《年處理量為9萬噸的苯冷卻器的設(shè)計》6800字（論文）

年處理量為9萬噸的苯冷卻器的設(shè)計摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國工業(yè)的迅速發(fā)展，已知冷卻器是換熱設(shè)備的一種，是化工生產(chǎn)中普遍會使用到的熱交換裝置之一。其中，苯是石油化工生產(chǎn)使用的重要原料，它的產(chǎn)量和生產(chǎn)的技術(shù)水平是一個國家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志之一。本設(shè)計為年處理量為9萬噸的苯冷卻器的設(shè)計，通過查閱關(guān)于冷卻器的相關(guān)資料，對它進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝計算、強度設(shè)計，并進(jìn)行校核。最后計算出該冷卻器的工藝尺寸和強度。依據(jù)計算出來的結(jié)果，利用AutoCAD軟件繪制冷卻器的裝配圖和零部件圖。關(guān)鍵詞：管殼式冷卻器；工藝計算；強度計算目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 1引言 51概述 61.1冷卻器課題背景 61.2冷卻器分類 61.3管殼式（列管式）冷卻器設(shè)計思路 72工藝計算 72.1設(shè)計條件 72.2計算定性溫度 82.3苯和冷卻水的流量計算 82.4平均傳熱溫差的計算 92.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算 103熱力計算 133.1傳熱面積計算 133.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 133.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 143.1.3污垢熱阻和管壁熱阻 153.1.4傳熱系數(shù) 153.1.5傳熱面積裕度 153.2壁溫計算 153.3流體經(jīng)過化熱器的流動阻力 163.3.1管程流體阻力 163.3.2殼程阻力 174強度計算 184.1管板與換熱管 184.1.1管束分程 184.1.2換熱管的規(guī)格和尺寸偏差 184.1.3換熱管的排列形式 184.1.4管板的結(jié)構(gòu) 184.1.5管板厚度 194.1.6管板最小厚度 194.2殼體、管箱和封頭的設(shè)計 194.2.1殼體和管箱殼體材料選擇 194.2.2壁厚的確定 194.2.3封頭的厚度 204.3折流板的設(shè)計 204.3.1折流板的形式尺寸 214.3.2折流板的布置 214.4拉桿與定距管 224.4.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式 224.4.2拉桿的直徑與數(shù)量 224.4.3定距管 224.5進(jìn)出口的設(shè)計 224.5.1接管外伸長度 224.5.2鞍座 235結(jié)論概述 24附錄1蒸發(fā)器裝配圖及零部件圖 25參考文獻(xiàn) 26

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國工業(yè)的迅速發(fā)展，已知冷卻器是換熱設(shè)備的其中一種，是化工生產(chǎn)中普遍會使用到的熱交換裝置之一。其中，苯是石油化工生產(chǎn)使用的重要原料，它的產(chǎn)量和生產(chǎn)的技術(shù)水平是一個國家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志之一。本設(shè)計為年處理量為9萬噸的苯冷卻器的設(shè)計，通過查閱關(guān)于冷卻器的相關(guān)資料，對它進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝計算、強度設(shè)計，并進(jìn)行校核。最后計算出該冷卻器的工藝尺寸和強度。依據(jù)計算出來的結(jié)果，利用AutoCAD軟件繪制冷卻器的裝配圖和零部件圖。關(guān)鍵詞：列管式冷卻器；工藝計算；強度計算引言我國的換熱器發(fā)展起步相比其他國家較晚，但是近年來國內(nèi)的換熱器行業(yè)在關(guān)于新產(chǎn)品的研制、新技術(shù)的研發(fā)上獲得了不俗的成績，盡管與發(fā)達(dá)國家之間還是會有著一定的差距。近些年，國內(nèi)換熱器行業(yè)在提高傳熱效率、減少傳熱面積、降低壓強降、提高裝置熱強度、節(jié)能增效等方面的研究取得了顯著成績[1-2]。根據(jù)不同的目的，換熱器可以有多種形式。