醋酸热交换器工艺及结构设计_课程设计

1、热交换器设计任务书课程设计任务书设计（论文）题目：醋酸热交换器工艺及结构设计学院：环境学院 专业:能源与环境系统工程 班级:能环0801学号: 081440110学生：指导教师：接受任务时间 2011年12月.设计（论文）的主要内容及基本要求irw壳程流体名称55%昔酸溶液冷却水总流量/ (kg/h )26000Kg/h工作温度/进/出（C）70/4520/3570/4020/3565/4015/30设计压力/（MPa）0.60.6.指定查阅的主要参考文献及说明热交换器设计任务书GB150-98钢制压力容器及 GB151-99钢制管壳式换热器，换热器，化工原理，换热器设计手册，CD130A20

2、-86化工设 备设计文件编制，HGJ34-90化工设备，管道外防腐设计规定醋酸热交换器工艺及结构设计目录 TOC o 1-5 h z 第一章绪论 5换热器基本概况 5换热器的分类及特点 6直接接触式换热器 8蓄热式换热器 8间壁式换热器 9换热器研究及发展 13换热器的研究 13换热器的发展 14第二章工艺设计 错误！未定义书签。估算传热面积，初选换热器型号 错误！未定义书签。热交换器设计任务书基本物性数据的查取 错误！未定义书签。计算热负荷和冷却水流量 错误！未定义书签。确定流体的流径 错误！未定义书签。 TOC o 1-5 h z 计算平均温度差 20选K值，估算传热面积 20初选换热器型

3、号 20校核总传热系数K 21管程对流传热系数 21壳程对流传热系数 22污垢热阻管内、管外污垢热阻 23核算压降 24管程压降 24壳程压降 25第三章换热器结构设计及附件选取 27筒体 错误！未定义书签。材料 错误！未定义书签。结构尺寸 错误！未定义书签。结构型式 错误！未定义书签。封头 27管箱 错误！未定义书签。材料 错误！未定义书签。结构型式 错误！未定义书签。热交换器设计任务书管箱尺寸 错误！未定义书签管箱法兰的选取 错误！未定义书签 TOC o 1-5 h z 材料 30结构尺寸 30结构型式 30接管 31材料 31结构尺寸 31结构型式 31接管法兰选取 31材料 31结构尺

4、寸 31结构型式 32垫片选取 32管板 32材料 33结构尺寸 33结构型式 33换热管 33材料 33结构尺寸 33排列型式 34热交换器设计任务书 TOC o 1-5 h z 防冲板 34拉杆和定管距 35材料 35结构尺寸 35结构型式 35定管距 35折流板选取及布置 36材料 36结构尺寸 36结构型式 37鞍座选取及安装位置确定 38支座结构类型和材料 38支座的尺寸 39支座在换热器上的位置尺寸 39分程隔板 39分程隔板的厚度 39程隔板的布置 40吊耳 40符号说明 40吊耳的材料和结构尺寸 40顶丝 41符号说明 41热交换器设计任务书 TOC o 1-5 h z 顶丝的

5、结构尺寸 41顶丝直径和个数 41参考文献 42总结 43第一章绪论换热器基本概况使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，它是化工、 炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门 广泛使用的一种通用设备。在这种设备内，至少有两种温度不同的流体参与传热。一种流体 温度较高，放出热量；一种流体温度较低，吸收热量。换热器的应用广泛，日常生活中的取暖用的暖气散热片、汽轮机 装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等， 都是换热器。它的主要 功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利 用率的主要设备之一。对于迅速发展的化工、石油、和石油化学工业来说，换热器尤为 重要。

6、例如常压、减压蒸储装置中，换热器约占总投资的20%催化重整及加氢脱硫装置中约占15%通常，在化工厂的建设中，换热器 约占总投资的11%换热器即可是一种单独的设备，如加热器、冷凝 器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热 交换器。热交换器设计任务书在制冷工业中，以食品冷藏业常用的以氨为制冷的蒸汽压缩制冷装置为例，进过压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体； 液化后的 高压液态氨在膨胀机或节流阀中绝热膨胀， 使温度下降到远低于周围环境的温度；这种低温氨流体在流经蒸发器时（布置在冷藏管中）吸 热蒸发而回复到原先进入压缩机是的氨气状态，然后再重复心得循 环。在其他各种制冷装置中，都存

7、在冷凝器和蒸发器等换热器。在火力发电厂中装有空气预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等一系列的换热器。实际上蒸汽锅炉本身就可以看作是一个 大型复杂的换热器。燃料在炉膛中燃烧产生的热量，通过炉膛受热面、 对流蒸发受热面、过热器及省煤器加热介质，使工质汽化、过热称为 能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用。表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效 率，显然可以减少能源的消耗；另一方面用换热器来回收工业余热， 可以显著提高设备的热效率。工业余热数量大，分布广，各国均已把余热回收列为节能工作的一个重要方面。经验表明，换热器是最

