化工原理课程设计一

化工原理课程设计（一）碳八分离工段乙苯冷凝器设计

姓名：xxxxx

学号：xxxxxxx

专业：过程装备与控制工程

班级：122班

一、概述及设计方案简介

1.1 化工原理课程设计的主要目的和基本要求

化工原理课程设计的主要目的是加强化工类及其相关专业学生的实践能力的培养，注重提高学生的工程实践能力、分析与解决工程实际问题的能力。力求通过这个基本环节的训练，使学生能够初步掌握化工单元过程与设备设计的基本程序和方法，具备查找基本资料的能力和检索的方法，并且能够运用简洁有效的文字和基本的工程语言来表述设计的思想和结果，运用在课堂上所学的化工原理的基础知识进行化工单元课程和设备设计。为此要求学生完成以下的基本内容：

（1）设计方案简介根据任务书提供的要求，进行生产实际调研或查阅相关技术资料，在此基础上，选定合适的方案。

（2）主要设备的工艺设计计算依据有关资料进行工艺设计计算，即进行物料衡算、工艺参数的优化及其选择、热量的计算、设备的结构尺寸设计和工艺尺寸的计算。

（3）主要设备的结构设计和机械设计按照设计的要求，进行主要的设备结构设计和强度计算。

（4）典型辅助设备的选型对典型辅助设备的主要工艺尺寸进行计算，并且选定设备的规格型号。

（5）带控制点的工艺流程图将设计的工艺流程方案用带控制点的工艺流程图表示出来，会出流程设备，标明物流方向和主要

的控制点。

（6）主要设备的工艺条件图绘制主要的工艺条件图，图面包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。

（7）主要设备的总装配图按照国标或行业标准，绘制主要设备的总装配图。

（8）编写设计说明书作为工作的书面总结，在以上的设计完成后，应以简练、准确的文字，整洁、清晰的图纸及表格编写设计说明书。说明书应该包括：封面、目录、设计任务书、概述及设计方案简介、设计条件及主要物性参数表、工艺设计计算、设备结果一览表、设计自我评述、参考资料以及主要符号说明。

1.2 冷凝器的简介

列管式冷凝器有卧式和立式两种类型，被冷凝的工艺气体可以走壳程，也可以走管程。其中卧式壳程冷凝和立式管程冷凝是最常用的形式。

1.2.1 卧式壳程冷凝器

壳程上除了设有物流进出口接口外，还有冷凝液排出口和不凝气排出口。壳程蒸气入口处装有防冲板，以为了减少蒸气对管束的直接冲击。壳程中的横向弓形折流板或者支承板圆缺面可以水平或者垂直安装。对于垂直安装的折流板，为了便于排出冷凝液体，应该切去圆缺高度为壳体内径的50%。然而对

于水平安装的折流挡板，应该切去圆缺高度亦应该不大于壳体内径的35%，折流板间的最小间距为壳体内径的35%。无论是水平安装或者是垂直安装，当被冷凝工艺蒸气中含有不凝气时，折流板间距应随蒸气冷凝而减小，为了增强传热的效果。

1.2.2 卧式管程冷凝器

这种冷凝器的管程多是单程或者双程。其中传热管长度和直径的大小，以及传热管的排列方式取决于管程和壳程的传热需要。管程采用双程的时候，冷凝液可以在管程间引出，这样可以减少液相的覆盖面积和压降。同时，用减少第二管数的方法使其保持质量流速不变。这种冷凝器的缺点是蒸气与冷凝液的接触不好。

1.2.3 立式壳程冷凝器

壳程设置有折流板或者支承板，蒸气流过防冲板后自上而下流动，冷凝液体从下端排出。冷却水以降膜的形式在管内向下流动，因而冷却水侧要求压力低；由于水的传热系数大，因此消耗水的量较少，但是水的分配是不均匀的，所以可以在进水口安装一个水分配器。

