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1、化工原理课程设计化工原理课程设计-用水冷却氯苯换热器设计用水冷却氯苯换热器设计成绩 东南大学成贤学院 题 目 用水冷却氯苯换热器设计 课 程 名 称 化工原理 专 业 化学工程与工艺 班 级 11化工 2班 学 生 姓 名 张冬燕 学 号 06111205 设 计 地 点 成贤院 315 指 导 教 师 姚刚 设计起止时间:2013年9月2日至2013年9月13日 1 目录 1.1.换热器设计任务书。错误未定义书签。3- 1.2(换热器的结构形式。3 1.3管板式换热器的优点。错误- 未定义书签。41.4列管式换热器的结构。错误未定义书签。5- 1.6管板式换热器的类型及工作原理。错误未定义书
2、签。6- 1.7确定设计方案。错误未定义书签。7- 2.1设计参数。7 2.2核算总传热系数。7 2.3核算压力降 。错误未定义书签。10- 2.4换热器主要结构尺寸和计算结果。9 2.5 换热器结构图。9 2.6管板分布图。9 2.7结束语。9 2.8参考文献。9 2 1.1课程设计任务书 一、 设计题目:水冷却氯苯换热器的设计 二、 操作条件: 1. 氯苯:入口温度120?，出口温度25?。 2. 冷却介质:循环水，入口温度20?。 5 3. 允许压强降:不大于110Pa。 4. 每年按330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:学号，40万吨/年 五
3、、 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的工艺尺寸设计 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。 1.2换热器的结构形式 1.管壳式换热器 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: (1) 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，价格低廉，3 但管外清洗困难，宜处理两流体温差小于
4、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。 (2) 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。 (3) 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。 2.蛇管式换热
5、器 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。 3.套管式换热器 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。 1.3管板式换热器的优点 (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3000,400
6、0 W/ 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。 4 (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
7、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、热回收、冷凝以及单元设备食品消毒等方面, 在低品位热能回收方面, 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。 1.4列管式换热器的结构 介质流经传热管内的通道部分称为管程。 (1)换热管布置和排列间距 常用换热管规格有192
8、 mm、252 mm(1Crl8Ni9Ti)、252.5 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) (D) (E) 5 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 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，
9、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
10、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2、4、6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。 板式换热器的类型及工作原理 1.5管板式换热器按照组装方式可以分为可拆式、焊接式、钎焊式等形式;按照换热板片的波纹可以分为人字波、平直波、球形波等形式; 按照
11、密封垫可以分为粘结式和搭扣式。各种形式进行组合可以满足不同的工况需求,在使用中更有针对性。比如同样是人字形波纹的板片还因采用粘结式还是搭扣式密封垫而有所不同, 采用搭扣式密封垫可以有效的避免胶水中可能含有的氯离子对板片的腐蚀, 并且设备拆装更加方便。又如焊接式6 板式换热器的耐温耐压明显好于可拆式板式换热器, 可以达到250 ?、2. 5MPa 。因此同样是板式换热器, 因其形式的多样性,可以应用于较为广泛的领域,在大多数热交换工艺过程都可以使用。 虽然板式换热器有多种形式, 但其工作原理大致相同。板式换热器主要是通过外力将换热板片夹紧组装在一起, 介质通过换热板片上的通孔在板片表面进行流动,
12、 在板片波纹的作用下形成激烈的湍流, 犹如用筷子搅动杯中的热水, 加大了换热的面积。冷热介质分别在换热板片的两侧流动,湍流形成的大量换热面与板片接触, 通过板片来进行充分的热传递,达到最终的换热效果。冷热介质的隔离主要通过密封垫的分割, 或者通过大量的焊缝来保证, 在换热板片不开裂穿孔的情况下, 冷热介质不会发生混淆。 1.6确定设计方案 1选择换热器的类型 两流体温的变化情况:热流体进口温度120? 出口温度25?;冷流体进口温度20?，出口温度为30?，该换热器用循环冷却，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大管壳两物质温度相差较大时，应该设置膨胀节，因此初步确定选用管板式换热器。 2
13、管程安排 由于氯苯的的物理化学性质，不易产生污垢，水质时间长会产生水垢，而且管程 容易清洗，壳程不易清洗，所以选择水走管程，氯苯走壳程。 2.1设计参数 120+25=72.5 氯苯的定性温度: T=? 2密度 : ,1050kg/m3 0定压比热容 : Cp,1.484kJ/kg? 0热导率 : ,0.117W/m? 0 粘度 : ,0.46mPa)s 020，30T,25:C 水的定性温度: 2密度 : ,995kg/m3 i定压比热容 : Cp,4.185kJ/kg? i热导率 : ,0.606W/ m? i粘度: ,0.923m Pa)s i7 2.2核算总传热系数 1.热流量 W=4
14、50000000/330/24/360=15.78kg/s 2.平均传热温差 TT12905,?t? ,29.4m=t190lnlnt253.冷却水用量 Q2225.20 wkgs,53.17/icpt,4.18510im4.有关参数 TT,12025tt,30201221， R,9.5P,0.1tt,3020Tt,1202021111根据R，P值，查化工原理P-280图4-19可读得，温度校正系数=0.85，t则平均温度差t=t =29.40.85=25? mmt5.按经验数值初选总传热系数K 0(估)2 选取K=540W/(m?) 0(估)6.初算出所需传热面积 3Q2225.210，20 Am,165Kt,，54025m估7.计算工艺结构尺寸 (1)管径和管内流速选用252.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速u=0.95m/s。 1
