回流冷凝器設計畢業(yè)設計

1、 本科畢業(yè)設計回流冷凝器設計學 院 專 業(yè) 過程裝備與控制工程 年級班別 2011級2班 學 號 學生姓名 指導教師 2015年 05 月 29 日回流冷凝器設計摘要：傳熱過程是化工生產過程中存在的及其普遍的過程，實現(xiàn)這一過程的換熱設備種類繁多，是不可缺少的工藝設備之一。由于使用條件不同，換熱設備可以有各種各樣的型式和結構。其中以管殼式換熱器應用更為廣泛?，F(xiàn)在，它被當作一種傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用，尤其在化工、石油、能源設備等部門所使用的換熱設備中仍處于主導地位。 回流冷凝器是換熱設備中的一種，是企業(yè)生產中的重要設備。它的作用是通過溫度相對較低的水來冷凝溫度較高的氣體從而保證

2、精餾塔液相產品的摩爾分率，從而使設備部分的溫度保持在一個生產所需要的水平，使設備正常工作。因此，循環(huán)水冷卻器的設計對企業(yè)的生產是很重要的，它很可能影響企業(yè)的經濟損失，對其的設計具有很強的實際意義。首先查閱相關文獻資料了解回流冷凝器的基本原理、性質及應用，在化工生產中的地位和作用、回流冷凝器應用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、設計的理論基礎、技術路線及其意義，對回流冷凝器設計有一個大體上的認識和理解。然后根據工藝要求進行工藝流程計算，確定設備類型、結構，并完成設備工藝設計部分，借助化工模擬軟件完成。接著完成回流冷凝器結構設計與部分零部件選型，進行設備強度校核，利用sw6軟件包完成設備的強度計算，并以此計算結果

3、作為最終結果，完成設計計算說明書。最后利用計算繪圖軟件繪制設備的整套設計圖紙。關鍵詞：換熱器、換熱面積、管板、換熱管。 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 diff

4、erent 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 equ

5、ipment 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

6、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 sig

7、nificance 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

8、 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

9、, 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 pressu

10、re 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, fina

11、lly using autocad drawing fixed tube plate heat exchanger the assembly diagram and parts diagram, and writing a specification.keyword:tube sheet,heat exchange tube.目 錄1 概述 .1 1.1 選題的根據和意義 .1 1.2 本設計的目的和要求 .2 1.3 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .22 管殼式換熱器的分類和選型 .3 2.1 分類 .3 2.2 任務安排.6 2.3 選擇換熱器類型.63 換熱器的工藝設計 .7 3.1 工藝計算

12、.7 3.1.1 流徑選擇 .7 3.1.2 確定物性參數(shù) .7 3.1.3 傳熱平均溫度差的計算 .8 3.1.4 計算傳熱面積 .8 3.1.5 計算工藝結構尺寸 .9 3.2 換熱器核算 .15 3.2.1 傳熱能力核算 .15 3.2.2 壁溫核算 .18 3.2.3 換熱器內流體的流動阻力 .19 3.3 換熱器主要結構尺寸和計算結果 .214 換熱器的機械設計 .22 4.1 計算筒體厚度 .23 4.1.1 筒體材料的選擇 .23 4.1.2 筒體厚度 .23 4.2 計算管箱短節(jié)、封頭厚度 .24 4.2.1 管箱的結構形式 .25 4.2.2 管箱結構尺寸 .25 4.2.3

13、 管箱短節(jié)及封頭厚度 .26 4.3 開孔補強的校核 .26 4.3.1 管箱短節(jié)開孔補強的校核 .28 4.3.2 筒體節(jié)開孔補強的校核 .28 4.3.3 排氣口、排液口開孔補強的校核 .30 4.4 管板設計 .31 4.4.1 換熱管與管板的連接 .31 4.4.2 管板與殼體的連接 .33 4.4.3 管板與管箱的連接 .34 4.4.4 管板材料 .35 4.4.5 管板計算的相關參數(shù)的確定 .36 4.4.6 計算法蘭力矩 .38 4.4.7 管板計算的另一些相關參數(shù)的確定 .43 4.4.8 校核設計條件不同的組合工況 .45 4.5 換熱管 .57 4.5.1 換熱管的型式

14、.57 4.5.2 換熱管的材料與質量等級 .57 4.5.3 管孔 .58 4.6 折流板 .58 4.6.1 材料的選取 .58 4.6.2 折流板的間隙 .58 4.6.3 折流板的厚度 .58 4.7 拉桿、定距管 .58 4.7.1 拉桿的結構形式 .59 4.7.2 拉桿直徑、數(shù)量和尺寸 .59 4.7.3 拉桿與管板的連接結構 .60 4.8 防沖板和導流筒 .60 4.9 支座 .61 4.9.1 裙式支座結構特征.61 4.9.1質量計算.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）的確定 .64 4.10.3 接管位置最

