【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計題 目：基于HTRI的冷凝器優(yōu)化設(shè)計學(xué)生姓名：王 健學(xué) 號：09031621專業(yè)班級：化學(xué)工程與工藝096班指導(dǎo)教師：郭曉艷2013年 6月15日中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計基于HTRI的冷凝器的優(yōu)化設(shè)計摘要本文通過一些典型例題：飽和蒸汽冷凝、含不凝氣的蒸汽冷凝、油品冷凝冷卻。通過對這些例題的詳細(xì)計算，在論文中詳細(xì)敘述了在設(shè)計過程中需要考慮的因素，例如選型、工藝流體溫度、管長、管徑、折流板間距、折流板等。給出了這些因素的調(diào)節(jié)范圍，幫助學(xué)習(xí)者有一個直觀的認(rèn)識。同時，在判斷結(jié)果合理性方面，本論文給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍。例如設(shè)計余量、流速、流型分布、熱阻分配等。使得學(xué)習(xí)者能夠判斷自己設(shè)計的換熱器是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。并且，本文首次對HTRI設(shè)計過程中軟件本身給出的提示warning message進(jìn)行了總結(jié)以及給出了相關(guān)的解決方法，使得初學(xué)者在調(diào)節(jié)過程中能快速理解為何進(jìn)行這樣的調(diào)節(jié)。為了充分使用aspen plus完善的物性包，本論文還加入了使用aspen plus進(jìn)行油品物性數(shù)據(jù)的模擬以及相關(guān)的導(dǎo)入方法。使得設(shè)計計算能夠更準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：HTRI；換熱器；冷凝器；優(yōu)化設(shè)計Optimal design of heat exchanger based on HTRIAbstractThis paper gives some typical examples: Saturated steam condensate, condensation of steam which containing noncondensable gas, oil condensate. Through detailed calculations of these examples, we described the factors affected in the process design such as equipment selection, the temperature of process fluid, tube length, diameter, baffle spacing, baffle plates and so give the range of the adjustment factors in the factor.Meanwhile, in the reasonable adjudgment of the results, the paper gives the corresponding data range. Such as overdesign,velocity, flow distribution, thermal distribution. This information is very important for learners.Also,This is the first time to summarize the warning message and the key which was give by can help learners understading their method of adjustment.In order to make full use of the aspen plus’sperfect property package, this graduation thesis also give the way of using aspen plus to simulate oil properties and related data import method. Makes the design calculations to be more accurate.Keywords：HTRI。 Heat Exchanger。 Optimal design目 錄第1章 前言 1 課題研究背景及意義 1 換熱器簡介 2 換熱器分類 2 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和使用特點 3第2章 冷凝器設(shè)計 8 冷凝器選型 8 飽和蒸汽冷凝 8 含不凝氣的冷凝冷卻過程 8 安裝注意事項 9 冷凝器設(shè)計依據(jù) 9 管殼式冷凝器類型的選擇 9 換熱器合理壓降的選擇 10 工藝條件經(jīng)驗溫度的選擇 10 管長 10 管徑與管壁 11 折流板圓缺高度 11 折流板間距 11 密封條 11 HTRI設(shè)計判據(jù) 12 管殼側(cè)流速(velocity) 12 設(shè)計余量(overdesign) 12 熱阻(thermal resistance) 12 流型 (flow fraction) 13 Window and crossflow 13 常見warning message及解決方法 13 HTRI設(shè)計實例（） 15 飽和蒸汽的冷凝 15 含有不凝氣的氣體冷凝 29 油氣冷凝冷卻 39第3章 結(jié)論 59 飽和蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù) 59 飽和蒸汽冷凝器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 59 飽和蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù) 59 含不凝氣的蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù) 60 含不凝氣的蒸汽冷凝器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 60 含不凝氣的蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù) 60 油氣冷凝冷卻冷凝器數(shù)據(jù) 61 油氣冷凝冷卻冷凝器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 61 油氣冷凝冷卻冷凝器工藝數(shù)據(jù) 61致 謝 62參考文獻(xiàn) 63第1章 前言第1章 前言 課題研究背景及意義 我國的能源現(xiàn)狀存在著兩個突出的問題。