化工原理课程设计(换热器)

化工原理课程设计1一、设计题目：设计一台换热器二、操作条件：1、煤油：入口温度140℃，出口温度40℃。2、冷却介质：循环水，入口温度35℃。3、允许压强降：不大于1×105Pa。4、每年按330天计，每天24小时连续运行。三、设备型式：管壳式换热器四、处理能力：114000吨/年煤油五、设计要求：1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸设计。3、设计结果概要或设计结果一览表。4、设备简图（要求按比例画出主要结构及尺寸）。5、对本设计的评述及有关问题的讨论。化工原理课程设计2第1章设计概述1、1热量传递的概念与意义[1](205)1、1、1传热的概念所谓的传热（又称热传递）就是间壁两侧两种流体之间的热量传递问题。由热力学第二定律可知，凡是有温差存在时，就必然发生热量从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技领域中极普遍的一种传递现象。1、1、2传热的意义化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热和冷却，如：化学反应通常要在一定的温度进行，为了达到并保持一定温度，就需要向反应器输入或输出热量，又如在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。所以传热是最常见的重要单元操作之一。无论是在能源，宇航，化工，动力，冶金，机械，建筑等工业部门，还是在农业，环境等部门中都涉及到许多有关传热的问题。此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收利用等都涉及到传热的问题，由此可见；传热过程普遍的存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。归纳起来化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：①强化传热过程，如各种换热设备中的传热。②削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。1、2换热器的概念与意义[2]1、2、1换热器的概念在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交设备，简称为换热器。在换热器中至少要有两种不同的流体，一种流体温度较高，放出热量：另一种流体则温度较低，吸收热量。1、2、2换热器的意义热交换设备是工业生产中为实现物料之间热量传递的一种工艺设备。在化工、炼油、动力、原子能等众多的工业部门和行业中，广泛使用加热器、冷却冷凝器及其他热交换设备来满足一定的工艺生产条件；由这些设备构成的换热系统的状况，对整个化工过程的正常进行及整个化工系统的投资与操作费用关系重大。在一般化工厂的建设中，换热器约占总投资的10%-20%[3]；在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35%-40%[3]。因此，在能源日趋紧张的今天，合化工原理课程设计3理设置及使用换热器尤其重要。此外，随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃。由此可见，换热器在我们的生活中占据着一定的意义。1、3换热器的分类及特点[2]随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型，然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。换热器按用途不同可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器、深冷器、过热器等。换热器按传热方式的不同可分为：混合式、蓄热式和间壁式。其中，间壁式换热器应用最广泛，按照传热面的形状和结构特点又可分为管壳式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器（板翅式、管翅式等）。1、3、1各换热器的分类和特点化工原理课程设计4类型特点间壁式管壳式列管式固定管板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内填料函密封性能差，只能用于压差较小的场合外填料函管间容易泄漏，不易处理易挥发、易爆炸及压力较高的介质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，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器螺旋套管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、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，可用作回收低温热能平板式结构紧凑，拆洗方便，通道较小、易堵，要求流体干净板壳时板束类似管束，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器分阶段交替进行，适用于从高温炉气中回收热能的场合化工原理课程设计51、3、2常见间壁式换热器的分类和特点[1](271,278)1、管式换热器1）蛇管式换热器可分为两类，沉浸式蛇管换热器和喷淋式换热器。前者换热器的优点是结构简单，价格低廉，便于防腐蚀，能承受高压。主要缺点是由于容器的体积较蛇管的体积大得多，故管外流体的较小，因而总传热系数K值也较小。而后者便于检修和清洗、传热效果也较好等优点，缺点是喷淋不易均匀。二者的结构如下图：图1为常见的几种蛇管的形状，图2为喷淋式换热器。图1蛇管的形状图2喷淋式换热器2）套管式换热器化工原理课程设计6管套管换热器系用管件将两种尺寸不同的标准管连接成同心圆的套管然后用180度的回弯管将多段管套串联而成。如图3所示。每一段套管称为一程，程数可根据传热要求而增减。每程的有效长度为4-6m，若管子太长，管中间会向下弯曲，是环形中的流体分布不均匀。