處理量4500kgh二硫化碳精餾系統(tǒng)—冷凝器設(shè)計含10張CAD圖
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題目名稱
處理量450kg/h二硫化碳精餾系統(tǒng)——冷凝器設(shè)計
題目來源
國家、?。ú浚┘? 市、校級 √企業(yè)（公司） 其他
題目類型
√工程設(shè)計 應(yīng)用研究 基礎(chǔ)研究 其他
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）概述
1.畢業(yè)論文設(shè)計目標(biāo)
在處理量4500kg/h二硫化碳精餾系統(tǒng)中冷凝器的設(shè)計滿足所需要的工藝要求。
2.畢業(yè)論文設(shè)計內(nèi)容
2.1工藝計算
查取二硫化碳物性數(shù)據(jù)；計算熱負(fù)荷；計算溫差；選取導(dǎo)熱系數(shù)；計算循環(huán)水用水量，查水的物性參數(shù)；核算總傳熱系數(shù) ；計算壓強降；計算流體阻力
2.2結(jié)構(gòu)計算
選換熱管的材料為20號鋼;計算傳熱管數(shù)；計算筒體內(nèi)徑由公式；筒體內(nèi)徑500mm；計算布管圓；計算同體厚度；計算折流板數(shù)量；計算拉桿直徑；選擇容器法蘭；算接管長度；選擇接管發(fā)蘭；計算封頭深度；計算總質(zhì)量；選擇鞍式支座等內(nèi)容
2.3強度校核
水壓試驗；氣密性實驗；筒體校核；支座校核；管板校核；膨脹節(jié)設(shè)計；經(jīng)濟核算等
2.4總結(jié)
總結(jié)設(shè)計的不足和優(yōu)點，解決問題的方法以及實踐與理論的差距等從而更好的提高自己的能力。
3.固定管殼式換熱器的特點
管殼式換熱器的主要零部件：殼體、換熱管、接管、法蘭連接裝置、支座、管箱、折流板、管板、膨脹節(jié)等。換熱主要元件是換熱管，通常換熱管排布形式由正方形和正三角形，換熱管與管板的連接方式通常有脹接、焊接、脹焊并用三種方式。膨脹節(jié)的作用是減小管板的溫差應(yīng)力。折流板是作用為了造成殼程流體擾動，使殼程流體呈“S”形流動，提高殼程介質(zhì)流速，強化傳熱；對于臥式換熱器，還有支撐管束的作用。折流板結(jié)構(gòu)形式：弓形和圓環(huán)形
其由殼體、管束、封頭、管板、折流擋板、接管等部件組成。結(jié)構(gòu)特點為：兩塊管板分別焊于殼體的兩端，管束兩端固定在管板上。換熱管束可做成單程、雙程或多程。它適用于殼體與管子溫差小的場合。? 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)最多，旁路最少；每根換熱管都可以進(jìn)行更換，且管內(nèi)清洗方便。? 缺點：殼程不能進(jìn)行機械清洗；當(dāng)換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時產(chǎn)生溫差應(yīng)力，需在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，因而殼程壓力受膨脹節(jié)強度的限制不能太高。固定管板式換熱器適用于殼方流體清潔且不易結(jié)垢，兩流體溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場合。
4.設(shè)計采用原理，主要思路和方法
4.1的設(shè)計，用戶應(yīng)提供一下設(shè)計條件（工藝參數(shù)）
管、殼程的操作壓力（作為判定設(shè)備是否上類的條件之一，必須提供）?②管、殼程的操作溫度（進(jìn)口/出口）?③金屬壁溫（工藝計算得出（用戶提供））?④物料名稱及特性?⑤腐蝕裕量??⑥程數(shù)?⑦換熱面積? ⑧換熱管規(guī)格，排列形式（三角形或正方形）?⑨折流板或支撐板數(shù)量
4.2計參數(shù)的確定?
設(shè)計壓力，設(shè)計溫度，焊接接頭系數(shù)?；徑：DN<400的圓筒，采用鋼管；N≥400的圓筒，采用鋼板卷制。
4.3布管
根據(jù)換熱面積、換熱管規(guī)格畫布置圖，確定換熱管數(shù)量。? 如果用戶提供了布管圖，也要復(fù)核布管是否在布管限定圓以內(nèi)。
4.4布管原則
? 布管限定圓內(nèi)應(yīng)布滿管；多管程的各管程數(shù)應(yīng)盡量相等；熱管應(yīng)對稱排列
4.5管板的連接方式?管子于管板的連接
在管殼式換熱器的設(shè)計中是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。他不僅加工工作量大，而且必須使每一個連接處在設(shè)備運作中，保證介質(zhì)無泄漏及承受介質(zhì)壓力能力。?管子與管板的連接方式主要有以下三種：a脹接；b焊接；?c脹焊接?脹接用于管殼之間介質(zhì)滲漏不會引起不良后果的情況，特別適用于材料可焊性差（如碳鋼換熱管）及制造廠的工作量過大的情況。由于脹接管端處在焊接時產(chǎn)生塑性變形，存在著殘余應(yīng)力，隨著溫度的升高，殘余應(yīng)力逐漸消失，這樣使管端處降低密封和結(jié)合力的作用，所以脹接結(jié)構(gòu)受到壓力和溫度的限制，一般適用于設(shè)計壓力≤4Mpa，設(shè)計溫度≤300度，并且在操作中無劇烈地震動，無過大的溫度變化及無明顯的應(yīng)力腐蝕；焊接連接具有生產(chǎn)簡單、效率高、連接可靠的優(yōu)點。
4.6設(shè)計計算
1殼體壁厚計算? 包括管箱短節(jié)、封頭、殼程筒體的壁厚計算? 管、殼程筒體壁厚應(yīng)滿足GB151中最小壁厚的規(guī)定，對于碳素鋼和低合金鋼最小壁厚是按腐蝕裕量C2=1mm考慮的，對于C2大于1mm的情況，殼體的最小壁厚應(yīng)相應(yīng)增加。?2．?開孔補強計算? 對于殼體采用鋼管制的，建議采用整體補強（增加筒體壁厚或采用厚壁管）；對于比較厚的管箱上開大孔考慮綜合經(jīng)濟性?不另行補強應(yīng)滿足的幾點要求：?①設(shè)計壓力≤2.5Mpa? ②相鄰兩孔中心距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍?③接管公稱直徑≤89mm? ④接管最小壁厚應(yīng)表8-1的要求（接管腐蝕裕量為1mm）?3．?法蘭? 設(shè)備法蘭采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭時應(yīng)注意法蘭與墊片、緊固件的匹配，否則應(yīng)對法蘭進(jìn)行計算。比如甲型平焊法蘭在標(biāo)準(zhǔn)中與其匹配的墊片為非金屬軟墊片；當(dāng)采用纏繞墊片應(yīng)對法蘭重新計算?4．?管板? 需注意以下幾個問題：? ①管板的設(shè)計溫度：根據(jù)GB150-1998的3.4.6及GB151-1998的?3.12.1規(guī)定,應(yīng)取不低于元件的金屬溫度,但在管板計算中無法保證管\殼程介質(zhì)作用,且管板的金屬溫度很難計算,故一般取較高側(cè)的設(shè)計溫度為管板的設(shè)計溫度(GB151標(biāo)準(zhǔn)釋義P55)?②多管程換熱器：在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要而未能被換熱器支承的面積Ad：?
