化工原理课程设计

绪论

1.1换热器在工业中的应用

换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可或缺的工艺设备之一。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下大力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备足的情况下，一批具有代表性的高效换热器和强化元件诞生。随着研究的深入，工业应用取得了令人瞩目的成就，得到了大量的回报，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的表面多孔管、T型翅片管、强化冷凝的螺纹管、锯齿管等都得到了国际传热界专家的首肯，社会效益非常显著，大大缓解了能源的紧张情况。

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如加氢裂化，煤油加氢，汽油、柴油加氢和乳化油加氢装置等建设量增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大。螺纹锁紧环换热器、Ω密封环换热器、金属垫圈式换热器、蜜蜂盖板式换热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解、化肥中合成氨、聚合和天然等场合，可满足承压高达35MPa，承温达700℃的使用要求。在这些场合，换热器占有的投资占50%以上。

1.2换热器的研究现状

20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高和换热器及空冷式换热器及高温、高压换热器带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府都加大了投入资金力度。

国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工

大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、纵横管等；天津大学在流路分析法、震动等发面研究成果显著；清华大学在板片传热反方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面江苏化工学院开发出液压涨管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流管换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、Ω环高压换热器、表面蒸发空冷器、板式空冷器等一批实用价值的系列高效换热器。

1.3换热器的发展动向

换热器的传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但汽油组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更准确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000㎡，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。

各种新型、高效换热器将逐步取代现有常规产品。电厂动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其他领域得到研究和应用。

材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后预热的方向发展。

国内污垢数据基本上是20世纪60-70年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究

技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗、长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。

腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐图层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。

根据国内的发展现状，现设计一列管式换热器，以达生产要求[1]。

2设计方案

2.1选择换热器的类型

两流体温度变化情况：热流体进口温度110℃，出口温度60℃；冷流体进口温度30℃，出口温度40℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这以因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用浮头式列管换热器。该换热器的优点是在相同的壳体直径下，布管数多，换热面积增加。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄漏情况，因此在安装时要特别注意器密封。

2.2流程安排

从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，循环冷却水走壳程。但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的传热能力下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，混合气体走壳程。