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1、吉林化工学院本科毕业设计说明书吉林化工学院本科毕业设计说明书有机混合气全凝器设计All Organic Mixture Design of Condenser 性 质: 毕业设计 毕业论文教 学 院： 机电工程学院系 别：能源动力系学生学号：10460113学生姓名：专业班级：热动1001指导教师：职 称：副教授起止日期：2014.03.032014.6.15吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technolog摘 要 换热器在石油化工业中有着广乏的应用，本次设计针对吉化有机合成厂高冲车间的丙烯晴、苯乙烯、乙苯和不凝气的冷却问题，由所给的设计条件，我们
2、选取了U形管全凝器进行冷却，并根据化工工艺设计手册、GB150-1998和GB151-1999等设计标准对冷凝器进行了工艺计算和结构设计，进一步确定了冷凝器的各种尺寸，并用CAD软件绘制了冷凝器的装配图和冷见图。关键词：U型管式全凝器；换热器；结构设计；强度设计。IAbstractHeat exchanger in the petrochemical industry has widely lack of applications, this design organic synthesis plant for guitar workshop red high acrylonitrile, s
3、tyrene, ethylbenzene and cooling issues of non-condensable gas, given by the design conditions, we selected the U-shaped tube condenser cooling the whole, and in accordance with Chemical Process design Manual, GB150-1998 and GB151-1999 and other design criteria condensers were calculated and the str
4、uctural design process, further defined the various condensers size, and draw the condenser assembly drawing and cold Figure with CAD software.Key Words：U-shaped tubular whole coagulation device, heat exchanger, structural design, strength design III目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论1第2章 工艺计算22.1 计算物料的冷凝范围22.2
5、 传热量Q和冷却盐水流量W的计算32.2.1 冷凝段的传热量的计算32.2.2 冷却阶段的传热量的计算42.2.3 气相变成液相所释放潜热的计算52.2.4 总的传热量的计算52.2.5 冷冻盐水的流量的计算52.3 有效平均温差62.4 选择物料的走向62.5初选传热系数62.6初步计算换热器基本参数72.7 校核传热系数72.8 校核传热面积92.9 计算管程数92.10 计算压强降102.10.1 管程压强降的计算102.10.2 壳程压强降的计算102.11 换热器的基本参数11第3章 结构计算123.1 概述123.2 管箱设计123.2.1 管箱短节123.2.2 分程隔板123.
6、2.3 管箱深度123.3 圆筒设计133.4 管板设计133.5 拉杆和定距管的确定143.6 折流板的设计153.7 防冲挡板设计153.8 旁路挡板的设计163.9 接管的设计163.10 管法兰的设计183.11容器法兰的设计183.12选取支座19第4章 换热器的制造、检验、安装与维修194.1 换热器的制造、检验与验收194.1.1筒体194.1.2 换热管204.1.3管板204.1.4 折流板、支持板204.1.5 管束的组装204.1.6换热器的组装204.1.7 压力试验214.2 换热器的安装与维护214.2.1安装214.2.2 维护22结论23参考文献24致 谢25吉
7、林化工学院本科毕业设计说明书第1章 绪论在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产
8、工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，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，可以显著地提高设备的热效率。换热器种类繁多，按其操作过程可分为间壁式、混合式及蓄热式三大类。本次课程设计的内容是U型管式全凝器，属间壁式换热器中的管壳式（列管式）换热器，其设计分析包括热力设计、流动设计、结构设计以及强度设计，其中以结构设计最为重要。U型管式换热器只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。对于列管式换热器，一般要根据换热流体的腐蚀性及其它特性来选择结构与材料，根据材料的加工性能，流体的压力
9、和温度。换热器管程与壳程的温度差，换热器的热负荷，检修清洗的要求等因等因素决定采用哪一类的列管式换热器。 这次设计的主要内容如下：项目壳程（进口 /出口）管程（进口 /出口）物料名称丙烯晴25.88% 苯乙烯37.53% 乙苯35.95%不凝气泡点温度:45.2冷冻盐水处理量5250Kg/h设计压力-0.1MPa0.8Mpa工作压力115mmHg(绝)0.664Mpa操作温度75.0/5.0-12.0/-2.0第2章 工艺计算2.1 计算物料的冷凝范围（1） 首先确定泡点的温度为45.2；先求出进入冷凝器的物料的公斤分子数 求各物料的摩尔分率a各物料的分子量：丙烯晴 53 苯乙烯 104 乙苯
10、 106b由设计说明书可知物料的质量百分比为： 丙烯晴 25.88% 苯乙烯 37.53% 乙苯 35.95%c各物料的摩尔分率： 丙烯晴 苯乙烯 乙 苯 物料的平均分子量 进入冷凝器内的公斤分子数为： 求各物料的公斤分子数的分量： 丙烯晴 L1= k mol 苯乙烯 L2= k mol 乙苯 L3= k mol （2） 求平衡常数K 求饱和蒸汽压 （T=TC=45.2）由石油化工手册得：丙烯晴：A=15.9523 B=2782.21 C=-51.15由公式可得即同理：苯乙烯：A=16.0193 B=3328.57 C=-63.72 乙 苯：A=16.0195 B=3279.47 C=-59.