其优点是构造简单，能耐高温；传热面积可根据需要而增减；适当地选择管内外径，可使流体的流速较大；且双方的流体做严格的逆流，有利于传热。缺点为管间接头较多，易发生泄露；单位长度传热面积较小。图3套管式换热器3）管壳式换热器管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：（1）固定管板式换热器这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以致管子扭弯或是管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60-70℃和壳程流体压强不高的情况下。一般壳程压强超过0.6MPa时，补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿作用，就要考虑其他结构。其结果如下图所示：化工原理课程设计7图4固定管板式换热器（2）浮头式换热器换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”,所以这种换热器称为浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，以便清洗；管束的膨胀不受壳体约束，因此当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。其缺点是结构复杂，造价高。其结构如下：图5浮头式换热器化工原理课程设计8（3）填料函式换热器这类换热器管束一端可以自由膨胀，结构比浮头式简单，造价也比浮头式低廉。但壳程内介质有外漏的可能，壳程中不应处理一易挥发、易燃易爆和有毒的介质。其结构如下：图6填料函式换热器（4）U型管换热器这类换热器只有一个管板，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，管子更换困难，管板上排列的管子少。其结构如下图所示：图7U形管换热器2、板式换热器1）夹套式换热器套式换热器主要应用于反应过程的加热或冷却。在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部接进入夹套，冷凝水则有下部接管流出。作为冷却气时，冷却介质由夹套下部的接管进入，而由上部接管流出。这种换热器的传热系数较低，传热面又受化工原理课程设计9夹管图8夹套式换热器容器的限制，因此适用于传热量不太大的场合。为了提高其传热性能，可在容器内安装搅拌器，使其内液体做强制对流；为了弥补传热面的不足，还可在其内安装蛇管等。其结构如下图：图9板式换热器示意图2）板式换热器板式换热器的优点是：结构紧凑，单位体积设备所提供的传热面积大；总传热系数高，如对低粘度液体的传热，K值可高达7000W/(2m·oC)；可根据需要增减板数以调节传热面积，检修和清洗都比较方便。其缺点是：处理量不太大；操作压强较低，一般低于1500kPa，最高也不超过2000kPa；因受垫片耐热性能化工原理课程设计10的限制，操作温度不能过高，一般对合成橡胶垫圈不超过130oC，压缩石棉垫圈低于250oC。3）螺旋板式换热器螺旋板式换热器的优点是：总传热系数高；不易堵塞和结垢；能利用低温热源和精密控制温度；结构紧凑。其缺点是：操作压强和温度不宜太高，目前最高操作压强为2000kPa,，温度约在400oC以下；不易检修，因整个换热器为卷制而成，一旦发生泄露，修理内部很困难。其结构图如下：图10螺旋板式换热器3、翅片式换热器1）翅片管换热器翅片式换热器的结构特点是在管子表面上装有径向或轴向翅片。翅片的种类很多，按翅片的高度不同，可分为高翅片和低翅片两种，地翅片一般为螺纹管。高翅片适用于管内、外对流传热系数相差较大的场合，现已广泛的应用于空气冷化工原理课程设计11却器长，地翅片适用于两流体的对流传热系数不太大的场合，如对粘度较大液体的加热或冷却等。2）板翅式换热器板翅式换热器的主要优点是：总传热系数高，传热效果好；结构紧凑；轻巧牢固；适应性强，操作范围广。主要缺点是：由于设备流到很小，故易堵塞，而且增大了压强降；换热器一旦结垢，清洗和检修很困难，所以处理的物料应较洁净或预先进行精制；由于隔板和翅片都有薄铝片制成，故要求介质对铝不发生腐蚀。4、热管换热器以热管为基本传热单元的热管传热器是一种新型的高效换热器，它是由热管束、壳体和隔板构成，冷热流体被隔板隔开。当热源对热管一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，蒸汽在压差作用下高速流动至热管的另一端，并向冷源放出潜热后凝结，冷凝液回至热端，并被再次沸腾汽化。过程如此反复循环，热量不断的从热端传至冷端。热管传热的特点是通过沸腾和气化、蒸汽流动和蒸汽冷凝三步进行。由于沸腾及冷凝的对流传热系数很大，而蒸汽的流动阻力有较小，因此热管两端的温度差很小，它特别适用于低温差的传热。热管换热器具有结构简单、使用寿命长、工作可靠、应用范围广等特点，它可用于气-气、气-液和液-液间的换热过程。其结构如下图：图11热管换热器化工原理课程设计12图12热管示意图第二章设计方案简介2、1列管间壁式换热器的分类【见1、3、2】2、2间壁式管壳式的列管换热器【见1、3、2—1、3）】2、3管壳式换热器的设计和选型[1](278,284)管壳式换热器设计和选型的核心是计算换热器的传热面积，进而确定换热器的其他尺寸或选择换热器的型号。2、3、1管壳式换热器的型号与系列标准1）管壳式换热器的基本参数和型号：（1）基本参数管壳式换热器的基本参数包括以下几项：①公称换热面积；②公称直径；③公称压力；④换热器管长度；⑤换热管规格；⑥管程数。（2）型号表示方法管壳式换热器的型号由五部分组成：其中：1──换热器代号，G代表固定管板式，F代表浮头式；2──公称直径DN，mm；3──管程数：ⅠⅡⅣⅥ；4──公称压力PN，MPa；5──公称换热面积SN，m2。例如800mm、0.6MPa的单管程、换热面积为110m2的固定管板式换热器的型号为：化工原理课程设计13G800I-0.6-1102）管壳式换热器的系列标准为了便于对管壳式换热器进行选型，有关单位制订了系列标准。附录【2】中列入了固定管板式及浮头式换热器的部分系列标准，供设计时选用。2、3、2管壳式换热器设计时应考虑的问题1）流体流径的选择选择流程的一般原则：a.不洁净和易结垢的流体宜走