1 换热器工作原理及结构特点
1.1问题概述
换热器（英语翻译：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、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。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：混合式、蓄热式和间壁式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
1、混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥装置、流化床等。
2、蓄热式换热器：在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。
3、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类换热器。按照传热面的形状与结构特点它还可分为：
（1)管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。
（2）板面式换热器：如板式、螺旋板式，、板壳式等。
（3）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。
换热系统中，生产过程需要对系统的一些参数进行控制，其中，换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象，也是关系工艺产品质量的重要因素之一。目前，对温度的控制大都采用传统的PID调节器。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性的特点，而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关，是一个典型的参数时变的非线性系统，所以，要寻求一个更好地控制办法以满足工业生产的需要。[2]
1.2换热器的控制方法
本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，方框图如下：
图1、单回路控制系统方框图
单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。
设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送原件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。[1]
2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定
2.1控制原理
换热器温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象组成的闭合回路。被调参数经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。
换热器温度控制系统的工艺流程如下：冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使冷流体的出口温度升高。冷流体通过循环泵流经换热器的壳程，出口温度稳定在设定值附近。热流体通过多级泵流经换热器的管程，与冷流体热交换后流回蓄水池，循环使用。
2.2控制方案
从控制任务要求可知，换热器温度控制系统是单点、恒值控制。且题目要求用单回路控制系统，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制。
图2 PID 控制系统原理图
PID 控制是偏差比例（P ）、偏差积分（I ）、偏差微分（D ）控制的简称。控制系统由PID 控制器和被控对象组成。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成偏差，将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。其控制规律为
t
D p 0I T de t 1
u t K e t e t dt T dt ?????
?
?（）
（）=（）+
（）+ 其传递函数形式为：
p D I U s 1G s K 1T S E s T S ??=++ ???
（）（）=
（）
3、被控对象特性研究
换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。通常它两侧的介质(工艺介质和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热的目的是保证工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。 3.1 被控变量的选择
被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。在换热器出口温度单回路控制系统设计中，当然选择出口温度作为被控变量，因为我们要得到流体稳定的出口温度。
3.2 操纵变量的选择
在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。将出口温度维持在一定值，主要是对冷热流体间传递的热量进行控制，有控制载热体流量、工艺介质的旁路流量、传热面积等多种方式。考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控
制，保证出口温度的稳定。 3.3 被控对象特性
换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这个方案的控制流程图如图1。
图3 换热器的温度控制系统工艺流程图
为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：
11i o 22o i q=G c T T G c T T =1122（-）（-）
式中，q 为传热速率（单位时间内传递的热量）；G 为质量流量；c 为比热容；T 为温度。式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i 为入口；o 为出口。 传热过程中的传热速率为：
q KF T =?
式中，K 为传热系数；F 为传热面积；T ?为两流体间的平均温差。 其中，平均温差T ?对于逆流、单程的情况为对数平均值：
i o o i 121i 1o 122o 2i
T T T T T T T=T T T
ln ln
T T T ?-??=
-??-1122（-）-（-） 当1i 1o 2o 2i
T T
133T T -≤≤-时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为： i 1o
o i T T T T T ?=122（-）+（-）2
由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系
22o i G c T T KF T
?22（-）=
整理后得
o i
22
KF T T T G c ?=
+22
从上式可以看出，在传热面积F 、冷流体进口流量2G 、温度2i T 和比热容2c 一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K 以及平均温差T ?。 [3]
4、过程检测控制仪表的选用
4.1变送器 [7]
根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点： ①测温精度高，性能稳定；
②结构简单，易于制造，产品互换性好；