11、95 平衡常数K的计算 已知：则可得：即+K2L2+K3L3=62.71 k mol 可知所选的泡点正确（3）由任务书可知物料的进口温度为75，出口温度为5，所以可知： 冷凝范围 45.275 冷却范围 545.2 当量相变量 45.22.2 传热量Q和冷却盐水流量W的计算 2.2.1 冷凝段的传热量的计算 定性温度Tm=（75+45.2）/2=60.1=333.1K根据 从文献1查得： 300K 350K 丙烯晴 15.30 16.90 苯乙烯 29.38 33.98 乙 苯 30.87 36.08利用插值法分别计算得 Cp1=16.36cal/g分子K 16.36/53=0.309Kcal
12、/（K） Cp2=32.43cal/g分子K 32.43/104=0.312Kcal/（K） Cp3=34.32cal/g分子K 34.32/106=0.324Kcal/（K）三种物料混合后的定压比热：Cp=0.30925.88%+0.31237.53%+0.32435.95%=0.311Kcal/（K）则传热量为:Q1=49125.3Kw2.2.2 冷却阶段的传热量的计算 定性温度:Tm=(45.2+5)/2=25.1=298.1K由此查文献1附表得： 20 30丙烯晴 28.73 28.97苯乙烯 40.56 41.42乙 苯 44.06 44.64利用插值法计算比热：丙烯晴 Cp1=28
13、.82cal/g分子K 28.82/53=0.544Kcal/（K）苯乙烯 Cp2=40.87cal/g分子K 40.87/104=0.393Kcal/（K）乙苯 Cp3=44.27cal/g分子K 44.27/106=0.418Kcal/（K）总的热容Cp=0.439Kcal/（K）则传热量Q2=52500.437(42.5-5)=92228.85Kw2.2.3 气相变成液相所释放潜热的计算 温度时，查文献1可得：潜热 40 50丙烯晴 8355 8213苯乙烯 10108 10008乙 苯 9893 9770利用插值法分别求潜热丙烯晴：苯乙烯：乙 苯：三种物料释放出的总的潜热为：Q3=57
14、8839.13Kw2.2.4 总的传热量的计算 Kw2.2.5 冷冻盐水的流量的计算 定性温度由此查文献2附表得冷冻盐水的比热：因为Kw则89132.83/h2.3 有效平均温差 该系统的流动方向为折流，先按逆流计算得：755 ：-2-12：7717K=则温差修正系数带入数据得：有效平均温差为2.4 选择物料的走向根据文献4中规定，丙烯晴、苯乙烯、乙苯是被冷却的流体，易走管间。由于流体是负压操作，由工艺条件知，该物料走管程比较合适。为了防腐，本设计选择将三种混合物走壳程，冷冻盐水走管程。2.5初选传热系数根据文献2中当高温气体为饱和有机蒸汽（减压下且含有少量的不凝物质），而低温介质为盐水时，总
15、的传热系数的范围是，为此选取。2.6初步计算换热器基本参数 有公式得A=44.25在设计中选用的换热管，最小伸出长度为1.5mm，换热管长度选用，排列方式选用旋转正方形，管间距为，分程隔板槽两侧相邻管中心距为折流板间距，选用管程数为。换热管根数取n=310，为了考虑换热面积的余量，取实际换热管管数为n=320，选用卷制圆筒，取公称直径为。2.7 校核传热系数 （1） 壳程走的是三种物料的混合物，定性温度为由文献1查三种物料的性能参数密度 30 40丙烯晴 苯乙烯 乙 苯 粘度 30 40丙烯晴 0.317 0.292苯乙烯 0.681 0.559乙 苯 0.589 0.525利用差值法求得定性
16、温度下的各物料的物性参数如下：丙烯晴 苯乙烯 乙 苯 定性温度下丙烯晴、苯乙烯、乙苯三种物料的导热系数分别为，求混合物的性能参数密度：粘度：导热系数：壳程比流量：/mh,由文献3得给热系数为：Kcal/(h)（2） 管内传热系数 管内为25%的冷冻盐水，流量为76481.884 由文献1中附表查的定性温度情况下的性能参数：密度 由文献3查得冷冻盐水的导热系数为： 由公式可得管内的比流量为： 管程数 换热管内径 管子数 求柯尔本因子 根据此值查文献3中图可得 求管程传热系数 （3）污垢热阻 壁温的计算 由文献4查得时的金属导热系数：管壁厚度：管壁热阻：实际传热系数K：实际传热系数K较理论传热系数
