【苯蒸汽冷却器的设计（论文）10000字】

第一章设计参数热流体选用苯蒸汽；冷流体选用水；苯蒸汽工作压力P1=0.2MPa；冷却水工作压力P2=1.5MPa；苯蒸汽进口温度T1=80℃；苯蒸汽出口温度T2=30℃；冷却水进口温度t1=20℃；冷却水出口温度t2=30℃；苯蒸汽流量0.7Kg/s；第二章传热量和流程确定2.1定性温度的确定定性温度为：t定性温度为：t2.2物性参数(1)物性参数表2-1热流体物性参数物性温度密度（kg/m³）比热容（kJ/(kg•℃)）黏度（kg/(m•s)）热导率(W/(m•℃))汽化潜热（kJ/kg）苯蒸汽55823.21.840.000410.33394(2)物性参数冷流体温度（℃）密度（kg/m³）比热容（kJ/(kg•℃)）黏度（kg/(m•s)）热导率(W/(m•℃))水25996.94.180.0009030.6082.3热量衡算本次设计中，苯蒸汽的传热量分为两部分，第一为冷却段，第二为冷凝段，总传热量为两部分相加之和。Q=2.4所需要的冷却水M2.5流体的安排苯蒸汽为热流体，冷却水是冷流体，可以让苯蒸汽走壳程，冷却水走管程。综合考虑，本设计的选择是合适的。

第三章传热面积的计算3.1传热温差苯蒸汽进出口温度的差值：∆t冷却水进出口温度的差值：∆t在本次设计中，苯蒸汽和冷却水的平均温度差值：根据平均温差计算公式可得：△t暂时按单壳程来考虑，则：P=R=由无量纲数R、P查图得：温差校正系数φ=0.91，因φ>0.8，故可行。两流体的平均温差为：△t3.2K值的选取根据换热器中常用的流速范围的数据，热系数K=780W╱m传热面积为：F'=在设计换热器时，要考虑到面积裕度是否能够完成本次热传递任务。所以在本次设计中，可以取值上式中传热面积的1.15倍：F因此，本次设计的苯蒸汽冷却器初步传热面积可以暂定为22.18m第四章主体部分的计算4.1换热管的选择本次设计中，换热管可以采用10号钢的材料，φ25×2.5mm。根据换热器中常用的流速范围的数据，查《化工单元过程及设备课程设计（第三版）》[1]表3-4、3-5，可取管程内流体的流速ui=1.1m/s4.2管程与总管数流通截面积：A每程管数：n=换热管长度：L=在本次设计中，当我们采用单程时，传热换过长，所以可也采用多管程，是符合实际情况的：当l=3m时管程数：N总根数：n4.3管束对于此设计苯蒸汽冷却器。do10121416192022253032353845505557S13～14161922252628323840444857647072Sn28303235384042445052566068767880(注：:Sn=两侧相邻管心距；S=换热管中心距；do=换热管外径)横过管束中心线的管数：b´=1.14.4壳体内径的确定由于在换热器内的传热管的排列形式多种多样，采取不同排列方法，选用正三角形排列，取管板利用率的值为:η=0.7。对于本次设计壳体内径：D按照标准取值：Ds=0.45m长径比为:l设计合理4.5折流板折流板可以增加苯蒸汽冷却器的传热系数，所以采用常见的单弓形折流板，材料可以选用Q235R。图4-1折流板开口方式(1)对于折流板的选型形式的选择，本次设计的换热器可以选用弓形折流板，流体流动的死角小，结构简单，便于清洗。对于折流板缺口高度的计算，选用下式可得。ℎ=对于折流板的圆心角的计算，由公式可得：θ=(2)对与弓形折流板厚度的选择厚度，查GB151-2014[2]表6-21，可以选择t=12mm，此选择合适；(3)折流板间距为了保证本次设计的工艺合理性，弓形折流板的一般间距都大于壳体内径的五分之四，且不小于50，最大则不能超过壳体内径；则折流板间距一般在范围为(0.09～0.45)m之间。则可以选择折流板间距为0.15m是合理的。(4)折流板数目N为了对这次设计的壳程进出口提供多余的空间，所以壳程两边的折流板的间距是大于中间折流板的间距的，但是两端折流板的间距过大则又是不合理。所以可将折流板的个数取值为18块。