③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量； ④测温范围广，可达-200~2000℃； ⑤形式多样，适用于多种测温条件；
选用热电偶测温仪，同时选用与之相对应的DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。该种温度变送器的反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度t 与0I 之间成线性关系。
图4 SBWR 系列温度变送模块
DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要性能指标如下：
①测量范围 最小量程3mV ，最大量程60mV ；零点迁移-50~+50mV 。 ②基本误差 0.5%±
③温度特性 环境温度每变化25℃，附加误差不超过千分之五。
④恒流性能 当负载电阻在0~100Ω范围变化时，附加误差不超过千分之五。 ⑤防爆指标 结构为安全火花型；防爆等级为H Ⅲe ；防爆额定电压为220V AC/DC 。 其优点有以下几点：
①采用了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和各项性能指标。 ②在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保持了线性关系。
③线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能。
热电偶温度变送器是由热电偶输入回路和放大回路两部分组成。为了得到线性关系，必须使放大回路具有非线性，热电偶输入温度变送方框图如图所示。因而有温度变送器的传递函数
12W s W s W s = （）（）（）
式中 W s （）——温度变送器的传递函数； 1W s （）
——热电偶的传递函数；
2W s （）
——放大回路的传递函数； 由于变送器放大回路的放大系数K 很大，故放大回路的传递函数可以认为等于反馈电路
的传递函数f W s （）
的倒数，即 2f 1
W s W s ≈（）
（） 则热电偶输入温度变送器的传递函数为 1f
W s W
s W s ≈（）（）（） 4.2 执行器 [5]
根据生产工艺原则以及被控介质特点，我选用电动执行器。执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。
考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。可分为角行程（DKJ 型）和直行程（DKZ 型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ 型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。
DKZ 系列直行程电动执行器是由DKZ 直行程电动执行机构与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的，具有推力大、定位精度高、反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。
图5 DKZ 系列直行程电动执行器
表1 DKZ系列直行程电动执行器主要技术参数
输入信号0~10mA.DC、4~20mA.DC
输入电阻200Ω（Ⅱ型）、250Ω（Ⅲ型）
输入通道3个隔离通道
基本误差±2.5%
回差±1.5
死区≤3%（1~3%可调）
纯滞后≤1s
电源电压220V.AC、50Hz
使用环境条件环境温度执行机构≤-10~+55℃
相对温度执行机构≤95%
表2 型号规格表
机座号型号出轴推力（N）出行程（mm）全程时间（s）
ⅠDKZ-310C
DKZ-310BC
4000 10 8
16 12.5
25 20 DKZ-410C
DKZ-410BC
6400 40 32
60 48
ⅡDKZ-510C
DKZ-510BC 1600 60 37
100 62
考虑流量特性，通过阀的流体遵循流体流动的质量守恒和能量守恒定律。对不可压缩流体而言，流体流经调节阀时的阻力损失为 2
12
v p -p p 2g
g
ωξ
ρ?==
式中 ξ——调节阀的阻力系数； ω——流过阀的流体平均流速； 1p ——阀前压力； 2p ——阀后压力；
阀体体积流量V q ，接管截面积为A ，则 V
q A ω=
12V 2p -p A
q A ωρ
ξ==
（）
以上为调节阀的流量方程。由该式可见，在调节阀口径一定、p/ρ?也不变的情况下，流量V q 仅随阻力系数的变化而变化。当移动阀芯使开度改变时，阻力系数ξ也随之变化，从而改变了流量V q 的大小，达到了调节流量的目的。
4.3 调节器 [9]
调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。
目前在中国工业上广泛应用的DDZ-Ⅲ型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。
图6 DTZ-2100型全刻度指示调节器
表3 DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数
输入信号1~5V.DC
内给定信号1~5V.DC
外给定信号4~20mA.DC
调节作用（比例+积分+微分）比例带：2~500%
积分时间：0.01~2.5分
微分时间：0.04~10分（可切除）
输入、给定指示表指示范围：0~100%，误差：±1%
输出指示表指示范围：0~100%，误差：±25%
输出信号4~20mA.DC
负载电阻250~750Ω
工作条件环境温度：0~45℃
工作振动：频率≤25Hz
5、仪表型号清单列表
表4 仪表型号清单
元件 型号 输入信号范围 数量 热电偶温度变送器
SBWR/Z 3~60mV 1 执行器 DKZ 4~20mA.DC 1 调节器
DTZ-2100
1~5V.DC
1
6、参数整定与仿真
6.1各环节参数的整定 [10] （1）通过查阅资料，换热器出口温度与热流体流量的关系可有开环阶跃响应的实验获得：
1
21
)(+=
S G S P 控制器选定PID 调节器，其传递函数为 c p D 11
G s K [1T s ]T s ++（）=（）（）
式中 p K ——比例系数； I T ——积分时间常数； D T ——微分时间常数；
选择比例环节，一阶惯性环节的传递函数为
1
+Ts K
，适用于简单加热系统，用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。p K 越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。p K 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 （2）执行器分析
执行器可分为液动、气动、电动三类，在此温度控制系统中，执行器可看作一个比例环节，选择气动调节阀。当然，在整个控制过程中执行环节有一定的滞后作用，可在控制过程中添加一个延迟滞后环节。延迟滞后环节，不妨取延迟时间τ=1。 （3）变送器分析
变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。在此变送检测环节中，采用温度变送器，当变化量较小时，可将该环节看作一个线性环节，即同样可看作是一个比例环节. （4）被控变量特性
根据能量守恒定律热流失去的热量等于冷流吸收的热量 )()(20220111T T m C T T m C Q -=-=
C1、m1分别为高温物体的比热和质量，C2、m2分别为低温物体的比热和质量
6.2控制系统仿真