1.2.4 管内向下流动的立式管程冷凝器

管内的蒸气及其冷凝液均向下的冷凝器即为这种冷凝器，带有外部封头和分离端盖。蒸气是通过径向接管注入顶部，在管内向下流动，在管壁上以环状薄膜的形式冷凝，冷凝液

在其底部排出，为了使出口排气中携带的冷凝液体量最少，下面的分离端盖可以设计成挡板式或者漏斗式。传热的管径多在19mm—20mm，在低压的时候可以用50mm直径的传热管。

1.2.5 向上流动的立式管程冷凝器

它是管程蒸气和壳程冷却剂均向上流动的立式管程冷凝器。这种冷凝器通常直接安装在蒸馏塔的顶部，以利用冷凝液回流来汽提少量低沸点的组分。蒸气经由径向接管注入其底部。冷凝器的传热管长度为2—3m，其直径多大于25mm。

1.3 设计方案简介

1.3.1 冷凝器类型的选择

要求管程和壳程的压差均小于50kPa，所以选择壳程冷凝器，在根据任务书的要求采用立式冷凝器。通过以上的分析，最终选择立式壳程冷凝器。

1.3.2 列管式冷凝器的设计安排

（1）弄清楚冷凝的基本要求、冷凝负荷、操作温度和压力情况；

（2）查找流体的物性参数；

（3）初选总传热系数K0；

（4）设计平均温度差和根据传热的基本公式计算传热面积；（5）确定换热气结构；

（6）计算逆流传热参数和总的传热系数与传热面积；（二）设计条件和主要物性参数

2.1 设计条件

热流体：气体

组成摩尔分率

乙苯对二甲苯间二甲苯

98.3% 0.57% 1.13% 操作温度为131℃

冷却水循环温度30℃，温升10℃

冷凝负荷为12560000kJ/h

要求管程和壳程压差均小于50kPa,设计标准立式冷凝器2.2 主要物性参数

（1）壳程的混合气体温度为131℃

（2）混合物纯组分物性参数（在131℃的温度下）

物

性组分密度

Kg/m3

黏度（g)

Pa.s

黏度（l)

Pa.s

汽化焓

J/mol

热容（g)

J/mol.k

热容(l)

J/mol.k

乙苯765.434 8.700×10-60.0002461 3.599×104172.844 228.084

对二甲

苯

760.466 8.516×10-60.0002305 3.639×104169.440 220.355

（3）管程流体的定性温度t=[30+(30+10)]/2=35℃ （4）水在35℃的物性参数： 密度 Kg/m 3

汽化焓J/mol 热导率W/m.K 黏度 Pa.s 比定压热容kJ/kg.K 993.95

4.350×104

0.626

0.0007225

4.174

2.3 混合物的物性计算公式 (1) 液体混合物的密度的计算公式： 1/ρm =w 1/ρ1+w 2/ρ2+w 3/ρ3+……+w n /ρn ；

ρ1，ρ2，ρ3……，ρn 是液体混合物中各纯组分的液体密度 ；w 1，w 2，w 3……,w n 是液体混合物中各组分的质量分数； (2) 气体混合物的密度计算公式： Ρm =ρ1w 1+ρ2w 2+ρ3w 3+……+ρn w n

ρ1,ρ2,ρ3……ρn 在是气体混合物的压力下各纯组分的密度；

w 1,w 2,w 3……w n 是混合物中各组分的体积分数； （3）低压气体混合物导热系数：

间二甲苯 764.583 8.693×10-6 0.0002315 3.673×104 169.743 222.411

λm=(∑n i=1λi y i M1/3i)/(∑n i=1y i M1/3i )

式子中的λi代表组分i的传热系数；

M i代表气体混合物中某一组分的相对分子质量；（4）低压气体混合物的黏度计算公式：

ηm=(∑y iηi M1/2i)/(∑y i M1/2i)

ηm 代表混合气体的黏度；

y i代表气体混合物中某一组分的摩尔分数； M i代表气体混合物中某一组分的摩尔质量；ηi代表气体混合物中某一组分的黏度；

（5）液体混合物导热系数：

λr m=∑n i=1w iλr i

式中λi代表组分i的传热系数；

W i是液体混合物中各组分液体的质量分数；

r是指数，通常取值为-2；

2.4 混合物的物性参数

密度Kg/m3 黏度（l)