折流板上管孔直径，由GB151-2014[2]，查得25.5mm；折流板直径，Db由GB151-2014[2]规定，得Db=446.5mm,直径允许偏差（0--0.5）mm；表4-2折流板外径及允许偏差DN<400400～<500500～<900900～<13001300～<17001700～<21002100～<23002300～<26002600～3200>3200～4000名义外径DN-2.5DN-3.5DN-4.5DN-6DN-7DN-8.5DN-12DN-14DN-16DN-18允许偏差0-0.50-0.50-0.80-0.80-1.00-1.00-1.40-1.60-1.80-2.04.6接管对于壳程进口接管，苯蒸汽的流速可以u1=1.8m/s，内径计算值：D壳程接管直径标准值为DN=25mm，壳程接管尺寸：φ32×3.5mm壳程接管进出口都为苯，所以可以选择壳程接管进出口的尺寸是相同的。校核流速;u流速范围在要求范围内，对于接管公称直径的设计是合理的；对于管程流体冷却水的取值：u2=2m/s，接管内径计算值：D可取管程接管直径标准值DN=80mm，则管程接管尺寸为φ89×4.5mm校核流速;u流速范围在要求范围内，接管公称直径选取合适；第五章热量核算5.1壳程表面传热系数在设计为立式换热器的情况下，管束采用排列方式：垂直排列。选用下式计算壳程传热系数:α设外壁温度为tw=50℃,则冷凝液膜的平均温度为：∆t=查出膜温∆t=52.5下的物性参数为：ρ=μ=λ=c壳侧表面换热系数：α5.2管程表面传热系数在本次设计中，冷却水在管内流通时，它的横截面积：A冷却水的最小流速：u雷诺数：Re普朗特数:P黏度校正项：μ则经过计算可得：α5.3传热系数污垢热阻冷却水的污垢热阻：rs2=0.00034苯蒸汽的污垢热阻：rs1=0.00017(㎡·℃)╱W；管壁热阻我们在本次的设计中，综合考虑选用10号钢，热导率：52.34。管壁热阻：Rb−−传热管的壁厚，mmλw−−热导率，W╱管子的平均直径：d总传热系数：K=5.4安全系数H=换热器安全系数合适.F=换热器的面积裕度为：H=换热器面积裕度合适。5.5壁温核算在本次设计中，我们设计管壁很薄，对于管壁而言它的热阻同样很小，因为换热器用冷却水循环操作，在计算中，可以取最坏的工作条件考虑，使得两侧污垢热阻为零。平均壁温：t冷却水平均温度计算为t苯蒸汽的平均温度计算为：T经过上式计算，可以取苯蒸汽流体温度计算值，让它作为壳体管壁温度的平均温度。则可以为50℃苯蒸汽壳体壁温减去冷却水管程壁温之差。∆t=经过上面的计算结果，我们可以选择换热器的形式为，选择固定管板式换热器。第六章换热器内流体的流体阻力核算6.1管程流体阻力管内摩擦系数查《热交换器原理与设计（第五版）》[4]（图2.36）为fi=0.02总阻力：△P在冷却水流经过折流板缺口时，他的计算公式可得：△P△Pξ一般取3；在本次设计的过程中，冷却水进出口连接管的阻力：△P总阻力：△P经过计算，可以得到对于壳程苯蒸汽的阻力计算，在允许范围之内。6.2壳程流体阻力苯蒸汽冷却器对于流体阻力的计算是否符合实际工作环境。△PFs=1.15，与苯蒸汽的状态有关苯蒸汽在换热器的壳程流通的横截面积的计算：A最小流速：u雷诺数：R流体流过管束的阻力为：△Pf=0.5，管子排列形式对阻力的影响fk——壳程流体摩擦因子；fnt苯蒸汽流过折流板缺口的阻力，可以经过下面的计算公式的。△P总阻力：△P苯蒸汽流体的阻力在允许范围之内。第七章换热器结构设计与强度校核经过前期的热量计算和核算，应当设计出符合实际情况以及工作环境的换热器，在接下来的设计过程中，主要的设计部分包括有换热器的筒体尺寸的设计以及材料的选择，还有各种零部件的设计以及选择，其中管箱，封头，分程隔板，以及拉杆等等各种部件。在对上述零部件的选择完后，就要对这些部件进行应力校核等等。完成以上所述的步骤后，对于苯蒸汽换热器的设计才是完整以及合理的。步骤一：本次设计的换热器管口进口温度是40℃，为了保证工作压力裕度，提高换热器的安全性，可以取1.1倍的换热器管口压力，则可以得到管口压力为1.65MPa。