8、有效的余热回收设备。以锻造 加热炉为例，普通加热炉每公斤锻造的能耗为 0.7公斤标准燃料，而 装有换热器的加热炉每公斤锻造的能耗只有0.15公斤左右标准燃料。烧燃料的工业炉，约有60%70幅热量由烟气带走，被浪费掉了。有段时期国内偏重于用余热锅炉来回收烟气余热，而较少采用换热 器。余热锅炉的热回收率虽较高，但它无助于工业炉本身热效率的提热交换器设计任务书高，因而无助于炉用高质燃料的节省。装设换热器利用烟气余热来预 热工业炉的进风，可使工业炉本身的热效率得到提高， 因而可节省炉 用高质燃料。用普通换热器将空气预热至 300400C, 一般可节约燃 料15%25御高温换热器时可以取得更好的效果，节

9、约燃料可到40% 以上。烧低热值燃料的加热炉，将空气和煤气预热至 300C,可是温 度迅速提高12倍，可是产量提高20%30%对于烧油的炉子，预热 空气有助于燃油雾化质量的改善，使燃料达到充分的燃烧。换热器的 后面再装预热锅炉，可是燃料热量利用率达到 80%90%由此可见， 工业炉烟气余热回收，应首先满足炉内需要以节省炉用高质燃料， 然 后考虑外不需要，争取得到更大的经济效益。对于其他余热的回收， 也应遵守以节约燃料为中心进行综合利用的原则。由于工业余热分布广、形式各种各样，故节能方案也各不相同，但在各种节能方案中换 热器几乎是不可缺少的。由于实际燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临着能源短缺

10、的 局面，各国都在致力于新能源开发，因而换热器的应用与能源的开发 （如太阳能、地热能、海洋热能）与节约紧密联系。所以，热交换器 的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药 及航空航天等各工业部门。它不但是一种广泛应用的通用设备， 并且 在某些工业企业中占有很重要的地位。 例如在石油化工工厂中，它的 投资要占到建厂投资的1/5,它的重量占工艺设备总重的 40%在年 产30万吨乙烯装置中，它的投资约占总投资的 25%在我国的一些 大型炼油企业中，各式热交换器的装置数达到300500台以上。就其热交换器设计任务书温度、压力来说，国外的管壳式换热器的最高压力达 84MPa最高温 度达

11、1500C,而最大外形尺寸达33m最大的传热面积达6700陷，现 有实际情况，还要超过上面给出的数据。换热器的分类及特点随着科学和生产技术的发展，各种工业部门要求热交换器的类型 和结构要与之相适应，流体的种类、流体的运动、设备的压力和温度 等也必须满足生产过程的要求。近代尖端科学技术的发展（如高压、 高速、低温、超低温等），有促使了高强度、高效率的紧凑热交换器 层出不穷。虽然如此，所有的热交换器仍可按照他们的一些共同特征 来加以区分。例如：按照工艺功能来分：冷却器、预热器（或加热器）、再沸器、冷却器、蒸发器、加热器、废热锅炉等。冷却器：冷却工艺物流的设备。一般冷却剂多采用水，若冷却温 度低时，

12、可采用氨或氟利昂为冷却剂。预热器（加热器）：加热工艺物流的设备。一半多采用水蒸汽作 为加热介质，当温度高时可采用导热油，熔盐等作为加热介质。再沸器：用于蒸发蒸储塔底物料的设备。热虹吸式再沸器被蒸发 的物料依靠液头压差自然循环蒸发。动力循环式再沸器被蒸发物流用 泵进行循环蒸发。冷凝器：蒸储塔顶物料的冷凝或者反应器冷凝循环回流的设备。蒸发器：专门用于蒸发溶液中水分或者溶剂的设备。热交换器设计任务书过热器：对饱和蒸汽再加热升温的设备。废热锅炉：由工艺的高温物流或者废气中回收其热量而产生蒸汽的设备。按照制造热交换器的材料来分：金属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等。按照温度状况来分：温度工况稳定的热

13、交换器，热流大小及在指定热交换器区域内的温度不随时间而变； 温度工况不稳定的热交 换器，传热面上的热流和温度都随时间改变。按照热流体与冷流体的流动方向来分：顺流式（或称并流式）：两种流体平行地向着同一方向流动；逆流式：两种流体也是平行流动，但他们的流动方向相反；错流式（或称叉流式）：两种流体的我流动方向互相垂直交叉。当交叉次数在四次以上时，可根据两种流体流向的总趋势将其看成逆 流或顺流。混流式：两种流体在流动过程中既有顺流部分，又有逆流部分。按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类，这是热交换器最主要的一种分类方法。间壁式：热流体和冷流体有一固体壁面，一种流体恒在壁的一侧 流动，