Pa.s

黏度(g)

Pa.s

热化焓

J/mol

热导率

W/m.K

765.396 0.0002523 8.699×10-6 3.600×1040.019593 （三）工艺设计计算

3.1 估算传热面积

3.1.1 热流量

根据任务书的要求，热流量Φ=12560000kJ/h=3488.89Kw

3.1.2 平均传热温差

采用逆流的方式△t m=（△t1+△t2)/ln(△t1/△t2)

=[(131-30)+(131-40)]/ln(131-30)/(131-40)=95.91℃

3.1.3 估算传热面积

由于管程走冷水，壳程走工艺蒸气，设K=400W/(㎡.K),则估算其传热面积:

Ap=Φ/K△tm=3488890/(400×95.91)=90.94(㎡)

3.1.4 冷却水用量

q m,c=Φ/c p,1×△t1

=3488890/[4174(40-10)]=27.86Kg/s=100303.50Kg/h 3.2 工艺结构尺寸

3.2.1 管径和管内流速的选择

选用ф19×2较高级冷拔传热管(碳钢），取管内流速为u i=1.2m/s。

3.2.2 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=4qv/πd2i u=(4×27.86/993.95)/(0.0152×1.2×π)

=132.18≈132(根）

按照单程管计算，所需的传热管长度为

L=Ap/πd0n s=90.94/(π×132×0.019)=11.54(m)

根据本设计要求，采用标准设计，现在取传热管长度为l=6.0米，则有冷凝管的管程数为：

N p=L/l=11.54/6.0≈2(管程）

传热管的总根数为：N T=132×2=264（根）

3.2.3 平均传热温差校正及壳程数

平均传热温差校正系数R=热流体的温降/冷流体的温升 =（131-131）/（40-30）=0℃P=冷流体温升/两流体的最初温差

P=（40-30）/（131-30）=0.099

对于单侧温度变化流体，折流、并流、逆流的平均传热温差相等，所以有ε△t=1>0.8,则根据公式有：

△tm=ε△t△t m逆=1×95.91=95.91℃

3.2.4 传热排列和分程方法

采用组合排列法，即每程内按照正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。取管心距t=1.25d0，即可以得到

t=1.25×19=23.75≈25(mm)

隔板中心离其最近一排管中心距离为s=t/2+6=25/2+6=18.5(mm)

各程相邻管的管心距为37mm，每程各有传热管132根。3.2.5 壳体内径

采用多管程结构，并且取管板利用率η=0.7，壳体内径的估算公式为：

D=1.05t /

N=1.05×25×264/0.7=510（mm)

T

根据卷制壳体晋级档，可以取D=600mm

3.2.6 管束的分程方法

分程时应该使各程的管子数目大致相等，隔板的形式要简单，密封的长度要短，为了使制造、维修和操作方便，一般都采用偶数管程。管程的分束方式常常采用平行和T形方式，然而本次的设计采用平行方式。

3.2.7 折流板和只承板

本次设计中采用弓形折流板，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=0.25×600=150(mm)，那就取h=150mm

取折流板间距B=0.3D，则

B=0.3×600=180mm,故可以取B=200mm

折流挡板数N B=传热管长/折流板间距-1=4000/200-1=24(块）折流板圆缺面水平安置。

3.2.8 其他主要附件

（1）旁路挡板如果壳体与管束之间的环隙过大，则流体会通过该环隙短路，为了防止这种情况的发生，则必要的时候可以设置旁路挡板。

（2）防冲板为了防止壳程进口处流体直接冲击传热管，产生冲蚀，必要的时候应该在壳程物料进口处设置防冲板。一般壳程介质为气体或者蒸汽时，应该设置防冲挡板。本次的设计需要设计一个防冲挡板。

3.2.9 接管

管程流体进出口接管，取管内液体的流速u 水=1.2m/s ，则接管

内

径

为

D 1=

1/4u V π=2.1/)95.993/86.274(??π

D 1=0.172（m ）

圆整后可以取管内径为200mm 。 3.3 冷凝器的核算 3.3.1 热流量核算

（1）壳程表面传热系数 用肖恩法计算

h 0=0.36 ()14

.0//3

/155

.0w r

e e P R d ηηλ?

