回流冷凝器设计毕业设计.doc

本科毕业设计回流冷凝器设计学 院 专 业 过程装备与控制工程 年级班别 2011级2班 学 号 学生姓名 指导教师 2015年 05 月 29 日回流冷凝器设计摘要：传热过程是化工生产过程中存在的及其普遍的过程，实现这一过程的换热设备种类繁多，是不可缺少的工艺设备之一。由于使用条件不同，换热设备可以有各种各样的型式和结构。其中以管壳式换热器应用更为广泛。现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在化工、石油、能源设备等部门所使用的换热设备中仍处于主导地位。 回流冷凝器是换热设备中的一种，是企业生产中的重要设备。它的作用是通过温度相对较低的水来冷凝温度较高的气体从而保证精馏塔液相产品的摩尔分率，从而使设备部分的温度保持在一个生产所需要的水平，使设备正常工作。因此，循环水冷却器的设计对企业的生产是很重要的，它很可能影响企业的经济损失，对其的设计具有很强的实际意义。首先查阅相关文献资料了解回流冷凝器的基本原理、性质及应用，在化工生产中的地位和作用、回流冷凝器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义，对回流冷凝器设计有一个大体上的认识和理解。然后根据工艺要求进行工艺流程计算，确定设备类型、结构，并完成设备工艺设计部分，借助化工模拟软件完成。接着完成回流冷凝器结构设计与部分零部件选型，进行设备强度校核，利用sw6软件包完成设备的强度计算，并以此计算结果作为最终结果，完成设计计算说明书。最后利用计算绘图软件绘制设备的整套设计图纸。关键词：换热器、换热面积、管板、换热管。 reflex condenser designabstract: the reflex condenser is the chemical production process of existence and its general process, heat equipment for this process is various, is one of the indispensable process equipment. due to the use of different conditions, heat exchange equipment can have various types and structure. the tubular heat exchanger applied more widely. now, it is regarded as a kind of traditional standard heat exchange equipment widely used in many industrial departments, especially used in chemical, petroleum, energy equipment department.heat transfer equipment is still in a dominant position. reeflex condenser is a change of thermal equipment, is the important equipment in the production. it is the role of the relatively low temperature water to take away the heat generated by the other device, so as to make part of the temperature is maintained at the required a production level, so that the normal operation of the equipment. therefore, the production design of circulating water cooler of enterprise is very important, it is likely to affect the economic losses of enterprises, which is of great practical significance to the design. this design is for the study of fixed tube plate heat exchanger on the tube shell type. a fixed tube plate heat exchanger, belonging to the shell and tube heat exchanger, is the use of the high temperature fluid and wall temperature fluid of convective heat transfer and heat transfer between the material. in this design, the gb 150-2011 , gb 151-1999 pressure vessel shell and tube type heat exchanger standards and fixed pressure vessel safety technology supervision regulation as the basis, and with reference to design handbook heat exchanger, the scheme is demonstrated, to determine the physical material parameters, combined with the working conditions, select the type of heat