【正文】 關。 接管尺寸計算 為所選用的換熱器選擇接管。否則需另設 K 選 值，重復以上計算步驟。 核算總傳熱系數 計算管程、殼程對流傳熱系數，確定污垢熱阻，在計算總傳熱系數 K 計 。 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 10 第 2 章 列管換熱器的設計計 算 設計計算步驟 系統物料衡算 根據產量要求，計算換熱系統的原料量、產品量，再進一步確定所需計算的換熱器，逐步進行換熱器的選用。采用多程時，通常應使每程的管子數相等。但是程數過多，導致管程流動阻力加大，動力能耗增大，同時多程會使平均溫差下降，設計時應權衡考慮。當采用河水做冷卻水時，出口溫度一般不超過 50℃，以防止管壁過多結垢 。最適宜的冷卻水出口溫度應根據操作費與設備費之和最少來確定。 表 1 工業(yè)列管式換熱器常用的流體流速范圍 液體的種類 一般液體 易結垢液體 氣體 流速 m／ s 管程 － 3 ＞ 1 5－ 30 殼程 － ＞ 3－ 15 流體出口溫度的確定 在換熱器的設計中，被處理物料的進 出口溫度由工藝要求確定；加熱劑或冷卻劑的進口溫度，一般由來源而定，但它的出口溫度則應由社記者根據經濟核算來確定，例如：用冷卻水作某物料冷卻劑時，在一定熱符合條件下，選用較高的冷水出口溫度，可節(jié)省材料，但傳熱的平均溫差減小，傳熱面積加大。 因此，應選擇適當流速。 流體流速的選擇 提高 流體 在換熱器中的流速，將 增 大對流傳熱系數，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數增 加 ， 所需傳熱面積 減小 ，設備費用降低 。 3 、 清洗方便 不潔凈的或易結垢的流體宜走管程，便于清洗管子。 （ 2）待冷卻的流體宜走殼程，便于傳熱。影響選擇結果的因素很多，主要從以下三方面考慮： 傳熱效果 （ 1）粘度大的流體或流量小的流體宜走管程。這次設計中的原料預熱器和塔頂全凝器的殼程走的是蒸汽所以不安裝折流板。 列管式換熱器折流板的作用是；增強流體在管間流動的湍流程度；增大傳熱系數；提高傳熱效率。直徑小于 400mm 的殼體通常用鋼管制成，大于 400mm 的用鋼板卷焊而成。 殼程結構 殼程內的結構，主要由折流板、支承 板、縱向隔板及緩沖板等元件組成。壓力較低時可采用平蓋，壓力較高時則采用凸形蓋，用法蘭與管板連接。 封頭、管箱的確定 列管式換熱器管箱即換熱器的端蓋，也叫分配室。 管板與管子的連接可脹接，焊接和脹焊并用。列管式換熱器管板是用來固定管束連接殼體和端蓋的 一個圓形厚板，它的受力關系比較復雜。 本次設計選擇正三角形的排列方式。 A B C 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 7 D E (A) 正方形直列 （ B）正方形錯列 (C) 三角形直列 （ D）三角形錯列 （ E）同心圓排列 正三角形排列結構緊湊；正方形排列便于機械清洗；同心圓排列用于小殼徑換熱器，外圓管布管均勻，結構更為緊湊。本次設計采用ф 25 mm 碳鋼管。 在管程結垢不很嚴重以及允許壓力降較高的情況下，采用ф 19mm 2mm 直徑的管子更為合理。 換熱管布置和排列間距 管束的多少和長短由傳熱面積的大小和換熱器結構來決定，它的材質選擇主要考慮傳熱 效果、耐腐蝕性能、可焊性等。 固定管板式換熱器主要分為管程和殼程兩大部分。固定管板式換熱器最容易出現的故障就是管子和管板連接部分泄漏、串液、壓降大。 根據制定的流程方案，可選擇 帶補償圈的和不帶補償圈的 固定管板式換熱器，此類換熱器的結構簡單，價格低廉，宜處理兩流 體溫差 50℃到 70℃且殼方流體較清潔及不宜結垢的物料，流體壓強不高于 600Kpa的情況。在具體選型時，我們需要抓住實際工況下最重要的影響因素或者說是所需換熱器要滿足的最主要目的，解決主要矛盾。 換熱器類型的選擇 對于所選擇的換熱器，應盡量滿足以下要求：具有較高的傳熱效率、較低的壓力降；重量輕且能承受操作壓力； 可靠 長的使用壽命；產品質量高，操作安全可靠；所使用的材料與過程流體相容；設計計算方便，制造簡單，安裝容易，易于維護與維修。 填料涵式換熱器 這類換熱器管束一端可以自由膨脹，結構比浮頭式簡單，造價也比浮頭式低。 浮頭式換熱器 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 5 浮頭式換熱器的管板有一個不與 外殼連接，該端被稱為浮頭，管束連同浮頭可以自由伸縮，而與外殼的膨脹無關。