当量直径，依照计算公式有d e =0.017(m) 壳程流通截面积，依式得S 0=BD （1-d 0/t)

=0.2×0.6×(1-0.019/0.025)=0.0288(㎡) 壳程流体流速及其雷诺数分别为 u 0=V 0/S 0=0.0584728/0.0288=2.03m/s

Re 0=d e u 0ρ/η=0.017×2.03×765.396/(8.699×10-6

) =3036420

普朗特数Pr=C p η/λ=2.27×103

×8.699×10-6

/0.019593 =1.01 黏度校正 （η/ηw )

0.14

≈1

h 0=0.36×0.019593/0.017×3036420

0.55

×1.01

1/3

=1530/㎡.K

(2)管内表面传热系数按照公式:

h i=0.023λi/d i Re0.8Pr0.4

管程流体流通截面积Si=πd e2N T/8

=0.030(㎡)

管程流体流速u i=(27.86/993.95)/0.030=0.934m/s

则有Re=0.017×0.934×993.95/0.0007225=21843.5

普朗特数 Pr=4174×0.0007225/0.626=4.82

h i=0.023×0.626×21843.50.8×4.820.4/0.015=5332(W/㎡.K)

(3)污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻 R0=0.0004㎡.K/W

管内侧污垢热阻 R i=0.0006㎡.K/W

管壁热阻，碳钢在这种条件下的热导率为50W（m.K)。所以R w=0.002/50=0.00004㎡.K/W

(4)传热系数 K c=1/(d0/h i d i+R i d0/d i+R w d0/d m+R0+1/h0)

Kc=1/(1/1530+0.0004+0.00004×19/18+0.0006×19/15+1/533 2×19/15)=478W/(㎡.K)

（5）传热面积裕度

根据公式计算传热面积Ac为

Ac=Ф/Kc△t m=3488890/(478×95.91)=76.10(㎡)

该冷凝器的实际传热面积A

A=πd0lN T=3.14×0.019×6.0×264=94.50(㎡)

该冷凝器的面积裕度

H=（A-Ac)/Ac=(94.50-76.10)/76.10×100%=24.2%

传热面积裕度合适，该冷凝器能够完成生产任务。

3.3.2 壁温的计算

液体的平均温度t m=0.4t2+0.6t1=0.4×40+0.6×30=34℃气体的平均温度Tm=(T1+T2)/2=(131+131)/2=131℃

h c=h i=5332(W/㎡.K) h h=h0=1530W/㎡.K

传热管的平均壁温 tw=(T m/h c+t m/h h)/(1/h c+1/h h)

tw=(131/5332+34/1532.43)/(1/5332+1/1532.43)=55.65℃壳体壁温，可以进似取壳程流体的平均温度，即T=131℃

壳体壁温与传热管壁温之差为△t=131-55.65=75.35℃

该温差较大，故需要设温度补偿装置。

3.3.3冷凝器内流体的流动阻力

（1）管程流体阻力△P t=(△P i+△P r)N s N p F s

其中N s=1,N p=2,所以△P i=(λi lρu2)/2d i 由Re=21843.5 传热管的相对粗糙度ε/d=0.2/15=0.01333，λi=0.042,流速u i=0.934m/s，密度ρ=993.95Kg/m3，所以有

△p i=0.042×(6/0.015)×(993.95×0.9342/2)=7283.5(Pa) △P r=ερu2/2=3×993.95×0.9342/2=1300.6(Pa)

△P t=(7283.5+1300.6)×1×2×1.5=25752.3(Pa)

管程流体阻力在允许的范围之内。

（2）壳程阻力计算公式△P s=(△P0+△P i)F s N

其中Ns=1, Fs=1;

