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1、环境工程原理课程设计学专院：化学与环境工程学院业：环境工程学号：122209201133姓名：指导老师：时 间:2015110 到 2015.1.17目录1 设计任务书 11.1 设计任务与操作条件11.2 具体要求11.3 设计说明书的内容 12 文件综述 23 年产 15 万吨苯冷却器的工艺设计 83.1 确定设计方案：83.2 确定流体的流动空间：83.3 计算定性温度，确定流体的物性参数：83.4 初步估算传热面积83.4.1 苯的流量及热负荷： 83.4.2 冷却水的用量： 83.4.3 平均传热温差： 93.4.4 初算传热面积： 93.5 工艺结构和尺寸93.5.1 管径和管内流
2、速：93.5.2 管程数和传热管数：103.5.3 传热管排列和分程方法：103.5.4 壳体直径：103.5.5 折流板：103.5.6 接管：103.6 核算 113.6.1 传热面积核算：113.6.2 换热器流体阻力损失：123.7 对本设计的评述123.8 换热器主要工艺结构尺寸和计算结果一览表143.9 符号说明143.10 参考文献1763.11 设备图 17-设计任务书一、设计任务与操作条件1、苯：入口温度80C,出口温度40C2、冷却介质：自来水，入口温度30C,出口温度40C3、允许压强降：不大于 100kPa4 、每年按330天计，每天24小时连续运行。表1两流体在定性温
3、度下的物性数据物性 流体、密度妝g/m3比热KJ/(婕oC)粘度mPa s导热系W/(m oC)苯836.61.8280.3810.151水996.354.1760.8520.613二、具体要求本设计要求完成以下设计及计算：1、换热器工艺设计及计算：包括物料衡算、能量衡算、工艺参数选定及其 计算；2、换热器结构设计：包括换热设备的主要结构设计及其尺寸的确定等；3、绘制换热器装配图：包括设备的各类尺寸、技术特性表等，4、编写设计说明书：作为整个设计工作的书面总结，说明书应简练、整洁 文字准确。三、设计说明书的内容（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
4、、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）设计结果汇总（7）换热器设备图1张（A4）（ 8 ）设计评述（ 9 ）参考文献二、文件综述换热器简介换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流 体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换 的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它 又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式 (包括蛇管式、套管式、管壳式等)换热器应用最普遍。列管式
5、和板式，各有优 点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备;板式则 以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。图 1.列管式换热器图 2.浮头式换热器图 3.U 型管式换热器1. 换热器的种类：换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大 类，即间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。1.1 间壁式换热器的类型：1) 夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单；但其加热面受容器壁面 限制，传热系数也不高。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装 搅拌器。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺
6、旋隔板 或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数。为补充传热面的不足，也 可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。2) 沉浸式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内 的液体中。蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。3）喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从 上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动 程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。另外，这种换
7、热器大多放置 在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增 大传热推动力的作用。因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。4）套管式换热器：套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管，并由 U 形弯头连接而 成。在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高 的流速，故传热系数较大。另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数 平均推动力较大。套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便（可根据需要 增减管段数目）。特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及 能够承受高压强的优点，在超高压生产过程（例如操作压力为 3000
8、大气压的高压 聚乙烯生产过程）中所用的换热器几乎全部是套管式。5）管壳式换热器：管壳式（又称列管式） 换热器是最典型的间壁式换热器。管壳式换热器主要有壳体，管束，管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管 束两端固定于管板上，在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动， 其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。 为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板，折流档 板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管 束，使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广 泛。流体在管内每通过
9、管束一次称为一个管程，每通过壳体一次称为一个壳程。 为提高管内流体的速度，可在两端封头内设置适当隔板，将全部管子平均分隔成 若干组。这样，流体可每次只通过部分管子而往返管束多次，称为多管程。同样， 为提高管外流速，可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间，称多壳程。 在管壳式换热器内，由于管内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如两 者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或从管板 上松脱。因此，当管束和壳体温度差超过50C时，应采取适当的温差补偿措施，消除或减小热应力。1.2 混合式换热器混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避 免了传
10、热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传 热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体 的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的 应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：1) 冷却塔(或称冷水塔)：在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的 水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电 站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这 种方法在实际工程中得到
11、了广泛的使用。2) 气体洗涤塔(或称洗涤塔)：在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中 的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷 却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为 是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且 还可对其进行加热处理。但是，它也有对水质要求高、占地面积大、水泵耗能多 等缺点：所以，目前在一般建筑中，喷淋室已不常使用或仅作为加湿设备使用。 但是，在以调节湿度为主要目的的纺织厂、卷烟厂等仍大量使用。3) 喷射式热交换器：在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成
12、很高的速度，低压流体 被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并同进入扩散管，在扩散管的出 口达到同一压力和温度后送给用户。4) 混合式冷凝器：这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝。1.3 蓄热式换热器：蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。 一般用耐火砖等砌成火格子(有时用金属波形带等)。换热分两个阶段进行。第 一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体 通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用 两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金 工业，如炼钢平炉的蓄热室。
13、也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧 室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。2. 列管式换热器设计一般要求：列管式换热器的工艺设计主要包括以下内容：1) 根据换热任务和有关要求确定设计方案；2) 初步确定换热器的结构和尺寸；3) 核算换热器的传热面积和流动阻力；4) 确定换热器的工艺结构。2.1 流体通道的选择原则：1) 不洁净和易结垢的流体宜走管程，以便于清洗管子；2) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀，而且管内也便于检 修和清洗；3) 高压流体宜走管程，以免壳体受压，并且可节省壳体金属的消耗量；4) 饱和蒸汽宜走壳程，以便于及时
14、排出冷凝液，且蒸汽较洁净，不易污染 壳程；5) 被冷却的流体宜走壳程，可利用壳体散热，增强冷却效果；6) 有毒流体宜走管程，以减少流体泄漏；7) 粘度较大或流量较小的流体宜走壳程，因流体在有折流板的壳程流动时，由于流体流向和流速不断改变，在很低的雷诺数(RevlOO)下即可达到湍流，可提高对流传热系数。但是有时在动力设备允许的条件下，将上 述流体通入多管程中也可得到较高的对流传热系数。2.2 流体两端温度的选择：若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，则不存在确定流体两端 温度的问题。若其中一流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例 如用冷水冷却一热流体，冷水的进口温度可根据当
15、地的气温条件作出估计，而其 出口温度则可根据经济核算来确定：为了节省冷水量，可使出口温度提高一些， 但是传热面积就需要增加；为了减小传热面积，则需要增加冷水量。两者是相互 矛盾的。一般来说，水源丰富的地区选用较小的温差，缺水地区选用较大的温差。 不过，工业冷却用水的出口温度一般不宜高于45C，因为工业用水中所含的部 分盐类（如CaC03、CaS04、MgC03和MgSO4等）的溶解度随温度升高而减小， 如出口温度过高，盐类析出，将形成传热性能很差的污垢，而使传热过程恶化。 如果是用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。2.3 管子的规格和排列方法：小直径管子能使单位体积的传热面积大，因而在同样体积内可布置更多的传 热面。或者说，当传热面积一定时，采用小管径可使管子长度缩短，增强传热， 易于清洗。但是减小管径将使流动阻力增加，容易积垢。对于不清洁、易结垢或 粘度较大的流体，宜采用较大的管
