化工原理课程设计

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分隔符。列管式换热器的工艺设计。

通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。

1）完成列管式换热器的工艺设计计算。

2）完成辅助设备的工艺计算及选型。

3）用cad绘制工艺流程图及换热器工艺条件图各一张。

4）编写设计说明书。

1.6，2.0，2.4，2.6)×104吨/年煤油。

列管式换热器。

煤油：入口温度：待定℃）出口温度：待定℃

冷却介质：自来水，入口温度：待定℃，出口温度：待定0℃

允许压强降：不大于105pa

每年按330天计，每天24小时连续运行。

设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。

换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。

换热器的主要结构尺寸设计。

主要辅助设备选型。

绘制换热器**配图。

1）目录；

2）设计题目及原始数据(任务书)；

3）论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择；

4）换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等)；

5）设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等)；

6）主体设备设计计算及说明；

7）主要零件的强度计算（选做）；

8）附属设备的选择（选做）；

9）参考文献；

10）后记及其它。

用594×841图纸绘制换热器一张：一主视图，一俯视图，一剖面图，两个局部放大图。

1）设计列管式换热器时，通常都应选用标准型号的换热器，为什么？

2）为什么在化工厂使用列管式换热最广泛？

3）在列管式换热器中，壳程有挡板和没有挡板时，其对流传热系数的计算方法有何不同？

4）说明列管式换热器的选型计算步骤？

5）在换热过程中，冷却剂的进出口温度是按什么原则确定的？

6）说明常用换热管的标准规格（批管径和管长）。

7）列管式换热器中，两流体的流动方向是如何确定的？比较其优缺点？

1）列管式换热器基本型式的选择

2）冷却剂的进出口温度的确定原则

3）流体流向的选择

4）流体流速的选择

5）管子的规格及排列方法

6）管程数和壳程数的确定

7）挡板的型式。

管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备，它具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，用材广泛，清洗方便，适应性强等优点，应用最为广泛。管壳式换热器根据结构特点分为以下几种：

固定管板式换热器。

固定管板式换热器两端的管板与壳体连在一起，这类换热器结构简单，**低廉，但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于50℃且壳方流体较清洁及不易结垢的物料。

带有膨胀节的固定管板式换热器，其膨胀节的弹性变形可减小温差应力，这种补偿方法适用于两流体温差小于70℃且壳方流体压强不高于600kpa的情况。

浮头式换热器。

浮头式换热器的管板有一个不与外壳连接，该端被称为浮头，管束连同浮头可以自由伸缩，而与外壳的膨胀无关。浮头式换热器的管束可以拉出，便于清洗和检修，适用于两流体温差较大的各种物料的换热，应用极为普遍，但结构复杂，造价高。

填料涵式换热器。

填料涵式换热器管束一端可以自由膨胀，与浮头式换热器相比，结构简单，造价低，但壳程流体有外漏的可能性，因此壳程不能处理易燃，易爆的流体。

蛇管式换热器是管式换热器中结构最简单，操作最方便的一种换热设备，通常按照换热方式不同，将蛇管式换热器分为沉浸式和喷淋式两类。

套管式换热器是由两种不同直径的直管套在一起组成同心套管，其内管用u型时管顺次连接，外管与外管互相连接而成，其优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当地选择管内、外径，可使流体的流速增大，两种流体呈逆流流动，有利于传热。此换热器适用于高温，高压及小流量流体间的换热。

在进行换热器设计时，换热器各种零、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性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。

一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切关系。

一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。

1）碳钢 **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合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。

2）不锈钢

奥氏体系不锈钢以1crl8ni9ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。

正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。

2）管板管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。管板与管子的连接可胀接或焊接。胀接法是利用胀管器将管子扩胀，产生显著的塑性变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封紧固的目的。

胀接法一般用在管子为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力不超过4 mpa，设计温度不超过350℃的场合。

3）封头和管箱

封头和管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。

封头当壳体直径较小时常采用封头。接管和封头可用法兰或螺纹连接，封头与壳体之间用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。

管箱换热器管内流体进出口的空间称为管箱，壳径较大的换热器大多采用管箱结构。由于清洗、检修管子时需拆下管箱，因此管箱结构应便于装拆。

分程隔板当需要的换热面很大时，可采用多管程换热器。对于多管程换热器，在管箱内应设分程隔板，将管束分为顺次串接的若干组，各组管子数目大致相等。这样可提高介质流速，增强传热。

管程多者可达16程，常用的有程。在布置时应尽量使管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，同时应严防分程隔板的泄漏，以防止流体的短路。

1)换热效率高，热损失小。

在最好的工况条件下，换热系数可以达到6000w/m2k,在一般的工况条件下，换热系数也可以在3000～4000w/m2k左右，是管壳式换热器的3～5倍。设备本身不存在旁路，所有通过设备的流体都能在板片波纹的作用下形成湍流，进行充分的换热。完成同一项换热过程，板式换热器的换热面积仅为管壳式的1/3～1/4。

2)占地面积小重量轻。

除设备本身体积外，不需要预留额外的检修和安装空间。换热所用板片的厚度仅为0.6～0.8mm。同样的换热效果，板式换热器比管壳式换热器的占地面积和重量要少五分之四。

3)污垢系数低。

流体在板片间剧烈翻腾形成湍流，优秀的板片设计避免了死区的存在，使得杂质不易在通道中沉积堵塞，保证了良好的换热效果。

4)检修、清洗方便。

换热板片通过夹紧螺柱的夹紧力组装在一起，当检修、清洗时，仅需松开夹紧螺柱即可卸下板片进行冲刷清洗。

5)产品适用面广。

设备最高耐温可达180℃,耐压2.0mpa,特别适应各种工艺过程中的加热、冷却、热**、冷凝以及单元设备食品消毒等方面，在低品位热能**方面，具有明显的经济效益。各类材料的换热板片也可适应工况对腐蚀性的要求。

当然板式换热器也存在一定的缺点，比如工作压力和工作温度不是很高，限制了其在较为复杂工况中的使用。同时由于板片通道较小，也不适宜用于杂质较多，颗粒较大的介质。

介质流经传热管内的通道部分称为管程。

换热管布置和排列间距

常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm(1crl8ni9ti)、ф25×2.5 mm(碳钢10)。小直径的管子可以承受更大的压力，而且管壁较薄；同时，对于相同的壳径，可排列较多的管子，因此单位体积的传热面积更大，单位传热面积的金属耗量更少。

换热管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。

（a）（b）（c）

de）图 1-4 换热管在管板上的排列方式。

a) 正方形直列（b）正方形错列 (c) 三角形直列

d）三角形错列（e）同心圆排列

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