化工原理课程设计

设计题目年产690吨丙酮吸换热器设计。

专业班级化工2010级2班

学生姓名杨瑞。

学生学号 100702021

指导教师任根宽张燕

2024年 6月 8日

该设计题目要求分离含5%（质量分数）的丙酮的混合空气，丙酮纯度达到99%。要达到该要求，可以采用吸收塔吸收丙酮，然后精馏出纯度较高的丙酮，此法要求设备较多，操作复杂，设备投资和操作投资较大。另外经过查阅资料，显示丙酮跟空气物性参数差距较大，根据丙酮沸点与空气相差很大，可以采用冷凝的方法将其分离开来，即使用换热器对混合气体进行降温。

此法相对其他设计方案，较简单，设备投资和操作费用较小。因此该设计选择采用换热器达到设计要求。

合理地实现所规定的工艺条件传热量、流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下：

增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。

提高平均温差。对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。

在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。

妥善布置传热面。例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。

如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。

换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。

1.1.3 安装、操作与维修。

直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。

1.1.4 经济性。

评价换热器的最终指标是在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一最适宜的流速。

传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一最适宜的运行周期。

严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。

在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。

在食品、化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。

随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。

换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。

列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

在列管式换热器中，管束的表面积即为该换热器所具有的传热面积。当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的传热膜系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，即采用多管程结构。其方法是在封头内装设隔板，在一端的封头内装设一块隔板，便成二管程；在进口端装两块挡板，另一端装一块隔板，便成四管程；如此，还可以设置其他多管程，但过多使流体阻力增大，隔板占有分布管面积，而使传热面积减小。

列管换热器主要特点：

1) 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。

2) 耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，一般使用温度可达110-125℃。

3) 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。

4) 重量轻：对设备安装维修极为方便。

按形式分为固定管板式、浮头式、u型管式换热器、填料函式换热器。固定1.3.1 固定管板式。

图一固定管板式。

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。通常在管外装置一系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，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，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。一般壳程压强超过0.

7mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

图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”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。

结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。

缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。

适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。

图3u行管式换热器。

u形管式换热器，每根管子都弯成u形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。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。

优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。

填料函式换热器的结构如图4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。

填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

缺点：填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。

图4填料函式换热器。

在本次设计任务中，两流体温度变化情况为：热流体（含丙酮的混合空气）进口温度25℃，出口温度-38℃；冷流体(质量分数为29.4%的氯化钙溶液)进口温度-50℃，出口温度-38℃。

该换热器用氯化钙溶液作为冷却介质，受环境影响，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，管束与管壳之间的温差较大会产生不同热膨胀，并且压强降不大于50kpa，因此初步确定选用固定管板式换热器。

对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点：

1、不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。

2、腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

3、压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

4、饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

5、被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

6、需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

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