本設(shè)計的冷卻器是換熱設(shè)備的其中一類，用以冷卻流體，通常會用水或空氣為冷卻劑來除去熱量。隨著化工生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)對于工業(yè)企業(yè)提高能效，降低能耗的要求日趨迫切，高效換熱器必將成為加快國內(nèi)節(jié)能減排的利器之一[3-5]。本次的設(shè)計以列管式冷卻器作為研究對象，介紹了冷卻器的課題背景以及冷卻器的分類；進(jìn)行了冷卻器的工藝計算和熱力計算，通過確定換熱器的傳熱面積來對冷卻器進(jìn)行合理的選型；依據(jù)冷卻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝、強度計算結(jié)果，通過查閱國家標(biāo)準(zhǔn)，選擇各種零部件的尺寸，最后繪制出冷卻器的裝配圖與零部件圖。1概述1.1冷卻器課題背景冷卻器通常用水或空氣為作冷卻劑來除去熱量，用以冷卻流體，是化工、能源以及石油等各方面廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備[6]。目前在我國的化工廠中，冷卻器的結(jié)構(gòu)一般是由管箱、管體以及管束等主要元件構(gòu)成的。因此，提高冷卻器的傳熱效率，節(jié)能降耗對于提高能源的利用率是一種很有效的途徑[7]。由于現(xiàn)代化工和石油化工等生產(chǎn)工藝往往要求在及其廣泛的條件下進(jìn)行熱交換，因此，換熱器有多種形式。例如“管式”換熱器由于其結(jié)構(gòu)堅固，操作彈性空間大，因此在高溫高壓以及大型換熱器中，占據(jù)了相當(dāng)大的優(yōu)勢。由于現(xiàn)代化工技術(shù)的發(fā)展，從化學(xué)工業(yè)到宇宙的開發(fā)都與換熱器相關(guān)。而隨著社會的發(fā)展需要，對于換熱器的技術(shù)和要求也越來越高，因此各國對于傳熱以及換熱技術(shù)進(jìn)行了越來越深入的研究。如今，面對生產(chǎn)的要求，新型高效的冷卻器還有待進(jìn)一步研發(fā)。1.2冷卻器分類換熱器按照作用原理和傳熱方式可將其分為混合式換熱器、蓄熱式換熱器和間壁式換熱器。按換熱器所用的材料可分為金屬材料和非金屬材料兩大類。在化工生產(chǎn)中按生產(chǎn)目的，換熱器還可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。而按換熱器傳熱面的結(jié)構(gòu)和形狀，又可分為管式換熱器、板式換熱器和其他形式換熱器。換熱器的種類有很多，其中間壁式換熱器應(yīng)用最多且最廣泛[8]。間壁式換熱器可分為以下幾大類：蛇管式換熱器它是最早出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)簡單和操作方便的傳熱設(shè)備，本身又可分為沉浸式噴淋式兩種結(jié)構(gòu)。沉浸式換熱器是將金屬管彎繞成各種于容器相適應(yīng)的形狀，并沉浸在容器內(nèi)的液體。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可用耐腐蝕的材料制造；缺點是容器內(nèi)液體湍動程度低，管外給動系數(shù)小。為提高傳熱系數(shù)，容器內(nèi)可安裝攪拌器。噴淋式換熱器多用來冷卻管子內(nèi)的熱流體，與沉浸式相比，主要優(yōu)點是管外流體的傳熱系數(shù)大了一些，且便于檢修和清洗。而缺點就是體積相比較龐大，導(dǎo)致有時噴淋效果不是很明顯[9]。套管換熱器這類換熱器是由直徑不同的直管所制成的同心套管，并由U形彎頭連接而成。它的特點是操作可按逆流進(jìn)行，由于內(nèi)外兩管的直徑均可取得小一些，以便提高兩種流體的流速，使在傳熱面的兩側(cè)都可有高的傳熱系數(shù)。這種換熱器一般適用于流體流量較小和所需要的的傳熱面不大的場合[10-11]。夾套式換熱器夾套式換熱器是在容器外壁安裝夾套制成的，結(jié)構(gòu)比較簡單；它的優(yōu)點是安裝和維修簡單，清洗方便。缺點則是它的傳熱系數(shù)低，傳熱量小。為了提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)的液體能受熱均勻，可以在反應(yīng)釜內(nèi)安裝攪拌器。當(dāng)夾套中通入冷卻水時，也可在夾套中設(shè)置螺旋隔板或其它可以增加湍動的措施方法，來提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù)。為了補充傳熱面的不足，也可在反應(yīng)釜內(nèi)部安裝蛇管。管殼式換熱器管殼式換熱器是目前應(yīng)用的最廣泛的一種換熱設(shè)備，它的管板和殼體連接，這種固定管板式換熱器得結(jié)構(gòu)簡單清晰、耐壓性比較高，且造價低、易清洗。