氯甲烷余热回收装置蒸发器的设计
氯甲烷余热回收装置蒸发器的设计
甲烷氯化物其主要生产工艺为甲烷高温氯化反应，这部分物料的显热随着循环水带走而无法利用，造成很大的浪费。氯甲烷余热回收装置其中蒸发器是关键设备，该设备的安全运行，是保证该套装置能否安全运行的关键，也制约着氯甲烷余热回收装置的应用推广。
氯甲烷生产余热回收装置包括筒体、汽包、高效传热元件，由直筒和封头构成的筒体筒体上设有甲烷氯化物进口和甲烷氯化物出口，高效传热元件在筒体内沿筒体的轴线布置，高效传热元件为管状，高效传热元件与筒体的轴线方向成６０－９０度夹角，高效传热元件在筒体的外部有延伸段，在高效传热元件的延伸段的外部设有夹套，夹套内侧间隙通过管线分别与进水连接管箱和蒸汽连接管箱连接，汽包上设有蒸汽出口管线和给水进口管线，蒸汽连接管箱通过蒸汽连接管线与汽包连接，进水连接管箱通过管线与汽包连接。本实用新型具有传热效率高、设备安全性能好和易于检修的特点，实现氯甲烷生产过程中的余热回收。
关键词 管壳式换热器，余热回收，简体，汽包
1 绪论 1
1.1 氯甲烷的简介 1
1.2 本课题的意义 1
1.3 该设备的作用及在生产中的应用 1
1. 4 说明运用该设备的理由 1
1.5 设备的结构特点 2
1.6 在设计中遇到的问题的处理 2
1.7 设计方案的确定 2
1.8 余热回收蒸发器简介 3
2 列管式换热器的结构 3
2.1 管程结构 3
2.1.1 换热管规格和排列的选择 3
2.1.2 管板 4
2.2 壳程结构 4
2.2.1 壳体 4
2.2.2 折流挡板 5
3 设计方案确定 6
3.1 管程和壳程数的确定 6
3.2 流动空间的选择 7
3.3 流体流速的选择 8
3.4 流动方式的选择 9
3.5 流体出口温度的确定 9
3.6 材质的选择 9
4 列管式换热器的设计计算 9
4.1 传热计算 10
4.1.1 传热系数K 10
4.1.2 平均温度差 10
4．2 流体流动阻力(压强降)的计算 13
5 蒸发器设计 15
5.1 确定设计方案 15
5.2 确定物性数据 16
5. 3 计算热负荷和冷却水流量 17
5.4 计算两流体的平均温度差 17
5.5 换热器的规格 17
6 工艺计算 18
7 校核计算 20
结论 24
致谢 25
参考文献26
1 绪论
1．1 氯甲烷的简介
甲烷氯化物是包括一氯甲烷（氯甲烷）、二氯甲烷、三氯甲烷（也称氯仿）、四氯化碳四种产品的总称，简称CMS。是有机产品中仅次于氯乙烯的大宗氯系产品，为重要的化工原料和有机溶剂。
甲烷氯化物系列产品中,一氯甲烷作为甲基氯硅烷的原料，85%以上用于有机硅生产(基本上是自产自用)，作为商品销售的量很少；四氯化碳装置在发达国家按《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(以下简称“蒙约”)要求已被关闭(其二氯甲烷、三氯甲烷装置副产的四氯化碳除极少部分销往第三世界国家外，其余的均作为生产原料转化为其它产品予以消化)；三氯甲烷大部分用作生产制冷剂R22和聚四氟乙烯的原料，作为制冷剂R22的原料逐年在增长；二氯甲烷主要用于脱漆剂、粘合剂溶剂、农药、气溶胶等的生产。
1．2 本课题的意义
目前全世界可再生资源的不段减少，面对能源紧张的局面，企业的运作成本不断升高，特别是十一五对节能环保有更高的要求，为此有必要研发余热回收器，余热回收装置采用超导材料，每年可节省燃料费用的5%-8%,节省企业的燃料成本，特别是氯甲烷生产过程中，效率高的同时烟气排放温度比较高，一般在300度左右的高温，导致热量的浪费。我们可以根据要求，气-水交换，可以生成8公斤左右的蒸汽压力。
1. 3 该设备的作用及在生产中的应用
换热器是实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。
1. 4 说明运用该设备的理由
这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。
1. 5 设备的结构特点
该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。
1. 6 在设计中遇到的问题的处理
在设计中，在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求。在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：n，L等，经过二次校核达到了预期的目的。
1. 7 设计方案的确定
对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。
设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。
固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50℃时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70℃和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。
流体流经的空间：冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或井水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的沉积。管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。被加热的流体应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散失。饱和蒸汽由于比较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。
流体的流动方向选择：饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高;冷却水一般从换热器的下方的入口进入,上方的出口排出,可减少冷却水流动中的死角,以提高传热面积的有效利用.故采用逆流.