exchanger. according to the design task, determine the process parameters on the heat transfer area, the total heat transfer coefficient, and heat transfer area, wall temperature and pressure drop calculation. then the mechanical design based on process parameters, mechanical design including the tube, tube box, tube plate, baffle, head, tube heat exchanger, saddle and other parts, such as the bar, fixed pitch pipe calculation and selection, and calculated the strength necessary, finally using autocad drawing fixed tube plate heat exchanger the assembly diagram and parts diagram, and writing a specification.关键词：换热器、换热面积、管板、换热管等。keyword:tube sheet,heat exchange tube.目 录1 概述 .1 1.1 选题的根据和意义 .1 1.2 本设计的目的和要求 .2 1.3 国内外现状和发展趋势 .22 管壳式换热器的分类和选型 .3 2.1 分类 .3 2.2 任务安排.6 2.3 选择换热器类型.63 换热器的工艺设计 .7 3.1 工艺计算 .7 3.1.1 流径选择 .7 3.1.2 确定物性参数 .7 3.1.3 传热平均温度差的计算 .8 3.1.4 计算传热面积 .8 3.1.5 计算工艺结构尺寸 .9 3.2 换热器核算 .15 3.2.1 传热能力核算 .15 3.2.2 壁温核算 .18 3.2.3 换热器内流体的流动阻力 .19 3.3 换热器主要结构尺寸和计算结果 .214 换热器的机械设计 .22 4.1 计算筒体厚度 .23 4.1.1 筒体材料的选择 .23 4.1.2 筒体厚度 .23 4.2 计算管箱短节、封头厚度 .24 4.2.1 管箱的结构形式 .25 4.2.2 管箱结构尺寸 .25 4.2.3 管箱短节及封头厚度 .26 4.3 开孔补强的校核 .26 4.3.1 管箱短节开孔补强的校核 .28 4.3.2 筒体节开孔补强的校核 .28 4.3.3 排气口、排液口开孔补强的校核 .30 4.4 管板设计 .31 4.4.1 换热管与管板的连接 .31 4.4.2 管板与壳体的连接 .33 4.4.3 管板与管箱的连接 .34 4.4.4 管板材料 .35 4.4.5 管板计算的相关参数的确定 .36 4.4.6 计算法兰力矩 .38 4.4.7 管板计算的另一些相关参数的确定 .43 4.4.8 校核设计条件不同的组合工况 .45 4.5 换热管 .57 4.5.1 换热管的型式 .57 4.5.2 换热管的材料与质量等级 .57 4.5.3 管孔 .58 4.6 折流板 .58 4.6.1 材料的选取 .58 4.6.2 折流板的间隙 .58 4.6.3 折流板的厚度 .58 4.7 拉杆、定距管 .58 4.7.1 拉杆的结构形式 .59 4.7.2 拉杆直径、数量和尺寸 .59 4.7.3 拉杆与管板的连接结构 .60 4.8 防冲板和导流筒 .60 4.9 支座 .61 4.9.1 裙式支座结构特征.61 4.9.1质量计算.614.10 接管 .63 4.10.1 接管的要求 .63 4.10.2 接管高度（伸出的高度）的确定 .64 4.10.3 接管位置最小尺寸 .64 4.10.4 接管尺寸 .65 4.11 膨胀节 .66 4.11.1 膨胀节的作用 .66 4.11.2 设置膨胀节的条件 .665 换热器的制造与检验要求 .66 5.1 圆筒 .67 5.2 管箱 .68 5.3 换热管 .68 5.4 管板 .68 5.5 换热管与管板的连接 .69 5.6 折流板 .696 总结 .697 主要参考文献 .70致谢语 .71回流冷凝器设计1 概述 使热量从蒸汽变为液体的设备称为冷凝器。它是一些工业部门大范围使用的一种通用设备，例如化工、制药、机械等。在化工厂中，回流冷凝器主要与釜式再沸器配合使用保证精馏塔内气体冷凝成的液体有足够的摩尔分率以满足各行各业的需求。在工业生产中，回流冷凝器主要是利用地下水冷凝蒸汽，使蒸汽经冷凝后变为液体，以满足化工行业的需要。此外，换热设备也可以回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气（约）、高炉炉气（约）、需要冷却的化学反应工艺气（）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。1.1 选题的依据和意义回流冷凝器是将热流气体冷凝为冷流体。改革开放以来，随着现代工业的迅速发展,我国环境容量小，生态环境脆弱，资源相对短缺三大问题日益突出。故在寻找新能源的同时,也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境,而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用,使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视,各种研究成果不断涌现。各种不同结构和种类的换热器发展很快,新结构、新材料的换热器层出不穷。换热器既可是一种单独的设备,如加热器、冷却器和凝汽器等;也可是某一工艺设备的组成部分,如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。