由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，具体参数整定过程可参见下图查阅相关资料知，对于流量系统，时间常数范围较大，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时才加入积分作用。所以初步令T I =0，T D =0，延迟时间τ=1。 [6]
图7系统结构图
6.3对PID 参数的整定
由相关资料可知，常用的调节器参数整定方法有：经验试凑法、临界比例法、衰减曲线法。下面以临界比例法为参考对本系统进行参数整定。衰减曲线法首先求取在纯比例作用下的闭环系统为4:1衰减振荡过程时的比例度s δ和振荡周期s T ，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数。衰减曲线法整定参数的具体步骤是：首先将调节器的积分作用和微分作用全部去除，在纯比例的情况下，按比例多少δ从大到小的变化规律，对应于某一δ值做小幅度的设定值阶跃干扰，直到获得4:1衰减振荡过渡过程曲线，这时的比例度为临界比例度s δ，振荡周期即为临界周期s T ，最后根据经验公式计算出调节器各参数的整定数值。
对于温度系统，其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的时间积分。经验试凑法简单可靠，容易掌握，使用于各种系统。整定过程如下：
Kp=2.0 Ti=0 Td=0
Kp=2.2 Ti=0 Td=0
Kp=2.4 Ti=0 Td=0
此时，有s δ=2.4，s T =4，根据衰减曲线经验公式有，δ=0.9s δ，I T =0.3s T ,D T =0.1s T 。 所以，整定后得到δ=2.16，I T =1.2min ，D T =0.4min 。 由于衰减周期存在误差，整定的效果不佳，因此需要进一步调整
Tp=1.0 Ti=1.6 Td=0.4
Tp=1.2 Ti=1.6 Td=0.4
Tp=1.3 Ti=1.6 Td=0.4
此时效果较好，故整定结构为p K =1.3，I T =1.6min ，D T =0.4min
7、课程设计总结
本文首先描述了换热器温度控制的原理，通过对换热器静态、动态特性的研究，制定了相应的控制方案。进一步完成了控制过程中所需要的仪表的选型。然后用MATLAB 软件进行仿真，并对控制参数进行整定。最后，使整个系统处于稳定状态，完成了对出口温度的控制。 在本次的课程设计中不得不提到我们被控对象的模型建立，由于模型机理建模相对困难，
模型无法建立，影响了我其他内容的进度，最终通过广泛的查阅资料，相对较好的解决了这个问题，同时，这也给我一个教训，做事不要死守一点，学会变通，另外，该控制方案在实际的生产中的实际效果有待考验。
另外，通过这次的课程设计，我对本专业的相关知识有了更深的认识，尤其是在实际生产的工程实践中，如何设计控制系统这一过程有了更清晰的认识。重新温习《过程装备控制仪表与应用》这门课，对其中的部分内容有了新的认识，并在实际中得到应用。通过MATLAB 这一工具，学会了参数整定的相关方法，借助这种先进工具软件辅助自己的工作学习，这对我们将来的工作效率的提高是大有裨益的。
最后，要衷心的感谢姚竹亭、许昕老师的悉心指导和教诲。
【参考文献】
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[2] 王毅.过程装备控制技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2007
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[4] 王树青.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2002
[5] 吴勤勤.控制仪表及装置（第2版）[M]. 北京：化学工业出版社，2002
[6] 张志涌等.MATLAB与仿真（2012b）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012
[7] 杨庆柏.热工控制仪表.北京：中国电力出版社，2008
[8] 冯立川.模糊_单回路控制在换热器温度控制系统中的应用.北京化工大学 , 2007
[9]侯志林.过程控制与自动化仪表[M].北京：机械工业出版社，2000
[10]孙优贤，褚健. 工业过程控制技术（方法篇）. 北京：化学工业出版社,2006
1 换热器工作原理及结构特点 (1)
1.1问题概述 (1)
1.2换热器的控制方法 (1)
2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定 (2)
2.1控制原理 (2)
2.2控制方案 (2)
3、被控对象特性研究 (3)
3.1 被控变量的选择 (3)
3.2 操纵变量的选择 (3)
3.3 被控对象特性 (4)
4、过程检测控制仪表的选用 (5)
4.1变送器 (5)
4.2 执行器 (7)
4.3 调节器 (9)
5、仪表型号清单列表 (10)
6、参数整定与仿真 (11)
6.1各环节参数的整定 (11)
6.2控制系统仿真 (12)
6.3对PID参数的整定 (12)
7、课程设计总结 (15)
换热器施工方案班级：安装1101班 姓名：段洪章 学号：21 1.编制依据 [1]《石油化工换热设备施工及验收规范》SH/T3532-2005 [2]《石油化工设备和管道涂料防腐蚀技术规范》SH3022-1999 [3]《管壳式换热器防腐涂层施工技术条件》70BJ013-2005 [4]《管壳式换热器》GB151-1999 [5]《石油化工施工安全技术规程》SH3505-1999 [6]《钢制卧式容器》JB/T4731-2005 2主要工程量一览表
3技术交底 施工前，技术员必须组织施工班组人员进行技术交底，未进行技术交底不准施工。技术交底必须做到交底到每个施工工人，使所有施工人员都了解施工技术和质量要求，清楚施工工艺 4施工准备 熟悉图纸，编写施工技术措施，对施工人员进行技术交底。
做好施工机具、量具、手段用料及消耗材料的准备工作。 5设备验收 1).到货设备应具备下列技术文件和资料: a.产品合格证书; b.产品技术特性表，应包括设计压力、试验压力、设计温度、工作介质、试验介质、换热面积、设备重量、设备类别及特殊要求； c.产品质量证明书，应包括下列内容： （1）主要受压元件材料的化学成分、力学性能及标准规定的复验项目的复验值；（2）无损检测及焊接质量的检查报告（包括超过两次返修的记录） （3）通球记录； （4）奥氏体不锈钢设备的晶间腐蚀试验报告（设计有要求时） （5）设备热处理报告（包括时间——温度记录曲线）； （6）外观及几何尺寸检查报告； （7）压力试验和致密性试验报告。 d.设备制造竣工图。 2).设备开箱检验应按照装箱单和竣工图清点验收下列各项:
空气-水换热器换热性能的测试实验 一、实验目的 1．本实验属于设计型实验，要求学生根据实验目标，给定实验设备，对整个实验方案、实验过程等进行全部实验设计； 2．熟悉气-水换热器性能的测试方法； 3．掌握气-水翅片管、光管换热器，在顺排、叉排、逆流、顺流各种情况下换热器的结构特点及其性能的差别。 二、实验装置简介（参见实验装置示意图） 图一、实验装置示意图 1.循环水泵 2.转子流量计 3.过冷器 4.换热器 5.实验台支架 6.吸入段 7. 整流栅8.加热前空气温度9. 换热器前静压10.U形差压计11. 换热器后静压12.加热后空气温度13.流量测试段14笛形管15. 笛形管校正安装孔16.风量调节盘17.引风机18.风机支架19.倾斜管压力计20.控制测试仪表盘21.水箱 气-水换热器实验装置由水箱、电加热器、循环水泵、水流量测量、水温度控制调节阀、压差测量、阀门、换热器、风管、整流栅、热电偶测温装置、空气流量测量、空气阻力测量、.风量调节盘、引风机等组成。换热器型式有翅片管、光管两种，有顺流、逆流两种流动方式、布置方式有顺排、叉排两种。 1．换热器为表冷器，表冷器几何尺寸如下表：