二、畢業(yè)設(shè)計（論文）整體安排及進(jìn)度
第 7 學(xué)期 17-19周
查閱文獻(xiàn)（中文>15 篇，英文>5篇）撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報告；查閱并翻譯一篇英文獻(xiàn)，
提交文獻(xiàn)綜述和開題報告初稿。
第 8 學(xué)期 1-2 周
修改翻譯、文獻(xiàn)綜述和開題報告，上傳系統(tǒng)。
3-4 周
確定設(shè)計方案，工藝計算；實習(xí)，提交工藝計算資料。
5-6 周
結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計算，提交強度計算資料。
7 周
撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書，提交設(shè)計說明書初稿。
8-10 周
繪制三維零部件圖，提交電子版圖紙。
11-12周
繪制三維零部件圖，提交電子版圖紙。
13周
修改圖紙和畢業(yè)設(shè)計說明書、整理畢業(yè)設(shè)計，上傳終稿，打印裝訂畢業(yè)論文。
14-16周
準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
三、畢業(yè)設(shè)計（論文）已完成的研究部分
1藝計算
計算熱負(fù)荷；選取傳熱系數(shù)；估算換熱面積；核算傳熱數(shù)；計算壓強降；計算流體阻力
2構(gòu)設(shè)計
計算筒體內(nèi)徑；計算筒厚度；計算管板；計算折流板數(shù)；計算折流板厚度；計算總質(zhì)量；選擇支座；計算接管長度；選擇容器法蘭；接管法蘭選擇；封頭選擇；管箱設(shè)置；接管最小距離；換熱管材料選擇；
3強度校核
支座校核；開口補強圈校核；水壓試驗，筒體校核等均已完成
四、下一部分的工作安排
1、完成工作請老師審閱指出不當(dāng)之處并自我完善。
2、CAD繪畫 SolidWorks畫三維圖并不斷完善
3、答辯
五、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作中存在的問題
補強圈的設(shè)計條件
什么條件下需要設(shè)計膨脹節(jié)
鋼制管法蘭與容器法蘭的選擇
管板質(zhì)量的計算
學(xué)生：羅貴 2018年 4月 27日 指導(dǎo)教師：付雙成 2018年 4月27日
題目： 處理量4500kg/h二硫化碳精餾系統(tǒng)——冷凝器設(shè)計
一、 前言
1.課題研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨
1.1 本課題的研究意義
在化工和石油化工廠中，傳熱既是最重要也是應(yīng)用最多的過程[1]。工廠運轉(zhuǎn)是否經(jīng)濟常常取決于熱或冷的利用和回收的效率。供氣、供電和供冷等公用工程在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于使熱的轉(zhuǎn)化和回收效率最高。?換熱器是在具有不同溫度的兩種和兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足過程工藝條件的需要。換熱器是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥，航空及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的通用設(shè)備。
在化工廠中，換熱器的投資約占總投資的10%-20%；在煉油廠中，該項的投資約占總投資的35%-40%。?換熱器的種類很多，有多種多樣的結(jié)構(gòu)每種結(jié)構(gòu)形式的換熱器都有其自身的結(jié)構(gòu)特征及其相應(yīng)的工作特性。
就目前而言換熱器經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)有不同種類，在不同的場合有不同的換熱器。但是應(yīng)用較多的是管殼式換熱器管殼式換熱器由于始終受到普遍應(yīng)用和重視,其理論研究的深度和設(shè)備改進(jìn)的步伐都是板式類換熱器所不能比擬的。
近年來在新的節(jié)能及環(huán)保要求的技術(shù)革新中,其技術(shù)和發(fā)展速度又有所提高,許多新型高效換熱器不斷涌現(xiàn),如折流桿換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、高效重沸器、高效冷凝器、雙殼程換熱器、螺紋管換熱器、螺紋鎖緊環(huán)換熱器、環(huán)高壓換熱器、非金屬換熱器以及稀有金屬換熱器等[2]。
熱交換器的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化、專門化，有多種分類方法：按照熱交換器傳熱原理可以分為表面式熱交換器、蓄熱式熱交換器、流體連接間接式熱交換器，直接接觸式熱交換器[3]；按用途可以分為加熱器、預(yù)熱器、過熱器和蒸發(fā)器等；按熱交換器的結(jié)構(gòu)分類又可以分成板式熱交換器、固定管板式熱交換器、u型管板散熱器、浮頭式熱交換器等類型。按冷熱流體流動方向可以分為逆流式、順流式、混流式錯流式；按傳量方式分為間壁式、混合式、蓄熱式三種類型[4]。設(shè)計中的熱交換器為間壁式列管熱交換器，按照用途分為冷卻器。
隨著時代的進(jìn)步在工業(yè)、制藥業(yè)、化工等行業(yè)的升級，各個領(lǐng)域?qū)Q熱器高性能、高效率、低能耗、緊湊型的追求。這就需要不斷的對各種換熱器進(jìn)行研究對各種換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)置、優(yōu)化進(jìn)行研究。就目前而言我國在新型換熱器的研發(fā)應(yīng)用方面與國外尚存在較大差距，因此我們可以借鑒國外換熱器發(fā)展中的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，發(fā)展適應(yīng)本國生產(chǎn)需要的各類高效傳熱設(shè)備，以滿足我們的國家在各個需要熱交換器的領(lǐng)域，用以提升本國工業(yè)，故對換熱器的研究尤為需要。
1.2 國內(nèi)熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀
在我國換熱器的制造技術(shù)遠(yuǎn)落后于外國，由于制造工藝和科學(xué)水平的限制早期的換熱器只能采用簡單的結(jié)構(gòu)，而且傳熱面積小、體積大和笨重，如蛇管式換熱器等。隨著制造工藝的發(fā)展，逐步形成一種管殼式換熱器[5]，它不僅單位體積具有較大的傳熱面積，而且傳熱效果也較好，長期以來在工業(yè)生產(chǎn)中成為一種典型的換熱器。
進(jìn)入21世紀(jì)后，大量強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升[6]，板式換熱器日漸崛起。最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預(yù)熱器方面獲得了重大突破[7]。
熱管換熱器是一種高效傳熱的新型換熱器[8]，熱管換熱器主要由箱體、管板、熱管元件組成，其中熱管是其關(guān)鍵元件。熱管是一種充填了適量工作介質(zhì)的真空密封容器，當(dāng)熱量傳入熱管的蒸發(fā)段時，工作介質(zhì)吸熱蒸發(fā)流向冷凝段，在那里蒸汽被冷卻，釋放出汽化潛熱，冷凝變成液體，然后在多孔吸液芯的毛細(xì)力或重力的作用下返回蒸發(fā)段，如此反復(fù)循環(huán)，通過工質(zhì)的相變和傳質(zhì)實現(xiàn)熱量的高效傳遞。熱管換熱器的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下制造熱管換熱器的金屬耗量少于其它類型的換熱器。
進(jìn)入21世紀(jì)后，大量的強化傳熱技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)裝置，我國換熱器產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平上獲得了快速提升，板式換熱器日漸崛起。如蘭石換熱設(shè)備公司板式換熱器成功進(jìn)入國內(nèi)核電建設(shè)項目常規(guī)島和核島領(lǐng)域[9]，并陸續(xù)將板式換熱器用于大乙烯項目、鈦白粉生產(chǎn)線等領(lǐng)域。四平巨元瀚洋板式換熱器公司也成功進(jìn)入大亞灣二期嶺澳核電站的常規(guī)島和核島領(lǐng)域。
最近幾年，我國還在大型管殼式換熱器、大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器、高效節(jié)能板殼式換熱器、大型板式空氣預(yù)熱器方面獲得了重大突破。
2008年8月，由中國石化集團上海工程公司與中國第一重型機械公司、蘭州石油機械研究所、鎮(zhèn)海煉化公司共同承擔(dān)研制的鎮(zhèn)海煉化百萬噸/年乙烯項目-EO/EG裝置大型管殼式換熱器國產(chǎn)化研制通過技術(shù)鑒定，標(biāo)志著我國在大型管殼式換熱器領(lǐng)域獲得了重大突破。該換熱器是國內(nèi)正在制造的首臺換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器[10]。
2009年4月，中國石化組織專家對“大直徑螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器國產(chǎn)化研制攻關(guān)”項目進(jìn)行了科學(xué)技術(shù)成果鑒定。該項目是依托中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司千萬噸級煉油項目中的320萬噸/年加氫處理裝置開展的，由中國石化工程建設(shè)公司、中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司、蘭州蘭石機械設(shè)備有限責(zé)任公司、撫順機械設(shè)備制造有限公司聯(lián)合承擔(dān)。