17、的增率为：因为，所以实际传热系数K处于合理的范围内。2.8 校核传热面积换热面积的余量：因为5%17.51%10查图得 求许用外压力，因为换热器无安全装置，取设计压力，P，所以筒体满足要求。制造：采用卷制3.4 管板设计 材料：考虑到铁离子污染和腐蚀，我们选用高合金钢OCr17Ni12Mo2，其许用压力尺寸：管板和换热器的连接，要求管板和换热器的接头严密不漏管壳程介质不能接触，且有腐蚀危险，管板和换热器采用焊接形式，同时由于膨胀是不连续的，管子和管孔的间隙会成为腐蚀的起点，则管板和换热器采用焊胀结合形式。因该换热器的管程走冷冻盐水，含有大量的氯离子而板材中含有一定量的Mo足以防止氯离子的腐蚀。
18、 管板的计算厚度： 管板的计算厚度，mm 垫片压紧力作用中心圆直径，mm 管板设计压力为为0.9MPa 管板强度消弱系数， =4 设计温度下的许用应力，MPa 带入数值计算可得： =42.36mm 壳程腐蚀裕量为，结构开槽深度 管程腐蚀裕量为，分程隔板槽深度 取管板最大厚度 取布管：选择间距较大的旋转正方形排列可以保证清洗通道，有利于清洗。查得换热管和管孔直径偏差为： 换热管： 管孔： 换热管的中心距和分程隔板槽两侧相邻管中心距 由于分程隔板厚度为8mm，取分程隔板槽深为6mm，宽为12mm如图所示：分程隔板槽两侧相邻管中心距，为方便我们取3.5 拉杆和定距管的确定根据文献3查得拉杆直径选取，
19、因为公称直径，拉杆的最小数目为4，拉杆应均匀的布置在管束的的外边缘，对于大直径的换热管，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适量的拉杆，任何折流板应不小于三个支撑点。如图所示：3.6 折流板的设计 折流板的结构设计主要根据工艺过程和要求来确定，其设置的主要目的是为了增加管间流速，提高传热效果。折流板的主要形式：弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计选用单弓形。材料：为保持物料清洁，选用0Cr18Ni9板材制作折流板，许用应力为：折流板的尺寸：弓形折流板的缺口高度应使流体通过缺口时与横过管束时的流速相近。缺口高度折流板间距：查文献3可得间距折流板厚度：查文献3但公称直径，折流板间换热器最大无支撑跨距
20、为1500mm，可得折流板最小厚度为10mm。3.7 防冲挡板设计 为了壳程物料进口处流体对换热器表面的直接冲刷，应在壳程物料进口处设置防冲挡板，其设置条件为：（1） 非腐蚀、非磨蚀的单相流体，（2） 其他液体，包括沸点下的液体，（3） 有腐蚀或有磨蚀的气体，蒸汽及气液混合物，应设置防冲板。材料：选用0Cr19Ni9钢板尺寸：根据11防冲板的最小厚度为3mm，为提高防冲板的强度去厚度为4mm。防冲板外表面到圆筒内壁的距离，应不小于接管外径的四分之一，防冲板的直径或边长，应大于接管外径50mm。防冲板的固定形式：防冲板的两侧焊在拉杆和靠近管板的第一块折流板上。位置：式中： 防冲板距内壁的距离 壳
21、程进口接管内径与壳体内径相交的弓形高度 接管内径取，长度3.8 旁路挡板的设计由文献3查得当公称直径为500600mm时，采用两对挡板，但是，此U型管全凝器的管束和筒体内壁空隙较大，为此，选用三对旁路挡板。材料：0Cr18Ni9不锈钢尺寸：旁路挡板的厚度一般与折流板的厚度相同为10mm安装：旁路挡板嵌入折流板槽内，并与折流板焊死。3.9 接管的设计 （1） 接管的管径计算： 管程冷冻盐水出入管 为方便起见，同时设冷冻盐水流入流出换热器的流量不变，没有损失，则二者管径相同。其中： 接管的内径 冷冻盐水的质量流量 冷冻盐水操作温度下的密度 冷冻盐水的流速，取适宜流速为故（1） 壳程物料入口管 求操
22、作温度70下的物料入口密度式中： 物料的平均分子量 70时物料入口密度 操作压力 操作温度 气体常数则 式中： 壳程接管的内径 壳程的质量流量 壳程物料流速，取适宜流速为 则（2） 壳程不凝气出口和冷凝液出口管在温度时冷凝液的密度：根据文献2查取并计算得三种物流密度为：丙烯晴 苯乙烯 乙 苯 管内径：取带入数值可得 壳体接管的选取：（1） 管程接管 由，选取冷拔不锈钢管，材料为0Cr19Ni9，许用应力，长度为251mm。（2） 壳程入口管 由于，不能采用钢管束制作，为此采用0Cr19Ni9钢板卷制成的接管，长度为320mm。（3） 冷凝液及不凝气出口管的选取 由于，选取的冷拔不锈钢管，材料为
23、0Cr19Ni9，许用应力，长度为147mm。3.10 管法兰的设计 根据HG20592-92标准选取凸凹面法兰，接管开口向上的为凹面法兰，其余为凸面法兰。 壳程入口：凹面法兰 冷冻盐水入口：凸面法兰 冷冻盐水出口：凹面法兰 冷凝液出口：凸面法兰 不凝液出口：凹面法兰 3.11容器法兰的设计 在设计中采用两个法兰夹持一块管板，这两个法兰中我设计用于管程反向的长颈对焊法兰，同时按标准选取壳程法兰。（1）壳程法兰的选取： 由于壳程压力不高，不能有铁离子污染，由JB4704-2000选取法兰C-FM700-1.0即公称直径为600mm，工程压力为1.0MPa，凹密封面长颈对焊法兰，材料为16Mn，衬
