1、化工原理課程設計年產2.876×104噸/年正戊烷冷凝器的工藝設計專業：材料化學班級：2014級指導教師：衛粉艷學號：201492104016姓名：寧思思寶雞文理學院化學化工學院二一六年十二月 目錄1性狀及用途32. 換熱器的類型及選擇32.1換熱器概述32.3流徑的選擇62.4流速的選擇72.5材質的選擇72.6管程結構73. 出料換熱器（2）設計方案的確定84. 進出口的物料狀態參數85. 工藝計算96.換熱器主要結構尺寸和計算結果151性狀及用途 正戊烷無色液體。主要用于分子篩脫附和替代氟里昂作發泡劑,用作溶劑,制造人造冰、麻醉劑,合成戊醇、異戊烷等。2. 換熱器的類型及選擇2

2、.1換熱器概述換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。由于生產規模、物料的性質、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。 按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等。根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。 間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面傳給冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。 直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互混合傳遞熱量。該

3、類換熱器結構簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱的目的。此類換熱器結構簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據結構特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板

4、式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統的標準換熱設備，在許多工業部門被大量采用。列管式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發展中得以繼續存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體內。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨脹節的固定管板式、浮頭式和U形管式等幾種類型。2.2換熱器類型的選擇列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，

5、是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差

6、別。若兩流體溫差較大（50以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。根據熱補償的不同，管殼式換熱器主要有以下幾種形式：(1) 固定管板式換熱器固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結余構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼測清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產生不同的熱膨脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發生介質的泄漏。(2)U型管換熱器U型管換熱器結構特點是只有一塊管板，換熱管為U型，管子的兩端固定在同一塊管板上，其管程至少為兩程。管束可以自由伸縮，當

7、殼體與U型環熱管由溫差時，不會產生溫差應力。U型管式換熱器的優點是結構簡單，只有一塊管板，密封面少，運行可靠；管束可以抽出，管間清洗方便。其缺點是管內清洗困難；由于管子需要一定的彎曲半徑，故管板的利用率較低；管束最內程管間距大，殼程易短路；內程管子壞了不能更換，因而報廢率較高。此外，其造價比管定管板式高10%左右。(3)浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結構特點是兩端管板之一不與外科固定連接，可在殼體內沿軸向自由伸縮，該端稱為浮頭。浮頭式換熱器的優點是黨環熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環熱管膨脹時，互不約束，不會產生溫差應力；管束可以從殼體內抽出，便與管內管間的清洗。其缺點是結構較復雜，用材量大，造價

8、高；浮頭蓋與浮動管板間若密封不嚴，易發生泄漏，造成兩種介質的混合。(4)填料函式換熱器填料函式換熱器的結構如圖所示。其特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。對于易燃、易爆、有毒和貴重的介質不適用。2.3流徑的選擇 在具體設計時考慮到盡量提高兩側傳熱系數較小的一個，使傳熱面兩側傳熱系數接近；在運行溫度較高的換熱器中，應盡量減少熱量損失，而對于一些制冷裝置，應盡量減少其冷量損失；管、殼

9、程的決定應做到便于清洗除垢和修理，以保證運行的可靠性。參考標準：不潔凈和易結垢的流體宜走便于清洗管子。腐蝕性的流體宜走管內，以免殼體和管子同時受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。壓強高的流體宜走管內，以免殼體受壓，其中冷卻介質循環水操作壓力高，宜走管程。飽和蒸汽宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，冷凝傳熱系數與流速關系不大。被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。需要提高流速以增大其對流傳熱系數的流體宜走管內，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re>

10、100)下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數。若兩流體的溫度差較大，傳熱膜系數較大的流體宜走殼程，因為壁溫接近傳熱膜系數較大的流體溫度，以減小管壁和殼壁的溫度差。2.4流速的選擇 由于增加流體在換熱器中的流速，將加大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增大，從而可減小換熱器的傳熱面積。但是流速增加，又使流體阻力增大，動力消耗就增多。2.5材質的選擇 列管換熱器的材料應根據操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等

11、；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。2.6管程結構 換熱管規格和排列的選擇換熱管直徑越小，換熱器單位體積的傳熱面積越大。因此，對于潔凈的流體管徑可取小些。但對于不潔凈或易結垢的流體，管徑應取得大些，以免堵塞。考慮到制造和維修的方便，加熱管的規格不宜過多。目前我國試行的系列標準規定采用25×2.5和19×2兩種規格，對一般流體是適應的。此外，還有38×2.5，57×2.5的無縫鋼管和25×2, 38×2.5的耐酸不銹鋼管。按選定的管徑和流速確定管子數目，再根據所需傳熱面積，求得管子長度。實際所取