2009年6月，由甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司研制開發(fā)的國產(chǎn)首臺10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器暨國產(chǎn)首臺100萬噸/年P(guān)X裝置10910m2板式空氣預(yù)熱器在上海通過出廠驗收[11]。該10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器將應(yīng)用在中國石油烏魯木齊石化分公司100萬噸/年芳烴聯(lián)合裝置，是目前國內(nèi)單臺換熱面積最大的國產(chǎn)板殼式換熱器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多項技術(shù)屬國際領(lǐng)先，換熱器整體已達(dá)到國際先進(jìn)水平。10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器的研制成功是國產(chǎn)板殼式換熱器發(fā)展的一個重要里程碑，標(biāo)志著國產(chǎn)板殼式換熱器已跨入國際領(lǐng)先行列，并將結(jié)束同類產(chǎn)品依靠進(jìn)口的歷史。
1.3 國外熱交換器發(fā)展現(xiàn)狀
日本日阪（Hisaka）制作所是熱力工程專家級企業(yè)，在板式換熱器的設(shè)計和制造方面具有國際領(lǐng)先的技術(shù)。其板式換熱器用于加熱、冷卻、熱回收、熱交換、冷凝、滅菌等方面。日阪熱交換器成功地使用在所有主要工業(yè)部門：化工、食品、鋼鐵、紙漿、機械、汽車、石油加工、紡織、船舶、空調(diào)及發(fā)電廠。
歐美發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)80年代起開始競相開發(fā)、研制各種型式的板殼式換熱器。板殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)與板式換熱器相似，但板間距增大，取消了墊片，改用焊接法連接各板，形成通道[12]。板殼式換熱器最適合于介質(zhì)清沽、換熱量大和壓降小的場合。法國Packinox公司于20世紀(jì)80年代首次在催化重整裝置中用一臺大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器組。20世紀(jì)90年代末期，Packinox公司又將大型板殼式換熱器用于加氫裝置，該公司的產(chǎn)品得到UOP(美國聯(lián)合油)的認(rèn)證。而板殼式換熱器在中國起步比較晚，1999年蘭州石油機械研究所研制成功大型板殼式換熱器，并于1999年5月8日通過中國石化總公司鑒定[13]。
國外對流換熱在多孔介質(zhì)中的重要作用及其在相關(guān)行業(yè)中的若干技術(shù)應(yīng)用，例如食品加工，地?zé)岵杉柲芗療崞骷夹g(shù)，地下污染物擴散，谷物儲存，核反應(yīng)堆熱排放，放熱反應(yīng)在包裝，床反應(yīng)器，電子箱等中，它在過去幾十年的幾個基礎(chǔ)研究中一直是一個感興趣的課題。 在該領(lǐng)域最近的研究中，一些研究人員已經(jīng)研究了熱交換器中的傳熱性能，而沒有考慮多孔介質(zhì)[14—18]。 例如，Sheikholeslami等人已經(jīng)對穿孔不連續(xù)螺旋湍流器對雙管水 - 空氣換熱器的傳熱特性的影響進(jìn)行了實驗研究。
1.4換熱器的發(fā)展趨勢
長期以來，列管式換熱器面臨著各種新型換熱器的挑戰(zhàn)，且某些場合已被一些新型換熱器所取代，但是由于它的高度可靠性和廣泛的適應(yīng)性，至今仍然居于統(tǒng)治地位。例如在日本其產(chǎn)量占全部換熱器的70%，產(chǎn)值占60%。由于受到挑戰(zhàn)，反過來也促進(jìn)了它自身的發(fā)展。 例如在高溫、高壓領(lǐng)域，已有用它取代蛇管、套骨式換熱器的趨勢［20］ 。
1.于整體裝置設(shè)計的數(shù)據(jù)庫技術(shù)傳統(tǒng)的整體裝置設(shè)計任務(wù)是由各個部門的工作小組分別對其中的某一項進(jìn)行設(shè)計, 并通過設(shè)計說明書相互聯(lián)系來完成的, 而最近發(fā)展起來用于整體裝置設(shè)計的數(shù)據(jù)庫技術(shù), 可以使這種繁重的任務(wù)變得簡單起來。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 不同類型的設(shè)計應(yīng)用軟件可以有機地形成一個整體, 設(shè)計者只需通過數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)向應(yīng)用軟件中輸入相關(guān)參數(shù), 便可得到更多的關(guān)于設(shè)計任務(wù)的數(shù)據(jù), 并且這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)據(jù)庫中[21]。隨著CAD 軟件包和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展, 用于整體裝置設(shè)計的數(shù)據(jù)庫技術(shù)必定會代替手工計算設(shè)計方法。
2.計算流體力學(xué)( CFD) 和模型化設(shè)計的應(yīng)用在換熱器的熱流分析中, 引入計算機技術(shù), 對換熱器中介質(zhì)的復(fù)雜流動過程進(jìn)行定量的模擬仿真。目前, 基于計算機技術(shù)的熱流分析已經(jīng)用于自然對流、剝離流、振動流和湍流熱傳導(dǎo)等的直接模擬仿真, 以及對輻射傳熱、多相流和稠液流的機理仿真模擬等方面[22]。在此基礎(chǔ)上, 在換熱器的模型設(shè)計和設(shè)計開發(fā)中, 利用CFD 的分析結(jié)果和相對應(yīng)的模型實驗數(shù)據(jù), 使用計算機對換熱器進(jìn)行更為精確和細(xì)致。
3.換熱器強化傳熱技術(shù)的發(fā)展以采用強化傳熱元件和改進(jìn)換熱器結(jié)構(gòu)為主的強化傳熱技術(shù)是一種能顯著改善換熱器傳熱性能的節(jié)能技術(shù)[23]。根據(jù)傳熱物流條件的不同情況, 殼程傳熱強化的研究必然與強化傳熱管的優(yōu)化組合相聯(lián)系,這是今后換熱器強化傳熱技術(shù)發(fā)展的方向。
在世界范圍內(nèi)，雖然目前管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位，但各種板式換熱器的競爭力在逐漸上升。世界換熱器產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)品與技術(shù)方面的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為產(chǎn)品大型化、高效化、節(jié)能化，此外，換熱器新材料的開發(fā)應(yīng)用、產(chǎn)品技術(shù)的更新?lián)Q代、不同應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的細(xì)分化也都是行業(yè)的發(fā)展趨勢。
隨著工業(yè)裝置的大型化及高效化，世界換熱器也趨于大型化，并向低溫差、低壓力損失方向發(fā)展，在大型化的同時也提高了產(chǎn)品的換熱效率，更加體現(xiàn)節(jié)能減排。在管殼式換熱器領(lǐng)域，世界大型管殼式換熱器直徑已經(jīng)突破4.5m，部分甚至達(dá)到了5m以上，出現(xiàn)了換熱面積超過10000m2的超大型管殼式換熱器[24]；目前，板殼式換熱器、空氣預(yù)熱器的最大單臺換熱面積也都超過了10000m2。
2．課題的研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題
本課題的研究目標(biāo)主要是完成精餾操作系統(tǒng)中的塔頂冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.1 主要研究內(nèi)容包括
準(zhǔn)備前期材料：翻譯論文和寫文獻(xiàn)綜述
設(shè)計計算：換熱校核、筒體強度校核、管板校核
編寫說明書
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2.2 要重點解決的關(guān)鍵問題：
換熱工藝計算；設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)；管板校核
2.2.1 關(guān)于熱交換器的強化傳熱問題和傳熱面積的確定
強化熱交換器的傳熱過程，主要目的就是為了在單位時間和一定的傳熱面積中傳遞盡量多的人，主要意義就是在特定的設(shè)備投資和輸送功率的情況下，取得一定的傳熱量，從而使設(shè)備容量不斷增加，提高勞動生產(chǎn)率[25]。
根據(jù)傳熱速率方程，(Q：單位時間內(nèi)傳遞的熱量，即功率，單位；K：總傳熱系數(shù)；：對數(shù)平均溫差；：兩端溫差中較大的[10]；：兩端中溫差較小的)
在總功率一定時，傳熱面積大小取決于傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差。
2.2.2 熱交換器效率的問題
根據(jù)文獻(xiàn)中提出換熱元件的熱效率評價體系計算換熱器效率n作為換熱性能評價指標(biāo)。是換熱元件的實際換熱熱流量Φ與最大理論換熱熱流量量中。之比.,同時也是冷熱流體中熱容量小的流體的“進(jìn)出口溫度差”與“冷熱流體進(jìn)口溫度差”之比,其物理意義為換熱元件中“冷熱流體進(jìn)口溫度差”的利用率。
由于換熱設(shè)備與一般的熱力過程不同，涉及到設(shè)備投資、運行經(jīng)費、水電消耗等問題，所以評價熱交換器和熱交換器效率應(yīng)當(dāng)綜合考慮，通常經(jīng)濟效率較高的的熱交換器其效率一般在90%左右，否則容易造成不必要的浪費[26]。
2.2.3 熱交換器設(shè)計時可能出現(xiàn)的問題
（1）不同結(jié)構(gòu)型式的換熱器的特點
由于換熱器的種類較多，所以不同的換熱器其所具有的特點是不同的，不同的換熱器會選擇不同的方式來處理所遇到的問題。例如：固定管板式換熱器的主要特點結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、沒有殼程密封的問題,而且往往是管板兼作法蘭其適用于
a) 管、殼程溫差較大,但壓力不高的場合(因為溫差大,要加膨節(jié),,GB16749 《壓力容器波形膨脹節(jié)》中規(guī)定設(shè)計壓力不大6.4MPa)。
b)管、殼程溫差不大,而壓力較高的場合。
c)殼程無法機槭清洗,故要求殼程介質(zhì)干凈;或雖會結(jié)垢,但通過化學(xué)清而能去除的場。
d)布管多,件少,一次性投資低;但不可更換管束,整臺設(shè)備往往由換熱管損壞而更換,故設(shè)備運行周期短。
（2）管殼式換熱器設(shè)計參數(shù)確定
設(shè)計中要嚴(yán)格根據(jù)所給的條件進(jìn)行選去合適的參數(shù)。