14、而另一种流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量 通过壁面而进行传递。混合式（或称直接接触式）：这种热交换器内依靠热流体与冷流 体的直接接触而进行传热，例如冷水塔以及喷射式热交换器。热交换器设计任务书蓄热式（或称回热式）：其中也有固体避免，但两种流体并非同 时而是轮流地和壁面接触。当热流体流过时，把热量储蓄与壁面内， 壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度逐 渐降低，如此反复进行，已达到热交换的目的。例如炼铁厂的热风炉。在混合式、间壁式和蓄热式三种类型中，间壁式热交换器的生产 经验、分析研究和计算方法比较丰富和完整，因而在对混合式和蓄热 式热交换器进行分析和计算时，常

15、采用一些渊源于间壁式换热器的计 算方法。直接接触式换热器它是利用两种换热流体的直接接触与混合作用来进行热量交换。混合式换热器操作的一个主要因素是要是两种流体接触的面积尽可 能大，以促使他们之间的热量交换。为了获得大的接触面积，可在设 备中设置防止搁栅或填料，有事也可以把液体喷成细滴。此类设备通 常做成塔状。蓄热式换热器它是让两种温度不同的流体先后通过一种固体填料 （如炼焦炉下 方的蓄热室中放置的多空性格子砖和在制氧装置中所有蓄冷器中的 卵石等）的表面，如图1 1所示。首先让热流体通过，把热量蓄积 在填料中，然后，当冷流体通过时，将热量带走。这样，在填料被加 热和冷却的过程中，进行着热流体和冷流

16、体之间的热量传递。 在使用 这种换热器时，不可避免地会使两种流体有少量混合， 切必然是成对 使用，即当一个通过热流体时，另一个则通过冷流体，并且自动阀进-10 -热交换器设计任务书行交替切换，使生产得以连续进行图1-1蓄热式换热器示意图间壁式换热器它是利用金属壁面将进行热交换的冷、 热流体隔开，使它们通过 避免进行传热。这种形式的换热器使用最广泛。间壁式换热器按照传 热面的形状和结构可分为“套夹式”换热器、“管壳式”器、“面板式” 换热器。一 “夹套式”换热器如图1-2所示，夹套是用焊接或螺钉的方法，固定安装在容器外 部，在加热时，蒸汽自上而下流经夹套冷凝后流出，在冷却时，冷却 水由上而下流经

17、夹套，吸热后流出。具结构简单，但因传热面记得限 制，传热效果不是很好，主要用于反应器的加热或冷却设备的保温。-11 -热交换器设计任务书1曹st t一看牙击如图1-2夹套式换热器示意图二“管式”换热器虽然在换热率，设备结构的紧凑性和金属消耗等方面都不如其他 新型换热器，但他具有结构坚固，操作弹性大和使用材料范围广泛等 优点。尤其在高温、高压和大型换热器中，仍占有相当优势。又可以 细分为：蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。1蛇管式换热器它是最早出现的一种结构简单和操作方便的传热设备，它本身又 可以分成沉浸式和喷淋式两种。(1)沉浸式蛇管设备蛇管多以金属管子弯绕而成，或制成适应容器情况的形

18、状，如图 1-3所示。内通一种流体，沉浸在盛有另一种流体的容器中，进行热 交换。具结构简单，能耐高压。但因容器中流体流速小，因而给热系 数小，传热效率低。如果在容器中搅拌装置或减少关外空间，则传热 效率有所提高。-12 -热交换器设计任务书图1-3蛇管的形状(2)喷淋式蛇管换热器这种形式的换热器多用来冷却管子内的流体，如图1-4所示，将蛇管成排固定在钢架上，被却的流体在管内流动，冷却水从蛇管上方 的喷淋装置均匀淋下。其传热效果较沉浸式为好，切便于检修和清洗。 但这种类型换热器体积庞大，有事喷淋效果不够理想。LH；工wren ；1-4喷淋式换热器示意图2套管式换热器-13 -热交换器设计任务书如

19、图1-5所示，是将两种直径不同的直管装成同心套管，并用 U 型周管把多段直管串联起来，内管及套管间隙中各有一种流体流过， 进行热交换。具结构简单，能耐高压。这种换热器一般适用于流体流 量较小和所需要的传热面积不大的场合。l.rVtf 番*幡图1 5套管式换热器示意图3列管式换热器又称管壳式换热器，主要由壳体、管束、管箱、封头等部件组成， 如图所示。管束两端固定在管板上，管板连同管束都固定在壳体上， 封头、壳体上装有流体的进出口接管。热交换时，一种流体在管束及 与其相同的管箱内流动，其所进过的路程成为管程；为了提高管程流 体的流速，可在壳体内装设一定数目与管束相互垂直的折流挡板，这样既提高壳程流

20、体的流速，同时又迫使壳程流体遵循规定的路径流 过，多次地错流流过管束，有利于提高传热效果。列管式换热器操作 时，由于管束与壳体的温度不同，两者所用材料有时也不相同，导致 两者热膨胀不同。-14 -热交换器设计任务书l&h :击擀1盘题4寸龈5Ml屈枚皆/用若两者的温度差较大时，就可能会引起设备变形、扭弯或破裂。为此, 考虑到热膨胀的影响，需采用各种补偿措施结构。列管式换热器，根 据补偿程度不同，常用的有以下几种结构形式：a）固定管板式热交换器管束两端的管板和管壳固定连接，使用广泛，已系列化：对于温 度差大于60C,而壳体受压不太高时，可在壳体上加上热补偿结构 膨胀节，最大使用温度不用大于 12

