;管板与冷凝器的连接;管板与壳体,管箱的联接;管箱结构;折流板与分程隔板的固定;法兰与垫片等的设计. 2.1.1.1 筒体内径确定 由工艺设计给定的筒体内径为600mm,考虑原取板的利用率?0.7,对小直径冷凝器合适,且实际计算值为620mm,决定就按筒体内径为600mm做排管图,认定取D?600mm是合适的. i 2.1.1.2 管箱结构设计 选用B型封头管箱,因冷凝器直径较小,且为二管程
21、,其管箱最小长度可不按流通截面积计算,只考虑相邻焊缝间距离计算.Lgmin?hf?c?l4 取管箱长度为 400mm 管箱内分程隔板厚度按参考书1表(4-1)取8mm. 2.1.1.3 管箱法兰和管箱侧壳体法兰设计 依工艺条件:管侧压力和壳侧压力听高值,以及设计温度和公称直径?600,按JB470392长颈对焊法兰标准选取.并确定各结构尺寸,画出草图. 2.1.1.4 固定端管板结构设计 依据所选用的管箱法兰,管箱侧法兰的结构尺寸,确定固定端管板最大外径为D?760mm 2.1.1.5 垫片选择 管箱垫片,依据管程操作条件(循环水压力0.4MPa,温度20)选石棉橡胶垫.其结构尺寸按5参考书1
22、取D?639mm, d?603mm. 2.1.1.6 鞍座选用及安装位置确定 鞍座选用JB/T471292鞍座B600F/S. 5化工单元过程及设备课程设计 16 湖南工业大学本科生课程设计 安装尺寸 取L?4400mm, LB?0.6L?0.6?4400?2610mm, 取LB?2600mm, Lc?Lc?900mm. 2.1.1.7 折流板布置 折流板结构尺寸:按参考书1表(4-2)外径D?DN?4.5?600?4.5?595.5mm 厚度取5mm,圆缺高度取150mm,在排管图上取. 前端折流板距管板的距离至少为250mm,结构调整为300mm. 后端折流板距管板的距离至少为400mm
23、实际按折流板间距B?200mm,计算折流板数量为19块. 拉杆直径按参考书1表(4-7)取?16,数量取4根.长度参考书1表(4-9) 2.2 强度计算 冷凝器机械设计的另一方面是在结构设计完成后,对受力元件的应力计算和强度校核,以保证冷凝器安全运行,比如封头,管箱,壳体,管板,管子等等. 2.2.1筒体壁厚计算 由工艺设计给定的设计温度40,设计压力Pc?2.5MPa,选低合金结构钢板16MnR卷制,材料40时的许用应力?t?170MPa,取焊缝系数?1,腐蚀裕度C2?1mm,则 计算厚度 S?P（）4 ?P?(2.?500?)(2?1?701?mm 2.5)2.14.c(2c) 设计厚度
24、Sd?S?Cmm 4.4?1?5.4 （2.2） 2? 名义厚度 Sn?Sd?C1?圆整?5.4?0.?8 有效厚度 Se?Sn?C1?C?8?1?0.?8 t水压试验压力 P?1.2P5?Tc2mm 6.2取Sn?8mm （2.3） mm 6.2 （2.4） Mpa ?1.2?5?2.513.1 25 （2.5） 所选材料的屈服应力 s?345MPa 水压试验应力校核 t?PT(Di?Se)?Se?3.125?(600?6.2)?6.2)?152.77Mpa （2.6） 152.77MPa<0.9s?0.9?345?1?310.5MPa,水压强度满足要求. 气密试验压力 pT?pc?2
25、.5MPa 17 湖南工业大学本科生课程设计 2.2.2 管箱筒节,封头厚度计算 由工艺设计给定的设计参数为:设计温度20,设计压力0.4MPa,选用16MnR钢板,材料许用应力?170MPa,屈服强度s?345MPa, 按参考书1177页取焊缝系数?0.7,腐蚀裕度C2?2. 计算厚度 S?P （2.7 01t?P?(0.?400?)(2?17?00.?7 0.4)）1.c(2c) 设计厚度 Sd?S?Cmm 1.01?2?3.01 （2.8） 2? 名义厚度 Sn?SD?C1?圆整?3.0合考虑结构需要取 ?1?0.8mm 3 .综81 Sn?6mm （2.9） 有效厚度 Se?Sn?C1
26、?C2?6?2?0.8?3.2mm （2.10） 压力试验强度在这种情况下一定满足. 管箱封头取用厚度与短节相同, 取Sn?6mm. 该计算结果与参考书1表(4-31)相符. 由于温差比较小,所以不需要补强圈,也不用进行补强计算. 2.2.3 固定管板计算 6参照参考书1表(4-30)选取管板厚度为50mm,其中材料选取为16Mn锻. 6化工单元过程及设备课程设计 18 湖南工业大学本科生课程设计 结 论 采用固定管板式换热器设计，结构简单，紧凑，制造成本较低；馆内不宜积垢，即使产生了污垢也便于清洗。根据给定的参数进行合理设计，能够满足设计要求。 19 湖南工业大学本科生课程设计 参考文献 1
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