（3） 管殼式換熱器材料選取
選擇的材料要滿足條件。
（4）管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計
（5）管殼式換熱器強度計算
二、 設(shè)計方案的確定
1 方案的原理、特點與選擇依據(jù)
1.1方案的原理、特點
固定管板式換熱器
（1）優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便， 管子損壞時易于堵管或者更換。
（2）缺點：當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的膨脹系數(shù)相差較大時，殼體和管束中將產(chǎn)生較大的應(yīng)力。
（3）適用：其適用于殼側(cè)介質(zhì)清潔且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但殼側(cè)壓力不高的場合。
根據(jù)以上管殼式換熱器的特點，水走殼程容易結(jié)垢所以水應(yīng)當(dāng)走管程，殼側(cè)走二硫化碳，又根據(jù)固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能承受較高的壓力，造價低，管程清洗方便，管子損壞時易于堵管或者更換。所以確定換熱器的類型為固定管板式。
1.2 方案的選擇依據(jù)
由于循環(huán)液是無毒性介質(zhì)，且易結(jié)垢、不清凈，所以選擇走管程，這樣可以清洗方便，同時減少泄漏的機會循環(huán)水是被冷卻的流體，可利用殼體散熱，增強冷卻效果，也是較為潔凈介質(zhì)，而且粘度大流量相對較小，因有折流板作用下，可提高流動對流傳熱系數(shù)。所以選擇循環(huán)水走管程程較為合理
2 設(shè)計步驟
2.1確定物性數(shù)據(jù)
熱流量
平均傳熱溫差
傳熱面積
2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸
管徑和管內(nèi)流速
管程數(shù)和傳輸管數(shù)
平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)
殼體內(nèi)徑
折流板
接管
2.3換熱器核算
管板校核
管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
污垢熱阻和管壁熱阻
傳熱系數(shù)
應(yīng)力核算
三、階段性設(shè)計計劃、設(shè)計目標(biāo)與應(yīng)用價值
1 階段性設(shè)計計劃
周 次
工 作 內(nèi) 容
第 7 學(xué)期 17-19 周
查閱文獻(xiàn)（中文>15 篇，英文>5 篇）撰寫文 獻(xiàn)綜述和開題報告；查閱并翻譯一篇英文文 獻(xiàn)。
第 8 學(xué)期 1-2 周
修改翻譯、文獻(xiàn)綜述和開題報告，上傳系統(tǒng)。
3-4 周
確定設(shè)計方案，工藝計算；實習(xí)
5-6 周
結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計計算
7 周
撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書
8-10 周
計算機繪制圖紙（總裝配圖、部件圖、零件 圖）
11-12 周
繪制三維零部件圖
13 周
修改圖紙和畢業(yè)設(shè)計說明書、整理畢業(yè)設(shè)計
14-16 周
準(zhǔn)備畢業(yè)答辯
2 設(shè)計目標(biāo)：
完成精餾操作系統(tǒng)中的塔頂冷凝器的機構(gòu)設(shè)計
3 應(yīng)用價值：
換熱器是化工、石油、能源等各工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計, 在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30% , 在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40% 左右, 海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的。對國外換熱器市場的調(diào)查表明[29], 雖然各種板式換熱器的競爭力在上升,但管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位約64% 。新型換熱元件與高效換熱器開發(fā)研究的結(jié)果表明, 列管式換熱器已進(jìn)入一個新的研究時期, 無論是換熱器傳熱管件, 還是殼程的折流結(jié)構(gòu)都比傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果從理論研究到結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面也均有了新的進(jìn)步[30]。目前各國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究, 主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強化傳熱的發(fā)展。
三、 參考文獻(xiàn)
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五、指導(dǎo)教師審閱意見
簽名
年 月 日
I 處理量 4500kg/h 二硫化碳精餾系統(tǒng)——冷凝器設(shè)計 摘要 某企業(yè)要進(jìn)行工藝改造，需要增加精餾操作單元設(shè)備。本次設(shè)計主要是為了完成其中精餾操 作系統(tǒng)的塔頂冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達(dá)到應(yīng)用的要求。是它達(dá)到二硫化碳蒸汽與循環(huán)水之間 的熱量交換從而使二硫化碳蒸汽有效地實現(xiàn)冷凝效果。在設(shè)計冷凝器之前考慮冷凝器的造價 和它的工藝，在本次設(shè)計之中我選擇的換熱器形式是臥式冷凝器，將其設(shè)計為管殼式換熱器， 管殼式換熱器是由接管、封頭、管箱筒體、分程隔板、長頸對焊法蘭、墊片、固定管板并且 管板外延兼做法蘭、筒體、換熱管、拉桿、定距管、折流板等組成并且本次設(shè)計采用四管程 所以折流板左右布置，與上下布置有所不同。其中，固定管板式換熱器的優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊、不 宜結(jié)垢、安裝方便。則其缺點為殼程檢查困難當(dāng)殼程和換熱管之間沒有溫度差補償與器件的 時候就會產(chǎn)生很大的溫度差應(yīng)力，也就是說溫度差較多的時候要設(shè)置膨脹節(jié)或者波紋管等這 些元件來減小溫差應(yīng)力所帶來的影響。本次設(shè)計的內(nèi)容是關(guān)于熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校 核，首先是根據(jù)已經(jīng)定下來的熱交換熱器的型式對換熱器內(nèi)的各個元器件進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)然也 包括選擇材料、各個部件的定位、具體的尺寸、筒體的厚度、法蘭選型、管板厚度的確定以 及通過計算是否需要時間膨脹節(jié)和開孔補強等。 關(guān)鍵詞：固定管板式換熱器、冷凝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核 II Capacity 4500kg/h carbon disulfide distillation system - condenser design Abstract In order to carry out technological transformation, an enterprise needs to increase the distillation operation unit equipment. This design is mainly to complete the structural design of the top condenser of the rectification operating system to meet the application requirements. It is that it reaches the heat exchange between the carbon disulfide vapor and the circulating water so that the carbon disulfide vapor effectively achieves the condensation effect. Before designing the condenser, consider the cost of the condenser and its process. In this design, the type of heat exchanger I chose was a horizontal condenser, which was designed as a shell-and-tube heat exchanger and shell-and- tube heat exchanger. The device is to take over, seal head, tube box cylinder, split spacer, long neck butt welding flange, gasket, fixed tube plate and tube plate epitaxy and practice blue, cylinder body, heat exchange tube, tie rod, distance Tubes, baffles, etc. and this design uses a four-tube process, so the baffle is arranged left and right, different from the upper and lower arrangements. Among them, the advantages of the fixed tube plate heat exchanger are compact, not suitable for scaling, and easy to install. The disadvantage is that it is difficult to check the shell side when there is no temperature