周伟化工原理课程设计

化工原理课程设计

2013年 06 月

摘要

换热器的应用贯彻化工生产过程的始终，换热器换热效果的好坏直接影响化工生产的质量和生产效益。

所以换热器是非常重要的化工生产设备,在化工领域中，它扮演着主力军的身份，它是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备，在化工设备中占大约50%以上的比重。

既然换热器在化工生产中扮演如此重要的角色，那么如何设计出换热效果好，设备健全合理，三废排放量更低，能源利用率更高，经济效益高的换热器是我们从事化工行业工作人员刻不容缓的职责。

为了完成25000 kg/h煤油的生产任务，设计换热器的总体思路：在正常的生产过程中，利用塔底的釜残液作为加热介质在塔底冷却器中进行第一次预热，然后用少量的水蒸汽便可在预热器中使原料液达到预期的温度进入精馏塔中。塔顶煤油蒸汽经过全凝器，利用循环冷却水作为冷却介质使酒精蒸汽转为液体。最后，在塔顶冷却器中再次用冷却水使其降到40℃输送到储装罐中。

关键词：冷却器；再沸器；全凝器；对流传热系数；列管式换热器

目录

第一章前言 (1)

第二章方案设计说明 (2)

2.1 换热器的选型 (2)

2.1.1 换热器的分类 (2)

2.1.2 间壁式换热器 (2)

2.1.3 管壳式换热器 (2)

2.1.4 换热器的选型 (2)

2.2 材质的选择 (3)

2.3 换热器其他结构设计 (3)

2.3.1 管程机构 (3)

2.3.2 壳程结构 (3)

2.3.3换热器材质的选择 (4)

第三章列管式换热器的设计计算 (5)

3.1 确定设计方案 (5)

3.1.1 选择换热器类型 (5)

3.3.2 流动空间及流苏确定 (5)

3.2 确定物性参数 (5)

3.3 计算总传热系数 (6)

3.3.1 热流量 (6)

3.3.2 平均传热温差 (6)

3.3.3 冷却水用量 (6)

3.3.4 总传热系数 (6)

3.4 计算传热面积 (7)

3.5 工艺结构尺寸 (7)

3.5.1 管径和管内流速 (7)

3.5.2 管程数和传热管数 (7)

3.5.3 平均传热温差校正及壳程 (8)

3.5.4 传热管排列和分程方法 (8)

3.5.5 壳体内径 (9)

3.6.6 折流板 (9)

3.5.7 接管 (9)

3.6 换热器核算 (10)

3.6.1 热量核算 (10)

3.6.2 换热器内流体的流动阻力 (11)

第四章计算结果一览表 (13)

结论 (14)

参文文献 (15)

附录1 油冷却器的设计任务书 (16)

附录2 符号说明 (17)

第1章前言

化工原理课程设计，是将所学的化工原理理论知识联系实际生产的重要环节。一方面，它要求综合运用物理，化学，化工原理，工程制图的理论知识，确定生产工艺流程和计算设备的尺寸；另一方面，又要求根据设计对象的具体特征，凭借设计者的经验（或借鉴前人的经验），灵活运用设计的诀窍，对所选设备，工艺过程以及各种参数进行合理的筛选，校正和优化，达到经济合理的生产要求。

工业生产过程，两种物料之间的热交换一般是通过热交换器完成的，所以换热器的设计就显的尤为重要。换热器的设计，首先应根据工艺要求确定换热系统的流程方案并选用适当类型的换热器，确定所选换热器中流体的流动空间及流速等参数，同时计算完成给定生产任务所在地需的传热面积，并确定换热器的工艺尺寸且根据实际流体的腐蚀性确定换热器的材料，根据换热器内的压力来确定其壁厚。

第2章设计方案说明

2.1 换热器的选型

2.1.1换热器的分类

换热器是化工，炼油工业中普遍应用的工艺设备，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传给低温流体。根据传热方式可分为混合式换热器，蓄热式换热器，和间壁式换热器，其中间壁式换热器是工业中应用最为广泛的一类。其主要特点为：冷热流体被一固体间壁隔开，通过壁面进行转热。考虑到间壁式换热器设计技术比较成熟，而且国家在该类换热器的设计，制造，检验和验收等方面已有较为完善的设设计资料和系列化标准，因此选择间壁式换热器。

2.1.2间壁式换热器

按照传热面的形状和结构特点，间壁式换热器又可细分为管式换热器，如套管式，螺旋管式，管壳式，热管式；板面式换热器，如板式，螺旋式，板壳式等；扩展面式换热器，如板翅式，管翅式，强化的传热管等。在管式换热器中，管壳式换热器是应用最广泛的一种，该类换热器结构相对简单，造价不高，壳选用多种结构材料，管内清洗方便，处理量大，在高温条件下也能应用。考虑其诸上优点，以及生产任务均符合管式换热器的要求，选择管壳式换热器。

2.1.3管壳式换热器

主要种类有：固定管板式，浮头式，U形管式。

固定管板式换热器，管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体连接，与其他形式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程。制造成本低，由于不存在弯管部分，管内不易集聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。为减少温差应力，壳在壳体上安装膨胀节，利用膨胀节在外力作用下中产生较大的变形能力来降低管束与壳体中的温差应力。

2.1.4换热器的选型

本次生产设计要求中，两流体温度变化情况：热流体进口温度120℃，出口温度40℃；冷流体（循环水）进口温度28℃，出口温度38℃。该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，因此初步确定选用带膨胀节的固定管板式换热器。

固定管板式换热器两端管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单、价格低廉、管子里面易清洗。

2.2材质的选择

换热器的设计时，换热器的各种零件，部件的材料应根据设备的操作压力，操作温度，流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺要求来选取。换热器的常用材料有：碳钢和不锈钢。

碳钢，价格低强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是比较合理的，如一般换热器的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号。

不锈钢，以1Cr18Ni9为代表，它是标准的18-8奥体式不锈钢，有稳定的奥体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

据生产要求，冷热流体分别为水合煤油，均无腐蚀性化学性质比较稳定，以及生产经济合理，选择碳钢作为换热器的材料。

2.3 换热器其他结构的选择

2.3.1管程结构

换热管的布置和排列间距：常用的换热管有φ19⨯2mm, φ25⨯2mm, φ25⨯2.5mm。因选择的为碳钢10，故可选择换φ25⨯2.5mm换热管径。热管板上的排列方式有正方形直列，正方形错列，三角形直列，三角形错列和同心圆排列。正三角形排列结构紧凑，我国换热器系列中，固定板式多采用正三角形排列。管间距与管外径的壁纸，焊接时为1.25，胀接时1.3 至1.5。

2.3.2 壳程结构

壳体：直径小于400mm的壳体通常用钢管制成，壳体大于400mm的壳用钢板卷焊而成。折流板：常用的为圆形折流板，切缺率通常为20% 至50%。垂直圆缺