12、管長應根據出廠的鋼管長度合理截用。我國生產的鋼管長度多為6m、9m，故系列標準中管長有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六種，其中以3m和6m更為普遍。同時，管子的長度又應與管徑相適應，一般管長與管徑之比，即L/D約為46。換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 (a) 正方形直列     （b）正方形錯列    (c) 三角形直列  （d）三角形錯列  （e）同心圓排列 正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗。對于多管程換熱器，常采用組合排列

13、方式 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。管板與管子的連接可脹接或焊接。3. 出料換熱器（2）設計方案的確定列管式換熱器主要有固定管板式、浮頭式、U型管式和填料函式。本設計中加熱劑用井水，入口溫度為32井水，出口溫度為36井水。熱物料進口溫度51.7，出口溫度51.7。由于被加熱流體走管間可以外殼向外散熱作用，為增強加熱效果，所以選熱流體走殼程，冷流體走管程。由于采用逆流操作，傳熱推動力較大，可以減少加熱水的用量及傳熱面積所以本設計采用逆流操作。列管式換熱器是目前化工生產應用最廣泛的傳熱設備，結構簡單、制造的材料范圍較廣、操作彈性也較大等。本設計中，由于Tm-tm

14、50，因此不需要考慮熱補償，故選用管殼式換熱器。4. 進出口的物料狀態參數正戊烷進出口溫度為51.7冷凝劑水的進出口溫度依次為32井水和36水5. 工藝計算5.1 換熱器的基本計算正戊烷處理量：熱負荷：出口溫度：5.1.1定性溫度及物體性質參數井水定性溫度:正戊烷定性溫度：根據定性溫度，分別查找管程和殼程流體的有關物性數據。冷流體水34下的相關物性數據密度導熱系數定壓比熱容粘度熱流體正戊烷在51.7下的相關物性數據：物 料密度/ kg/m3黏度/ mPa·s定壓比熱容Cp/ kJ/(kg·k)導熱系數/ w/(m·k)正戊烷5960.182.340.135.1.2

15、計算冷流體的用量 5.1.3 計算平均傳熱溫差假設選用單殼程，雙管程管殼式換熱器，按逆流過程其溫度為：熱流體： 51.751.7冷流體： 3632 查圖可，則： 5.1.4 估算傳熱面積根據冷流體和熱流體的具體情況，參考換熱器的傳熱系數的大致范圍（430850）,假設總傳熱系數K為：620W/（m2.K）由公式 ： 可以推出：在換熱器系列標準選定F400-1.0-32.5型換熱器，有關參數表2。表2.選定冷凝器的性能參數參數名稱參數參數名稱參數殼徑，mm公稱壓強，MPa公稱面積，m2管程數折流擋板數管程流通面積，m24001.032.52290.0148管子尺寸管長，m管子總數管子排列方式管心

16、距，mm中心排管數25×2.5mm4.594正方形斜轉45°3212則實際傳熱面積: 5.1.5其他附件1.封頭根據選取的換熱器型號確定封頭選用圓形。2.防沖擋板為了防止殼程進口處流體直接沖擊傳熱管，產生沖蝕，在殼程物料進口處設置防沖擋板。3.折流板采用圓缺形擋板弓形折流板, 取弓形折流板圓缺高度為：取折流板間距為:B=150mm折流板數為： 4.接管管程流體的出口接管：取接管內水的流速為：圓整后可取管內徑為：120mm（2）殼程流體的出口接管：圓整后可取管內徑為：70mm5.2 核算壓強降5.2.1 管程壓強降 其中， , 管程流通面積： 管程流速為 管程雷諾數為：（湍流）對于碳鋼管，管壁粗糙度 ，。由關系圖中查的：，所以： 由于 ，故管程壓強降能滿足要求。5.2.2 殼程壓強降 其中 對于正方形斜轉45排列：F=0.4，當Re0>500時，殼程流通面積為： 殼程流速為： 殼程雷諾數： 則故殼程壓強降能夠滿足要求。5.3 核算總傳熱系數5.3.1 管程對流傳熱系數 （湍流） 則 5.3.2 殼程對流傳熱系數假設溫差12 （湍流）假設=12 那么 計算 與假設相近。假設成立5.3.3 污垢熱阻參考附錄，可得：管內側污垢熱阻：管外側污垢熱阻：列管管壁導熱系數；5.3.