同时日常生活中的暖通空调，北方冬天家里用暖气等都需要提高能源利用率，这些都给换热器带来了日益广阔的发展前景。设计具有很强的实际意义。1.2 本设计的目的和要求首先查阅相关文献资料了解回流冷凝器的基本原理、性质及应用，在化工生产中的地位和作用、回流冷凝器应用的现状和发展趋势、设计的理论基础、技术路线及其意义，对回流冷凝器设计有一个大体上的认识和理解。然后根据工艺要求进行工艺流程计算，确定设备类型、结构，并完成设备工艺设计部分，借助化工模拟软件完成。接着完成回流冷凝器结构设计与部分零部件选型，进行设备强度校核，利用sw6软件包完成设备的强度计算，并以此计算结果作为最终结果，完成设计计算说明书。最后利用计算绘图软件绘制设备的整套设计图纸，撰写毕业设计说明书。毕业设计是在完成各项设计内容的基础上，按上述内容阐述设计的目的、过程、成果及结论。在撰写设计说明书的过程中，理论依据要充分，数据要准确，公式计算要正确，能将所学的知识和技能应用于毕业设计中。另外，要注意设计说明书结构的合理性；总体设计方案要正确合理；结构设计的合理性，设计数据的准确性；社会调查的客观性和科学性。是否有自己独特的见解或者创新。 另外，撰写设计说明书时要概念清楚，内容正确，结构严谨，文字通畅，用语符合技术专业规范，各种标准资料的运用符合学科、专业国家标准的规定，图表清楚，图面质量符合要求，书写格式规范。 1.3 国内外现状和发展趋势回流冷凝器是换热设备的一类，用以冷却流体。通常用水或空气为冷却剂以除去热量，广泛用于化工，在精馏操作中和釜式再沸器一起使用，回流冷凝器主要用于提供液相回流，直接影响到精馏塔的稳定操作工况与馏出液的产品分率。我国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件推向市场，国内外传热技术的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一大批优良的换热器。现在换热器的研究及发展方向有：物性模拟研究；分析设计研究；大型化及能耗研究；强化技术研究；新材料的研究；控制结垢与腐蚀的研究等。随着计算机技术的发展，使得一些新型研究更为方便与快捷，使换热器更为安全可靠，随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型高效的空冷器所取代。2 管壳式换热器的分类及选型2.1 分类 根据管壳式换热器的结构特点，可分为固定管板式、浮头式、u形管式、填料函式和釜式重沸器五类。（1）固定管板式换热器固定管板式换热器的典型结构如图2-1所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。图2-1 固定管板式换热器（2）浮头式换热器浮头式换热器的典型结构如图2-2所示，两管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。浮头有浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。浮头式换热器的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。 图2-2 浮头式换热器 （3） u形管式换热器 u形管式换热器的典型结构如图2-3所示，这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根u形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳体与u形换热管有温差时，不会产生热应力。 由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的u形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根u形管相当于坏两根管，报废率较高。结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板 式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 图2-3 u形管式换热器（4） 填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图2-4、2-5所示，这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。由于采用填料函式密封 结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于以下的工作环境，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。填料函式换热器现在已很少采用。 图2-4 填料函双壳程换热器图2-5 填料函分流式换热器（5） 釜式重沸器 釜式重沸器的结构如图2-6所示，这种换热器的管束可以为浮头式、u形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、u形管式换热器的特性。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。此换热器与浮头式、u形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。 图2-6 釜式重沸器2.2 任务安排 1.处理能力： 30000吨/年正戊烷 8000kg/h地下水 2.设备形式： 立式列管冷凝器 3.操作条件 (1)正戊烷：蒸汽温度51.7 冷凝为饱和液体 (2)冷却介质：地下水，入口温度25 (3)每年330天计，每天24小时连续2.3 选择换热器的类型 两流体在定性温度下的物性参数如下：物料温度 密度粘度比热容导热系数kg/m3pas kj/（kg） w/（m）正戊烷 51.7 59618.010-52.34 0.13地下水 25 994.880.010-54.174 0.616 a.