化工原理课程设计报告(换热器)

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1、《化工原理课程设计任务书》（1）一、设计题目：设计一台换热器二、操作条件：1.苯：入口温度80℃，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50kPa。4.每年按300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：1.99000吨/年苯五、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工艺尺寸的设计。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。一、选定管壳式换热器的种类和工艺流程1.选定管壳式换热器的种类管壳式换热器是目前化

2、工生产中应用最广泛的传热设备。与其他种类的换热器相比，其主要优点是：单位体积具有的传热面积较大以及传热效果较好；此外，结构简单，制造的材料范围较广，操作弹性也较大等。因此在高压高温和大型装置上多采用管壳式换热器。管壳式换热器中，由于两流体的温度不同，管束和壳体的温度也不相同，因此他们的热膨胀程度也有差别。若两流体的温度差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。根据热补偿方法的不同，管壳式换热器有下面几种形式。（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

3、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。通常在管外装置一些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

4、如下图所示：（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：（1）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：（2）填料函式换热器这类换热器管束一端可以

5、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：由设计书的要求进行分析:一般来说，设计时冷却水两端温度差可取为5℃~10℃。缺水地区选用较大的温度差，水资源丰富地区选用较小的温度差。青海是“中华水塔”，水资源相对丰富，故选择冷却水较小的温度差6℃，即冷却水的出口温度为31℃。Tm-tm=℃<50℃，且允许压强降不大于50kPa，可选择固定管板式换热器。2.工艺流程图主要说明：由于循环冷却水较易结垢，为便于水垢清洗，所以选定循环水走管程，苯走壳程。如图所示，苯经泵抽上来，经加水器加热后，再经管道从接管C

6、进入换热器壳程；冷却水则由泵抽上来经管道从接管A进入换热器管程。两物质在换热器中进行换热，苯从80℃被冷却至40℃之后，由接管D流出；循环冷却水则从25℃变为31℃，由接管B流出。二、管壳式换热器的工艺计算和主要工艺尺寸的设计1.估算传热面积，初选换热器型号（1）基本物理性质数据的查取冷却介质为循环水，取入口温度为：35℃，出口温度为：40℃苯的定性温度：℃水的定性温度：℃两流体的温差：℃根据《化学工程手册》.化工基础数据.化学工业出版社分别查得在此条件苯和水的物性为：物性流体密度比热容粘度/Pa·s导热系数苯829.31.9750.4540.127水993.24.1740.7050

7、.628（2）热负荷计算冷却水流量（3）确定流体的流径该设计任务的热流体是苯，冷流体为水，本换热器处理的是两流体均不发生相变的传热过程，为使苯通过壳壁面向空气中散热，提高冷却效果，且水易结垢，令苯走壳程，水走管程。（4）计算平均温差暂按单壳双管程考虑，先求逆流时平均温差。苯：8040冷却水：4035△t405计算R和P：由R、P值，查教材图4-19（a），所以又因为0.85>，故可选用单壳程的列管换热器（5）选K值，估计传热面积。参考附录相关资料，对于黏度