[理学]脱水塔釜液冷却器.doc

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1、 四川理工学院毕业设计（论文） 脱水塔釜液冷却器设计学 生：曾德豪学 号：05011010226专 业：过程装备与控制工程班 级：2005级2班指导教师：石艳四川理工学院机械工程学院二OO九年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 脱水塔釜液冷却器设计 系： 机电工程系 专业： 过控 班级： 2 学号： 05011010226 学生： 曾德豪 指导教师： 石艳 专业负责人： 曾涛 接 受 任 务 时 间 2009年03月03日 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求设计（论文）的原始数据设计规范管程壳程设计温度160/9533/80设计压力MPa(G)0.30.7流

2、量/h560000操作介质95%醋酸+水循环冷却水1、了解换热气体的物理化学性质和腐蚀能力2、进行热平衡计算及转热量大小的决定，流体进入的空间，确定流体的物性数据，计算有效平均温差，换热面积等工艺计算3、完成所有结构设计4、完成装配图和零件图。2指定查阅的主要参考文献1 夏清，陈常贵主编化工原理，上册M天津：天津大学出版社，200512 黄振仁，魏新利主编过程装备成套技术M北京：化学工业出版社，200110 3 刁玉玮，王立业编著化工设备机械基础M大连：大连理工大学出版社，2004 4 郑津洋，董其伍，桑芝富主编过程设备设计M北京：化学工业出版，200553进度安排设计（论文）各阶段名称起 止

3、 日 期1调查研究及及方案分析比较(准备)0903020903252工艺计算、结构设计及强度、刚度计算（设计计算）0903260904263工程图设计0904270905264总结、设计说明书0905270906065指导老师审阅09060709061469摘 要脱水塔反应后的醋酸和水溶剂需用循环冷却水将其冷却，其中脱水塔釜液冷却器是用来完成脱水塔釜液的换热设备，此处采用U型管换热器，因管子的两端固定在同一块管板上,管束可以自由伸缩，不会产生温差应力适用于高温和高压场合，管外易清洗。设计的主要内容包括U型管换热器的工艺计算、结构设计、强度计算及换热器的制造、检验和验收、安装、试车和维护等。关键

4、词：冷却器；工艺计算；结构设计；强度计算ABSTRACT From the reaction tower and acetic acid solvent need water circulating cooling water cooling off, it is used for liquid water tower kettle cooler of finished off water tower kettle heat exchange equipment. Here uses u-tube heat exchanger, beacause one of kettle liquid de

5、hydration tower coolers are used to achieve dehydration tower kettle liquid heat transfer equipment, U-tube fixed at both ends of a tube with on the same tube plate, the bundle tubes can be freely scalable, does not produce thermal stress applied to high temperature and high pressure occasions, and

6、easy to clean tube. The design of the main contents, including U-tube heat exchanger technology process, the strength calculation, the structure of heat exchanger design and manufacture, testing and acceptance, installation, commissioning and maintenance.Keywords: condenser, process calculation, str

7、uctural design, strength calculation目 录摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1 换热器在工业中的应用11.2 换热器研究及发展方向41.3 本次设计的基本内容5第二章 冷却器工艺计算62.1 设计任务和设计条件62.2 确定设计方案62.2.1 选择换热器得类型62.2.2 流动顺序及流速的确定62.3 确定物性数据62.4 计算总传热系数72.4.1 热流量72.4.2 平均传热温差72.4.3 冷却水用量72.4.4 计算传热面积72.5 工艺结构尺寸82.5.1 管径和管内流速82.5.2 管程数和传热管数82.5.3 平均传热温差校正及壳程数82

8、.5.4 传热管排列和分程方法82.5.5 壳程内径92.5.6 折流板92.6 换热器核算92.6.1 热流量核算92.6.2 换热器内流体的流动阻力122.7 钛管详述14第三章 冷却器结构设计153.1 壳体、管箱壳体和封头153.2 接管163.3 折流板203.4 防冲板253.5 拉杆263.6 设备法兰303.7 管板373.8 垫片343.9 管箱373.10 支座403.11 吊耳42第四章 冷却器强度计算404.1 筒体壁厚计算及管箱、管箱封头壁厚计算444.2 筒体开孔补强的校核454.3 管箱开孔补强校核464.4 管板计算474.4.1 管板设计计算474.4.2 换

9、热管校核484.5 鞍座校核494.6 筒体校核504.6.1 圆筒上的轴向应力514.6.2 支座截面处圆筒和封头上的切向应力和封头的附加拉伸应力524.6.3 支座截面处的圆筒周向弯曲应力524.6.4 支座截面处圆筒的周向压缩应力524.6.5 周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核524.6.6 鞍座强度校核53第五章 换热器的制造、检验与验收545.1 换热器的制造545.1.1 筒体545.1.2 封头和管箱555.1.3 管子565.1.4 管板575.1.5 折流板585.1.6 管束的组装595.1.7 管板与管子的连接605.1.8 焊后热处理及组装545.2 检验与验收61