地下水入口温度为25b.由设计要求的正戊烷的流量:=300001000/330/24=3787.88kg/h=1052.19g/sc.已知51.7时正戊烷的蒸发潜热 r=347.5044kj/kg 热负荷为：qh=r=3787.88347.5044=1316287.88kj/h=365635.52j/s d.地下水的出口温度： t2=q/(m2c)+t1=1316287.88/80004.174+25=28.94 e.地下水的定性温度为tm=（25+28.94）/2 = 26.97 两流体的温差tm-tm=51.7-26.9750，选用固定管板式换热器 f.有效平均温度差： t m=（51.7-25-51.7+28.94）/in（51.7-25）/（51.7-28.94）=24.673 换热器的工艺设计3.1 工艺计算3.1.1 流径选择（1） 选择原则 不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。对于直管管束，宜走管程；对 于u形管管束，宜走壳程。 腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。 为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一 般比壳程小，且做成多管程也较容易。 两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走 壳程， 以减少管壁与壳体的温差，减小热应力。 蒸气冷凝宜走壳程，以利于排出冷凝液。 需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。但温度很高的流 体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。 黏度大或流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低下 （）即可达到湍流。（2） 选择流径正戊烷蒸汽相对比较洁净，选择正戊烷蒸汽走壳程，地下水走管程，既有利于地下水水冷却效率高，也可借助外界温度加速地下水冷却。3.1.2 确定物性参数 由前面计算可知，正戊烷的定性温度为51.7，地下水水的定性温度为26.97. 根据定性温度，分别查取正戊烷和水的有关物性参数，列表3-1如下： 表3-1 物性参数表物性壳程(正戊烷)管程(地下水)符号数据符号数据密度 596 994.8比热容 2.344.174粘度1.810-58010-5导热系数0.130.616进口温度51.725出口温度51.728.943.1.3 传热平均温度差的计算 根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，即是否有升高或降低，可将传热分为恒温传热和变温传热两类。若间壁的一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同，即流体从进口到出口，温度有了变化，或是升高或是降低，这种情况的传热称为变温传热。在变温传热中，沿传热面温度差是变化的，所以在传热计算中需要求出传热过程的平均温度差。本设计就属于变温传热中两侧变温传热的情况。 根据两侧流体变温下的温度差变化情况，可分为逆流、并流、错流和折流。在逆流（即冷、热两流体在传热面两侧流向相反）操作时，热流体和冷流体用可以比并流操作时少，所以工程上多采用逆流操作，在本设计中先按逆流计算，再校正。 先求逆流时的传热平均温度差： , ；（28.94-25）/ln(26.7/22.76)=24.683.1.4 计算传热面积根据热流体为低沸点烃类蒸汽冷凝，冷流体为水，根据化工原理课程设计有表3-2取传热系数=900， 表3-2 管壳式换热器中值的大致范围 热流体 冷流体传热系数 水 水 轻油 水 重油 水 气体 水 水蒸汽冷凝 水 水蒸汽冷凝 气体 低沸点烃类蒸汽冷凝（常压） 水 高沸点烃类蒸汽冷凝（常压） 水 水蒸汽冷凝 水沸腾 水蒸汽冷凝 轻油沸腾 水蒸汽冷凝 重油沸腾 则有估算的传热面积：=365635.52/（90024.68）=16.463.1.5 计算工艺结构尺寸（1） 管径和管内流速 管径 选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范围。 我国目前适用的管壳式换热器系列标准中仅有换热管规格为： 、。由于本设计估算传热面积较大所以本设计选用规格。 管内流速流体在壳程或管程中的流速增大，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉积或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。根据化工原理p174有，管壳式换热器常用流速的范围如表3-3和不同黏度液体在列管换热器中的流速（在钢管中）如表3-4，取管内流速=1.0m/s。 表3-3 管壳式换热器常用流速的范围 流体的种类 一般液体 易结垢液体 气体 流速 管程 壳程 表3-4 不同黏度液体在列管换热器中的流速（在钢管中）液体黏度 最大流速液体黏度最大流速 （2）管程数和换热管数流体从换热管的一端流到另一端，称为一个流程。在换热管长度和数量一定时，为了提高管内流速和传热效率，常采用管束分程的办法，使介质在管束内的流通面积减少，流程加长和流速提高。我国规定有1、2、4、6、8、10、12七种分程数，最常用的是2程和4程。依据换热管内径和流速确定单程传热管数：由有， 地下水流量mc=8000kg/h=2.22kg/s， 则v=m/=2.22/994.8=2.2310-3m3/s， 10-3=7.1（根），取整数8根。 按单程管计算，所需的传热管长度为 l=16.46/(0.02583.14)=26.21m管程数：l按单程换热器计算的传热管长度为26.21ml选取的每层管子长度，无缝钢管长