15、小尺寸 .64 4.10.4 接管尺寸 .65 4.11 膨脹節(jié) .66 4.11.1 膨脹節(jié)的作用 .66 4.11.2 設置膨脹節(jié)的條件 .665 換熱器的制造與檢驗要求 .66 5.1 圓筒 .67 5.2 管箱 .68 5.3 換熱管 .68 5.4 管板 .68 5.5 換熱管與管板的連接 .69 5.6 折流板 .696 總結 .697 主要參考文獻 .70致謝語 .71回流冷凝器設計1 概述 使熱量從蒸汽變?yōu)橐后w的設備稱為冷凝器。它是一些工業(yè)部門大范圍使用的一種通用設備，例如化工、制藥、機械等。在化工廠中，回流冷凝器主要與釜式再沸器配合使用保證精餾塔內氣體冷凝成的液體有足夠的摩爾

16、分率以滿足各行各業(yè)的需求。在工業(yè)生產中，回流冷凝器主要是利用地下水冷凝蒸汽，使蒸汽經冷凝后變?yōu)橐后w，以滿足化工行業(yè)的需要。此外，換熱設備也可以回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，煙道氣（約）、高爐爐氣（約）、需要冷卻的化學反應工藝氣（）等的余熱，通過余熱鍋爐可生產壓力蒸汽，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產經濟效益。1.1 選題的依據和意義回流冷凝器是將熱流氣體冷凝為冷流體。改革開放以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,我國環(huán)境容量小，生態(tài)環(huán)境脆弱，資源相對短缺三大問題日益突出。故在尋找新能源的同時,也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強化傳熱技術的應用不但能節(jié)約能源、保護環(huán)

17、境,而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應用,使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究人員的重視,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。各種不同結構和種類的換熱器發(fā)展很快,新結構、新材料的換熱器層出不窮。換熱器既可是一種單獨的設備,如加熱器、冷卻器和凝汽器等;也可是某一工藝設備的組成部分,如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。同時日常生活中的暖通空調，北方冬天家里用暖氣等都需要提高能源利用率，這些都給換熱器帶來了日益廣闊的發(fā)展前景。設計具有很強的實際意義。1.2 本設計的目的和要求首先查閱相關文獻資料了解回流冷凝器的基本原理、性質及應用，在化工生產中的地位和作用、回流冷

18、凝器應用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、設計的理論基礎、技術路線及其意義，對回流冷凝器設計有一個大體上的認識和理解。然后根據工藝要求進行工藝流程計算，確定設備類型、結構，并完成設備工藝設計部分，借助化工模擬軟件完成。接著完成回流冷凝器結構設計與部分零部件選型，進行設備強度校核，利用sw6軟件包完成設備的強度計算，并以此計算結果作為最終結果，完成設計計算說明書。最后利用計算繪圖軟件繪制設備的整套設計圖紙，撰寫畢業(yè)設計說明書。畢業(yè)設計是在完成各項設計內容的基礎上，按上述內容闡述設計的目的、過程、成果及結論。在撰寫設計說明書的過程中，理論依據要充分，數(shù)據要準確，公式計算要正確，能將所學的知識和技能應用于畢業(yè)設計中

19、。另外，要注意設計說明書結構的合理性；總體設計方案要正確合理；結構設計的合理性，設計數(shù)據的準確性；社會調查的客觀性和科學性。是否有自己獨特的見解或者創(chuàng)新。 另外，撰寫設計說明書時要概念清楚，內容正確，結構嚴謹，文字通暢，用語符合技術專業(yè)規(guī)范，各種標準資料的運用符合學科、專業(yè)國家標準的規(guī)定，圖表清楚，圖面質量符合要求，書寫格式規(guī)范。 1.3 國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢回流冷凝器是換熱設備的一類，用以冷卻流體。通常用水或空氣為冷卻劑以除去熱量，廣泛用于化工，在精餾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，直接影響到精餾塔的穩(wěn)定操作工況與餾出液的產品分率。我國出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術的新趨

20、勢，大量的強化傳熱元件推向市場，國內外傳熱技術的代表作有折流桿換熱器、新結構高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一大批優(yōu)良的換熱器?，F(xiàn)在換熱器的研究及發(fā)展方向有：物性模擬研究；分析設計研究；大型化及能耗研究；強化技術研究；新材料的研究；控制結垢與腐蝕的研究等。隨著計算機技術的發(fā)展，使得一些新型研究更為方便與快捷，使換熱器更為安全可靠，隨著全球水資源的緊張，循環(huán)水將被新的冷卻介質取代，循環(huán)將被新型高效的空冷器所取代。2 管殼式換熱器的分類及選型2.1 分類 根據管殼式換熱器的結構特點，可分為固定管板式、浮頭式、u形管式、填料函式和釜式重沸器五類。（1

