化学工程基础课程设计.doc

化学工程基础课程设计设计题目： 管壳式换热器（浮头式） 学生姓名： xxx 专业班级： xxxxxx 学 号： xxxxxxxxxx 指导教师： xxx 西安科技大学化学与化工学院2013年1月12日管壳式换热器设计任务书一、设计目的培养学生综合运用本门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力。二、设计目标设计的设备必须在技术上是可行的，经济上是合理的，操作上是安全的，环境上是友好的。三、设计题目管壳式换热器设计（浮头式） 四、设计任务及操作条件 1. 设计任务 设备型式：管壳式换热器 （浮头式） 2. 操作条件（1）热流体：入口温度140; 出口温度40 （2）冷却介质：水（入口30，出口40）（3）允许压降：不大于0.1MPa（4）物性数据柴油定性温度下90的物性数据：水的定性温度35下的物性数据：换热器的简单介绍换热器（Heat Exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、再沸器和蒸发器等，应用更加广泛。图1 换热器实物图图2 板式换热器换热器的分类适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：一、换热器按传热原理分类1、表面式换热器表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。2、蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。4、直接接触式换热器直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。二、换热器按用途分类1、加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。2、预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。3、过热器过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。4、蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。三、按换热器的结构分类可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。管壳式换热器 图表 1 管壳式换热器管壳式(又称列管式) 换热器是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，内部装有平行管束或者螺旋管，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。管子的型号不一，过程一般为直径16mm 20mm或者25mm三个型号，管壁厚度一般为1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。进口换热器，直径最低可以到8mm，壁厚仅为0.6mm。大大提高了换热效率，今年来也在国内市场逐渐推广开来。管壳式换热器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率。内部壳层和管层的不对称设计，最大可以达到4.6倍。这种不对称设计，决定其在汽-水换热领域的广泛应用。最大换热效率可以达到14000w/m2.k，大大提高生产效率，节约成本。双管板换热器(也称P型换热器)是在管壳式换热器的两头各加一个管板，可以有效防止泄漏造成的污染。现在国产品牌较少，价格昂贵，一般在10万元以上，进口可以到几十万。符合新版GMP规定，虽价格昂贵，但决定其市场广阔。浮头式换热器设计要求随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠； （3） 便于制造、安装、操作和维修； （4） 经济上合理。浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=35mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着幞头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累，钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验。尽管近年来受到不断涌现的新型换热器的挑战，但反过来也不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中扔占主导地位。优缺点优点：（1）管束可以抽出，以方便清洗管、壳程； （2）介质间温差不受限制； （3）可在高温、高压下工作，一般温度小于等于450度，压力小于等于6.4兆帕； （4）可用于结垢比较严重的场合； （5）可用于管程易腐蚀场合。缺点：（1）小浮头易发生内漏； （2）金属材料耗量大，成本高20%； （3）结构复杂 制造工艺： 选取换热设备的制造材料及牌号，进行材料的化学成分检验，机械性能合格后，对钢板进行矫形，方法包括手工矫形，机械矫形及火焰矫形。备料划线切割边缘加工（探伤）成型组对焊接焊接质量检验组装焊接压力试验 质量检验： 化工设备不仅在制造之前对原材料进行检验，而且在制造过程中要随时进行检查。设计目的和意义培养学生综合运用化学工程基础这门课程及有关选修课程基础理论和基本知识去完成换热单元操作设备设计任务的实践能力。 课程设计的目的: (1)掌握化工设计的基本程序与方法；(2) 结合设计课题培养查阅有关技术资料及物性参数的能力；(3) 通过查阅技术资料，选用设计计算公式，搜集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强分析问题、解决问题的能力；(4) 掌握进行化工工程设计的基本训练，了解一般化工工程设计的基本内容与要求；(5) 了解一般化工设备图基本要求，对绘图基本技能训练有一定的认识。 课程设计的基本要求：(1) 运用所学知识，经详细、全面考虑，确定设计方案，选用计算公式，认真收集查取相关的物性参数。(2) 正确选用设计参数，树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点，兼顾操作维修的方便和环境保护的要求，从总体上得到最佳结杀果。(3) 准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算，以确保在规定时间内完成设计任务。设计方案的确定1、估算传热面积，初选换热器型号(1)根据传热要求，计算传热量。(2)确定流体在换热器两端的温度，计算定性温度并确定流体物性。(3)计算传热温度差，根据温差校正系数t0.8的原则，决定壳程数。(4)选择两流体流动通道，根据两流体温差，选择换热器型式。(5)依据总传热系数的经验范围，初选总传热系数K值。(6)由总传热速率方程计算传热面积，由S确定换热器具体型号(若为设计时应确定换热器基本尺寸)。 2、计算管程和壳程压强降根据选定型号的换热器，分别计算管程、壳程压强降，看其是否符合要求。若不符合要求时，再调整管程数或折流挡板间距，或重选其它型号换热器，并计算压强降，直到满足要求为止。3、核算总传热系数和传热面积按照对流传热系数关联式，计算管内、外对流传热系数，选定污垢热阻，核算总传热系数值。根据该计算K值校核实际需传热面积，若选用换热器提供的传热面积比所需传热面积大10