缺點是在管束和殼體的壁溫膨脹系數(shù)相差較大時，會產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力。因此，這種形式的換熱器主要適用于殼側(cè)介質(zhì)易清洗且不容易結(jié)垢，同時管殼兩側(cè)溫度相差不大的情況下。它的使用場合主要是受到其特性的影響[12-13]。1.3管殼式（列管式）冷卻器設(shè)計思路列管式冷卻器的設(shè)計包括以下幾點：①首先進(jìn)行物料的工藝計算，初步確定冷卻器的工藝結(jié)構(gòu)，②進(jìn)行傳熱面積的計算和壓強降的計算，③通過查閱國家相關(guān)規(guī)定，確定該冷卻器的各零部件結(jié)構(gòu)和型號。2工藝計算2.1設(shè)計條件苯入口溫度：70℃出口溫度；40℃冷卻水入口溫度：30℃出口溫度：40℃允許壓強降：小于50kPa2.2計算定性溫度苯的定性溫度：冷卻水的定性溫度：根據(jù)定性溫度，兩流體的物性數(shù)據(jù)可查相關(guān)的物性數(shù)據(jù)表或圖可得：表1物性數(shù)據(jù)表流體密度比熱粘度導(dǎo)熱系數(shù)苯846.61.734×10-40.14水994.14.1780.722×10-30.6252.3苯和冷卻水的流量計算苯的流量計算：熱流量：冷卻水的流量計算：2.4平均傳熱溫差的計算暫按單殼程、多管程進(jìn)行計算，逆流時平均溫差為：?t1=70－40=30℃?t2=40－30=10℃因為所以有圖1對數(shù)平均溫度校正系數(shù)值（化工原理P225）計算得φ?t由于平均傳熱溫度系數(shù)φ?t＞0.8，同時殼程流量較大，計算有?tm=2.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸計算表2管殼式換熱器內(nèi)常用的流速范圍流體種類管程流速/（m/s）殼程流速/（m/s）一般液體0.5～30.2～1.5易結(jié)垢液體＞1＞0.5氣體5～303～15表3不同黏度液體在管殼式換熱器中的流速（在鋼管中）液體黏度/mPa·s＞15001000～500500～100100～3535～1＜1最大流速/（m/s）0.60.72.4表4管殼式換熱器易燃、易爆液體的安全允許速度液體名稱乙醚、二硫化碳、苯甲醇、乙醇、汽油丙酮安全允許速度/（m/s）＜1＜2～3＜10傳熱面積估算：管徑和管內(nèi)的流速，選用Φ19×2mm的列管，由表2的流速范圍可設(shè)ui=0.6m/s由可求得單管程的管子根數(shù)：按雙管程計算，所需的傳熱管長數(shù)為：按單管程設(shè)計的傳熱管過長，故宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=5m，則該換熱管程數(shù)為：傳熱管的總根數(shù)為：N=35×2=70橫過管子中心數(shù)目：采取組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，主要是考慮這種排列傳熱效果較好，取管心距t=1.25d0t=1.25×0.019=23.75≈24mm隔板兩側(cè)采用正方形排列,隔板中心到離其最近一排管中心距離：mm隔板兩側(cè)最近相鄰管的管心距為36mm取管板利用率為η'，圓整為D=300mm采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，切去的圓缺高度：h=0.25×300=75mm取折流板間距B=0.3D,則B=0.3×300=90mm。折流板數(shù)為：殼體流體進(jìn)出口，出口接管內(nèi)苯流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑：mm,圓整取50mm管程流體進(jìn)出口，出口接管內(nèi)循環(huán)水流速為1.5m/s，則接管內(nèi)徑：，圓整取70mm該換熱器的實際傳熱面積為：最終確定的換熱器設(shè)計規(guī)格如下：形式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm300殼程數(shù)1管徑/mmφ19×2管心距/mm24管長/mm5000傳熱管排列方式正三角形管數(shù)量/根70折流板個數(shù)/個55傳熱面積/m220.881.折流板間距/mm90管程數(shù)2材質(zhì)碳素鋼3熱力計算3.1傳熱面積計算3.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)用克恩法計算：當(dāng)量直徑，由直三角排列得：殼程流通截面積：殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：普朗特數(shù):粘度校正:3.