步骤二：本次设计的换热器壳程进口温度是90℃，为了保证工作压力裕度，提高换热器的安全性，可以取1.1倍的换热器壳程压力，则可以得到管口压力为0.22MPa。7.1壳体的设计以及材料的选择(1)材料的确定对于本次换热器，需要冷却的流体为苯蒸汽，苯蒸汽流体属于有机物，因该选择抵抗腐性蚀材好的，则Q345R是符合本次设计的选择，因为它价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定等特点。(2)尺寸的计算1)壳体内径在前期的计算部分中，可以得到筒体的内径是D=450mm，在以此的基础上，可以重新进行有关的工艺参数的计算。2)筒体厚度设计压力：P=0.22MPa，设计温度：Ts=90℃；筒体一般都是由焊接而成的，可以选择双面焊接对接接头。由此可知焊接温度系数可以是1。厚度计算：δ=计算得到筒体壳体的厚度是0.26mm，腐蚀裕度的取值一般根据的是筒体壳体厚度的负差值而定的，在没有特殊的腐蚀条件下，可以取值腐蚀裕量为2。设计厚度：δ名义厚度：δ由于筒体是有压容器，为了保证安全生产的条件，对于筒体的厚度取值不能过于小，计算得出的厚度3.26mm，太小，不能符合安全生产的条件，所以我们可以取值筒体的名义厚度为6mm，是符合有压容器的安全厚度的。对于有效厚度的计算，可得：δ经过计算和选择，最终得到了换热器筒体的全部尺寸厚度，最终对于筒体壳体的厚度取值为6mm，所以可知筒体壳体的内径是450mm，筒体壳体的外径是462mm。(3)强度校验本次设计的苯蒸汽冷却器的筒体，首先要对其的筒体进行强度校核，为了应付各种恶劣的工作环境，比如高温高压等条件下，依旧能够安全运行生产。因此首先进行高压校核，由下式可以计算得筒体的最高允许工作压力：P设计温度计算应力：σσ根据上列所算得出：σ可以得出以下结论：该设计的苯蒸汽冷却器筒体的强度校验是合格的。(4)水压试验试验压力：P[σ]——筒体材料试验温度下的许用压力，MPa；[σ]^t——筒体材料设计温度下的许用压力，MPa；压力校核：σP38.75≤经过上面的水压计算校核，可以得到该筒体的水压校核是通过的，由以上筒体压力以及水压校核。综合考虑，该苯蒸汽冷却器的筒体设计是合格的。7.2管箱垫片对本次设计的冷却器，选取非金属软垫片。公称直径DN，mm垫片D，mm垫片d，mm4504944547.3管箱法兰选用乙型平焊法兰，材料为16Mn，示意图如下：凹凸密封面-法兰公称直径为450mm，由下表可知DNDD1D2D3D4δd螺栓规格螺栓数量4505905505155055024323M2020(1)法兰校核法兰材料为16Mn，常温下的许用应力是[σ]b=320MPa，设计温度下许用应力为181MPa。螺栓材料为40Cr，常温下许用应力为[σ]b=635MPa，设计在一定许用温度下螺栓材料的许用应力为196MPa。法兰内径横向的切面和截面的宽度流体轴向压力所作用引起的流体轴向摩擦力：流体流动压力所直接引起的总流体轴向性压力和直接作用于法兰内径横向的切面和截面的径向流体流动压力所直接引起的总流体轴向性压力差的比值公式为差；FFF=0.785窄面法兰垫片压紧力F垫片压紧力作用中心圆直径D作用位置的距离FDL螺柱的作用位置到中心点的距离L螺柱的作用位置到中心点FG的距离L在螺栓预工作状态下时，需要的最小载荷W在螺栓工作状态下时，需要的最小载荷W当螺柱在预工作状态时，对于工作面需要的最小面积。A当螺栓在实际工作状态时，A总横截面积A螺栓设计载荷W=0.5工作状态下的法兰总力矩M工作状态下的剪应力Aτ0.72≤0.8合格7.4管板①管板的选择苯蒸汽冷却器，选用的是固定管板式换热器，所以对于它选用的材料为Q345R.本次设计的冷却器内径是450mm，查阅相关冷却器的资料，确定了管箱法兰的结构，DNDD1D2D3D4D5Cd2螺栓规格螺栓数量bfb450590550515447510450023M20202060②冷却器上的管板工作时，孔的直径大小和选择标准。查换热器设备设计书，可以取值25.3mm，是符合本次设计的要求的。