21、0C。他的优点是结构简单、 紧凑、造价便宜。缺点是管外不能进行机械清洗，因此，壳体流体需 用不易生垢的清洁流体。b）浮头式换热器管束的一端管板与壳体连接，另一端管板与壳体不连接，受热或 受冷时，可以沿管长方向自由伸缩，成为浮头。浮头有内浮或外浮头， 其结构复杂，金属材料多，制造成本高，但整个管束可以从壳体内拆 卸出来，便于检修和清洁。它适用于管壁和壳壁温差大，管束空间经 常清洗的场合。c）型管式换热器-15 -热交换器设计任务书每根管子都弯成U形，进、出口都安装在同一管板的两侧，再将 该侧管箱用隔板分成两室，由于只有一块管板，管子在受热或受冷时， 可以自由伸缩。其结构简单，能耐高温，高压，但管

22、束不易清洗，拆 换管子也不容易。因此要求通过管内的流体是洁净的。 这种换热器壳 用于温差变化大很大，高温或高压的场合。d）填料函式换热器它有两种形式，一种是在管板上的每根管子的端部都有单独的填 料函密封，以保证管子的自由伸缩。当换热器的管子数目很少时，才 采用这种结构，但管距比一般换热器要大，结构复杂。另一种形式是 在列管的一端与外壳做成浮动结构，在浮动处采用整体填料函密封， 结构简单，但此种结构不易直径大，压力高的情况。我国已制定了列管式换热器系列化标准， 标准中规定了列管式换 热器的主要参数有公称换热面积、公称直径、公称压力、换热管长度、 管子外径、管子间距和排列，可供工程设计时采用。三“

23、板面式”换热器“板面式”换热器的传热性能要比“管子”换热器优越，由于采 用“板面”的特殊结构，使流体在较低的速度下就达到湍流状态，从 而强化了传热。该设备采用板材制作，故在大规模组织生产时，可降 低设备成本，但其耐压性能比“管式”较差。是有熟悉各种形式换热 器的特点，设计换热器时才能综合考虑材料、压力、温度差、结构、 流体状态、应用方式、检修和清理等因素，选用最佳的换热器形式， 才能保证达到工艺所规定的换热条件，且强度足够、结构可靠，同时-16 -热交换器设计任务书便于制造、安装、检修又经济合理，从而使设计达到该具体条件下的 最佳设计。1.3换热器研究其发展换热器的研究由于换热器的技术性能直接

24、影响到整个工艺装置的综合技术经 济指标，因此，国外在组织打大规模生产的同时，对于其研究设计工 作给与了很大注意。传热机理和传热设备二者之间是不可分割的。传热机理，其中包 括冷凝、蒸发、对流、辐射和传导，到现在还没有被完全了解，因此 传热仍然是一门实验科学。其理论方面有一种国际性的刊物不断进行 报导，最近若干次国际技术会议也是为传热研究而专门举行的。由于从化学工业到宇宙开发需要换热器，并且愈来愈对换热器提出各种特 殊而往往是极为苛刻的要求，因此，各国对传热及其传热设备的竞相 研究目前仍处方兴阶段。从传热机理的探讨到设备机构的创新，从设 计计算到制造工艺，都有专门的机构从事研究。目前，仅每年发表的

25、 传热技术文献即数千余篇。实验室的研究虽然有价值，但用小型设备进行的模拟实验，常常 不容易很快地用在工业装置上。因此，有些国家如美国比较重视现场 实验。但现场实验费用很高，常常超过很多公司的支付能力。为此， 美国在1962年成立了 “换热器研究公司” HTRI,其费用有五十多个 公司分担。到目前为止，根据该公司的报导，很多换热器设计得过于 保守，如果采用HTRI的数据，可以节省换热器费用。-17 -热交换器设计任务书在进行换热器最佳设计时，需要进行很多复杂的计算，包括综合 计算经济指标的对比与分析，工艺计算和机械强度计算等。采用人工 计算，一般都是经过若干次反复计算，这不仅很难找出最佳值，而且

26、 既费时间又容易出错。因此，采用电子计算机进行换热器设计，在国 外引起了普遍重视，近年来，尤其在美国有了新的发展。现代的石油和化工过程经常要求在极其广阔的范围内进行热交 换，压力、温度和腐蚀性都变得难以应付。要求换热条件即使千变万 化，换热器也必然是各种各样的。没有也不可能找到一种“万能”的 换热器，每种结构形式都有它自己的特长和短处。 国外在设计换热器 时，对于形式的选择是很重视的，他们常常通过繁杂的计算来进行技术经济对比。换热器选择时，考虑的因素很多， 如材料、压力、温度、温差和压降、结垢、流体状态、应用形式、检 修和清理等。有些结构形式，在一中情况下使用最好的，然而在另外 的情况下，却可