2．水箱电加热器总功率为9KW，分六档控制，六档功率分别为1.5KW。 3．空气温度、热水温度用铜—康铜热电偶测量。 4．空气流量用笛形管配倾斜式微压计测量。 5．空气通过换热器的流通阻力，在换热器前后的风管上设静压测嘴，配倾斜式微压计测量；热水通过换热器的流通阻力，在换热器进出口处设测阻力测嘴，配用压差计测量。 6．热水流量用转子流量计测量。 三、实验目标 通过气--水换热器性能测试试验，测定并计算出换热器的总传热系数，对数平均传热温差和热平衡误差等，绘制传热性能曲线，并作比较：（1）以传热系数为纵坐标，热水流量或空气流量为横坐标绘制传热性能曲线；并就不同换热器，两种不同流动方式、两种不同布置方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。 四、实验设计内容： 1．根据实验目标和气--水换热器实验装置，编写出实验工作原理和实验数据计算处理公式； 2．实验方案设计，包括实验思路、实验方法、实验工况点的选择、热水进口温度大小选取（建议取60-80℃）； 3验操作步骤设计，将整个实验操作过程步骤、注意事项编写出来。 4设计出实验数据记录表格，记录实验数据，实验数据的处理计算，并对实验结果进行分析，得出实验结论。 5提交实验设计报告书。 五、实验操作规程： 1．由班学习委员将该班所有学生分组，并指定小组长； 2．提前三周组织学生参观气-水换热器实验装置，由实验教师详细介绍实验装置，布置学生实验任务，在此期间，开放实验室，随时供学生参观； 3．学生进行实验原理、方案、方法、实验步骤设计； 4．实验教师审查学生设计内容，直到合格为止； 5．实验教师指导学生开展实验； 6．学生进行数据处理计算，提交所有实验报告设计书；
丙烯冷凝器(E-301)设计 ———— 摘要：本文先简单阐述了换热器的研究背景，并附带介绍了换热器的重要作用及其型式的发展过程。然后结合课题设计方向，由于本次设计方向为丙烯冷凝器（E-301）的设计，该冷凝器属于浮头式换热器的一种；在介绍浮头式换热器常见通用结构过程中，讲述一些用于该丙烯冷凝器的元件结构。最后，简单讲述了本次设计所用的技术路线，大致介绍了冷凝器设计的相关步骤和方法。 关键字：浮头式换热器，冷凝器，技术路线 1研究背景 换热设备是化工、炼油工业、医药、冶金、制冷等工业中普遍应用的典型工艺设备，用来实现热量的传递，使热量由高温流体传送给低温流体。在实际生产过程中，为了满足工艺的要求，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、冷凝、蒸发等。一般换热器需要满足如下的基本条件：合理地实现所规定的工艺条件；安全可靠；利于安装、操作、维修；经济合理[1]。 管壳式换热器的使用已有很悠久的历史；在二十世纪30年代，开始出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。近年来，由于能源消耗引起了人们的广泛重视，能源价格的逐渐上升，循环回收再利用观念已开始深入人心，工厂中废热回收也越来越具有吸引力。通过换热器的使用，回收生产过程中产生的废热来提高工厂的效率以减少国家的能源需求，节省资源，对于国家长久的发展来说具有重要的意义。同时，通过对换热器的优化设计，提高各类换热器的工作效率，减少因工作而造成的更多的能源浪费，也是设计换热器的重中之重。
浅谈换热器的常见问题及解决方法 【摘要】随着人们物质生活水平的不断提高，工业需求也日益加大，而换热器作为水主要设备在整个加工过程中占有重要地位。本文主要探讨了换热器的常见问题，并深入研究了其解决办法。 【关键词】换热器;常见;问题;解决;方法 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、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。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。下面主要讨论一下换热器的常见问题及解决方法。 在管式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。 １．机械及热应力损伤原因及解决方法 1.1换热设备会在使用中机械损伤类型。 1.1.1管子震动的损害 (1)碰撞损坏 由于发生振动管子的振幅大, 使得管子与管子, 管子与壳体之间的碰撞会导致管壁损坏破裂。 (2)折流板对管子损坏 由于管子振动, 折流板对穿过折流板的管子会有切割磨损, 严重的会使管壁破裂。 (3)影响管板的连接
换热器施工方案 班级：安装1101班姓名：段洪章 学号：21
1.编制依据 [1]《石油化工换热设备施工及验收规范》 SH/T3532-2005 [2]《石油化工设备和管道涂料防腐蚀技术规范》 SH3022-1999 [3]《管壳式换热器防腐涂层施工技术条件》 70BJ013-2005 [4]《管壳式换热器》 GB151-1999 [5]《石油化工施工安全技术规程》 SH3505-1999 [6]《钢制卧式容器》 JB/T4731-2005 2主要工程量一览表
3技术交底 施工前，技术员必须组织施工班组人员进行技术交底，未进行技术交底不准施工。技术交底必须做到交底到每个施工工人，使所有施工人员都了解施工技术和质量要求，清楚施工工艺 4施工准备 熟悉图纸，编写施工技术措施，对施工人员进行技术交底。 做好施工机具、量具、手段用料及消耗材料的准备工作。 5设备验收 1).到货设备应具备下列技术文件和资料: a.产品合格证书; b.产品技术特性表，应包括设计压力、试验压力、设计温度、工作介质、试验介质、换热面积、设备重量、设备类别及特殊要求； c.产品质量证明书，应包括下列内容： （1）主要受压元件材料的化学成分、力学性能及标准规定的复验项目的复验值；（2）无损检测及焊接质量的检查报告（包括超过两次返修的记录） （3）通球记录； （4）奥氏体不锈钢设备的晶间腐蚀试验报告（设计有要求时） （5）设备热处理报告（包括时间——温度记录曲线）； （6）外观及几何尺寸检查报告； （7）压力试验和致密性试验报告。 d.设备制造竣工图。
2).设备开箱检验应按照装箱单和竣工图清点验收下列各项: a.清点箱数、箱号及检查包装情况； b.核对设备名称、型号及规格； c.检查接管的规格、方位及数量； d.核对设备备件、附件的规格尺寸、型号及数量； e.检查表面损伤、变形及锈蚀情况； 3) .设备开箱检验应在有关单位参加下进行,检验结果应签字认可; 6设备保管 1).设备和备件、附件及技术文件等验收后应清点登记，并妥善保管； 2).换热设备存放地点应设在地势较高、易排水、道路畅通的场所； 3).在露天存放的换热设备应用不透明的覆盖物遮盖，所有管口必须封闭； 4).不锈钢换热设备的壳体、管束及板片等不得与碳钢设备及碳钢材料接触混放； 5).采用氮封或其它惰性气体密封换热设备应保持气封的压力；脱脂后的设备应防止油脂等有机物的污染。 7设备基础中间交接 1). 设备安装前应对基础及预制构件进行中间交接，交方应提供基础标高和纵横向中心线标记； 2). 设备安装前,应对基础进行检查,并符合下列规定: a.混凝土基础的外形尺寸、坐标、位置及预埋件应符合设计图样的要求； b.混凝土基础的允许偏差应符合下表的规定： 混凝土基础的允许偏差
毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目： 学院：化工装备学院 专业班级：过程装备与控制工程0802 学生： 指导教师： 开题时间：2011年10 月18 日
指导教师评阅意见
