《年处理量为9万吨的苯冷却器的设计》6800字（论文）

年处理量为9万吨的苯冷却器的设计摘要随着科学技术的不断进步，中国工业的迅速发展，已知冷却器是换热设备的一种，是化工生产中普遍会使用到的热交换装置之一。其中，苯是石油化工生产使用的重要原料，它的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。本设计为年处理量为9万吨的苯冷却器的设计，通过查阅关于冷却器的相关资料，对它进行相应的结构设计、工艺计算、强度设计，并进行校核。最后计算出该冷却器的工艺尺寸和强度。依据计算出来的结果，利用AutoCAD软件绘制冷却器的装配图和零部件图。关键词：管壳式冷却器；工艺计算；强度计算目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 1引言 51概述 61.1冷却器课题背景 61.2冷却器分类 61.3管壳式（列管式）冷却器设计思路 72工艺计算 72.1设计条件 72.2计算定性温度 82.3苯和冷却水的流量计算 82.4平均传热温差的计算 92.5工艺结构尺寸计算 103热力计算 133.1传热面积计算 133.1.1壳程表面传热系数 133.1.2管内表面传热系数 143.1.3污垢热阻和管壁热阻 153.1.4传热系数 153.1.5传热面积裕度 153.2壁温计算 153.3流体经过化热器的流动阻力 163.3.1管程流体阻力 163.3.2壳程阻力 174强度计算 184.1管板与换热管 184.1.1管束分程 184.1.2换热管的规格和尺寸偏差 184.1.3换热管的排列形式 184.1.4管板的结构 184.1.5管板厚度 194.1.6管板最小厚度 194.2壳体、管箱和封头的设计 194.2.1壳体和管箱壳体材料选择 194.2.2壁厚的确定 194.2.3封头的厚度 204.3折流板的设计 204.3.1折流板的形式尺寸 214.3.2折流板的布置 214.4拉杆与定距管 224.4.1拉杆的结构形式 224.4.2拉杆的直径与数量 224.4.3定距管 224.5进出口的设计 224.5.1接管外伸长度 224.5.2鞍座 235结论概述 24附录1蒸发器装配图及零部件图 25参考文献 26

摘要：随着科学技术的不断进步，中国工业的迅速发展，已知冷却器是换热设备的其中一种，是化工生产中普遍会使用到的热交换装置之一。其中，苯是石油化工生产使用的重要原料，它的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。本设计为年处理量为9万吨的苯冷却器的设计，通过查阅关于冷却器的相关资料，对它进行相应的结构设计、工艺计算、强度设计，并进行校核。最后计算出该冷却器的工艺尺寸和强度。依据计算出来的结果，利用AutoCAD软件绘制冷却器的装配图和零部件图。关键词：列管式冷却器；工艺计算；强度计算引言我国的换热器发展起步相比其他国家较晚，但是近年来国内的换热器行业在关于新产品的研制、新技术的研发上获得了不俗的成绩，尽管与发达国家之间还是会有着一定的差距。近些年，国内换热器行业在提高传热效率、减少传热面积、降低压强降、提高装置热强度、节能增效等方面的研究取得了显著成绩[1-2]。根据不同的目的，换热器可以有多种形式。本设计的冷却器是换热设备的其中一类，用以冷却流体，通常会用水或空气为冷却剂来除去热量。随着化工生产技术的发展，国内对于工业企业提高能效，降低能耗的要求日趋迫切，高效换热器必将成为加快国内节能减排的利器之一[3-5]。本次的设计以列管式冷却器作为研究对象，介绍了冷却器的课题背景以及冷却器的分类；进行了冷却器的工艺计算和热力计算，通过确定换热器的传热面积来对冷却器进行合理的选型；依据冷却器的结构设计和工艺、强度计算结果，通过查阅国家标准，选择各种零部件的尺寸，最后绘制出冷却器的装配图与零部件图。1概述1.1冷却器课题背景冷却器通常用水或空气为作冷却剂来除去热量，用以冷却流体，是化工、能源以及石油等各方面广泛应用的一种通用设备[6]。目前在我国的化工厂中，冷却器的结构一般是由管箱、管体以及管束等主要元件构成的。因此，提高冷却器的传热效率，节能降耗对于提高能源的利用率是一种很有效的途径[7]。由于现代化工和石油化工等生产工艺往往要求在及其广泛的条件下进行热交换，因此，换热器有多种形式。例如“管式”换热器由于其结构坚固，操作弹性空间大，因此在高温高压以及大型换热器中，占据了相当大的优势。由于现代化工技术的发展，从化学工业到宇宙的开发都与换热器相关。