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。

3 工艺计算3.1 估算传热面积3.1.1热流量 依据式m p q c t Φ=∆有70227800/10431()om p m p q c q c t k J h k W Φ=Φ=∆=⨯3.297⨯(110-60)=3.76⨯10=(3.1)3.1.2平均传热温差 先按纯逆流计算，依式1212ln m t t t t t ∆-∆∆=∆∆得1212(11040)(6030)47.2()11040lnln 6030m t t t k t t ∆-∆---∆===∆--∆ (3.2)3.1.3传热面积由于壳程气体的压力较高，故可选取较大的K 值。

假设2325/()K W m K =∙则估算的传热面积为321043110680()32547.2p mA m K t Φ⨯===∆⨯ (3.3)3.1.4冷却水用量 依式,,h m c p c cq c t Φ=∆得3,31043110249.9(/)899655(/)4.174m c pi iq kg s kg h c t Φ⨯====∆⨯10⨯(40-30)(3.4)3.2工艺结构尺寸3.2.1管径和管内流速选用25 2.5∅⨯较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速 1.4/i u m s =。

3.2.2管程数和传热管数 依式24Vi q n d uπ=可依据传热管内经和流速确定单程传热管数22249.9/994.3571.75720.7850.02 1.44vs i q n d uπ===≈⨯⨯（根）(3.5) 按单程管计算，所需的传热管长度为 068015()3.140.025psA L m d n π===⨯⨯572(3.6)按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。

根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长7l m =，则该换热器的管程数为1527P L N l ==≈（管程） (3.7)传热管总根数57221144T N =⨯=（根） (3.8)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按式1221=T T R t t -=-热流体的温降冷流体的温升和式2111=t t P T t -=-冷流体的温升两流体最初温差有1221106054030T T R t t--===-- (3.9)211140300.12511030t t P T t --===-- (3.10)按单壳程，双管程结构，0.96t ∆ε=平均传热温差=0.9647.2=45.31m t m t t ∆∆=ε∆⨯塑（℃） (3.11) 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。

3.2.4热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。

见图3.1。

图3.1管的排列取管心距01.25t d =，则1.252531.2532()t mm =⨯=≈ (3.12) 隔板中心到离其最近一排管中心距离按式6()2t s mm =+计算326622()22t s m m =+=+= (3.13)各程相邻管的管心距为44mm 。

每程各有传热管572根。

3.2.5壳体内经采用多管程结构，壳体内径可按b =η=0.75，则壳体内径为326622()22t s m m =+=+= (3.14)按卷制壳体的进级挡，可取1350D m m =。

3.2.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内经的25%，则切去的圆缺高度为326622()22t s m m =+=+= (3.15)可取350h m m =。

取折流板间距 0.3B D = ，则0.31350405()B mm =⨯= (3.16) 取400B m m =。

折流板数B N 7000-1=-1=16.516400B N =≈传热管长（块）折流板间距(3.17) 折流板圆缺面水平配置。

3.2.7其他附件拉杆数量与直径按表3.1和表3.2选取，本换热器传热管外径为25mm ，其拉杆直径为16mm ，共有8根拉杆。

壳程入口处，应设置防冲挡板[2]。

表3.1拉杆直径/mm换热器外管 10 14 19 25 32 38 45 57 拉杆直径 10 12 12 16 16 16 16 16表3.2拉杆数量/mm10 4 6 10 12 16 18 24 12 4 4 8 10 12 14 18 16 4 4 6 6 8 10 123.2.8接管壳程流体进出口接管：取接管内气体流速为110/u m s =，则接管内经为10.299()D m === (3.18)圆整后可取管内径为300m m 。

管程流体进出口接管:取接管内液体流速2 2.7/u m s =，则接管内经为20.344()D m == (3.19)圆整后取管内径为350m m 。