化工原理课程设计2.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流化工原理课程设计2.精品文档.化工原理课程设计(一)碳八分离工段原料预热器设计 学生姓名: 学校: 专业班级:101 学号:10412041 指导老师: 时间:2012.07.08目 录一、设计任务书3二、概述及设计方案简介41.碳八芳烃分离工艺简介42.换热器简介4三、设计条件及主要物性参数71.设计条件72.主要物性参数7四、工艺设计计算91.估算传热面积92.选择管径和管内流速113.选取管长、确定管程数和总管数124.平均传热温差校正及壳程数135.传热管排列146.管心距157.管束的分程方法158.壳体内径169.折流板和支承板1
2、610.其它主要附件1711.接管17五、换热器核算171.热流量核算172. 传热管和壳体壁温核算243. 换热器内流体阻力计算26六、设计自我评述31七、参考文献32八、主要符号表32八、附录33附录1 工艺尺寸图33附录2工艺流程图34一、设计任务书化工原理课程设计任务书姓名:王亮 班级:化工101碳八分离工段原料预热器设计冷流体:液体(流量15Koml/h)组成摩尔分率乙苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯18% 18% 40% 24% 加热水蒸气压力为 12由20加热到162要求管程和壳程压差均小于50KPa,设计标准式列管换热器二、概述及设计方案简介1.碳八芳烃分离工艺简介碳八芳烃分离
3、即C8芳烃分离,根据工业需要将碳八芳烃分离成单一组分或馏分的过程。C8芳烃分离的主要目的是活的经济价值较高的对二甲苯和邻二甲苯。因此,C8芳烃分离有常常与碳八芳烃异构化结合在一起,以获得更多的对、邻二甲苯。在个别情况下,也要分离出高纯度的乙苯、苯乙烯。各种C8芳烃间沸点很接近难以用一般的精馏方法分离,各种C8芳烃沸点如表所示。乙苯和邻二甲苯沸点与对、间二甲苯的相差较大,可以通过精馏的方法分离。C8芳烃分离顺序是:首先蒸馏出沸点较低的乙苯,在蒸馏分出沸点较高的邻二甲苯。所剩对二甲苯和间二甲苯混合物,可因熔点不同,采用低温结晶或吸附法分离。分离出的乙苯,邻、间二甲苯颗单独进行化工利用,也可异构化。
4、根据对产品种类要求的不同,还可采用其他分离程序。2.换热器简介换热器,是工业生产中要实现热量交换而采用的一种交换热量的设备。是化工、石油、动力、轻工、机械、冶金、交通及其他许多工业部门的通用设备。它不仅可以单独作为加热器,冷却器等使用,而且是一些化工单元操作的重要附属设备。化工生产中所用的换热器按其用途可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分四大类,即间壁式、直接接触式、蓄热式和中间载热体式。这四类换热器中,间壁式换热器中的列管式换热器应用最多。 列管式换热器又称管壳式换热器,是最典型的间壁式换热器,它在工业上
5、的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。它的突出优点是单位体积设备所能提供的传热面积大,传热效果也较好。由于结构坚固,而且可以选用的结构材料范围也比较宽广,故适应性强,操作弹性较大。尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定在管板上,在管壳式换热器内进行换热器的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;另一种在管外流动,其行程称为壳程,管束的壁面即为传热面。 为了提高壳程流体流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板,折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速,还迫使流体