而随着社会的发展需要，对于换热器的技术和要求也越来越高，因此各国对于传热以及换热技术进行了越来越深入的研究。如今，面对生产的要求，新型高效的冷却器还有待进一步研发。1.2冷却器分类换热器按照作用原理和传热方式可将其分为混合式换热器、蓄热式换热器和间壁式换热器。按换热器所用的材料可分为金属材料和非金属材料两大类。在化工生产中按生产目的，换热器还可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。而按换热器传热面的结构和形状，又可分为管式换热器、板式换热器和其他形式换热器。换热器的种类有很多，其中间壁式换热器应用最多且最广泛[8]。间壁式换热器可分为以下几大类：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，本身又可分为沉浸式喷淋式两种结构。沉浸式换热器是将金属管弯绕成各种于容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体。它的优点是结构简单，价格低廉，可用耐腐蚀的材料制造；缺点是容器内液体湍动程度低，管外给动系数小。为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。喷淋式换热器多用来冷却管子内的热流体，与沉浸式相比，主要优点是管外流体的传热系数大了一些，且便于检修和清洗。而缺点就是体积相比较庞大，导致有时喷淋效果不是很明显[9]。套管换热器这类换热器是由直径不同的直管所制成的同心套管，并由U形弯头连接而成。它的特点是操作可按逆流进行，由于内外两管的直径均可取得小一些，以便提高两种流体的流速，使在传热面的两侧都可有高的传热系数。这种换热器一般适用于流体流量较小和所需要的的传热面不大的场合[10-11]。夹套式换热器夹套式换热器是在容器外壁安装夹套制成的，结构比较简单；它的优点是安装和维修简单，清洗方便。缺点则是它的传热系数低，传热量小。为了提高传热系数且使釜内的液体能受热均匀，可以在反应釜内安装搅拌器。当夹套中通入冷却水时，也可在夹套中设置螺旋隔板或其它可以增加湍动的措施方法，来提高夹套一侧的给热系数。为了补充传热面的不足，也可在反应釜内部安装蛇管。管壳式换热器管壳式换热器是目前应用的最广泛的一种换热设备，它的管板和壳体连接，这种固定管板式换热器得结构简单清晰、耐压性比较高，且造价低、易清洗。缺点是在管束和壳体的壁温膨胀系数相差较大时，会产生比较大的热应力。因此，这种形式的换热器主要适用于壳侧介质易清洗且不容易结垢，同时管壳两侧温度相差不大的情况下。它的使用场合主要是受到其特性的影响[12-13]。1.3管壳式（列管式）冷却器设计思路列管式冷却器的设计包括以下几点：①首先进行物料的工艺计算，初步确定冷却器的工艺结构，②进行传热面积的计算和压强降的计算，③通过查阅国家相关规定，确定该冷却器的各零部件结构和型号。2工艺计算2.1设计条件苯入口温度：70℃出口温度；40℃冷却水入口温度：30℃出口温度：40℃允许压强降：小于50kPa2.2计算定性温度苯的定性温度：冷却水的定性温度：根据定性温度，两流体的物性数据可查相关的物性数据表或图可得：表1物性数据表流体密度比热粘度导热系数苯846.61.734×10-40.14水994.14.1780.722×10-30.6252.3苯和冷却水的流量计算苯的流量计算：热流量：冷却水的流量计算：2.4平均传热温差的计算暂按单壳程、多管程进行计算，逆流时平均温差为：∆t1=70－40=30℃∆t2=40－30=10℃因为所以有图1对数平均温度校正系数值（化工原理P225）计算得φ∆t由于平均传热温度系数φ∆t＞0.8，同时壳程流量较大，计算有∆tm=2.5工艺结构尺寸计算表2管壳式换热器内常用的流速范围流体种类管程流速/（m/s）壳程流速/（m/s）一般液体0.5～30.2～1.5易结垢液体＞1＞0.5气体5～303～15表3不同黏度液体在管壳式换热器中的流速（在钢管中）液体黏度/mPa·s＞15001000～500500～100100～3535～1＜1最大流速/（m/s）0.60.72.4表4管壳式换热器易燃、易爆液体的安全允许速度液体名称乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允许速度/（m/s）＜1＜2～3＜10传热面积估算：管径和管内的流速，选用Φ19×2mm的列管，由表2的流速范围可设ui=0.6m/s由可求得单管程的管子根数：按双管程计算，所需的传热管长数为：按单管程设计的传热管过长，故宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