24、环为0Cr19Ni9。（2）管程法兰的选取 由于管程相当压力较大，工作条件较差，为此我们设计了一个凹面长颈对焊法兰。因为介质对法兰要求不是十分严格，为此我们选取16Mn锻件作为该法兰的材料。3.12选取支座 鞍式支座是固定卧式容器中常用的支座形式。按照JB1167-81鞍式支座标准，同一直径的鞍式支座分为A型-轻型，B型-重型两种，每种又可分为型-固定支座，型-活动支座，我们选取的支座。本鞍式支座为一对加热板的鞍座，材料为Q235-AF，垫板为0Cr19Ni9板材。如图所示：B型鞍式支座第4章 换热器的制造、检验、安装与维修4.1 换热器的制造、检验与验收换热器的制造、检验与验收，应遵守GB1
25、51-1999和GB150-1998的有关规定。4.1.1筒体（1）圆筒内直径允许偏差：用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差为0。（2圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e0.5%DN，DN=0.5%1100=5.5mm（3） 圆筒直线度偏差为L/1000，且当L6000mm时，其值不大于4.5mm。L=6000mm 所以直线度允许偏差4.5mm。进行检查时，应通过中心线和垂直面即沿圆周0、90、180、270四个部位测量。（4）壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平。（5）插入式接管不应伸出管箱、壳体和头盖的内表
26、面。4.1.2 换热管（1）换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。（2）管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。4.1.3管板（1） 管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。（2） 拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于级，或超声检测中的级为合格。（3） 换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。 （4） 管板与
27、换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值25m。4.1.4 折流板、支持板（1） 折流板、支持板的管孔直径及允许误差按GB151-1999中5.9.3的规定为：19.6，但允许超差0.1mm的管孔数不得超过4%。（2） 折流板、支持板外圆表面粗糙度Ra值不得大于25m，外圆面两侧的尖角应倒钝。还应取出折流板、支持板上的任何毛刺。4.1.5 管束的组装（1） 拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。（2） 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。 （3） 除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。（4） 管箱应在补焊后作消除应力的热处理，设备
28、法兰应在热处理后加工。（5） 换热器的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等二损坏密封面。4.1.6换热器的组装（1） 换热器零、部件在组装前应认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其他杂物等。（2） 吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管。（3） 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开120角。4.1.7 压力试验压力试验的方法及要求应符合GB150-1998钢制压力容器第十章10.9的规定。U型管换热气的压力试验的顺序：先用试验压环进行壳程试验，同时检查接头，水压试验压力1Mpa（表压）在进行壳程试验，合格后，再以0.105（表压）进行气密性试验。4.