但補償裝置 (膨脹節(jié) )只能用在殼壁與管壁溫差低于 60～ 70℃ 和殼程流體壓強不高的情況。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。 固定管板式換熱器 這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，但管外不能機械清洗。由于列管式換熱器管束與殼體內通過流體的溫度不同，會引起管束與殼體熱膨脹程度的差異，若兩側流體的溫度差較大時，就可能由于熱應力二引起管子彎曲或使管子從管板上拉托，因此，必須考慮熱補償。 換熱器設計方案的確定 換熱器的類型 原料液 原料液預熱器 再沸器 精餾塔 分配器 釡液貯罐 冷卻器 塔頂冷凝器 預熱 器器 產品貯罐 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 4 列管式換熱器的結構簡單、牢固，操作彈性大，應用材料廣，歷史悠久，設計資料完善，并已有系列化標準，特別是在高溫、高壓和大型換熱設備中占絕對優(yōu)勢。 本次換熱系統為精餾系統的換熱設備，包括原料預熱器，塔頂全凝器，塔頂產品冷卻器，塔底再沸器，塔底殘液冷卻器。 換熱系統流程方案的設計 進行換熱器的設計，首先應根據工藝要求確定換熱系統的流程方框圖并選用適當類型的換熱器，確定所選換熱器中流體的流動空間及流速等參數，同時計算完成給定生產任務所在地需的傳熱面積，并確定換熱器的工藝尺寸。 ξ —— 阻力系數，列管換熱器管內ξ =3 BN —— 折流擋板數目； 0u —— 按殼程流通面積 So計算的流速， m/s 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 3 第 1 章 確定設計方案 設計設備在生產 中的作用 換熱器是化工、石油、動力、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備，是必不可少的單元設備，在生產中占有很重要的地位。 do、 di 、 dm—— 分別為換熱器列管的外徑、內徑及平均直徑 ,m； b—— 列管管壁厚度 , m； k一列管管壁的導熱系數， w／ (m —— 基于換熱器外表面積的總傳熱系數， w／ ((m2．℃ )； i? O? —— 基于管內及管外的對流傳熱系數， w／ (m2℃ )； T —— 熱流體的溫度，℃； t —— 冷流體的溫度，℃； r —— 飽和蒸汽的冷凝潛熱， kJ／ kg。 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 2 符號說明 Q—— 傳熱速率 (即熱負荷 )， W； K—— 總傳熱系數， W／ (m2．℃ )； S—— 與 K值對應的換熱器傳熱面積， m2； Δ tm—— 平均溫度差，℃。 列管換熱器的應用已有悠久的歷史，在很多工業(yè)部門中，列管換熱器仍處于主導地位。 工業(yè)生產中過程中，兩種 物流之間熱的交換通過換熱器實現。 此次設計參考了較多的文獻資料，結合實際生成需求采用了科學嚴謹的計算方法和精確嚴密的計算步驟，設計出了較符合生成需求，經濟實惠，安全可靠，操作簡便，易于清洗、維修的列管換熱器。 本次設計任務是年 產 萬 噸酒精精餾系統換熱器設計，其中包括了生產工藝流程中四個換熱器 ：原料預熱器、塔頂全凝器、塔頂冷卻器、塔底冷卻器。 換熱器伴隨工業(yè)生產的始終，其效果的好壞直接影響工業(yè)生產的質量和生產效益，為了完成年產 噸酒精的生產任務并節(jié)約能源，減少對環(huán)境的污染，本次換熱器設計的思路為用塔底釜殘液的熱量來先加熱原料液，是原料液加熱到一定溫度，然后再用高溫蒸汽來加熱原料液達到酒精泡點溫度再進精餾塔。 課程設計說明書 題 目： 年產 3 . 7 萬 噸 酒 精 精 餾 換 熱 器設計 學 生 姓 名 ： 學 院 ： 化 工 學 院 班 級： 指 導 教 師 ： 2021 年 7 月 8 日 學校代碼： 10128 學 號： 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 摘要 在石油、食品加工、輕工、制藥、重工業(yè)等行業(yè)的生產過程中，換熱器是必用工藝設備，可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、 全凝器、 蒸發(fā)器和再沸器等，換熱器類型，性能不同，但設計所依據的傳熱基本原理相同，不同之處是在結構設計上需要根據各自設備特點采用不同的計算方法。 