流体流经管束的阻力 △P 0=Ff 0N TC (N B +1)(ρu 02

/2) F=0.5,f 0=5.0Re

-0.228

=5.0×3036420

-0.228

=0.1663

N TC =1.1N T 0.5

=1.1×2640.5

=17.87 N B =24 u 0=2.03m/s

△P 0=0.5×0.1663×17.87×25×765.396×2.032

/2=58583(Pa) 流体流过折流板缺口的阻力 △p i =N B (3.5-2B/D)(ρu 02

/2) =24×(3.5-2×0.2/0.6)×(765.396×2.032/2)=107240(Pa) 总阻力 △Ps=58583+107240=165823(Pa)

经比较可知，系统总阻力符合设计所给的要求。 3.3.4 冷凝器主要结构尺寸和计算结构

冷凝器主要结构尺寸和计算结果表

参数 管程

壳程

流率/(Kg/h) 100303.5 进/出口温度/℃ 30/40 131/131 压力/Pa 小于50kPa

小于50kPa

定性温度/℃ 35 131 密度/(Kg/m3)

993.95 765.396 定比压热/[kJ/(kg.K)] 4.174 2.27 黏度/Pa.s 0.0007225 0.0002523 热导率/[W/(m.K)] 0.626 0.019593 普朗特数 4.82

1.01

形式 立式 台数 1 壳体内径/mm

600

壳程数

1

物 性

设 备 结

管径/mm Φ19×2 管心距/mm 25

管长/mm 6000 管子排列△

24

管数目/根264 折流板数/

个

200 传热面积/㎡94.5 折流板间

距/mm

管程数 2 材质碳钢主要计算结果管程壳程

流速/(m/s) 1.2m/s0.934m/s

表面传热系数

53321530 /[W/(㎡.K)]

污垢热阻/(㎡.K/W)0.00060.0004阻力/MPa0.107240.165823

热流量/kW3488.89

传热温差/℃95.91

传热系数/[W/(㎡.K)]478

裕度/%24.2

（四）设计自我评述

通过这次化工课程设计，我学到了很多化工设计的基础知识。首先从整个设计过程和计算结果来看，由于是进入大

学的第一次课程设计，自我感觉比较难。因为我不知道怎么查找资料，不知道怎么组织格式。不过经过我的不懈努力，我最终完成了这次课程设计，同时设计的冷凝器也是满足设计任务的要求。其次，在我设计的整个过程中认真复习了《化工原理》的基础知识，同时对热量、表面传热系数、雷诺数等的计算更加熟悉，对基本的公式记得更加牢固。在我刚开始选取参数的时候是没有选对的，经过反复的计算和合理的假设才得到了现有的结果。

通过此次的课程设计，我又重新复习了CAD的画法和基本操作。同时，我也学会了如何去查找资料，并且合理的运用所找的资料。这些都培养了严谨认真的态度，对以后的设计是非常重要的。

（五）参考资料

匡国柱主编《化工单元过程及设备课程设计》化学工业出版社大连理工大学编《化工原理》高等教育出版社

刘光启主编《化学化工物性数据手册》化学工业出版社

柴诚敬主编《化工流体流动与传热》化学工业出版社

主要符号表

符号意义与单位符

号

意义与单位

A c计算传热面，㎡K 假定传热系数，W/(㎡.K)

A 实际传热面积，㎡Kc 计算传热系数，W/(㎡.K)

B 折流板间距，m L 传热管长度，m

C p定压比热容，kJ/(Kg.K) NT 传热管数目

D 壳体内径，m Np 冷凝器管程数

d0 传热管外径，m Ns 冷凝器壳程数

di 传热管内径，m Φ冷凝器热流量，kW

dm 传热管平均直径，m R0 管外污垢热阻，㎡.K/W

H 冷凝器面积裕度Ri 管内污垢热阻，㎡.K/W qm 质量流量，Kg/s Rw 管壁热阻，㎡.K/W

S 流通截面积，㎡t 物流温度，℃

△t 传热温差，℃u 流速，m/s

h0 管外表面传热系数，W/(㎡.K) η流体黏度，Pa.s hi 管内表面传热系数，W/(㎡.K) ρ密度，Kg/m3

f0 壳程流体摩擦因子