标准设计，现取传热管长l=5m，则该换热管程数为：传热管的总根数为：N=35×2=70横过管子中心数目：采取组合排列法，即每程内均按正三角形排列，主要是考虑这种排列传热效果较好，取管心距t=1.25d0t=1.25×0.019=23.75≈24mm隔板两侧采用正方形排列,隔板中心到离其最近一排管中心距离：mm隔板两侧最近相邻管的管心距为36mm取管板利用率为η'，圆整为D=300mm采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25％，切去的圆缺高度：h=0.25×300=75mm取折流板间距B=0.3D,则B=0.3×300=90mm。折流板数为：壳体流体进出口，出口接管内苯流速为1.5m/s，则接管内径：mm,圆整取50mm管程流体进出口，出口接管内循环水流速为1.5m/s，则接管内径：，圆整取70mm该换热器的实际传热面积为：最终确定的换热器设计规格如下：形式固定管板式台数1壳体内径/mm300壳程数1管径/mmφ19×2管心距/mm24管长/mm5000传热管排列方式正三角形管数量/根70折流板个数/个55传热面积/m220.881.折流板间距/mm90管程数2材质碳素钢3热力计算3.1传热面积计算3.1.1壳程表面传热系数壳程表面传热系数用克恩法计算：当量直径，由直三角排列得：壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数:粘度校正:3.1.2管内表面传热系数管内表面传热系数：管程流体流通截面积：管程流体流速及其雷诺数分别为：普朗特数：3.1.3污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：管内侧污垢热阻：3.1.4传热系数3.1.5传热面积裕度所计算的传热面积：该换热器的实际传热面积为：该换热器的面积裕度是：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务3.2壁温计算水的平均温度tm和苯的平均温度Tm分别为：tm=0.4t2+0.6t1=0.4×40+0.6×30=34℃Tm=0.4T1+0.6T2=0.4×70+0.6×40=52℃传热管平均壁温：壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即T=Tw=52℃壳体壁温和传热管壁温之差为该温差较小，无需温度补偿装置，由于壳程换热器流体压力较小，因此，选择固定管板式换热器较合适。3.3流体经过化热器的流动阻力3.3.1管程流体阻力总的管程流体阻力分为两部分：查莫狄图得了λ=0.039，流速u=0.6m/s，所以3.3.2壳程阻力壳程阻力通过埃索法来计算ΔP0-流体横过管束的压力降，PaΔPi-流体通过折流板缺口的压力降，PaFs-壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对于液体可取1流体流经管束的阻力：F=0.5，f0=5Re-0.228,NTC=1.19N0.5,NB=55流体流过折流板缺口的阻力：B=0.09m,D=0.3m总阻力为：有上面计算可知，该换热器的管程与壳程的压强均满足题目要求，故所选换热器的型号合适。4强度计算4.1管板与换热管4.1.1管束分程为了提高流体在管内的流速，增大管内传热膜系数，就需将管束分程。由工艺计算可知，单管程设计的传热管过长，故采用单壳程双管程结构，偶数管程对换热器的安装、清洁等方面都有着较大的便利。奇数管程一般少用，程数不能分的太多，不然隔板要占去相当大布管空间。4.1.2换热管的规格和尺寸偏差本设计采用规格为φ19×2mm的碳钢，L=5000mm，换热管标准为GB/T8163GB99484.1.3换热管的排列形式换热管的排列形式有正三角形、转角三角形、正方形、转角正方形，等边三角形的排列用的最普遍，因为管距都相等，所以在同一管板面积上可排列最多的管数。等边三角形以及正方形排列法的管孔中心距，一般取t＞1.25d0，以保证管间小桥在胀管时有足够的强度。综上所述，换热管的排列方式选择等边三角形排列。4.1.4管板的结构管板是管壳式换热器最重要的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度的作用。若为碳钢、低合金钢和不锈钢制整体管板，碳钢、低合金钢的管板的隔板槽宽度为12mm，不锈钢管板为11mm，槽深一般不小于4mm。