流速的选择:换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的.
冷却剂及出口温度的确定:选取水做冷却剂,它们可以直接取自大自然,不必特别加工.由于本地水源丰富,可以降低传热面积,减少设备费用.
1. 8 余热回收蒸发器简介
余热回收蒸发器的主要构成部分是换热器。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
2 列管式换热器的结构
2．1 管程结构
2.1.1 换热管规格和排列的选择
换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定采用和两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有，φ57×2.5的无缝钢管和φ25×2,的耐酸不锈钢管。
按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45°安装，可在一定程度上提高表面传热系数。
甲烷氯化物其主要生产工艺为甲烷高温氯化反应，这部分物料的显热随着循环水带走而无法利用，造成很大的浪费。氯甲烷余热回收装置其中蒸发器是关键设备，该设备的安全运行，是保证该套装置能否安全运行的关键，也制约着氯甲烷余热回收装置的应用推广。
氯甲烷生产余热回收装置包括筒体、汽包、高效传热元件，由直筒和封头构成的筒体筒体上设有甲烷氯化物进口和甲烷氯化物出口，高效传热元件在筒体内沿筒体的轴线布置，高效传热元件为管状，高效传热元件与筒体的轴线方向成６０－９０度夹角，高效传热元件在筒体的外部有延伸段，在高效传热元件的延伸段的外部设有夹套，夹套内侧间隙通过管线分别与进水连接管箱和蒸汽连接管箱连接，汽包上设有蒸汽出口管线和给水进口管线，蒸汽连接管箱通过蒸汽连接管线与汽包连接，进水连接管箱通过管线与汽包连接。本实用新型具有传热效率高、设备安全性能好和易于检修的特点，实现氯甲烷生产过程中的余热回收。
关键词 管壳式换热器，余热回收，简体，汽包
1 绪论 1
1.1 氯甲烷的简介 1
1.2 本课题的意义 1
1.3 该设备的作用及在生产中的应用 1
1. 4 说明运用该设备的理由 1
1.5 设备的结构特点 2
1.6 在设计中遇到的问题的处理 2
1.7 设计方案的确定 2
1.8 余热回收蒸发器简介 3
2 列管式换热器的结构 3
2.1 管程结构 3
2.1.1 换热管规格和排列的选择 3
2.1.2 管板 4
2.2 壳程结构 4
2.2.1 壳体 4
2.2.2 折流挡板 5
3 设计方案确定 6
3.1 管程和壳程数的确定 6
3.2 流动空间的选择 7
3.3 流体流速的选择 8
3.4 流动方式的选择 9
3.5 流体出口温度的确定 9
3.6 材质的选择 9
4 列管式换热器的设计计算 9
4.1 传热计算 10
4.1.1 传热系数K 10
4.1.2 平均温度差 10
4．2 流体流动阻力(压强降)的计算 13
5 蒸发器设计 15
5.1 确定设计方案 15
5.2 确定物性数据 16
5. 3 计算热负荷和冷却水流量 17
5.4 计算两流体的平均温度差 17
5.5 换热器的规格 17
6 工艺计算 18
7 校核计算 20
结论 24
致谢 25
参考文献26
1 绪论
1．1 氯甲烷的简介
甲烷氯化物是包括一氯甲烷（氯甲烷）、二氯甲烷、三氯甲烷（也称氯仿）、四氯化碳四种产品的总称，简称CMS。是有机产品中仅次于氯乙烯的大宗氯系产品，为重要的化工原料和有机溶剂。
甲烷氯化物系列产品中,一氯甲烷作为甲基氯硅烷的原料，85%以上用于有机硅生产(基本上是自产自用)，作为商品销售的量很少；四氯化碳装置在发达国家按《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(以下简称“蒙约”)要求已被关闭(其二氯甲烷、三氯甲烷装置副产的四氯化碳除极少部分销往第三世界国家外，其余的均作为生产原料转化为其它产品予以消化)；三氯甲烷大部分用作生产制冷剂R22和聚四氟乙烯的原料，作为制冷剂R22的原料逐年在增长；二氯甲烷主要用于脱漆剂、粘合剂溶剂、农药、气溶胶等的生产。
1．2 本课题的意义
目前全世界可再生资源的不段减少，面对能源紧张的局面，企业的运作成本不断升高，特别是十一五对节能环保有更高的要求，为此有必要研发余热回收器，余热回收装置采用超导材料，每年可节省燃料费用的5%-8%,节省企业的燃料成本，特别是氯甲烷生产过程中，效率高的同时烟气排放温度比较高，一般在300度左右的高温，导致热量的浪费。我们可以根据要求，气-水交换，可以生成8公斤左右的蒸汽压力。
1. 3 该设备的作用及在生产中的应用
换热器是实现传热过程的基本设备。而此设备是比较典型的传热设备，它在工业中的应用十分广泛。例如：在炼油厂中作为加热或冷却用的换热器、蒸馏操作中蒸馏釜和冷凝器、化工厂蒸发设备的加热室等。
1. 4 说明运用该设备的理由