difference between the shell and the heat exchange tube and the device will produce a large temperature difference stress, that is to say when the temperature difference is more to set the expansion joint or ripple Tubes and other components to reduce the impact of temperature differential stress. The content of this design is about structural design and strength check of the heat exchanger. Firstly, the various components in the heat exchanger are designed according to the type of the heat exchange heat exchanger that has been determined. Of course, the selection materials and the various materials are also included. The positioning of the components, the specific dimensions, the thickness of the cylinder, the selection of the flanges, the determination of the thickness of the tube sheet, and the calculation of whether or not expansion joints and openings are required to be reinforced. Keywords: fixed tube plate heat exchanger； condensation；structural design ；strength check III 目錄 摘要 ................................................................................................................................I 術(shù) 語 表 ......................................................................................................................VI 1.1 熱交換器的工藝計算 ..............................................................................................1 1.2 確定設(shè)計條件和設(shè)計方案 .....................................................................................1 1.3 確定物性數(shù)據(jù) ..........................................................................................................2 1.4 計算換熱量及循環(huán)水用量 ......................................................................................2 1.4.1 計算熱負(fù)荷 Q.......................................................................................................2 1.4.2 計算有效平均溫差 ...............................................................................................2 1.4.3 計算循環(huán)水用量 ...........................................................................................3miq 1.5 計算換熱面積 .........................................................................................................3 1.6 計算工藝結(jié)構(gòu)尺寸 .................................................................................................3 1.6.1 初步選擇合適的換熱管 ......................................................................................3 1.6.2 換熱管的排列和管心距 ......................................................................................3 1.6.3 畫出實際布管圓的出實際的布管 .......................................................................4 1.7 核算總傳熱系數(shù) ......................................................................................................5 1.7.1 計算管程對流傳熱系數(shù) ..................................................................................5i? 1.7.2 計算殼程對流傳熱系數(shù) .......................................................................................5 1.7.3 計算總傳熱系數(shù) ...................................................................................................5 1.8 折流板和接管的計算 .............................................................................................6 1.8.1 折流板的計算 ......................................................................................................6 1.8.2 管程和殼程接管的計算 ......................................................................................6 1.9 計算壓強降 .............................................................................................................6 1.9.1 計算管程壓強降 ..................................................................................................6 1.9.2 計算殼程壓強降 ...................................................................................................7 1.10 換熱器內(nèi)流體流動阻力的計算 ............................................................................7 1.10.1 計 算 換 熱 管 內(nèi) 流 動阻力 ...............................................................7 1.10.2 計算殼程流動阻力 .............................................................................................8 1.11 熱交換器工藝計算數(shù)值 .......................................................................................8 2 熱交換器的結(jié)構(gòu)計算 .................................................................................................9 2.1 接管的選擇 ..............................................................................................................9 2.1.1 殼 程的接 管壁厚的計算 .................................................................................9 2.1.2 管程接管計算 .....................................................................................................10 2.2 防沖擋板的設(shè)計 ....................................................................................................10 2.2.1 防沖擋板的設(shè)置條件 .........................................................................................10 2.2.2 防沖板的型式 .....................................................................................................11 2.3 設(shè)計參數(shù)的選定 ...................................................................................................11 2.4 筒體 .......................................................................................................................12 2.5 管箱計算 ................................................................................................................13 IV 2.5.1 管箱材料的選取 .................................................................................................13 2.5.2 管箱結(jié)構(gòu)尺寸和形式 .........................................................................................13 2.5.3 管箱法蘭 ............................................................................................................14 2.6 管板的結(jié)構(gòu)尺寸 ....................................................................................................15 2.7 換熱管的選取 .......................................................................................................15 2.8 換熱管排列方式及管心距 ...................................................................................16 2.8.1 換熱管的排列 .....................................................................................................16 2.8.2 換熱管與管板連接的選擇 .................................................................................17 2.8.3 換熱管管孔開槽尺寸 .........................................................................................18 2.9 拉桿和定距管的選用 ............................................................................................18 2.9.1 拉桿選型和結(jié)構(gòu) .................................................................................................18 2.9.2 拉桿的尺寸和數(shù)量 .............................................................................................18 2.9.3 拉桿孔尺寸 .........................................................................................................19 2.10 管板重量計算 ......................................................................................................20 2.11 分程隔板設(shè)計 ......................................................................................................20 2.11.1 確定分程隔板槽 ...............................................................................................20 2.11.2 分程隔板材料及結(jié)構(gòu)尺寸的確定 ...................................................................20 2.11.3 分程隔板的墊片的設(shè)計 ...................................................................................21 2.12 接管設(shè)計 .............................................................................................................22 2.12.1 接管尺寸設(shè)計及選材 .......................................................................................22 2.12.2 接管最小位置的確定 .......................................................................................22 2.13 接管法蘭的確定 ..................................................................................................24 2.13.1 接管和法蘭的焊接接頭及坡口尺寸 ...............................................................25 2.14 折流板的設(shè)計 .....................................................................................................26 2.14.1 折流板的結(jié)構(gòu) ..................................................................................................26 2.14.2 折流板的布置 ...................................................................................................26 2.15 折流板的質(zhì)量的計算 ..........................................................................................27 2.16 膨脹節(jié)的設(shè)計 .....................................................................................................28 2.17 支座的設(shè)計 .........................................................................................................30 2.17.1 支座的選型 ......................................................................................................30 2.17.2 支座的位置 ......................................................................................................31 2.18 總體質(zhì)量的計算 ..................................................................................................32 3 熱交換器的校核計算 ..............................................................................................33 3.1 對筒體進(jìn)行水壓試驗 ............................................................................................33 3.2 厚度校核 ................................................................................................................34 3.2.1 筒體厚度校核 .....................................................................................................34 3.2.2 封頭厚度校核 .....................................................................................................34 