一、选题的目的及意义： 换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的20%，其中固定管板式换热器约占换热器的70%。 固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈,（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。 固定管板换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束根据换热器的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，是针对给定的设计参数，按照相关规定的要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计固定管板式换热器产品。熟悉压力容器设计的基本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中区，为以后的工作和学习打下扎实的基础。 二、国外现状发展及趋势 2.1 国外情况 对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在“拟螺旋折流系统”中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少30%-40%的传热面积节省材料20%-30%。相对于弓形折
第1章换热器设计软件介绍与入门 孙兰义 2014-11-2
主要内容 1 ASPEN EDR软件 1.1 Aspen EDR简介 1.2 Aspen EDR图形界面 1.3 Aspen EDR功能特点 1.4 Aspen EDR主要输入页面 1.5 Aspen EDR简单示例应用 2 HTRI软件 2.1 HTRI简介 2.2 HTRI图形界面 2.3 HTRI功能特点 2.4 HTRI主要输入页面 2.5 HTRI简单示例应用
Aspen Exchanger Design and Rating（Aspen EDR）是美国AspenTech 公司推出的一款传热计算工程软件套件，包含在AspenONE产品之中。 Aspen EDR能够为用户用户提供较优的换热器设计方案，AspenTech 将工艺流程模拟软件和综合工具进行整合，最大限度地保证了数据的一致性，提高了计算结果的可信度，有效地减少了错误操作。 Aspen7.0以后的版本已经实现了Aspen Plus、Aspen HYSYS和Aspen EDR的对接，即Aspen Plus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成转入换热器的设计计算，使Aspen Plus、Aspen HYSYS流程计算与换热器详细设计一体化，不必单独地将Aspen Plus计算的数据导出再导入给换热器计算软件，用户可以很方便地进行数据传递并对换热器详细尺寸在流程中带来的影响进行分析。
Aspen EDR的主要设计程序有： ①Aspen Shell & Tube Exchanger：能够设计、校核和模拟管壳式换热器的传热过程 ②Aspen Shell & Tube Mechanical：能够为管壳式换热器和基础压力容器提供完整的机械设计和校核 ③HTFS Research Network：用于在线访问HTFS的设计报告、研究报告、用户手册和数据库 ④Aspen Air Cooled Exchanger ：能够设计、校核和模拟空气冷却器 ⑤Aspen Fired Heater：能够模拟和校核包括辐射和对流的完整加热系统，排除操作故障，最大限度的提高效率或者找出潜在的炉管烧毁或过度焦化 ⑥Aspen Plate Exchanger ：能够设计、校核和模拟板式换热器； ⑦Aspen Plate Fin Exchanger：能够设计、校核和模拟多股流板翅式换热器
6.7 换热器 换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三大类：混合式、蓄热式、间壁式。 6.7.1 直接接触式（混合式） 在这类换热器中，冷热两种流体通过直接混合进行热量交换。在工艺上允许两种流体相互混合的情况下，这是比较方便和有效的，且其结构比较简单。直接接触式换热器常用于气体的冷却或水蒸汽的冷凝。 6.7.2 蓄热式 蓄热式换热器又称为蓄热器，它主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可填耐火砖或金属带等作为填料。当冷、热两种流体交替地通过同一蓄热室时，即可通过填料将得自热流体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。这类换热器的结构简单，且可耐高温，常用于气体的余热及其冷量的利用。其缺点是设备体积较大，而且两种流体交替时难免有一定程度的混合。 6.7.3 间壁式 这一类换热器的特点是在冷热两种流体之间用一金属壁（或石墨等导热性好的非金属）隔开，以使两种流体在不相混合的情况下进行热量交换。由于在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，因此下面重点讨论间壁式换热器。 （1）夹套式换热器 结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。 优点：结构简单，加工方便。 缺点：传热面积A小，传热效率低。 用途：广泛用于反应器的加热和冷却。 为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。 （2）沉浸式蛇管换热器 结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小， 为了强化传热，容器内加搅拌。 （3）喷淋式换热器 结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。 优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。 缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。 用途：用于冷却或冷凝管内液体。 （4）套管式换热器 结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。 优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。 缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。 用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。 （5）列管式换热器（管壳式换热器） 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
食品工程原理课程设计设计书 设计题目：列管式换热器的设计 姓名：胡硕 学院班级：食品学院食科142班 学号：753461153 指导老师：张彬 设计时间：2016.05.30~06.04
目录 一、换热器设计任务书 .......................................... 错误！未定义书签。 二、摘要 .................................................................. 错误！未定义书签。 三、初步选定换热器 .............................................. 错误！未定义书签。 四、设计计算 .......................................................... 错误！未定义书签。 五、收获 .................................................................. 错误！未定义书签。 六、参考文献 .......................................................... 错误！未定义书签。 附件一换热器主要结构尺寸和计算结果...... 错误！未定义书签。附件二主要符号说明 ............................................................... - 15 -