10、5.2.1 无损探伤615.2.2 液压试验61第六章 安装、试车和维护636.1 安装636.1.1 安装位置636.1.2 基础636.1.3 地脚螺栓636.1.4 基础质量的检查和验收636.1.5 基础表面上铲麻面和放垫片646.2 试车 646.3 维护 646.3.1 检查方法656.3.2 修理656.3.3 清洗66总结67参考文献68致谢70四川理工学院毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 换热器在工业中的应用换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。日常生活中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

11、等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。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。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在世界第一次能源危机爆发以来，各国都在下人力量寻找新的能源及在节约能源上研究新途径。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；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。换热器在化工生产中占有重要的地位，通常在化工厂的建设中换热器投资比例为11%，在炼油厂中高达40%，随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究倍受重

12、视，从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃一些新型高效的换热器相继问世。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、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。二十世纪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。接着英国用钎焊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

13、典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，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。此外，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的发展。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。而在国内，各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发

14、展到自主开发的历程。从20世纪5060年代的照搬发展到70年代消化和吸收，进人80年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势。大量的强化传热元件被推向市场形成第一次传热开发浪潮，到90年代中期，大量的强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。近几年国内应用的强化传热技术基本上是80年代中期开发的。由于国内市场较大，使用者多不了解，认为很多技术都是新开发的。在90年代大量应用的基础上，积累了很多经验，在2005年以后将会再掀起一次传热技术开发的新高潮。国内80年代传热技术高潮时期的代表杰作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、

15、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器。同时，计算机应用的普及大大提高了工作效率，工艺设计技术水平随之提高，HTFS、HTRI软件技术的引进，缩短了国际间传热技术水平的差距。换热流程优化软件和物性模拟软件的引进使得装置的热强度有了飞跃性的提高，已从单套装置的热强度500kcal/m2h提高到6000kcal/m2h以上，个别已达到7000kcal/m2h以上。国内像SW6, Lansys强度软件及新的强化传热技术软件包的开发为上述提供厂可靠的保证，目前国内已基本形成自己独特的传

16、热技术软件包并具有开发能力，这些将在未来的十年内使中国步入HTFS，HTRI等具有国际公认水平的技术领域。换热器按传热方式的不同可分为混合式（混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触式换热器）、蓄热式（蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从而进行热量交换的换热器）和间壁式（随间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用最广）三类。一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低

17、温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。目前我国油田多进入后期开采，原油中盐、硫含量升高常减压装置常压塔顶及减压塔顶的腐蚀越来越严重。在这些场合，碳钢换热器的寿命仅为418个月左右，防腐已从单纯的涂层发展到采用钛材料的防腐，使铁换热器已从原来化工装胃的应用发展到炼油装置。国内早期用于炼油常压塔顶的是齐鲁石化公司炼油厂，目前国内多数炼厂已在此场合应用钛换热器来提高换热器的寿命，一般寿命可达510年左右，对长周期运行起到了重大作用。钽和锆换热器近年来发展也较

18、为迅速，在化工工业中得到应用。虽然这些稀有金属价格昂贵，但由于具有特殊的优良性能如耐温、耐蚀等而应用较广，现已开始制定钽和锆压力容器的行业标准，在化工深加上装置中将得到进一步的应用。U形管换热器的优点有：壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，不会因管壁与壳壁之间的温度差而产生热应力，热补偿性能好；管程为双程，流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强；只有一块管板，且无浮头，所以结构简单。在直径相同的情况下换热面积最大，在高压工况下金属耗量比其他换热器小，造价比其他换热器低等。 U形管换热器的缺点有：U形管束与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易走短路，使传热效率降低；管板上排

19、列的换热管较少，管板直径及厚度均较大，管子与管板间的残余焊接应力大；换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果，清洗时需将管束从壳体内抽出才能清洗管间污垢等。图 1 新型U形管换热器结构简图1-管箱；2-管板；3-清洗接口；4-换热管；5-筒体；6-管间支承件；7-支座由于工业技术的不断发展，也产生了新型U形管换热器，其结构如图所示，主要由管箱、管板、清洗接口、换热管、筒体、管间支承件、支座等组成。在流体流量较大、所需换热面积较大的情况下，换热器可由图所示换热器串联或并联组成，或串、并联混合联接组成。该种换热器的主要特点是：将换热器的筒体和换热管均设

20、计制造成U型，换热管的两端分别固定在两块管板上；在U形换热管的弯管段设置折流杆或弹簧等管间支承件；在简体上设置供壳程清洗、排污用的接口。与普通U形管换热器相比，新型U形管换热器具有下列优点：换热器的简体与换热管均为U形，与换热管垂直方向的管束中心处无较大空隙，壳程流体不易走短路或形成流体流动死区，管间不易结垢；在U形换热管的弯曲段设置了折流杆或弹簧、波网、空心环等管间支承件，可降低管束振动，强化换热管弯曲段的传热；在筒体上设置了供壳程清洗用的清洗接口，方便壳程清洗；U形换热管两端分别固定在两块管板上，减小了管板直径和厚度，降低了管板与换热管焊接时的拘束应力及管子与管板间的焊接残余应力，提高了换