27、能完全不能令人满意。换热器的发展随着化学和石油工业以及新兴的石油化学工业的发展，对换热器 的需要也日益增加。许多国家都组织有若干专业公司或工厂进行大规 模生产。由于制造工艺和科学水平的限制，早起的换热器只能采用简单的 结构，而且换热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制 造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较-18 -热交换器设计任务书大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一 种典型的换热器。换热器在工业中的应用，至少已有 200余年的历史，大致可分为 三个时期：20世纪以前的原始时期，20实际的前50年为初步发展时 期，近30余年的迅速发展时

28、期。原始时期，换热器大都由铸铁管组装而成，主要用于动力、化工、 钢铁等工业部门。19世纪50年代出现了蓄热室，蓄热室预热空气比 用单式的金属换热器所能达到的温度高，因而足见取代了原始的铸铁 换热器，成为19世纪后50年代中工业炉的主要换热设备。20世纪初期，换热器开始能进入了一个新的发展时期。20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。接着英国用焊接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

29、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。止匕外，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发-19 -热交换器设计任务书展。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。目前各种换热器的发展很快，新的结构不断出现，以满足各种工 业部门的需要。国外换热器目前发展的基本状况是：

30、管式换热器的设 计没有重大进展，但无论就其数量或适用场合来看仍居主要地位，最老的管式换热器如蛇管式、盘管式等在某些场合下仍有应用：各种板 式换热器正在逐渐代替管式换热器； 制造工艺获得了改进，新的材料 被大量使用；从空间技术发展起来的“热管”引起了很大重视，最终 有可能对某些方面的换热器带来根本的革新。管式换热器虽然在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面不及其 他新型换热器，但它具有结构坚固、弹性大、材料范围广等独特优点， 使它在各种换热器的竞相发展中得以继续存在下去， 并且目前仍是化 工、石油和石油化学工业中换热器的“主力军”。在高温高压和大型 换热器中，它占据着据对优势。但是近年来，它的性能

31、没有多大改进， 其设计都按照有关标准规定严格进行。很多国家采用了美国TEM临准或根据TEM幅准来修订自己的标准。国外近期的目标已转向于改 进其制造工艺、采用新的材料和提高劳工效率生产率。在压力较低、 温度不高、流量不是很大以及处理强腐蚀介质而须用贵金属材料的若 干场合，各种新型、高效、紧凑性换热器正在逐步取代管式换热器。换热器基本的发展趋势是，提高紧凑性、降低材料消耗、提高传 热效率、保证互换性和扩大容器的灵活性（采用积木式结构），通过-20 -热交换器设计任务书减少污塞和便于除垢来减少操作事故。 在广泛的范围内将向大型化发 展。各种新型高效的紧凑式换热器的应用范围将进一步扩大。在压力、温度、

32、流量允许范围内，特别是有化学腐蚀而须用贵重材料制作 的场合下，紧凑式换热器将进一步取代管式换热器。在广泛的领域内，特别是在高温、高压和大型化的场合下，管式（尤其是管壳式）换热器将继续获得发展。在炼油与化工厂中，管壳 式换热器仍将是基本的换热设备之一。 在高压条件下如合成氨中的高 压气体冷却，原用的套管式结构将日益缩小其应用， 而代之以管壳式 结构，制造工艺的改进将继续置于重要地位。板式换热器进一步发展的重点是改进垫片材料和密封接触，改进 板片的刚度设计，一边提高制作温度和使用压力，扩大使用范围。板壳式换热器将继续扩大使用范围，发展新的制造工艺（主要是 成型及环节工艺）改进结构设计。螺旋板换热器

33、的压力限制是个问题，但在允许的压力范围内，其 应用将进一步扩大，制造特别是焊接工艺将进一步改进。板翅式换热器今后的发展目标，主要是采用新的制造特别是钎焊 工艺，扩大使用范围，采用新的材料，板束尺寸和总组合体将向大型 发展。预计在石油化学工业中将进一步得到推广。翅片管空冷器的使用将更加广泛，用空冷器的水冷的趋势仍将继 续。虽然在设计上还有预料不到的很多大改进， 但翅片管将采用更多 更新的材料，发展更多的结构形式，制造工艺将继续获得改进。-21 -热交换器设计任务书由于工业用热的日益增长和处于经济型的考虑，热量回收将更加 引起重视。一些“板式”表面的换热器，将在热回收领域内继续扩大 使用范围。新型