一、换热器设计任务书 1、设计题目 设计一台用饱和水蒸气加热水的列管式固定管板换热器 2．设计任务及操作条件 （1）处理能力130 t/h （2）设备型式列管式固定管板换热器 （3）操作条件 ①水蒸气：入口温度147.7℃，出口温度147.7℃ ②冷却介质：自来水，入口温度10℃，出口温度80℃ ③允许压强降：管程10^4-10^5,壳程10^3-10^4 （4）设计项目 ①设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。 ②换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。 ③换热器的主要结构尺寸设计。 ④主要辅助设备选型。 ⑤绘制换热器总装配图。
换热网络与热集成 4.1概述 本章进行了甲苯甲醇烷基化的冷热流股之间的能量匹配设计病构建换热网络。热集成旨在最大程度的利用流程内部的能量，减少公用工程的消耗，从而减 少操作费用，降低生产成本。通过对流程流股的深入分析，利用Aspen Energy Analyzer 设计换热网络，其主要步骤如下： 1)确定流程中需要换热的冷流股和热流股； 2)利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图（GCC）； 3)确定最小传热温差； 4)找出夹点及最小冷、热公用工程用量； 5)构建优化换热网络。 4.2冷热流股确定 表4-1 换热冷热流股一览表 流股名称T in/℃T out/℃热负荷/KW 流股说明 6-to-7 25 480.3 8.06×105反应器R0101进料 4-to-5 25 485 9.85×108 反应器R0101进料Reboiler@T0101 124.7 127.63 3.2×105T0101再沸器Reboiler@T0102 142.5 143.7 8.4×104T0102再沸器Reboiler@T0201 163.9 167.6 2×104T0201再沸器15-to-16 460 25 7.15×108反应器R0103出料Condenser@T0101 115 113 3.8×106T0101冷凝器Condenser@T0102 119.3 118.3 7.2×106T0102冷凝器Condenser@T0201 144.2 143.4 1.07×105T0201冷凝器
利用Aspen Energy Analyzer 分析计算得到换热网络，如图4-1、4-2所示： 图4-1 换热网络示意图 图4-2 换热网络夹点图 换热网络设计流股分析报告如表4-2所示： 表4-2换热网络设计股流分析报告 最小传热温差最小热公用工程kj/h 最小冷公用工程kj/h 46.09℃ 1.063×109 4.025×109 4.3构建换热网络 根据Aspen Energy Analyzer 的计算，所有参与换热的流股形成的换热网络如图4-3所示：
1 介质不同，传热系数各不相同我们公司的经验是：1、汽水换热：过热部分为800~1000W/m2.℃饱和部分是按照公式K=2093+786V(V是管内流速）含污垢系数0.0003。水水换热为：K=767(1+V1+V2)(V1是管内流速，V2水壳程流速）含污垢系数0.0003 实际运行还少有保守。有余量约10% 冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.℃) 水水850～1700 水气体17～280 水有机溶剂280～850 水轻油340～910 水重油60～280 有机溶剂有机溶剂115～340 水水蒸气冷凝1420～4250 气体水蒸气冷凝30～300 水低沸点烃类冷凝455～1140 水沸腾水蒸气冷凝2000～4250 轻油沸腾水蒸气冷凝455～1020 不同的流速、粘度和成垢物质会有不同的传热系数。K值通常在 2 800~2200W/m2·℃范围内。列管换热器的传热系数不宜选太高，一般在800-1000 W/m2·℃。螺旋板式换热器的总传热系数（水—水）通常在1000~2000W/m2·℃范围内。板式换热器的总传热系数（水（汽）—水）通常在3000~5000W/m2·℃范围内。1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程，哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例) (1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。 (2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。(4) 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。(5) 被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。(6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re>100) 下即可达到湍流，以提高对流传热系数。在选择流体流径时，上述各点常不能同时兼顾，应视具体情况抓住主要矛盾，例如首先考虑流体的压强、防腐蚀及清洗等要求，然后再校核对流传热系数和压强降，以便作出较恰当的选择。 2. 流体流速的选择增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。所以适宜的流速要通过经济衡算才能定出。此外，在选择流速时，还需考虑结构上的要求。例如，选择高的流速，使管子的数目减少，对一定的传热面积，不得不采用较长的管子或增加程数。管子太长不易清洗，且一般管长都有一定的标准；单程变为多程使平均温度差下降。这些也是选择流速时应予考虑的问题。 3. 流体两端温度的确定若换热器中冷、热流体的温度都由工艺条件所规定，就不存在确定流体两端温度的问题。若其中一个流体仅已知进口温度，则出口温度应由设计者来确定。例如用冷水冷却某热流体，冷水的进口温度可以根据当地的气温条件作出估计，而换热器出口的冷水温度，便需要根据经济
换热器的分类 ?按用途分类： 加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器 ?按冷热流体热量交换方式分类： 混合式、蓄热式和间壁式 ?主要内容： 1. 根据工艺要求，选择适当的换热器类型； 2. 通过计算选择合适的换热器规格。 间壁式换热器的类型 一、夹套换热器 ?结构：夹套式换热器主要用于反应过程的加热或冷却，是在容器外壁安装夹套制成。 ?优点：结构简单。 ?缺点：传热面受容器壁面限制，传热系数小。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。也可在釜内安装蛇管。 二、沉浸式蛇管换热器 ?结构：这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。 ?优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 ?缺点：由于容器体积比管子的体积大得多,因此管外流体的表面传热系数较小。
三、喷淋式换热器 ?结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。 ?优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好 ?缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。 ?用途：用于冷却或冷凝管内液体。 四、套管式换热器