21、）固定管板式換熱器固定管板式換熱器的典型結構如圖2-1所示，管束連接在管板上，管板與殼體焊接。其優(yōu)點是結構簡單、緊湊、能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或更換；缺點是當管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產生較大的熱應力。這種換熱器適用于殼側介質清潔且不易結垢并能進行清洗，管、殼程兩側溫差不大或溫差較大但殼側壓力不高的場合。為減少熱應力，通常在固定管板式換熱器中設置柔性元件（如膨脹節(jié)、撓性管板等），來吸收熱膨脹差。圖2-1 固定管板式換熱器（2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器的典型結構如圖2-2所示，兩管板中只有一端與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動

22、，稱為浮頭。浮頭有浮動管板、鉤圈和浮頭端蓋組成，是可拆連接，管束可從殼體內抽出。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會產生熱應力。浮頭式換熱器的特點是管間和管內清洗方便，不會產生熱應力；但其結構復雜，造價比固定管板式換熱器高，設備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時對密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質易結垢的場合。 圖2-2 浮頭式換熱器 （3） u形管式換熱器 u形管式換熱器的典型結構如圖2-3所示，這種換熱器的結構特點是，只有一塊管板，管束由多根u形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上，管子可以自由伸縮。當殼體與u形換熱管有溫差時，不會產生熱應力。 由于

23、受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對傳熱不利。當管子泄漏損壞時，只有管束外圍處的u形管才便于更換，內層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根u形管相當于壞兩根管，報廢率較高。結構比較簡單、價格便宜，承壓能力強，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質易結垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板 式的場合。特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 圖2-3 u形管式換熱器（4） 填料函式換熱器 填料函式換熱器的結構如圖2-4、2-5所示，這種換熱器的結構特點與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動

24、接觸面處采用填料函式密封結構。由于采用填料函式密封 結構，使得管束在殼體軸向可以自由伸縮，不會產生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應力。其結構較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價比較低廉，且管束從殼體內可以抽出，管內、管間都能進行清洗，維修方便。因填料處易產生泄漏，填料函式換熱器一般適用于以下的工作環(huán)境，且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質，使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。 圖2-4 填料函雙殼程換熱器圖2-5 填料函分流式換熱器（5） 釜式重沸器 釜式重沸器的結構如圖2-6所示，這種換熱器的管束可以為浮頭式、u形管式和固定管板式結構，所以它具有浮頭式

25、、u形管式換熱器的特性。在結構上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設置一個蒸發(fā)空間，蒸發(fā)空間的大小由產氣量和所要求的蒸氣品質所決定。產氣量大、蒸氣品質要求高者蒸發(fā)空間大，否則可以小些。此換熱器與浮頭式、u形管式換熱器一樣，清洗維修方便，可處理不清潔、易結垢的介質，并能承受高溫、高壓。 圖2-6 釜式重沸器2.2 任務安排 1.處理能力： 30000噸/年正戊烷 8000kg/h地下水 2.設備形式： 立式列管冷凝器 3.操作條件 (1)正戊烷：蒸汽溫度51.7 冷凝為飽和液體 (2)冷卻介質：地下水，入口溫度25 (3)每年330天計，每天24小時連續(xù)2.3 選擇換熱器的類型 兩流體在定性溫度下

26、的物性參數(shù)如下：物料溫度 密度粘度比熱容導熱系數(shù)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.地下水入口溫度為25b.由設計要求的正戊烷的流量:=300001000/330/24=3787.88kg/h=1052.19g/sc.已知51.7時正戊烷的蒸發(fā)潛熱 r=347.5044kj/kg 熱負荷為：qh=r=3787.88347.5044=1316287.88kj/h=365635.52j/s d.地下水的出口溫度： t2=q/(m2c)+t1=1316287.88/8

27、0004.174+25=28.94 e.地下水的定性溫度為tm=（25+28.94）/2 = 26.97 兩流體的溫差tm-tm=51.7-26.9750，選用固定管板式換熱器 f.有效平均溫度差： t m=（51.7-25-51.7+28.94）/in（51.7-25）/（51.7-28.94）=24.673 換熱器的工藝設計3.1 工藝計算3.1.1 流徑選擇（1） 選擇原則 不清潔或易結垢的流體宜走容易清洗的一側。對于直管管束，宜走管程；對 于u形管管束，宜走殼程。 腐蝕性流體宜走管程，以免殼體和管束同時被腐蝕。 壓力高的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。 為增大對流傳熱系數(shù)，需要提高