若是堆焊不锈钢管板，堆焊管板应先堆焊，然后钻管孔，堆焊不锈钢推荐使用带极堆焊。4.1.5管板厚度碳钢管板长度24mm槽深长度不应小于5mm，碳钢管板的隔板槽的宽度为25mm。4.1.6管板最小厚度管板最小的厚度除满足计算要求之外，还需满足结构设计和实际制造的要求。本次设计的管板选用碳钢材料，厚度值取为35mm，管板开口槽深6mm，槽单位13mm，即分程折流板厚度为13mm。4.2壳体、管箱和封头的设计4.2.1壳体和管箱壳体材料选择随着现代工业和科学技术的不断发展，对设备以及零件的强度、硬度以及各种物理、化学性能的要求也越来越高。碳素钢低与低碳合金钢相比，有强度低，特殊物理、化学性能差等缺点，已不能满足要求，故选择低碳合金钢。本次设计选择的固定管板式换热器，结合经济和实用性方面考虑，壳体、管箱壳体采用16MnR材料。4.2.2壁厚的确定由于DN=300，选用低合金结构钢板16MnR为壳体和管箱壳体，通过查阅资料可得，当壳体水的温度在35℃时，材料许用应力，焊接接头系数取φ=0.85。取负偏差为C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=2mm。计算厚度：设计厚度计算得：名义厚度计算得：考虑到公称压力和最小厚度的要求，可取壳体和管箱壳体厚度为8mm。4.2.3封头的厚度由工艺计算结果得设计参数为：选用16MnR钢板，材料许用应力，焊接接头系数取φ=0.85，腐蚀裕量C2=2mm。计算厚度：设计厚度计算得：名义厚度计算得：综合考虑，封头取最小厚度8mm即封头应选用16MnR材料、厚度为8mm、直边高度为25mm的规格。4.3折流板的设计折流板的结构设计，是要根据工艺过程及要求来确定的，主要是为了增加管间流速，提高传热效果。折流板种类有很多，如弓形折流板，大部分换热器都采用弓形折流板、矩形折流板、双堰形折流板、圆形折流板等。此设计我们可选用弓形折流板。通过工艺计算我们可知，折流板间距B=90㎜，折流板数为NB=55个4.3.1折流板的形式尺寸本次换热器设计采用圆缺弓形折流板，上下方向排列，圆缺高度为H=75mm,折流板厚度d=4mm，间距B=90mm，折流板数量NB=55个4.3.2折流板的布置管束两端的折流板要靠近进、出口接管，中间的折流板间距可以为800mm,除掉中间的距离，剩下的均分在两侧边，其余折流板按距离布置。两端折流板的距离为：折流板重量：为直径为弓形高度，mm为弓形面积，为系数，为折流板厚度，mm为管孔数量；为拉杆孔数量；为管孔直径，mm为拉杆孔直径，mm=199㎏4.4拉杆与定距管4.4.1拉杆的结构形式拉杆常用的结构形式有：拉杆定距管、拉杆与折流板点焊结构与其他连接结构。本设计为换热管的管束外径d≥19mm的管束，因此选择拉杆定距管结构，所以本设计可选择拉杆与折流板点焊结构。4.4.2拉杆的直径与数量根据拉管直径选用表，在换热管外径为19mm时，可选用拉杆直径为12mm的规格。根据拉杆数量选用表，当选用的拉杆直径为12时，拉杆数量为4个。4.4.3定距管定距管的位置需尽量均匀分布在管束外边缘，任何折流板不应少于3个支承点，长度应根据实际需要来确定。4.5进出口的设计4.5.1接管外伸长度接管的外伸长度也被称为接管伸出长度，即指接管法兰面与管箱壳体外壁的长度，根据下式确定：也可根据DN查询参数表确定接管长度：mm取DN=50mmmm取DN=70mm查表得DN=50mm时壳程接管长度L1=150mmDN=70mm时管程接管长度L2=150mm4.5.2鞍座根据鞍式支座标准，所选用的鞍式支座参数如下：表5鞍式支座的尺寸公称直径（DN）允许载荷（KN）鞍座高度h底板腹板325mm59mm200mm300mm120mm8mm8mm表6鞍式支座的质量筋板(mm)垫板(mm)螺栓间距l2(mm)鞍座质量（kg）每100mm的高度所要加的质量弧长e9683901606282101025结论概述通过对年处理量为9万吨的苯冷却器的设计，首先介绍了本课题所研究的背景以及设计要求，并对管壳式冷却器的概况进行了详细的介绍，然后进行计算，选型等，得到如下结论：（1）选用了固定管板式冷却器；（2）通过查阅换热器的相关的资料，对固定管板式冷却器进行了相应的工艺计算、热力计算、强度计算以及固定管板式冷却器总体的结构设计，得到折流板55个，折流板间距90mm，上缺口高75mm，采用双管程结构，管长5000mm。总传热系数：K=370w/(m2.℃)，总传热面积S=20.881m2，选用规格为φ19×2mm的碳钢低合金传热管；（3）结合相关文献资料，对选用的固定管板式