?结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。 ?优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。 ?缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。 ?用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。 五、列管式换热器 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。 ?优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。 ?结构：壳体、管束、管板、折流挡板和封头。一种流体在管内流动，其行程称 特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。 （2）浮头式
北京化工大学北方学院 NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY （2016）届本科生毕业设计 文献综述 题目： 6000吨/年醋酸酐生产装置工艺设计 学院：化工与材料工程学院专业：应用化学 学号：姓名：
指导老师： 2015年11月30日 文献综述 前言 醋酸酐是一种无色透明液体，有刺鼻辛辣的嗅味，与乙醚可以任一比溶解在乙醇和水中放出分解热水解成醋酸，溶于醇，醚，丙酮等有机溶剂。 醋酸酐又名乙酸酐，是重要的乙酰化试剂，广泛应用于医药工业，染料工业及香料工业中。例如在医药工业中用于制造合霉素，咖啡因和阿司匹林等；在染料工业中用于生产分散深蓝HCL，分散大红S-SWEL，分散黄棕S-2REL等；在香料工业中用于生产香豆素，乙酸龙脑酯，葵子麝香，乙酸柏木酯等。 用作溶剂和脱水剂,也是重要的乙酰化试剂和聚合物引发剂。应用最终产物是醋酸纤维素和醋酸纤维塑料,这种纤维大部分用于制造香烟的过滤嘴、船舶工业的织物和日用织物,还可制造旋风炸药三次甲基三硝基胺。 醋酸酐还可用于制造漂白剂和聚合反应的引发剂等，应用十分广泛。
1.醋酸酐的生产工艺 目前醋酸酐的生产工艺主要有醋酸裂解法（又称乙烯酮法），乙醛氧化法和醋酸甲酯羰基合成法。 1.1乙烯酮法 乙烯酮法（又称醋酸裂解法）生产醋酐是醋酸在高温和催化剂存在下进行的。工艺过程分两步进行，首先是气相醋酸裂解生成乙烯酮，然后醋酸和乙烯酮经吸
收生产粗酐，经精馏提纯制得成品醋酐。 醋酸脱水经过乙烯酮制备醋酐的工艺中，醋酸首先分解成乙烯酮和水，其最佳反应温度为730~750℃。反应在0.2%-0.3%(wt)磷酸三乙酯催化剂存在下的气相中进行，达到平衡转化点(占醋酸量的85%~90%)后通入氨气，破坏催化剂，稳定平衡。乙烯酮的选择性为90%(mo1)~95%(mo1)。乙烯酮在分段冷却器系统中从沸点较高的醋酐、醋酸和水中排出，然后与循环的醋酸反应转化成醋酐。反应过程中不断补充新鲜醋酸，在此处，乙烯酮选择性接近100%。 该法的最大特点是生产工艺流程复杂，副反应多，能耗大，但由于技术成熟，生产的安全性高，另外，对在醋酸裂解部分醋酸的质量要求并不高，可以使用其它装置和本身回收的醋酸，因此，在国外早期建设的装置应用该法，目前我国仍普遍采用。醋酸裂解的产物乙烯酮是一种重要的中间体，它可以用于生产农药、食品防腐剂等，这种产物在羰基化的工艺中不会出现，因此，乙烯酮工艺的裂解部分是很有生命力的。 1.2乙醛氧化法 乙醛氧化制醋酐的工艺原理与乙醛氧化制醋酸的原理相似，催化剂可以是醋酸锰和醋酸铜，醋酸钴和醋酸镍，或者醋酸高脂肪酸的钴盐和铜盐，醋酸锰可以阻碍乙醛氧化过程中爆炸量的过氧醋酸的生成。乙醛氧化生成过氧醋酸，实际上是生成单过氧醋酸酯，它反应生成醋酐和醋酸。当温度在40~60℃和铜存在下液相反应时，单过氧醋酸酯近乎定量分解为醋酐和水。 由于醋酐水解，所以也有醋酸形成。如果醋酐产生率要求最大化，那么水解反应必须最小化。乙醛转化成醋酸和醋酐的总选择性为95%以上，产品中醋酐与醋酸比例为56:44。为了保持产品中较高的醋酐比例，产品必须从反应器中的气相排出，以维持反应器中醋酐的限度高于醋酸浓度。使用共沸溶剂，比如醋酸乙酯也可以促进水蒸气从反应区域中排出。乙醛氧化法虽然流程简单，工艺成熟，可以实现醋酸和醋酐的联产，但腐蚀严重且操作条件要求比较高，消耗高，成本高，目前该法已逐渐被淘汰。 1.3醋酸甲酯羰基合成法
设计任务和设计条件 某生产过程的流程如图所示。反应器的混合气体经与进料物流℃之后，进入60换热后，用循环冷却水将其从110℃进一步冷却至为量的流 知混合气体组吸塔收其中的可溶性分。已吸收237301，压力为6.9，循环冷却水的压力为0.4，循环MPaMPa hkg水的入口温度为29℃，出口的温度为39℃，试设计一列管式换热器，完成生产任务。
物性特征：混和气体在35℃下的有关物性数据如下（来自生产中的实测值）： 密度3?mkg/?901定压 比热容 =3.297kj/kg℃c1p热导率 =0.0279w/m ?1粘度5??Pas51?.?1011 下的物性数据：34℃循环水在3/m=994.3 密度㎏?1℃ =4.174kj/kg定压比热容c1p =0.624w/m℃热导率 ?1粘度3??Pas10742?0.?1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110℃出口温度60℃；冷流体进口温度29℃，出口温度为39℃，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，因此初步确定选用浮头式换热器。2．管程安排 从两物流的操作压力看，应使混合气体走管程，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，混和气体走壳程。
浮头式换热器介绍 浮头式换热器的特点是有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向自由浮动。这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固2 定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。 确定物性数据
各种换热器的构造原理、特点 ■螺旋板式换热器的构造原理、特点： 螺旋板式换热器是一种高效换热器设备,适用汽－汽、汽－液、液－液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织、冶金、轧钢、焦化等行业。按结构形式可分为不可拆式（Ⅰ型）螺旋板式及可拆式（Ⅱ型、Ⅲ型）螺旋板式换热器。 ■列管式换热器的构造原理、特点： 列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。 ■换热设备介绍：换热设备是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热设备的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热设备价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。 ■管壳式换热器的构造原理、特点： 管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装臵中，占有极其重要的地位。换热器的型式。 ■容积式换热器的构造原理、特点： 自动控温节能型容积式热交换器，它充分利用蒸汽能源、高效、节能，是一种新型热水器。普通热水器一般需要配臵水水热交换器来降低蒸汽凝结水温度以便回用。而节能型热交换器凝结水出水温度在45℃左右，或直接回锅炉房重复使用。这样减少了设备投资，节约热交换器机房面积，从而降低基建造价，因此节能型容积式热交换器深受广大设计、用户单位欢迎。钢衬铜热交换器比不锈钢热交换器经济，并且技术上有保证。它利用了钢的强度和铜的耐腐蚀性，即保证热交换器能承受一定工作压力，又使热交换器出水质量好。钢壳内衬铜的厚度一般为1.0mm。钢衬铜热交换器必须防止在罐内形成部分真空，因此产品出厂时均设有