34、结构的各种交流换热器（蓄热器）将获得发展，特别 是旋转式蓄热器，但是密封问题有待进一步解决。各种新型材料换热 器将进一步得到发展，并将继续扩大材料范围。为了节约贵重材料， 各种新工艺、新技术如复合、衬里及表面处理等技术将作为重要课题 加以研究和发展。在提高转热率、缩小空间和节约材料方面，还将继 续探讨新的途径，各种新型换热器将继续获得发展。新出现的“热管”， 将获得广泛研究，以便探索在化工与石油工业中具体应用的可能性及 其使用场合。-22 -热交换器设计任务书第二章工艺设计2.1估算传热面积，初选换热器型号设计任务1TW壳程物料55%昔酸溶液冷却水流量(Kg/h)26000Kg/h操作温度/进

35、/出(C)65/4015/30设计压力0.60.62.1.1基本物性数据的查取对于55%勺醋酸溶液和水等低粘度流体定性温度可以取流体进出口温度的平均值。管程热流体 55%勺醋酸溶液的定性温度： TOC o 1-5 h z 11Tm = Ti To = _ 65 40 =52.5 C 22式中八热流体的平均温度，CTi 热流体的进口温度，C-23 -热交换器设计任务书To热流体的出口温度，C 壳程冷流体冷却说的定性温度： TOC o 1-5 h z ,1tmti t015 301=22.5 C2式中tm冷流体的平均温度，Cti冷流体的进口温度，Cto 冷流体的出口温度，C55%的醋酸溶液在定性温

36、度52.5 C下的有关物性数据如下:黏度h =1.12125mPa s密度: h = 1032.9kg/m3导热系数h -0.1648W/ m C定压比热容Cph = 2.273kj / kg C冷却水在定性温度259下的有关物性数据如下：黏度c =0.8937mPa s密度二c=997kg/m3导热系数.c=0.6W/m-C定压比热容c” = 4.178kj/ kg C2.1.2计算热负荷和冷却水流量热负荷Q -Whcph Ti -T0 )=26000 2.273 103 65 -40 /3600 - 410402.8W式中Q热流量，W;Wh 热流体的质量流量，kg / s;-24 -热交换

37、器设计任务书Cph 热流体的定压比热，kj /(kg尸C );Ti热流体的进口温度，CTo热流体的出口温度，C冷却水流量Wc =Q410402.84.178 103 30-15=/6.5486kg/s式中Q热流量，W;Wc冷却水的质量流量，kg/s；Cpc 冷却水的定压比热，kj/ kg C ;ti冷却水的进口温度，Ct 冷却水的出口温度，C确定流体的直径从设计条件可以看出，在传热过程中此两流体均不发生相变的传 热过程，由于醋酸溶液有毒，有腐蚀性，所以醋酸溶液走管程，冷却 水走壳程。计算平均温度差由设计要求，先按单壳程双管程考虑，逆流进行计算 TOC o 1-5 h z 醋酸溶液65-40冷却

38、水3015_2 -At1 (Ti -t0)-(T0 -ti )_(65-30)-(40-15)_9QOr-6 一 ln Ti -t0一 ig 一.T0 - ti40-15式中，tm 按逆流计算的又t数平均温差，C:t2 高温段进出口温差，C-25 -热交换器设计任务书.力低温段进出口温差，C而 P _ 冷流体温度_ t0 -ti _ 3015 03一两流体最初温差 Ti -ti 65-15 .0 热流体温降Ti -To65-40 0R = = = = 1 67冷流体温升to -ti30-15假设换热器为双壳程查得中=0.88,所以有效平均温差.-Im = tm =0.88 29.72 =26.

39、15 C选K值，估算传热面积按管壳式换热器用作冷却器时，K值范围表查得高温为醋酸溶液,低温为水的K的取值范围，取K=350W/（m2C ），估算传热面积为410402.8350 26.152=44.85m2Ap 估算的传热面积，m2;K 假设传热系数，W/m2 C平均温度差，C初选换热器型号由于两流体温差小于50七可选用固定管板式换热器。由固定管板式换热器的系列标准，主要参数如下：项目数据项目数据壳程/mm500管长/m6公称压强.Mpa0.6管子总数144管程数4管子排列方法正三角形排列壳程数1管中心距/mm32-26 -热交换器设计任务书管子尺寸/mm*25x2实际传热面积/m266.7中

40、心排管数15管程流通面积/m20.0125KoQS0 - ：tM410402.866,7 26.15= 315W/ m2 C采用此换热面积的换热器，要求过程的总传热系数为26000/3600/1032.90.01250.021 0.559 1032.91.12125 10”普朗特数:Cph h1 二h3-32.273 10 1.12125 100.1648醋酸溶液的导热系数,W/ m C2.2校核总传热系数K管程对流传热系数管程流通面积为一 二 2 N2 1442 = d：-N =0.785 0.0212 144 -0.0125m24 Np4式中N 管子总数，根；Np 管程数每一管程流体流速为