3.2.3 分程隔板的校核 .................................................................................................34 3.2.4 接管厚度校核 .....................................................................................................34 3.3 開孔補強 ................................................................................................................35 V 3.3.1 殼體上開孔補強計算 .........................................................................................35 3.3.2 管箱上開孔補強計算 .........................................................................................36 3.4 管板強度計算 ........................................................................................................37 3.5 支座的校核 ............................................................................................................43 總結(jié) ..............................................................................................................................49 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................50 致謝 ..............................................................................................................................51 VI 術(shù) 語 表 1t管程介質(zhì)定性溫度 ℃ T殼程介質(zhì)定性溫度 ℃ i?管程介質(zhì)密度 3kg/mO?殼程介質(zhì)密度 3kg/mpc 管程介質(zhì)定壓比熱容 J()?℃ poc殼程介質(zhì)定壓比熱容 J()?℃ i?管程介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù) 2W/℃ ?殼程介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù) 2W/℃? 管程介質(zhì)粘度 Pas??殼程介質(zhì)粘度 Pas?K估 總傳熱系數(shù)估計值 Q換熱量 kmt?逆 對數(shù)平均溫差 ℃ oq殼程介質(zhì)粘度 3/hA 換熱面積 3 u管程介質(zhì)流速值 ms sn單程換熱管數(shù) L換熱管長度 pN管程數(shù) pN管程數(shù) a管心距 cn橫過中心線管數(shù) id換熱管內(nèi)徑 iD殼體內(nèi)徑 ?管板利用率 .0d換熱管外徑 h折流板圓缺高度 mB 折流板間距 m BN折流板數(shù) '布管圓限定圓直徑 o?殼程傳熱系數(shù) e當(dāng)量直徑 'A估算換熱面積 2 ou殼程介質(zhì)實際流速 /s Re殼程雷諾數(shù) Pr殼程介質(zhì)普朗特數(shù) cp接管壓力 MPa i管程介質(zhì)實際流速 / i管程雷諾數(shù) 管程介質(zhì)普朗特數(shù) ?管程傳熱系數(shù) 2W/(m)?℃ siR管程污垢熱阻so 殼程污垢熱阻 K實際總傳熱系數(shù)值 2W/(m)?℃ A實際傳熱面積 'H面積裕度 ip??管程流動阻力 Pa sF結(jié)構(gòu)矯正系數(shù) sN殼程數(shù) ?傳熱管壁相對粗糙度o 殼程流動阻力 1p?流體流經(jīng)管束的阻力 Pap 流體流經(jīng)折流板的阻力 Pa of殼程流通摩擦系數(shù) s殼程設(shè)計壓力 Mt管程設(shè)計壓力 M tF管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù) ?計算厚度 m i管程設(shè)計溫度 ℃ o殼程設(shè)計溫度 ℃ []st?殼程設(shè)計溫度下許用應(yīng)力 Pa []t?管程設(shè)計溫度下許用應(yīng)力 Pa 1C鋼板負(fù)偏差 m 2C腐蝕余量 ?殼程焊接接頭系數(shù) t?管程焊接接頭系數(shù) e?有效厚度 mm d?設(shè)計厚度 第 1 頁 共 51 頁 1.引言 石油化工在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)著主導(dǎo)優(yōu)勢，換熱器在化工行業(yè)使用最為廣泛 ，其中換熱 器的傳熱對換熱器的使用效率是至關(guān)重要的。換熱器實際上是一種有溫度差異的兩種或者是 更多的流體種介質(zhì)之間彼此進(jìn)行換熱的裝置。熱交換器的功能是使熱量從溫度高的介質(zhì)傳向 溫度較低的介質(zhì)從而實現(xiàn)整個操作流程所要求的溫度。 有的機構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查表明在熱交換器的資本投入上其實是非常小的才大約百分之十到百 分之二十之間另外在化工煉油之中，它的投資達(dá)到 35%-40%所以相對于其他設(shè)備其占的比例 是較高的，其實不僅僅是在煉油行業(yè)其才他行業(yè)也使用較多例如食品加工企業(yè)、輕工制造業(yè)、 原子能、制藥工程、甚至是航天部門也有使用熱交換其因此我們值得去研究它。然而，換熱 器的種類極其的多不同的換熱器又有不同的性能有不同的結(jié)構(gòu)特征。 相較于國外的發(fā)展形勢，我國在換熱器的制造技術(shù)方面相對不發(fā)達(dá)。在二十世紀(jì)的時候 換熱器的設(shè)計及其制造其實技術(shù)積累經(jīng)驗積累上都是很不發(fā)達(dá)的，因此換熱器的制造和設(shè)計 上還沒有現(xiàn)在的發(fā)達(dá)所以制造就想對來說是比較簡單，經(jīng)過較長時間的發(fā)展換熱器的應(yīng)用越 來越廣泛了人們開始更加的重視換熱器的應(yīng)用所以換熱器得到極大的發(fā)展再然后從各種各樣 的換熱器中出現(xiàn)了一些性能和價格都比較優(yōu)越的換熱器。其中固定管板式換熱器就是其中之 一，它的應(yīng)用是非常廣泛的，還有他的應(yīng)用是很廣泛的在很多行業(yè)都又在使用。 隨著時代的進(jìn)步在工業(yè)、制藥業(yè)、化工等行業(yè)的升級，各個領(lǐng)域?qū)Q熱器高 性能的追求。 這就需要不斷的對各種換熱器進(jìn)行研究對各種換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)置、優(yōu)化進(jìn)行研究。就目前而 言我們在新型 換熱 器的開發(fā)方面與國外還有一些不足還需要繼續(xù)發(fā)展繼續(xù)投入研發(fā)，因此我 們可以學(xué)習(xí)國外的熱交換器的創(chuàng)新制造中的方法 和總結(jié)，發(fā)展合適我們的國家的生產(chǎn)需要的 那鐘熱交換器，以滿足我們的國家在各個需要熱交換器的領(lǐng)域，用以提升本國工業(yè)，故對換 熱器的研究尤為需要。 1.1 熱交換器的工藝計算 通過設(shè)計說明書所提供的條件選擇換熱器的設(shè)計類型，換熱系數(shù)進(jìn)行壓降計算，計算理 論布管圓布管數(shù)目，布管方式的選擇等工藝計算。通過工藝計算來設(shè)計滿足使用要求。 1.2 確定設(shè)計條件和設(shè)計方案 （1）選擇熱交換器的類型 冷熱流體的變化情況如下：熱流體是二硫化碳蒸汽，為氣態(tài)，進(jìn)出口溫度 T= ，46.38℃ 冷卻水，進(jìn)口溫度是 ，出口溫度是 35℃，該冷凝器利用循環(huán)冷卻水冷卻二硫化碳蒸汽。30℃ 因為二硫化碳毒性甚微，而且氣態(tài)流體壓力非常的小余 1MPa，流速較大。因此使用固定管 板式換熱器。 （2）流動空間的確定 該設(shè)計是利用循環(huán)冷卻水冷卻二硫化碳蒸汽，其為處理量為 4500kg/h 二硫化碳精餾系 統(tǒng)中的冷凝器，并且，管程冷卻循環(huán)水的進(jìn)口溫度是 30℃，出口溫度 35℃，壓力為 ，0.8MPa 殼程進(jìn)出口溫度為 46.38℃，流量為 ，殼程走二硫化碳蒸汽。24kg/hmq? 表 1-1 冷凝器流體和設(shè)計條件 第 2 頁 共 51 頁 管程條件 殼程條件 流體名稱 物料蒸氣 循環(huán)冷卻水 流量/（ ）kg/h2412 根據(jù)換熱量計算 進(jìn)口工作溫度/出口工作溫度( )℃ 30/35 46.38 工作壓力/ ( )MPa0.8 0.11 1.3 確定物性數(shù)據(jù) 由殼體二硫化碳的進(jìn)出口溫度 46.38℃和工作壓力 0.11MPa 以及水的進(jìn)出口溫度和工壓力查 物性參數(shù)如下表： 表 1-2 設(shè)計參數(shù)的物性數(shù)據(jù) 介 質(zhì) 密度 （ ）3kg/m 比熱容 ( ）KJ/kg?（ ℃ ） 黏度 （ ）Pas? 導(dǎo)熱系數(shù) （ ）W/m?（ ℃ ） 水 991.6 4.08 0.771×10-3 0.61 二硫化碳蒸氣 3.05 0.613 0.011×10-3 0.0085 根據(jù)以上物質(zhì)物料，初步選熱交換器為固定管板式熱交換器。 1.4 計算換熱量及循環(huán)水用量 1.4.1 計算熱負(fù)荷 Q （1.3）10.6735.129KWmqr??? Q—熱負(fù)荷，KW —二硫化碳蒸汽流量，kg/s1mq 1.4.2 計算有效平均溫差 逆流溫差計算如下 ℃ （1.4）12, 1tt46.38046.385===1.7lnlnmTt???逆 （ ） （ ） （ ） （ ）（ ） （ ） （ ）（ ） 1.4.3 計算循環(huán)水用量 miq （1.5） mipiip239q==1.7kg/st4.085t5./(.)QCKJ???? 