28、流速的流體宜走管程，因管程流通截面積一 般比殼程小，且做成多管程也較容易。 兩流體溫差較大時，對于固定管板式換熱器，宜將對流傳熱系數(shù)大的流體走 殼程， 以減少管壁與殼體的溫差，減小熱應力。 蒸氣冷凝宜走殼程，以利于排出冷凝液。 需要冷卻的流體宜選殼程，便于散熱，以減少冷卻劑用量。但溫度很高的流 體，其熱能可以利用，宜選管程，以減少熱損失。 黏度大或流量較小的流體宜走殼程，因有折流擋板的作用，在低下 （）即可達到湍流。（2） 選擇流徑正戊烷蒸汽相對比較潔凈，選擇正戊烷蒸汽走殼程，地下水走管程，既有利于地下水水冷卻效率高，也可借助外界溫度加速地下水冷卻。3.1.2 確定物性參數(shù) 由前面計算可知，正

29、戊烷的定性溫度為51.7，地下水水的定性溫度為26.97. 根據定性溫度，分別查取正戊烷和水的有關物性參數(shù)，列表3-1如下： 表3-1 物性參數(shù)表物性殼程(正戊烷)管程(地下水)符號數(shù)據符號數(shù)據密度 596 994.8比熱容 2.344.174粘度1.810-58010-5導熱系數(shù)0.130.616進口溫度51.725出口溫度51.728.943.1.3 傳熱平均溫度差的計算 根據間壁兩側流體溫度沿傳熱面是否有變化，即是否有升高或降低，可將傳熱分為恒溫傳熱和變溫傳熱兩類。若間壁的一側或兩側流體沿傳熱面的不同位置溫度不同，即流體從進口到出口，溫度有了變化，或是升高或是降低，這種情況的傳熱稱為變溫

30、傳熱。在變溫傳熱中，沿傳熱面溫度差是變化的，所以在傳熱計算中需要求出傳熱過程的平均溫度差。本設計就屬于變溫傳熱中兩側變溫傳熱的情況。 根據兩側流體變溫下的溫度差變化情況，可分為逆流、并流、錯流和折流。在逆流（即冷、熱兩流體在傳熱面兩側流向相反）操作時，熱流體和冷流體用可以比并流操作時少，所以工程上多采用逆流操作，在本設計中先按逆流計算，再校正。 先求逆流時的傳熱平均溫度差： , ；（28.94-25）/ln(26.7/22.76)=24.683.1.4 計算傳熱面積根據熱流體為低沸點烴類蒸汽冷凝，冷流體為水，根據化工原理課程設計有表3-2取傳熱系數(shù)=900， 表3-2 管殼式換熱器中值的大致范

31、圍 熱流體 冷流體傳熱系數(shù) 水 水 輕油 水 重油 水 氣體 水 水蒸汽冷凝 水 水蒸汽冷凝 氣體 低沸點烴類蒸汽冷凝（常壓） 水 高沸點烴類蒸汽冷凝（常壓） 水 水蒸汽冷凝 水沸騰 水蒸汽冷凝 輕油沸騰 水蒸汽冷凝 重油沸騰 則有估算的傳熱面積：=365635.52/（90024.68）=16.463.1.5 計算工藝結構尺寸（1） 管徑和管內流速 管徑 選擇管徑時，應盡可能使流速高些，但一般不應超過規(guī)定的流速范圍。 我國目前適用的管殼式換熱器系列標準中僅有換熱管規(guī)格為： 、。由于本設計估算傳熱面積較大所以本設計選用規(guī)格。 管內流速流體在殼程或管程中的流速增大，不僅對流傳熱系數(shù)增大，也可減少

32、雜質沉積或結垢，但流體阻力也相應增大。故應選擇適宜的流速，通常根據經驗選取。根據化工原理p174有，管殼式換熱器常用流速的范圍如表3-3和不同黏度液體在列管換熱器中的流速（在鋼管中）如表3-4，取管內流速=1.0m/s。 表3-3 管殼式換熱器常用流速的范圍 流體的種類 一般液體 易結垢液體 氣體 流速 管程 殼程 表3-4 不同黏度液體在列管換熱器中的流速（在鋼管中）液體黏度 最大流速液體黏度最大流速 （2）管程數(shù)和換熱管數(shù)流體從換熱管的一端流到另一端，稱為一個流程。在換熱管長度和數(shù)量一定時，為了提高管內流速和傳熱效率，常采用管束分程的辦法，使介質在管束內的流通面積減少，流程加長和流速提高。我國規(guī)定有1、2、4、6、8、10、12七種分程數(shù)，最常用的是2程和4程。依據換熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)：由有， 地下水流量mc=8000kg/h=2.22kg/s， 則v=m/=2.22/994.8=2.2310-3m3/s， 10-3=7.1（根），取整數(shù)8根。 按單程管計算，所需的傳熱管長度為 l=16.46/(0.02583.14)=26.21m管程數(shù)：l按單程換熱器計算的傳熱管長度為26.21ml選取的每層管子長度，無縫鋼管長度系列有1.5 2 3 4.5 6 7.5