冷却器的粗糙度与管板粗糙度在35μ范围之间。可以采用比较常见的焊接方法。冷却器的管板和法兰的连接方式有很多，在本次设计中，可以采用的连接方法，选用凹凸面，管法兰的密封面形式。如图所示(1)管板校核有关参数的确定设计温度下换热器的屈服强度是σtt205MPa；换设计温度下换热器弹性模量Et=210000MPa；换热管设计温度下许用应力[σ]tt124MPa;换热管设计温度下线性膨胀系数αt=11.12mm╱mm·℃;设定特定温度下对于壳体材料的弹性模量Es=197000MPa；壳体材料设计温度下的屈服强度σst315MPa;壳体材料设计温度下线性膨胀系数αs=11.53mm╱mm·℃;螺栓许用应力[σ]b=196MPa；设计温度下管板材料的弹性模量Ep=201000MPa；管板材料的许用应力[σ]pt189MPa;设计温度下管箱法兰材料的弹性模量Ef=200000MPa；换热管稳定许用应力回转半径i：i=0.25换热管受压失稳当量长度lcr=1308.15mm系数：C[σ][σ]cr≤[σ]tt124MPa，按照要求，是符合本次冷却器的设计的。冷却器的壳程横截面积。A=隔板之间，相邻两侧列管的圆心之间的距离：Sn=44mm。冷却器的隔板一面的列管数目：N1=11根AAλ=冷却器的筒体表面横截面积。As=π设计的冷却器列管管口的管区面积。A一根管热管在工作时，它所需要的总横截面积。a=β=冷却器的管板在安装列管时，管板需要提供的布置管区的面积。D冷却器与壳程内径之比。ρb需要的螺柱面积A基本法兰力矩M法兰颈部大端厚度δ1=10.5mm法兰颈部小端厚度δ2=6mm管箱法兰厚度δf=43mmδ系数ω´´=0.00023，按δh/Di和δ´´f/Di旋转刚度的确定。K´´冷却器的换热管束与圆筒刚度比Q=ΕΕ冷却器的各个零部件的设计厚度，还有管板的强度和刚度的系数，顶管板厚度60mm。管程：腐蚀裕量2mm壳程：腐蚀裕量2mm对于管板：强度系数:0.4刚度系数:0.4有效厚度：δ管板延长的加法兰厚度：δ´冷却器有效长度：L=3000−2冷却器的系数K=在冷却器的设计中，当在管板的周围不加管区时无量纲宽度。k=K壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数K´参数K管束模数K旋转刚度无量纲参数K系数ψ=系数M法兰力矩折减系数ξ=管板边缘力矩变化系数ΔM法兰力矩变化系数ΔM7.5对冷却器接管的设计选择(1)壳程接管名称公称直径DN管子外径A法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰内径B壳程接管及法兰253210075114101433②壳程接管外伸高度DN=25，δ=0～50，l3=150mm(2)壳接管位置最小尺寸可以用下面的计算方法可得。L(3)壳程接管补强①开孔补强校核对于设计的冷却器，取壳程接管32x3.5mm，。C壁厚：δ有效壁厚：δ开孔直径：d=D接管有效补强高度：B=2d=2外侧有效补强高度：1=补强面积：A=dδ=34fr=1面积是：A1=(B-d)×(δe-δ)=(68-34)×(3-0.26)=93.16m㎡AA=A≥8.84m㎡综上所诉，接管补强的强度符合设计的合理性。(4)对冷却器管程接管的设计。名称公称直径DN管子外径A法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰内径B管程接管及法兰8089200160188162091管程接管外伸高度当DN=80，δ=0～50，l4=150mm1)接管位置L2)管程接管补强的计算②管箱接管开孔补强校核材料选用89×4.5mm的20号钢，许用应力147MPa，取C2=2,C=1。采用等面积补偿法校核。C计算壁厚：δ有效壁厚：δ开孔直径：d=D有效补强高度：B=2d=2外侧有效补强高度：ℎ1=需要补强面积：A=d可以作为补强的面积：A1=(B-d)×(δe-δ)=(182-91)×(3-1.97)=93.73m㎡AA=另加的补偿面积：A补强圈厚度：σ筒体等厚6mm。