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：管程流體流通截面積：管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：普朗特數(shù)：3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：3.1.4傳熱系數(shù)3.1.5傳熱面積裕度所計算的傳熱面積：該換熱器的實際傳熱面積為：該換熱器的面積裕度是：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)3.2壁溫計算水的平均溫度tm和苯的平均溫度Tm分別為：tm=0.4t2+0.6t1=0.4×40+0.6×30=34℃Tm=0.4T1+0.6T2=0.4×70+0.6×40=52℃?zhèn)鳠峁芷骄跍兀簹んw壁溫可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=Tw=52℃殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為該溫差較小，無需溫度補償裝置，由于殼程換熱器流體壓力較小，因此，選擇固定管板式換熱器較合適。3.3流體經(jīng)過化熱器的流動阻力3.3.1管程流體阻力總的管程流體阻力分為兩部分：查莫狄圖得了λ=0.039，流速u=0.6m/s，所以3.3.2殼程阻力殼程阻力通過埃索法來計算ΔP0-流體橫過管束的壓力降，PaΔPi-流體通過折流板缺口的壓力降，PaFs-殼程壓力降的結(jié)垢修正系數(shù)，無因次，對于液體可取1流體流經(jīng)管束的阻力：F=0.5，f0=5Re-0.228,NTC=1.19N0.5,NB=55流體流過折流板缺口的阻力：B=0.09m,D=0.3m總阻力為：有上面計算可知，該換熱器的管程與殼程的壓強均滿足題目要求，故所選換熱器的型號合適。4強度計算4.1管板與換熱管4.1.1管束分程為了提高流體在管內(nèi)的流速，增大管內(nèi)傳熱膜系數(shù)，就需將管束分程。由工藝計算可知，單管程設(shè)計的傳熱管過長，故采用單殼程雙管程結(jié)構(gòu)，偶數(shù)管程對換熱器的安裝、清潔等方面都有著較大的便利。奇數(shù)管程一般少用，程數(shù)不能分的太多，不然隔板要占去相當(dāng)大布管空間。4.1.2換熱管的規(guī)格和尺寸偏差本設(shè)計采用規(guī)格為φ19×2mm的碳鋼，L=5000mm，換熱管標(biāo)準(zhǔn)為GB/T8163GB99484.1.3換熱管的排列形式換熱管的排列形式有正三角形、轉(zhuǎn)角三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形，等邊三角形的排列用的最普遍，因為管距都相等，所以在同一管板面積上可排列最多的管數(shù)。等邊三角形以及正方形排列法的管孔中心距，一般取t＞1.25d0，以保證管間小橋在脹管時有足夠的強度。綜上所述，換熱管的排列方式選擇等邊三角形排列。4.1.4管板的結(jié)構(gòu)管板是管殼式換熱器最重要的零部件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程分隔開來，避免冷、熱流體混合，并同時受管程、殼程壓力和溫度的作用。若為碳鋼、低合金鋼和不銹鋼制整體管板，碳鋼、低合金鋼的管板的隔板槽寬度為12mm，不銹鋼管板為11mm，槽深一般不小于4mm。若是堆焊不銹鋼管板，堆焊管板應(yīng)先堆焊，然后鉆管孔，堆焊不銹鋼推薦使用帶極堆焊。4.1.5管板厚度碳鋼管板長度24mm槽深長度不應(yīng)小于5mm，碳鋼管板的隔板槽的寬度為25mm。4.1.6管板最小厚度管板最小的厚度除滿足計算要求之外，還需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際制造的要求。本次設(shè)計的管板選用碳鋼材料，厚度值取為35mm，管板開口槽深6mm，槽單位13mm，即分程折流板厚度為13mm。4.2殼體、管箱和封頭的設(shè)計4.2.1殼體和管箱殼體材料選擇隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對設(shè)備以及零件的強度、硬度以及各種物理、化學(xué)性能的要求也越來越高。碳素鋼低與低碳合金鋼相比，有強度低，特殊物理、化學(xué)性能差等缺點，已不能滿足要求，故選擇低碳合金鋼。本次設(shè)計選擇的固定管板式換熱器，結(jié)合經(jīng)濟(jì)和實用性方面考慮，殼體、管箱殼體采用16MnR材料。