6、按规定路径多次错流通过管束,使湍流程度大为增加。 流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为夺管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向挡板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。根据所采用的温差补偿措施,列管式换热器可分为以下几种主要类型: 固定管板式换热器: 当冷热两流体温不大时,可采用固定管板的结构型式。这种换热器的特点是结构简单,制造成本低。但由于壳程不易清洗或检修,管外物料应是比较清洁、不易结垢的。对于温差较大的而且壳体承受压力不太高时,
7、可在壳体壁上安装膨胀节以减少热应力。 浮头式换热器: 这种换热器中两端的管板,有一端不与壳体相连,可以沿管长方向自由浮动,故称浮头。当壳体和管束因温差较大而热膨胀不同时,管束连同浮头就可在壳体内自由伸缩,从而解决热补偿问题而另外一端的管板又是以法兰与壳体相连接的,因此,整个管束可以由壳体中排卸出来,便于清洗和检修。所以,浮头式换热器是应用较多的一种,但结构比较复杂,金属耗量多,造价也较高。 U型管式换热器: U形管式换热器,每根管子都弯成U形,两端固定在同一块管板上,每根管子皆可自由伸缩,从而解决热补偿问题。管程至少为两程,管束可以抽出清洗,管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难,管子更换
8、困难,管板上排列的管子少。优点是结构简单,质量轻,适用于高温高压条件。填料函式换热器: 填料函式换热器的结构特点是管板只有一端与壳体固定连接,另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩,不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单,制造方便,耗材少,造价低;管束可以从壳体内抽出,管内、管间均能进行清洗,维修方便。其其缺点是填料函耐压不高,一般小于4.0MPa;壳程介质可能通过填料函外漏,对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。填料函式换热器适用于管、壳壁温差较大或介质易结垢,需经常清洗且压力不高的场合。釜式换热器 釜式换热器的结构特点是在壳体上部设置适当的蒸
9、发空间。同时兼有蒸气室的作用。管束可以为固定管板式、浮头式或U形管式。釜式换热器清洗维修方便,可处理不清洁、易结垢的介质,并能承受高温、高压。它适用于液-气式换热,可作为最简单结构的废热锅炉。管壳式换热器除上述五种外,还有插管式换热器、滑动式换热器等其他类型。三、设计条件及主要物性参数1.设计条件(1)设计任务及条件碳八分离工段原料预热器设计,对冷工艺物流(乙苯18%,对二甲苯18%,间二甲苯40%,邻二甲苯24%,以上均为摩尔分率)进行预热(由20 oC加热至162 oC),流量为15kmol/h,加热水蒸气压力为12kg/cm2. 要求管程和壳程压差均小于50kpa,试设计并选择标准式列管
10、换热器。(2)选择换热器类型流体温度的变化情况:混合流体进口温度为20 oC,出口温度为162 oC,加热水蒸气进口压力为12kg/cm2,查表得对应饱和蒸汽温度为187.8 oC。出口温度不变,但发生相变,转化为水。由于管程和壳程压差均小于50KPa,可考虑用固定管板式,但因为这种装置只用于管壁温与壳体壁温之差低于60-70 oC,而任务中混合流体由20 oC加热至162 oC,管壁温度和壳体温度有较大的温差,因此,确定选用浮头式换热器。(3)流程安排因为饱和蒸汽比较清净,表面传热系数与流速无关且冷凝液容易排出。所以饱和蒸汽宜走壳程。还有黏度大的流体宜走壳程,而该工艺混合液体的黏度(0.5-
11、1)10-3Pas。综合考虑,该混合流体走管程,水蒸气走壳程。2.主要物性参数(1)定性温度:对于一般气体和水等低粘度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。而查得C8芳烃混合流体的各组成粘度都很低,故管程混合液体的定性温度为 (3.2.1)壳程饱和蒸汽在12kg/cm2压力下的定性温度为 (3.2.2)根据定性温度分别查到管程和壳程流体的有关物性数据。如下表表1 加热水蒸气在12kg/cm2(t=187.8oC)下的物性参数密度6.1241 kg/m3定压比热容Cp 4.450 kJkg-1k-1焓H 2788.5 kJkg-1k-1汽化热r 1990.6 kJkg-1热导率 0.671