补偿面积：A=冷却器的设计强度补偿强度满足。7.6冷却器管箱的设计(1)材料的选择冷却器封头的结构尺寸符合钢制压力容器封头GB/T25198-2010[6]和《压力容器》(GB150-2011[5])所参考的合理性设计。故管箱的材料可选取为Q345R，此材料的许用应力为189Mpa。(2)管箱尺寸根据本次设计的工作温度，当冷却器流体进口温度为40℃，取计算压力为工作压力的1.1倍，可以计算出该冷却器的设计压力是1.65MPa.计算厚度：δ=设计厚度：δ名义厚度：δ取整后名义厚度为：6mm有效厚度：δ(3)封头尺寸的设计根据本次设计的工作温度，当冷却器流体进口温度为40℃，取计算压力为工作压力的1.1倍，可以计算出该冷却器的设计压力是1.65MPa.焊缝系数φ=1，腐蚀裕度C2=2，负差值C1=1计算厚度：δ设计厚度：δ名义厚度：δ取整后名义厚度为6mm有效厚度：δ图7-7椭圆形封头EHA表7-6封头参数公称直径为(mm)H(mm)h(mm)δn(mm)45013825.56(4)分程隔板宽度为440mm,厚度为10mm,长为517m的Q235型完全符合本次设计对于材料上规范要求，在操作过程中一端作为平面，一端是和封头相同的椭圆，于此同时与宽为12mm，深为6mm拐角处倒角为45°的隔板槽互相搭配咬合。(5)前端管箱管箱短接长度不仅要免除使开孔不受影响还需考虑换热器对于组装尺寸方面的规范和要求，于是管箱短接长度的计算方式为。封头焊缝到接管距离：L封头高度：LL(6)强度校验Pσσ根据上列所算得出：σ强度校验合格(7)水压试验在本次设计的筒体封头的厚度：δ=系数为：K=水压计算：P最大工作压力：P本次设计中水压试验的最终结果。σ160.06<0.9×φ×Rel。水压试验满足要求。7.7拉杆的设计(1)拉杆尺寸10≤d≤14，拉杆直径10；14＜d＜25，拉杆直径12；25≤d≤57，拉杆直径16；换热管直径为：do=25mm，拉杆直径dn为16mm一台拉杆数为：4根(2)结构形式常用拉杆形式有两种：(1)焊接连接结构；(2)螺纹连接结构：(3)拉杆布置材料采用Q235R，选用Φ16的拉杆，数量为4根。拉杆直径拉杆螺纹公称直径LaLhb161622602(4)定距管的设计材料采用Q235R，Φ25mm，定距管的长度为159mm，个数为4;折流板间的定距管长度为138mm,个数为68个。7.8旁路挡板的设计材料为Q245R厚度为12mm，宽度为43.75mm，长12.55mm,与折流板焊接牢固7.9支座材料为Q235A，公称直径为450mm安装2个支座，对称布置公称直径DN允许载荷鞍座高度H底板l1底板b1底板δ1底板s1筋板l2筋板b2筋板δ2垫板l3垫板b3垫板δ3eb4,δ4d规格4501125100606301607051601256205002420

第八章冷却器的应力校核8.1苯蒸汽冷却器所受的应力冷却器轴向力的计算：F苯蒸汽壳程流体的流通截面积：f冷却水管程流体的流通截面积：f对于冷却器壳体的弹性模数，Es=197000MPa。冷却器管程管体的弹性模数，Et=210000MPa。壳程：σ管程：σ8.2苯蒸汽冷却器对温度差值应力的计算换热管外壁：t管热管内壁：t换热管平均温度：tQq=冷却器的筒体内测壁温：t冷却器筒体平均温度壳体材料导热系数为λs=56W╱(m·k),壳体厚度为6mm根据q=Δtt所以：ts=54.98268℃,tw=41.11℃壳体材料的线膨胀系数a管子材料的线膨胀系数a轴向力：σ对于温差产生的轴向力，计算如下：σ冷却器的列管长度δδ冷却器的筒体轴向力：σ管子的轴向合成力：σ8.3冷却器的拉脱力q=8.4热补偿及应力计算(1)热补偿计算tw=41.11℃，ts=54.98℃Δt=因为温差小于50℃，所以不需要热补偿。应力计算采用焊接法，焊缝系数取1，壳体材料的许用应力为189MPa，换热管的许用应力为124MPaqσσq=强度应力校核符合要求，无需设计膨胀节

第九章换热器主要结构尺寸和计算结果汇总9.1工艺参数汇总