第 3 頁 共 51 頁 即水的用量為 42120kg/h 1.5 計算換熱面積 初步估計換熱系數(shù) ，估計換熱面積 為260W/(m)KC???估 A、 （1.6） 3' 291.7mQAt???估 實際中需要去增加換熱面積 H’為 15%的裕度，所以實際的換熱面積使用以下的公式計 算 ' 21.5.9=3.4Am?? （1.7） 1.6 計算工藝結(jié)構(gòu)尺寸 1.6.1 初步選擇合適的換熱管 選用 換熱管，材料為 20 號鋼，管內(nèi)循環(huán)水的流速可根據(jù)， 《化工原理課程設(shè)計》.25?? 表 2-2 換熱器常用的流速范圍選擇 1m/siu? 確定換熱管總數(shù)為 22410/(36)38.78591.siVndu???? （1.8） 單 管 程計算的換 熱 管長度為 （1.9）03.412.1058sALmdn???? 多管程管程 l 取 3m 則 （1.10）2=43pNl? 1.6.2 換熱管的排列和管心距 換熱管中心距離不宜小于 1.25 倍的換熱管外徑 [1] 管心距 ，取 1.25.2531.moad???32 殼體內(nèi)徑管板利用率 查化工原理課程設(shè)計 59 頁 068=0.7???此 處 取 殼體內(nèi)徑為 ./.5/4m9DaN?? 則換熱管的數(shù)目 '34=152?? 橫過管束中心線的管數(shù) cn.9.1? 第 4 頁 共 51 頁 1.6.3 畫出實際布管圓的出實際的布管 圖 1-1 實際布管圖 由布管圖可得實際布管數(shù)為 136 則之后的計算均已實際的不管數(shù)作計算；殼體內(nèi)徑向上 圓整取 又殼體內(nèi)徑距離布管圓的距離要大于或等于 0.25 倍 換熱管的外徑且其距 離不 50m 宜小于 8mm， 所以在此取其值為 20mm 則有此可知布管 圓直徑3b.25d=0.6.25m?? 為 D’=500-40=460mm 則 表 1-3 熱交換器的初選參數(shù)值 殼體內(nèi)徑 mm 換熱面積 2m 管程數(shù) 換熱管數(shù) 換熱管的 長度 mm 換熱管的 尺寸 mm 布管圓直 徑 mm 500 33.4 4 136 3000 25.??460 換熱器的實際換熱面積 （1.11）o2=ndl0.136.0253.3mA????（ ） （ ） 32oom2910==6W/m.tQCA?? 則K（ ） （1.12） 1.7 核算總傳熱系數(shù) 1.7.1 計算管程對流傳熱系數(shù) i? （1.13）30.219.Re28051(7iidu???????湍 流 ） 第 5 頁 共 51 頁 （1.14） 3ip4.081.7Pr 4.956iC????? （1.15）3miviq.=2/s9? （1.16） 2 2iidn.140=.01mPAN?π （1.17）viiq.u=.9/s （1.18） 0.8.4 0.80.42.61.3RePr23(52)(79475W/(m)ii idC??????? 1.7.2 計算殼程對流傳熱系數(shù) 因為該冷凝器為水平管束外冷凝則使用如下公式進(jìn)行計算 1/4 1/423 323o/ 2/5o2rg356.710.469.85=0.75=0.ndt19W(m.)C???????? ?????? ??? ??? （1.19） 查 GB151-2014 附錄 E 的到二硫化碳和循環(huán)水的污垢熱阻如下 42o 42oi1.760./w =1.70m./wSO SRRC? ????（ 循 環(huán) 水 ）（ 二 硫 化 碳 ） 1.7.3 計算總傳熱系數(shù) ooososiowi4 44 4 44odd1b=0.25251.7611.7095 70.0.6.6=137.5K???? ??????????則 K （1.20） 2o2oo=740W/(m.)61/(.)KCC? （1.21%?? 第 6 頁 共 51 頁 ） 740612%0.9??? 本次換熱 器的安 全系 數(shù)為 2 0.9 %在 1 5%～25%內(nèi)說明滿足傳熱面積 裕 度 符合要 求。 1.8 折流板和接管的計算 1.8.1 折流板的計算 采 用弓 形折 流 板 [2]，根據(jù)相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn)，可以取弓 形 折 流 板的圓 缺高度為殼 體內(nèi) 徑的 2 5%，則 相應(yīng)的切去的圓 缺 高度為 （1.22）0.251mh?? 取折流板之間的距離 。則0.3=.501mBD?? （塊） （1.23）39BlN? 根據(jù)實際情況得折流板的數(shù)量是 17 塊同時可以取折流板的厚度為 4m 1.8.2 管程和殼程接管的計算 該冷凝器的管程和殼換程介質(zhì)不同，則管程和殼程中介質(zhì)的流速也不同?？梢愿鶕?jù)《化 工原理課程設(shè)計》54 頁表 2-2 換 熱 器 常用的流 速范圍取管程接 管內(nèi)流 體流 速和殼程接 管流 體流速 [3]，進(jìn)行接管的計算。 取殼程入口接管內(nèi)流體流速為 ，則管程接管內(nèi)徑為15m/s （1.24）043/603.4150.iiVDu????（ ） 取標(biāo)準(zhǔn)管程接管尺寸為為 mm159? 取管程接管內(nèi)流體流速為 ，則殼程接管內(nèi)徑為/s （1.25）00420(3691.)20m.4oVu????? 取標(biāo)準(zhǔn)殼程接管尺寸為 mm1? 1.9 計算壓強降 1.9.1 計算管程壓強降 （1.26）12()i sptPNF???? 其中 ——管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，無量綱，tF ——是管程數(shù),pN ——殼程數(shù)，s =1， =4， =1.4ptF 第 7 頁 共 51 頁 取碳鋼的管壁粗糙度 則相對粗糙度 0.1m??/0.1/2.5d?? （1.27） 2368680.1.057Re2di???????????????? （1.28） 21 91.30.74.9Pa.iulP???? （1.29） 2223.5.76.i?? ??12()428.9176.523491MPa0.8i sptPNF????????? （1.30） 1.9.2 計算殼程壓強降 殼 程為恒 溫 恒壓 蒸 汽冷 凝，可忽 略 壓 降。由此可之所選的換 熱 器是合 適的。 1.10 換熱器內(nèi)流體流動阻力的計算 1.10.1 計 算 換 熱 管 內(nèi) 流 動阻力 （1.31）12()i sptPNF???? ——管程結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，無量綱，tF ——是管程數(shù),pN ——殼程數(shù)，s =1， =4， =1.4ptF （1.32） 21iluPd???? （1.33） 22? 由于 換 熱管的相 對粗 糙 度 查莫 狄圖的 流Re805?/0.1/2.5d??0.18i?? 速 則1.9/iums1.6kg/s? （1.34） 2 21 391.60.8590Pa.2iluPd????? （1.35） 2291654a??? （1.36）??12()903.62894.Pai sptPNF???????? 由于操作壓力是 0.8MPa（查化工原理課程設(shè)計表 2-11）其合理壓降為 第 8 頁 共 51 頁 60.3510Pa?? 即 i??? 管程流動阻力在允許范圍內(nèi) 1.10.2 計算殼程流動阻力 （1.37）'12(')ostPNF?? 取 [查化工原理課程設(shè)計]sN.5t 流體流經(jīng)管束的阻力 （1.38）?? 2'11oocBuPFfn???? 其中 0.28c=Re(5)n14Bo ocfn????管 子 排 列 方 式 對 壓 力 降 校 正 系 數(shù) ， 取 F.N折 流 板 的 數(shù) 目為 殼 程 流 體 摩 擦 系 數(shù) ,f橫 過 管 束 中 心 線 的 管 數(shù) 隔 板 兩 側(cè) 正 方 形 排 布 ， （1.39）???? 2 2'1 3.01=.56149=5PaoocBuPFf?????? （1.40） 2 2'2 25.3.593. 76.4oBND????????????????? 則總的阻力如下 （1.41）??'12(')5076.41.350PaostPF?????? 所以殼程流體阻力合適 1.11 熱交換器工藝計算數(shù)值 根據(jù)以上工藝計算數(shù)值，列出工藝計算數(shù)據(jù)及接管表 1-4 表 1-4 熱交換器工藝計算數(shù)據(jù) 名稱 換熱面積 （ ） 2m 物料名稱 操作壓力， MPa操作溫度，℃ 流量， kg/h流體密度， 3/m流速， /s 熱交換器 型式 固定管板 式熱交換 器 管程 33.4 冷卻循環(huán) 水 0.8 30/35 42120 991.6 1 第 9 頁 共 51 頁 殼程 二硫化碳 蒸汽 0.11 46.38 2412 3.05 15 表 1-5 熱交換器工藝計算數(shù)據(jù) 名稱 對流傳熱系數(shù)， 2W/ mK?污垢系數(shù)， 2/?阻力降， MPa程數(shù) 推薦使用材料 管程 4750 41.70??0.02 4 20 鋼 殼程 1915 61 Q345R 其中 管子規(guī)格?25×2.5mm；長為 3000mm；管子數(shù) 136；管間距 32mm ；排列方式：正三角形 排布折流板型式：弓形；間距 150mm；殼體內(nèi)徑 500mm 2 熱交換器的結(jié)構(gòu)計算 2.1 接管的選擇 通過 1.24 和 1.25 計算可得殼程進(jìn)口接管選取標(biāo)準(zhǔn) mm 因此熱交換器的管程接管選1594?? 取標(biāo)準(zhǔn)?133× 4mm 接管的長度 從而確接管長度 [4] （查換熱器設(shè)計手冊表 1-6-6） 。150lm? 2.1.1 殼 程的接 管壁厚的計算 材料是 20 鋼則 （查 GB151.2-2011 表 6） ，腐蝕裕度 ??47MPat? 21.5Cm?10. 鋼材的附加厚度 取接管流速為 15m/s120.52C? （2.1）?? ' 66190.1.2citpDm???????? 其中 —接管壓力，cpMPa —接管直徑， 'iDm —鋼材的許用應(yīng)力， ??t? —焊接系數(shù)，全部無損檢測取 ?1?? 已知計算厚度 則0.1?? 設(shè)計厚度 2.mdC? 1.54n ???故 可度 取名 義 厚 第 10 頁 共 51 頁 有效厚度 42menC???? 所以殼程接管取 mm 合適長為 159??150 2.1.2 管程接管計算 接管材料是 20 鋼則 （查 GB151.2-
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