4.2.2壁厚的確定由于DN=300，選用低合金結(jié)構(gòu)鋼板16MnR為殼體和管箱殼體，通過查閱資料可得，當(dāng)殼體水的溫度在35℃時，材料許用應(yīng)力，焊接接頭系數(shù)取φ=0.85。取負(fù)偏差為C1=0.8mm，腐蝕裕量C2=2mm。計算厚度：設(shè)計厚度計算得：名義厚度計算得：考慮到公稱壓力和最小厚度的要求，可取殼體和管箱殼體厚度為8mm。4.2.3封頭的厚度由工藝計算結(jié)果得設(shè)計參數(shù)為：選用16MnR鋼板，材料許用應(yīng)力，焊接接頭系數(shù)取φ=0.85，腐蝕裕量C2=2mm。計算厚度：設(shè)計厚度計算得：名義厚度計算得：綜合考慮，封頭取最小厚度8mm即封頭應(yīng)選用16MnR材料、厚度為8mm、直邊高度為25mm的規(guī)格。4.3折流板的設(shè)計折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是要根據(jù)工藝過程及要求來確定的，主要是為了增加管間流速，提高傳熱效果。折流板種類有很多，如弓形折流板，大部分換熱器都采用弓形折流板、矩形折流板、雙堰形折流板、圓形折流板等。此設(shè)計我們可選用弓形折流板。通過工藝計算我們可知，折流板間距B=90㎜，折流板數(shù)為NB=55個4.3.1折流板的形式尺寸本次換熱器設(shè)計采用圓缺弓形折流板，上下方向排列，圓缺高度為H=75mm,折流板厚度d=4mm，間距B=90mm，折流板數(shù)量NB=55個4.3.2折流板的布置管束兩端的折流板要靠近進(jìn)、出口接管，中間的折流板間距可以為800mm,除掉中間的距離，剩下的均分在兩側(cè)邊，其余折流板按距離布置。兩端折流板的距離為：折流板重量：為直徑為弓形高度，mm為弓形面積，為系數(shù)，為折流板厚度，mm為管孔數(shù)量；為拉桿孔數(shù)量；為管孔直徑，mm為拉桿孔直徑，mm=199㎏4.4拉桿與定距管4.4.1拉桿的結(jié)構(gòu)形式拉桿常用的結(jié)構(gòu)形式有：拉桿定距管、拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)與其他連接結(jié)構(gòu)。本設(shè)計為換熱管的管束外徑d≥19mm的管束，因此選擇拉桿定距管結(jié)構(gòu)，所以本設(shè)計可選擇拉桿與折流板點焊結(jié)構(gòu)。4.4.2拉桿的直徑與數(shù)量根據(jù)拉管直徑選用表，在換熱管外徑為19mm時，可選用拉桿直徑為12mm的規(guī)格。根據(jù)拉桿數(shù)量選用表，當(dāng)選用的拉桿直徑為12時，拉桿數(shù)量為4個。4.4.3定距管定距管的位置需盡量均勻分布在管束外邊緣，任何折流板不應(yīng)少于3個支承點，長度應(yīng)根據(jù)實際需要來確定。4.5進(jìn)出口的設(shè)計4.5.1接管外伸長度接管的外伸長度也被稱為接管伸出長度，即指接管法蘭面與管箱殼體外壁的長度，根據(jù)下式確定：也可根據(jù)DN查詢參數(shù)表確定接管長度：mm取DN=50mmmm取DN=70mm查表得DN=50mm時殼程接管長度L1=150mmDN=70mm時管程接管長度L2=150mm4.5.2鞍座根據(jù)鞍式支座標(biāo)準(zhǔn)，所選用的鞍式支座參數(shù)如下：表5鞍式支座的尺寸公稱直徑（DN）允許載荷（KN）鞍座高度h底板腹板325mm59mm200mm300mm120mm8mm8mm表6鞍式支座的質(zhì)量筋板(mm)墊板(mm)螺栓間距l(xiāng)2(mm)鞍座質(zhì)量（kg）每100mm的高度所要加的質(zhì)量弧長e9683901606282101025結(jié)論概述通過對年處理量為9萬噸的苯冷卻器的設(shè)計，首先介紹了本課題所研究的背景以及設(shè)計要求，并對管殼式冷卻器的概況進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后進(jìn)行計算，選型等，得到如下結(jié)論：（1）選用了固定管板式冷卻器；（2）通過查閱換熱器的相關(guān)的資料，對固定管板式冷卻器進(jìn)行了相應(yīng)的工藝計算、熱力計算、強度計算以及固定管板式冷卻器總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到折流板55個，折流板間距90mm，上缺口高75mm，采用雙管程結(jié)構(gòu)，管長5000mm?？倐鳠嵯禂?shù)：K=370w/(m2.℃)，總傳熱面積S=20.881m2，選用規(guī)格為φ19×2mm的碳鋼低合金傳熱管；（3）結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對選用的固定管板式