生产环氧丙烷换热器设计说明书.docx
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生产环氧丙烷换热器设计说明书
《化工原理课程设计》报告
换热器的设计说明书
化学工程与工艺
刘琪邹宇琪张诗佳
目录
1.1换热器设计任务书2
1.2换热器的结构形式2
1.3换热器的材质选择4
1.4管板式换热器的优点5
1.5管板式换热器的类型及工作原理6
1.6确定设计方案7
2.1设计参数8
2.2计算总传热系数8
2.3工艺结构尺寸10
2.4热流量核算11
1.1换热器设计任务书
1、设计题目
1，2-丙二醇冷却器的设计。
设计课题工程背景：
在化工生产过程中，常常需要将各种产品进行冷却，本设计以某厂冷却丙二醇产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。
设计的目的：
通过对丙二醇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。
2、设计任务及操作条件
（1）处理能力 10万吨/年环氧丙烷
（2）设备型式 列管式换热器
（3）操作条件
①热流体：
1，2-丙二醇入口温度139℃，出口温度25℃
②冷流体：
自来水，入口温度13℃，出口温度90℃
③允许压强降：
不大于0.2bar
④每年按330天计，每天24小时连续运行
⑤绘制换热器总装配图。
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，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。
（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）u型管换热器
此类换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会因管壳之间的温差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好；承压能力强；管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。
但管内清洗不便，管束中间部分的管子难以更换，又因最内层管子弯曲半径不能太小，在管板中心部分布管不紧凑，所以管子数不能太多，且管束中心部分存在间隙，使壳程流体易于短路而影响壳程换热。
此外，为了弥补弯管后管壁的减薄，直管部分需用壁较厚的管子。
这就影响了它的使用场合，仅宜用于管壳壁温相差较大，或壳程介质易结垢而管程介质清洁及不易结垢，高温、高压、腐蚀性强的情形。
2、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换热器材质的选择
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
价格低，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。
1.4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3000～4000W/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。
1.5管板式换热器的类型及工作原理
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，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139℃出口温度25℃；冷流体进口温度13℃，出口温度为90℃，该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用列管式换热器。
2、管程安排
从两物流的操作压力看，应使丙二醇走管程，循环冷却水走壳程。
但由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，丙二醇走壳程。
2.1设计参数
1，2-丙二醇的定性温度：
密度
定压比热容
热导率
粘度
水的定性温度：
密度
定压比热容
热导率
粘度
2.2计算总传热系数
1、热流量
平均传热温差
2、冷却水用量
3、计算传热面积
校正系数ε△t与冷热两流体的温度变化有关，是R和P两参数的函数，即
校正系数
可根据R和P两参数从下图查得[1]。
求传热面积需要先知道K值，根据资料[1]查得1，2-丙二醇和水之间的传热系数在1380W/（㎡·℃）左右，先取K值为1400W/（㎡·℃）计算
由
得
年产10万吨
2.3工艺结构尺寸
1．管径和管内流速选用Φ25×2.5较高级冷拔传热管（碳钢）
管数
取传热管长l=6m
2.传热管排列和分程方法
采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。
3．折流板
采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%。
则切去的圆缺高度为：
H=0.25×400=100m，故可
取h=100mm
折流板数目NB=
个
取折流板间距B=150mm
4.壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.75，则壳体内径为：
按卷制壳体的进级档，可取D=400mm
2.4换热器核算
（1）当量直径：
壳程流通截面积：
（2）管程流体流通截面积：
（3）污垢热阻和管壁热阻：
管外侧污垢热阻
管内侧污垢热阻
管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为
。
所以：
（4）传热系数
：
（5）传热面积裕度依可得所计算传热面积Ac为：
该换热器的实际传热面积为Ap
该换热器的面积裕度为：
传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。
换热器主要结构尺寸和计算结果见下表：
换热器型式：
固定管板式
换热器面积（㎡）：
33
工艺参数
名称
管程
壳程
物料名称
循环水
1,2-丙二醇
操作压力，bar
1.013
0.2
操作温度，℃
13/90
139/25
流量，kg/h
1300
1288.073
流体密度，
987.12
1002.76
总传热系数，w/㎡·k
1400
程数
4
1
使用材料
碳钢
碳钢
管子规格
Φ
.5
管数86
管长，6m
管间距，mm
32
排列方式
正三角形
折流挡板型式
上下
间距，mm
104.5
切口高度25%
参考文献
[1]南京工业大学.化工原理.第三版，南京：
化学工业出版社，2011管国锋，赵汝溥等，化学工业出版社（2008）
结束语
化工原理课程设计是培养个人综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
在换热器的设计过程中，我感觉我的理论运用于实际的能力得到了提升，主要有以下几点：
（1）掌握了查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力；
（2）树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
（3）培养了迅速准确的进行工程计算的能力；
（4）学会了用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
从设计结果可看出，若要保持总传热系数，温度越大、换热管数越多，折流板数越多、壳径越大，这主要是因为丙二醇的出口温度增高，总的传热温差下降，所以换热面积要增大，才能保证Q和K。
因此，换热器尺寸增大，金属材料消耗量相应增大。
通过这个设计，我们可以知道，为提高传热效率，降低经济投入，设计参数的选择十分重要。
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