41、：=0.559m/s式中K 醋酸溶液白体积流量，m3/s管内流动雷诺数:= 10814（湍流15.46-27 -热交换器设计任务书L =0.023 R：8 Pr04 =0.023 0.1648 1081408 15.4604 = 910.6W / m Ci0.0210.0212.2.2壳程对流传热系数式中0壳程传热系数，W/(m .nC );de当量直径，m;Re0 管外流动雷诺数；pr 普朗特数，取定性温度下的值；一一流体在定性温度下的黏度，Pa s;匕一一流体在壁温下的黏度，Pa，s。壳程流通面积为：S0 =zDj 1 电=0.2M0.5 J-0025 L 0.0164m2400mm,故不

42、能用钢管制作。按照 GB150-1998表4-1选取筒体材料为16MnR钢板标准为 GB6654热 轧、正火钢板，、 =510MPa , J =345MPa ,在设计温度下，仃t=170MPa。 3.1.2结构尺寸筒体壁厚的最小值按列管式固定管板换热器设计手册表 4-1 所规定，当Dn =500mm时不得低于8mm,本设计中根据列管式固定-33 -热交换器设计任务书管板换热器设计手册表4-2取壳体厚度为8 mm。3.1.3结构型式按标准GB151-1999选择壳体型式可以选择代号为“ E”的单壳程壳体，其结构类型如图3-1单程壳体图3-1壳怵型式3.2封头由于该换热器为单壳程、四管程，故封头选

43、用类型代号为“ EHA的标准椭圆形封头。材料选用与筒体相同的材料 16MnR厚度8mm其结构如下图3-2所示:图3-2封头结构简图封头参数：根据JBT4746-2002钢制压力容器用封头表B.1 ,当H=138mmDn =500mm时，Dn =Di ,所以 h2=H - =138-500 =13mm44h1 -138 -13-125mm-34 -热交换器设计任务书管箱管箱的作用是把由管道来的管程流体平均分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出换热器。 在多管程换热器中，管箱还起到改 变流体流向的作用。无论哪种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足 这样的要求：使连接双程间流体流动的横截面大于或等于

44、单程管程通 过的截面。材料选取管箱材料与筒体材料相同为16MnR钢板标准为GB6654热 轧、正火钢板，q =510MPa , 3 =345MPa ,在设计温度下，仃t=170MPa。 3.3.2结构型式管箱的结构型式有 A型、B型、C型、D型四种。A型：用于单程和多程管箱。具优点是便于清洗换热器的管程，缺点是管箱盖结构用材较多，尺寸较大时，需要锻件。因此，国内目前所使用的范围较小。B型：用于单程和多程管箱。具结构优点是结构简单，便于制造； 缺点是检修和清洗换热器的管程时，需将管箱上的接管法兰和设备法 兰都拆开，并取下整个管箱。国内目前采用最多。C型：用于多管程换热器的介质返回管箱。D型：用于

45、单管程换热器的管箱。由于本设计选用的换热器是单壳程、4管程，综合考虑各种优缺 点，采用A型管箱。结构型式如图3-3-35 -热交换器设计任务书图3-3管箱结构管箱尺寸管箱长度，除考虑流通面积、各相邻焊缝之间的距离外，还应考虑管箱中内件的焊接和清洗。因此，对多管程的管箱，除限制最小长 度外，还应考虑最大长度。由列管式固定管板换热器设计手册图4-36, 4-37, 4-38查取管箱最大长度取 Lgmax =600mm,则取Lg =580mm。管箱壁厚按 GB151-1999,管箱壁厚不得低于圆筒的最小厚度8mm。管箱法兰的选取法兰连接是工业生产中使用最广泛的连接方法，其作用是将拧紧联接螺栓产生的压

46、紧力传递到密封垫片上，并与密封垫片均匀地紧密 接触，形成必要的密封条件。目前各国均已将法兰做成标准件，实现 了标准化、系列化。我国化工设备设计目前采用的法兰标准为：化工-36 -热交换器设计任务书部管法兰标准(HG5001-58-HG5028-58),压力容器法兰标准 (JB1157-82-JB1164-82) , (HG20592-97。根据列管式固定管板换热器设计手册的规定，壳体公称直径Dg 100mm时，应按JB1158-82甲型平焊法兰，JB1159-82乙型平焊 法兰，JB1160-82长颈对焊法兰选用。材料考虑焊接问题及经济性问题，选取法兰材料为16MnR根据操作情况，又考虑螺栓材

47、料的硬度一般要比螺母材料的硬度大一些以及经 济性问题，螺栓材料选用35钢，螺母材料选用15钢，选用标准均为 GB699正火处理，工作适应温度为-20C350C。结构尺寸根据使用介质，设计压力、设计温度、公称直径等条件，本换热 器的设计压力仅为0.6MPa,工作介质对密封要求不高，本设计按列 管式固定管板换热器设计手册表4-1 (设备法兰选用表)选用JB47001-2000标准，选用甲型平焊法兰，采用凸面密封。表3-1管箱法兰参数DN /mmD / mmD1 / mmD2 /mmb/ mmd / mm螺栓规格螺栓数量5006305905423423M2020结构型式如图3-4所示-37 -热交换