由于生產的規(guī)模、物料的性質、傳熱的要求等各不相 同，故換熱器的類型很多，特點不一，可根據生產工藝要求進行選擇。塔頂酒精蒸汽經過全凝器，用冷卻水將酒精蒸汽冷卻至液體，再經過冷卻器是產品冷卻至 35 度。對每個換熱器進行了精算，經反復選擇與核算之后，選取了合適的換熱器類型及其結構尺寸等其他工藝指標要求。 關鍵字：換熱器、設計、加工內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 1 前言 課程設計是化工原理課程中綜合性和實踐性較強的一個環(huán)節(jié)，它是理論聯系實際的橋梁，是進行體察工程實際問題復雜性的初次嘗試。在石油、化工、食品加工、輕工、制藥等行業(yè)的生產過程中，換熱器是通用的工藝設備，可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，換熱器的類型性能各異，但設計所依據的傳熱基本原理相同，不同之處是在結構設計上需要根據各自設備特點采用不同的計算方法，本次設計采用應用廣泛的列管換熱器。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強，換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱 機理的研究十分活躍，一些新型的換熱器相繼問世。 W —— 流體的質量流量， kg／ h； Cp—— 流體的平均定壓比熱容， J／ (kg K。℃ )； Rso、 Rsi—— 分別為管外側及管內側表面上的污垢熱阻， (m2．℃ )／ w?！?) Δ t—— 蒸汽的飽和溫度與壁溫之差， nc—— 水平管束在垂直列上的管數； 1P? —— 直管中因摩擦阻力引起的壓力降 Pa ； 2P? —— 回彎管中因摩擦阻力引起的壓力降， Pa； tF —— 結垢校正系數，無因次，φ 25 的換熱管取 ；φ 19 2mm 的換熱管取 ； sN —— 串聯的殼 程數； pN —— 管程數。據統計，在現代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝備建設總 投資的 30%40%；在合成氨廠中，換熱器占全部設備臺數的 10%，由此可見，換熱器對整個企業(yè)的建設投資及經濟效益有著重要的影響。 流程方案圖的初步設計中，考慮使用塔底殘液的廢熱來預熱原料液，達到廢熱再利用的效果，實現節(jié)能減排，資源的綜合利用。對原料預熱器和塔頂產品冷凝器進行精算，塔頂冷卻器和塔底殘液冷卻器只作初算，而塔底再沸器不作要求。 不同形式的列管換熱器主要針對換熱器管程與殼程流體的溫度差的 不同設計。根據熱補償方法的不同，列管換熱器有以下幾種形式。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。同時管子和管板與外殼的連接都是剛 性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。 為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差 50℃ 以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。一般殼程壓強超過 時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。浮頭式換熱器的管束可以拉出，便于清晰和維修，適用于兩流體溫差較大的各種物料的換熱器，應用極為普遍，但結構復雜，造價高。但殼程內介質有外漏的可能，殼程中不應處理易揮發(fā)、易燃、易爆和有毒的介質。 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計 6 在實際選型中，這些選擇原則往往是相互矛盾、相互制約的。 本文中兩流體溫差介于 50℃和 70℃之間的選擇帶補償圈的固定管板式換熱器，小于 50℃的選擇不帶補償圈固定管板式換熱器。 固定管板式換熱器結構的確定 固定管板式換熱器由管板、殼體、封頭等組成。所以必須注意固定管板式換熱器的連接方法和質量。 管程結構