这种换热器的特点是壳体和管板直接焊接，结构简单、紧凑。在同样的壳体直径内，排管较多。管式换热器具有易于制造、成本较低、处理能力达、换热表面清洗比较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，由于两管板之间有管子相互持撑，管板得到加强，故在各种列管换热器中他的管板最薄，其造价比较低，因此得到了广泛应用。
1. 5 设备的结构特点
该结构能够快速的降低物料的温度，工作时热流体走壳程，冷流体走管程，使接触面积大大增加，加快了换热速度。同时，对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度。
1. 6 在设计中遇到的问题的处理
在设计中，在工艺计算过程中，由于选取K0不当或其他条件选取不当，造成在校核时K0不符合要求。在重新选取K0的同时，改变了其他的条件，如：n，L等，经过二次校核达到了预期的目的。
1. 7 设计方案的确定
对于列管式换热器，首先根据换热流体的腐蚀性或其它特性选项定其结构材料，然后再根据所选项材料的加工性能，流体的压强和温度、换热的温度差、换热器的热负荷、安装检修和维护清洗的要求以及经济合理性等因素来选项定其型式。
设计所选用的列管换热器的类型为固定管板式。列管换热器是较典型的换热设备，在工业中应用已有悠久历史，具有易制造、成本低、处理能力大、换热表面情况较方便、可供选用的结构材料广阔、适应性强、可用于调温调压场合等优点，故在大型换热器中占优势。
固定管板式列管换热器的特点是，壳体与管板直接焊接，结构简单紧凑，在同样的壳体直径内排管最多。由于两管板之间有管板的相互支撑，管板得到加强，故各种列管换热器中它的管板最薄，造价最低且易清洗。缺点是，管外清洗困难，管壁与壳壁之间温差大于50℃时，需在壳体上设置膨胀节，依靠膨胀节的弹性变形以降低温差压力，使用范围仅限于管、壳壁的温差不大于70℃和壳程流体压强小于600kpa的场合，否则因膨胀节过厚，难以伸缩而失去温差补偿作用。
流体流经的空间：冷却水走管程原因有以下几个方面，冷却水常常用江水或井水，比较脏硬度较高，受热容易结垢，在管内便于清理，此外，管内流体易于维持高速，可避免悬浮颗粒的沉积。管程可以采用多管程来增大流速，用以提高对流传热系数。被加热的流体应走管程，以提高热的有效利用，被冷却的流体走壳程，以便于热量散失。饱和蒸汽由于比较清洁应于壳程流过，易便于冷凝液的排出。综上所述冷却水走管程蒸汽走壳程。
流体的流动方向选择：饱和水蒸气应从换热器壳程上方进入，冷凝水从壳程的下方排出，这样既便于冷凝水的排放，又利于传热效率的提高;冷却水一般从换热器的下方的入口进入,上方的出口排出,可减少冷却水流动中的死角,以提高传热面积的有效利用.故采用逆流.
流速的选择:换热器内流体的流速大小,应有经济衡算来决定.增大器内流体的流速,可增强对流传热,减少污垢在换热管表面上沉积的可能性,即降低了污垢的热阻,使总传热系数增大,从而减少换热器的传热面积和设备的投资经费,但是流速增大,又使流体阻力增大,动力消耗也就增多,从而致使操作费用增加,若流速过大,还会使换热器产生震动,影响寿命,因此选取合适的流速是十分重要的.
冷却剂及出口温度的确定:选取水做冷却剂,它们可以直接取自大自然,不必特别加工.由于本地水源丰富,可以降低传热面积,减少设备费用.
1. 8 余热回收蒸发器简介
余热回收蒸发器的主要构成部分是换热器。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。
在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计制造结构改进以及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
2 列管式换热器的结构
2．1 管程结构
2.1.1 换热管规格和排列的选择
换热管直径越小，换热器单位体积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。考虑到制造和维修的方便，加热管的规格不宜过多。目前我国试行的系列标准规定采用和两种规格，对一般流体是适应的。此外，还有，φ57×2.5的无缝钢管和φ25×2,的耐酸不锈钢管。
按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管子长度。实际所取管长应根据出厂的钢管长度合理截用。我国生产的钢管长度多为6m、9m，故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种，其中以3m和6m更为普遍。同时，管子的长度又应与管径相适应，一般管长与管径之比，即L/D约为4～6。
管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对易结垢流体更为适用。如将正方形排列的管束斜转45°安装，可在一定程度上提高表面传热系数。
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