48、器设计任务书图2凹口港封面图3-4管箱法兰接管换热器的接管是连接容器与工艺管线的附件，接管的管径大小是由输送流体的能力确定的，一般按流体流速估算。材料接管材料选用20号钢的无缝钢管，选用标准为 GB/T8163-1999, 仃b=390MPa,仃s =245MPa,仃t =130MPa。结构尺寸由于接管的最大公称直径为 dgmax =(1/41.；3Dn =(1251667 mm，根 据列管式固定管板换热器设计手册表 2-5查得dgmax =150mm,综 合考虑工艺计算中的流速，根据HG-T20553-1993选取壳程接管：457 m 7mm,管程接管：4108父7mm接管高度，按设计压力

49、PN4.0MPa,查3P142表1-6-6得：壳程接管伸出长度l=150mm管程接管伸出长度l=150mm-38 -热交换器设计任务书结构型式图3-5接管位置接管法兰选取材料根据设计压力Pg=0.6MPa,选用板式平焊钢制法兰，采用全平面 形式密封，材料选用16MnR选用标准为（HG20592-97。结构尺寸管箱接管公称直径为100mmf选管箱接管法兰参数如表3-2:表3-2管箱接管法兰参数DN /mmD / mmK / mmL / mmTh /mmn / mmC /mmB1 / mm10021017018M16818110筒体接管公称直径为50mm所选用筒体接管法兰参数如表 3-3 :表3-

50、3筒体接管法兰参数DN /mmD / mmK / mmL / mmTh / mmn / mmC /mmB1 / mm-39 -热交换器设计任务书5016512518M16420593.6.3结构型式图3-6板式平焊法兰垫片选取换热器垫片的选择，应根据温度，压力及介质腐蚀性来确定。本 设计管程和壳程设计压力均为 0.6MPa,温度不高，法兰密封形式为 凹凸面密封，管程介质属于较强腐蚀性介质，综合考虑可选用塑料垫, 参数见表3-4表3-4垫片参数内径/mm垫片宽度/mm垫片系数/m比压力y/MPa硬度材料垫片厚度/mm504181.01.475塑料垫33.8管板管板是管壳式换热器的一个重要元件，它

51、除了与管子和壳体等连接外，还是换热器中一个主要受压元件。对管板的设计，除满足强度 要求外，同时应合理考虑其结构设计。管板的结构比较复杂，一台列-40 -热交换器设计任务书管式换热器无论从设计的复杂程度，制造的成本，还是使用的可靠性 来讲，都与管板的设计有关。在管板的设计中主要是选定合适的结构 形式后进行结构尺寸的强度确定。材料材料选用低合金钢，因为它具有优良的综合力学性能，其强度、 韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采 用低合金钢，不仅可以减少筒体的厚度，减轻重量，节约钢材，且能 解决像这次设计的比较大的换热器在制造、检验、运输、安装中因厚 度太大所带来的困难。查相关标

52、准得：仃b =470MPa,仃s =305MPa,b 1 =153MPa。结构尺寸选择管板兼做法兰的结构，依据所选管箱法兰尺寸，如下表3-5: 表3-5管板参数(mmDNDDiD2D3D4D5cd2螺栓bfb50063059054259763760012.518M16 2430403.8.3结构形式-41 -热交换器设计任务书图3-7带法兰管板换热管材料管子选防腐性的钛管。结构尺寸表3-6管子相关系数规格材料外径公差壁厚公差上偏差下偏差?19X 2.0TA20.13+ 10%-10%3.9.3排列型式按正三角形排列，间距t=32mm排管总数为144;六角形的层数为4,不计弓形部分的管子数为12

53、9,在弓形的第一排的管子数为6, 弓形部分管子总数为15.排列型式如下-42 -热交换器设计任务书图3-8排管形式防冲板为了防止壳程物料进口处，流体对换热管表面的直接冲刷，应在 壳程进口管处设置防冲板。而在立式换热器中，为了使气、液介质更 均匀地流入管间，防止流体对进口处的冲刷，并减少远离接管处的死 区，提高传热效果，可考虑在壳程进口处设置导流筒。设置防冲板和 导流筒的条件为：对有腐蚀或者磨蚀的气体、蒸汽及气液混合物，应 设置防冲板；对液体物料，当壳程进口处流体的Pu2为下列数值时，应在壳程进口处设置防冲板或导流筒。非腐蚀、非磨蚀性的单相流体，42至2300kg/(m s2港；其他液体，包括沸点下的液体，FU2 740kg/(m s2唐。本设计中壳程流体为循环水，是非腐蚀性的单相液体，其卬2=997乂0.42 =159.52kg/(m s2 k 2300kg/(m s2 ),故不需设置防冲板。拉杆和定管距-43 -热交换器设计任务书材料拉杆材料为20号钢，选用标准为GB8163仃b=390MPa,仃s =245MPa,k 1 =130MPa。结构尺寸拉杆直径和数量，如表3-7所示表3-