29、2 换热器的安装与维护4.2.1安装1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座的一端应予埋滑板。3.地脚螺栓和垫铁（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有13mm的间隙。（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。4.2.2维护换热器不得在超过铭牌规定的条件下进行。要经常对管壳程介质的温度和压降进行监督，分析换热器的泄漏和结构情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和
30、换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应经常监视管束的振动情况。结 论在这次毕业设计中，我设计的是有机混合器全凝气设计，我所给我的参数物料有丙烯晴25.88% ；苯乙烯37.53%； 乙苯35.95%；不凝气，泡点温度:45.2。处理量是5250kg/h。我选的是U形管式换热器。因为U形管式换热器、结构紧凑，体形小。换热性能好，热媒出口温度低，热能利用率高，节能效果好；传热系数高，节省换热面积。由所给出的数据，我设计的换热管公称直径 换热管外径、内径 换热管中心距 换热管长度 管数 n=320 折流板间距 管程数为。折流板数选用了3对，选用了4个拉杆，换热面积为A=49.18。管程法兰选16M
31、n锻件。参考文献1 石油化工基础数据手册，卢焕章等编著，化学工业出版社，19822 管壳式换热器的分析与计算，潘继江等编著，科学出版社，19963 机械设计手册上册，第二分册，化学工业出版社，19914 化工设备设计手册材料与零部件（上），上海科技出版社。19915 钢制管壳式换热器GB15119996 钢制压力容器GB15019997 换热器原理及计算朱聘冠，清华大学出版社，19878 换热器上、中 兰州石油工业研究所主编，烃加工出版社19869 化工设备设计聂清德主编，化学工业出版社出版，1991 10换热器设计毛希澜主编，上海科学技术出版社，198811换热器的热设计与流动设计联邦德国E
32、.U施林德尔主编，机械工业出版社出版，198812化工原理谭天恩等主编，化学工业出版社，199013 化工设备标准手册第四卷金属化工设备零部件，化学工业部设备设计中心站，去昂压力容器标准化技术委员会，198714中华人民共和国化学工业部工程建设标准钢制管法兰、垫片。紧固件199115换热器实用技术问题覃耘、张世科等编译，煤炭工业出版社，199116换热器及设备设计指南白忠喜主编，东北师范大学出版社，199517化工容器设计，王志文主编，化学工业出版社，199018 Michael D. Hagan，Victoria N. Kruglov .Understand Heat Flux Limita
33、tions on Reboiler Design J. AIChE, 2010:24-31.19 Xuenong Gao. Huibin Yin. Yuyou Huang .Nucleate pool-boiling enhancement outside a horizontal bank of twisted tubes with machined porous surface J. Applied Thermal Engineering, 2009, 19(14-15): 3212-3217.20 David A. McNeil,Khalid Bamardouf,Bryce.M.Burn
34、side.Investigation of flow phenomena in a kettle reboilerJ. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(5-6):836-8致 谢 毕业设计是我们四年大学生涯的最后一个实践环节，是对我们在校期间所学基础理论，专业知识和实践技能的全面总结，又是对我们中和能力和素质的全面检验。根据我们专业的特色，选取了合适的设计题目，并在老师的指导下完成了我的毕业设计。在此，我要特别感谢甘树坤老师，他作为我的指导老师，在设计中给予了我很大的帮助，并一同感谢其他老师对我的帮助，感谢学校给我提供这次机会，让我在大学的最后时候进行了知识的全面总结。 再整个设计过程中，我发现了自己在学校所学的知识不足，通过这个环节，使我的各个方面的能力得到了锻炼和提高。通过本次设计，可以使我全面的应用、巩固和深化我所学的理论知识，提高了独立查阅参考文献得能力，独立进行设备选型和设计的能力，养成了科技严肃对待任务的习惯，同时还能提高计算机的运用和绘图能力，以及编写论文的能力。设计中应最大限度的满足成产要求，做到即经济又可靠又实用，为以后走上工作的岗位奠定了良好的基础。- 25 -