21、热器的安全可靠性。1.2 换热器研究及发展动向1.2.1 物性模拟 研究换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现，实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的筹别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。因此，要求物性模拟在实验工段上更加先进，测试的准确率更高从而使换热器计算更精确、材料更节省物性模拟将代表换热器的经济技术水平。1.2.2 分析设计 分析设计是近代

22、发展的一门新兴学科，计算机软件(CAD、Pro/E、UG、ANSYS等）的加入使换热器的分析设计更趋合理，当中美国ANSYS软件技术一直处于国际领先，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来。这无疑给流路分析法技术带来发展。同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠、这一技术随着计算机应用的发展，还将带来技术水平的飞跃，将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。1.2.3 强化技术研究 各种新型、高效换热据将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热

23、技术，添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。1.2.4 提高使用压力和使用温度 换热器在乳品、肉类、果汁生产中应用，其使用压力及温度都不高，但在石油化工等工业部门中应用，需要承受更高的工作压力和工作温度。设计、研究、制造工作者对此进行了大量的实验研究工作，并取得了显著的效果。同时随着新技术的发展，换热器在承压、耐高温能力上都将大大的提高。1.2.5 大型

24、化及能耗研究换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m。传热面积将达到单位10000m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服。高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50%以下。1.2.6 新材料研究随着冶炼技术的快速发展，越来越多的材料都将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展，随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrM

25、o钢材料将实现不预热和后热的方向发展。1.2.7 控制结垢及防腐蚀的研究 内污垢数据基本上是20世纪6070年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投人。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破、保证装置低能耗、长周期的运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术将成为主导。1.3 本次设计的基本内容1、根据所给生产任务和有关要求确定设计方案；2、查找、搜集相关资料进行换热器的工

26、艺计算；3、确定换热器的结构；4、进行装配图及零件图的绘制。四川理工学院毕业设计（论文）第二章 冷却器工艺计算2.1 设计任务和设计条件精对苯二甲酸(PTA)生产过程中，需用循环冷却水将脱水塔中反应后的95%醋酸+水的溶剂从160冷却至95，压力为0.3MPa，冷却介质采用循环冷却水，循环冷却水的入口温度为33，出口温度为80，压力为0.7MPa，95%醋酸+水的流量为560000kg/h。试设计一台换热器，完成该生产任务。相关数据如下：； ； ； ；2.2 确定设计方案2.2.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度160，出口温度95；冷流体进口温度33，出口温度80，该换热

27、器用循环冷却水冷却，冬季操作时，其进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大，因此初步确定选用U型管式换热器。2.2.1 流动空间及流速的确定根据介质特性并考虑生产安全性，因循环冷却水：无毒、无腐蚀，而95%醋酸+水：可燃、有毒、有腐蚀，所以使95%醋酸+水走管程，循环冷却水走壳程。选用192的钛管，管内流速取5m/s。（使用钛管详述见2.7）2.3 确定物性数据定性温度：可取流体进出口温度的平均值。冷流体：壳程循环冷却水的定性温度为： （21） 热流体：管程95%醋酸+水的定性温度为： （22）根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。循环冷却水在56

28、.5下的相关物性数据1： 密度 定压比热容 导热系数 粘度 95%醋酸+水在127.5下的相关物性数据1： 密度 定压比热容 导热系数 粘度 2.4 计算总传热系数2.4.1 热流量 (在设计压强及温度下，热流体无相变)2 （23）2.4.2 平均传热温差 （24）2.4.3 冷却水用量 （25）2.4.4 计算传热面积取总传热系数，则估算的传热面积为 （26）考虑15%的面积裕度 （27）2.5 工艺结构尺寸2.5.1 管径和管内流速选用192传热管（钛管），取管内流速。2.5.2 管程数和传热管数依据传热管内径和流速确定单程传热管管数 （28）按单程管计算，所需的传热管长度为 （29）按单

29、程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情，现取传热管长l=9m，则该换热器的管程数为 （210）由于采用U型管设计，则传热管总根数2.5.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数 （211） （212） 按单壳程，四管程结构，温差校正系数查图，可得 平均传热温差 （213）由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。2.5.4 传热管排列和分程方法采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。取管心距，则 （214）横过管中心线的管数 （215）2.5.5 壳体内径采用多管程结构，壳体内径估算。取管板利用率=0.7，则壳体内径为 （216）圆整可取 。2.5.6 折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为 （217）取折流板间距，则 ，可取。折流板数目(块) （218）折流板圆缺面水平装配。2.6 换热器核算2.6.1 热流量核算2.6.1.1 壳程对流传热系数对弓形折流板，可采用克恩公式 （219）当量直径，由正三角形排列得