化工原理课程设计报告(换热器)

《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：

（3） 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：

（4）填料函式换热器

这类换热器管束一端可以自由膨胀，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℃。T

m -t

m

=80+4025+31

-=32

22

℃<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： 602

40

80=+=

m T ℃ 水的定性温度： 5.372

40

35=+=

m t ℃ 两流体的温差： 5.225.3760=-=+m m t T ℃

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

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： 80 40 冷却水： 40 35 △t 40 5 计算R 和P ：

由R 、P 值，查教材图4-19（a ），85.0=Φ∆t 所以C t t m t m 28.148.1685.0，=⨯=∆Φ=∆∆

又因为0.85>8.0，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，对于黏度低于0.5x10-3 Pa ·s 和水体系，可取K=480)/(C m W ⋅，则24428

.14480301736

m t K Q S m =⨯=∆=

。 初选换热器型号

由于两流体温差<50℃，可选固定管板式换热器。由固定管板式换热器的系