相变换热器文献综述 学院：材料与化学工程学院 专业：过程装备与控制工程 班级：2011-01 姓名：*** 学号：***
相变储热换热器文献综述 ***（郑州***化工学院） 摘要：本文通过对换热器发展历史的回顾，总结相变储热换热器的理论技术和结构设计，对其物性数据，相变储热材料等做了简要评述。1引言 在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油、动力、原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10~20%。在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的85~40%。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：如加热、冷却、蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。由于使用的条件不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。另外，在化工生产中，有时换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一个工艺设备中的组成部分。其他如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉，有时在生产中也是不可缺少的。总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。 2换热器发展历史简要回顾 二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管
制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新材料料制成的换热器开始注意。60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 节能和环保已经成为当今世界的两大主题，经济高速发展、人口不断增长、过度开采和能源的利用率过低导致能源供需矛盾越来越大．能源紧缺受到人们越来越多的关注，能量存储随之引入了人们的生活。近年来,相变储换热器在太阳能利用、工业废热利用及暖通空调蓄冷和蓄热等领域获得了广泛的应用。相变储换热器有多种形式如管簇式、球形堆积床式和平板式,一些研究者对其热性能进行了模拟和实验研究。 3实验研究的主要成果 3.1相变储能材料的导热强化
热交换器 戴季煌
热交换器2015.01 第一部分GB151-2014 1. 修改了标准名称，扩大了标准适用范围： 1.1提出了热交换器的通用要求，也就是适用于其他结构型式热交换器。并对安装、使用等提出要求。 1.2规定了其他结构型式的热交换器所依据的标准。 2. 范围： GB151-201X《热交换器》规定公称直径范围（DN≤4000mm，原为2600mm）、公称压力（PN≤35MPa）及压力和直径乘积范围（PN×DN≤2.7×104，原为1.75×104）。并且管板计算公式推导过程的许多简化假定不符合。也给制造带来困难。TEMA控制壳体壁厚3〞（76mm）、双头螺柱最大直径为4〞（102mm）。 3.术语和定义 3.1公称直径DN 3.1.1卷制、锻制、圆筒 以圆筒内直径（mm）作为换热器的公称直径。 3.1.2钢管制圆筒 以钢管外径（mm）作为换热器的公称直径。 3.2公称长度LN 以换热管的长度（m）作为换热器的公称长度，换热管为直管时，取直管长度；换热管为U形管时，取U 形管的直管段长度。 3.3换热面积A 3.3.1计算换热面积 换热面积是以换热管外径为基准，以二管板内侧的换热管长度来计算换热面积，计算得到的管束外表面积（m2）；对于U形管换热器，一般不包括U形管弯管段的面积。当需要把U形弯管部分计入换热面积时，则应使U形端的壳体进（出）口安装在U形管末端以外，以消除U形管末端流体停滞的换热损失。 3.3.2公称换热面积 公称换热面积是将计算面积经圆整后的换热面积（m2），一般取整数。 4.工艺计算（新增加） 4.1设计条件（用户或设计委托方应以正式书面形式向设计单位提出工艺设计条件），内容包含 4.1.1操作数据：包括流量、气相分率、温度、压力、热负荷等； 4.1.2物性数据：包括介质密度、比热、粘度、导热系数或介质组成等； 4.1.3允许阻力降； 4.1.4其他：包括操作弹性、工况、安装要求（几何参数、管口方位）等。 4.2选型应考虑的因素 4.2.1合理选择热交换器型式及基本参数，满足传热、安全可靠性及能效要求； 4.2.2考虑经济性，合理选材； 4.2.3满足热交换器安装、操作、维修等要求。 4.3计算 热交换器工艺计算时应进行优化，提高换热效率，满足工艺设计条件要求。需要时管壳式热交换器还应考虑流体诱发振动。 5.设计参数 5.1压力 5.1.1压差设计 同时受管、壳程压力作用的元件，当能保证制造、开停工、及维修时都能达到按规定压差进行管、壳程同时升、降压和装有安全装置时，方可按元件承受的压差设计。 5.1.2真空设计 真空侧的设计压力，应按GB150的规定，当元件一侧受真空作用，另一侧受非真空作用时，其设计压力应为两侧设计压力之和，即为最苛刻的压力组合。
水水容积式换热器 ——换热设备推广中心 水水容积式换热器不仅拥有换热器的优点，同时弥补了换热器容积小的缺点，可以续存部分的热水，适用于符合波动较大或短时间需要大量用水的情况. 容积式换热器按照导热管的不同主要可以分为:螺纹管容积式换热器.涡流热膜容积式换热器和浮动盘管容积式换热器。山东普利龙压力容器有限公司具有生产换热器的多年经验。水水容积式换热器按照外形的不同主要有:立式水水容积式换热器和卧式水水容积式换热器。水水容积式换热器按照导热管的不同又可以分为:浮动盘管容积式换热器和螺纹管容积式换热器。一般都由导管.法兰.筒体和管板组成。 在换热器家族中，浮动盘管容积式换热器以其独有的换热元件，使其具有许多其它形式换热器所不具备的优点，因而备受用户青睐。山东普利龙压力容器有限公司在十多年的生产制造过程中，认真总结自身经验，收集市场反馈信息，不断优化改进，使其结构益趋合理，性能更加优越。根据我公司研发进程及市场需求，现已推出第六代产品。 浮动盘管容积式换热器的性能特点: 、传热系数高:汽水换热时，K,2100,32001 千卡,平方米小时。度(2400,3720瓦,平方米 度);水水换热时，K,1210,2100千卡,平方米。
小时。度(1410,2460瓦,平方米。度)。 2、贮水量大，基本无死水区，容积利用率高，水头损失小，供水安全稳定。 3、不需预留抽管束空间，占地面积小。 4、由于换热盘管在壳体内可浮动和自由伸缩，促使热媒和被加热水扰动，提高了传热效率，使换热更充分，一级换热即可满足使用要求。汽水换热时，凝结水温度可降到50?以下，充分节约能源。 5、可连续自动检测出水温度，并指令控制阀调节进入盘管内的热媒流量，实现精确温控。即使在负荷波动情况下，出水温度可保持在设定值的?2?范围内(本功能非设备固有，须用户选购温控阀)。 6、具有自动除垢的功能，运转过程中无冲击噪声，便于维修管理，使用寿命长。 LWR螺纹管容积式换热器采用高效传热管—螺纹管作为换热元件，传热系数高，比光管换热器高1—3倍，流动阻力小，消耗动力少。