12、 wm-1 k-1黏度1.4610-5 Pas表2 混合液在91下的物性参数密度810 kg/m3定压比热容Cp1.93 kJkg-1k-1热导率0.120 wm-1 k-1黏度0.3510-3 Pas表3 流体物性参数C8芳烃沸点(oC)凝固点(oC)乙苯136.186-94.975间二甲苯139.103-47.872对二甲苯138.35113.263邻二甲苯144.411-25.182表4 设计条件冷流体加热水蒸气进口温度t120 oC187.8 oC出口温度t2162oC187.8 oC定性温度tm91 oC187.8 oC四、工艺设计计算1.估算传热面积(1)换热器的热流量换热器的热流
13、量是指在确定的物流进口条件下,使其达到规定的出口状态,冷流体和热流体之间所交换的热量,或是通过冷、热体的间壁所传递的热量。在热损失可以忽略不计的条件下,对于无相变的物流,换热器的热流量由下式确定:(4.1.1)式中热流量.W;工艺流体质量流量,kg/s工艺流体的定压比热容kJkg-1k-1工艺流体温度变化,K Kg/s=t2-t1=162-20=142 K热流量KJ/s=121.23KW(2)对于有相变化的单组份饱和蒸汽冷凝过程,其热流量衡算可表示为 (4.1.2) 式中蒸汽冷凝质量流量,kg/s饱和蒸汽冷凝热,kJ/kg则加热水蒸气的用量 Kg/s(3)平均传热温差平均传热温差是换热器的传热
14、推动力。其值不但和流体的进出口温度有关,而且还与换热器内两种流体的流型有关。对于列管式换热器,常见的流型有3种:并流、逆流和折流。对于并流和逆流,平均传热温差均可用换热器两端流体温度的对数平均温差表示, 即 : (4.1.3)式中逆流或并流的平均传热温差,K; 根据流型计算;折流情况下的平均传热温差可先按纯逆流情况计算,然后加以校正,即 (4.1.4) 式中 折流情况下的平均传热温差,K; 温度校正系数;由于在相同德流体进出口温度下,逆流流型具有较大的传热温差,所以在工程上,若无特殊需要,均采用逆流。则平均传热温差按逆流计算得=75.8 (4)估算传热面积在估算传热面积时,可以根据冷热流的具体
15、情况,参考换热器传热系数的大致范围,假设一K值,估算传热面积Ap为(4.1.5)式中 Ap估算传热面积,m2; K假设传热系数系数,W/(m2k); 平均传热温差,K假设k=600 wm-1 k-1,则估算得传热面积为 m22.选择管径和管内流速由于管长及管程数均和管径及管内流速有关,故应首先确定管径及管内流速。目前国家内常用的换热管规格和尺寸偏差见表6表6 常用换热管的规格材料钢管标准外径厚度/(mmmm)级换热器级换热器外径偏差/mm壁厚偏差外径偏差/mm壁厚偏差碳钢GB 8163101.50.15+12%-10%0.20+15%-10%142192252252.50.200.043233
16、834530.300.45573.50.8%10%1%+12%,-10%不锈钢GB 2270101.50.15+12%-10%0.2015%1421922520.200.40322382.5452.50.300.45573.50.8%1%若选择较小的管径,管内表面传热系数可以提高,而且对于同样的传热面积来说可以减小壳体直径。但管径小,流动阻力大,清洗困难,设计可根据具体情况用适宜的管径。管内流速的大小对表面传热系数及压力降的影响较大,一般要求所选的流速应使流体处于稳定的湍流状态,即雷诺指数大于10000,对于传热热阻较大的流体后易结垢流体应选取较大的流速。另外还要考虑在所选的流速下,换热器应有
17、适当的管长和管程数,并保证不会由于流体的动力冲击导致管子强烈振动而损坏换热器。选用𝝓=142较高级冷却传热管(碳钢),选取管内流速u1=1m/s3.选取管长、确定管程数和总管数选定管径和管内流速后,可以下式确定换热器的单程传热管数。(4.3.1)式中 单程管子数目; 单程流体的体积流量,m3/s; di传热管的内径,m; u管内流体流速,m/s;则按单程传热管数根依次可求出按单程换热器计算所得的管子长度: (4.3.2)式中 L按单程计算的管子长度,m; 管子外径,m;=8.67m如果按单程计算的传热管长度太长,则应采用多管程。确定了每程传热管长度之后,即可求管程数。 (4.3
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