第一，能源結(jié)構(gòu)不合理。相比國外而言，我國能源效率利用率低，單位產(chǎn)品能耗高于世界同級水平。第二，由于我國人口眾多，雖然國內(nèi)能源儲量較大，但人均水平處于世界人均水平較低地位。因此,設(shè)計出一種能夠大幅節(jié)能的設(shè)備具有重大的戰(zhàn)略意義[14]。換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，其性能對能量利用效率、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟型起著重要的作用，有時甚至起決定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工廠中，換熱器數(shù)量占工廠總設(shè)備數(shù)目的40%左右，設(shè)備投資占全部投資的30%~40%左右，海水淡化工藝裝置基本全有換熱器組成[5]。近年來，利用換熱器對高低溫?zé)崮芑厥諑砹司薮蟮慕?jīng)濟效益。管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作彈性大、技術(shù)成熟、適用面廣、使用材料范圍廣等優(yōu)點，是最為常用的熱交換設(shè)備之一。近年來，一些新型強化換熱器的出現(xiàn)促進(jìn)了管殼式換熱器的發(fā)展。隨著換熱器設(shè)計方法和傳熱技術(shù)的發(fā)展，管殼式換熱器有了較大的改進(jìn)和發(fā)展。在換熱器結(jié)構(gòu)上，折流擋板由單弓形發(fā)展到雙弓形、圓環(huán)形、螺旋形等來強化殼側(cè)流體的流動以增強傳熱。管程數(shù)有單程變化為雙程、四程甚至六程等，從而增加了管程流速，減少結(jié)垢。[6]在設(shè)計方法上，國際上有1962年成立的美國換熱研究公司HTRI和1968年英國成立的傳熱與流體流動服務(wù)公司（HTFS，現(xiàn)為ASPEN EDR）,其軟件能較為快捷準(zhǔn)確的模擬出換熱器的換熱效果。國內(nèi)的中國寰球工程公司和洛陽石油化工總公司等制定了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動了我國換熱技術(shù)的發(fā)展，對換熱器的研究和設(shè)計作出了巨大的貢獻(xiàn)[7]。對設(shè)計的換熱器通常有一些基本的要求：首先需要滿足石油、化工等生產(chǎn)工藝的換熱要求，保證所設(shè)計的設(shè)備能在指定的情況下完成換熱任務(wù)，正常工作；其次還需要保證換熱器能夠長時間的運行而不發(fā)生故障；再次，設(shè)計的換熱器應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備占用體積小、便于維修等特點。最后，換熱器的熱量泄露少，阻力小，比較經(jīng)濟等。HTRI軟件作為國際上最為常用的換熱器計算軟件之一，在國內(nèi)也有很大的應(yīng)用市場。然而，在HTRI相關(guān)教程上十分稀少。為了幫助學(xué)習(xí)者能夠更快的了解相關(guān)計算，特編寫此論文。 換熱器簡介 換熱器分類換熱器作為傳熱設(shè)備隨處可見，在工業(yè)中得到大量的使用，特別在耗能用量十分大的石油、化工等領(lǐng)域。隨著人類文明的進(jìn)步，節(jié)能技術(shù)發(fā)展，所涉及的換熱器越來越多。對處在不同介質(zhì)、工況、溫度、壓力下的換熱器，結(jié)構(gòu)和形式有著很大的不同。其具體分類如下[813]：1. 按傳熱原理分類直接接觸式換熱器兩種介質(zhì)接觸，直接傳遞能量，實現(xiàn)傳熱。傳熱量直接受接觸面積影響。常用為氣體與液體的傳熱。此類換熱器主要以塔設(shè)備為主體，很難區(qū)分與塔器的關(guān)系，常歸為塔式設(shè)備。a) 蓄能式換熱器用量極少。熱介質(zhì)先加熱熱容較大的物質(zhì)，待所加熱物質(zhì)到達(dá)一定的溫度后，冷介質(zhì)以熱固體為換熱媒介得以升溫，從而達(dá)到換熱的目的。b) 管板式換熱器此類換熱器占總量的99%以上。熱物流通過某種導(dǎo)熱系數(shù)較大的介質(zhì)將能量傳遞到冷物流的換熱器。此類換熱器通常成為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。2. 按傳熱種類分類a) 無相變傳熱分為加熱器和冷卻器。b) 有相變傳熱一般分為再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、廢熱鍋爐等。3. 管殼式換熱器分類a) 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端管板通過焊接的形式固定在殼體上。換熱管則采用脹接、焊接等方法與管板聯(lián)結(jié)。對于此類換熱器，殼側(cè)一般不清掃。故一般對含有污垢或者腐蝕性介質(zhì)安排走管程側(cè)。此類換熱器是最為常用的類型，最為經(jīng)濟。因此在設(shè)計換熱器時首選固定管板式換熱器。b) 浮頭式換熱器當(dāng)殼程側(cè)與管程側(cè)有較大的溫差或較高的壓力時，常采用此類換熱器。同時，由于管束可以抽出殼體之外，便于機械清掃。因此，浮頭式換熱器也適用于管、殼程介質(zhì)污垢系數(shù)較大，即管殼程都需要進(jìn)行機械清理的場合。c) U型管式換熱器管束膨脹可以通過U型管的彎曲部分變形來吸收，不受殼體的約束。還可以進(jìn)行機械清洗，結(jié)構(gòu)比較簡單。因而造價比浮頭式換熱器低。但是管程清洗較為困難，一般工藝設(shè)計讓清潔流體走管程。d) 填料函式換熱器e) 釜式再沸器 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)和使用特點換熱器作為節(jié)能設(shè)備之一，在國民經(jīng)濟中有著十分重要的作用。換熱器的結(jié)構(gòu)決定了換熱器的性能。設(shè)計者合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠發(fā)揮換熱器的某種性能。不同的換熱環(huán)境有著不同的換熱結(jié)構(gòu)。設(shè)計者想要設(shè)計一個高效、節(jié)能的換熱器就必須了解換熱器的結(jié)構(gòu)特點。管殼式換熱器雖然種類繁多，但通?？梢詫⑵洳鸱譃榍胺忸^、殼體、后封頭。不同結(jié)構(gòu)的部件用不同的英文字母表示。故換熱器可以用三個字母來表示。例如BES等等。相對GB1511999，TEMA標(biāo)準(zhǔn)相比而言，少了I、Q、O殼體。TEMA分類及代號如圖11所示：圖11 主要部件及代號1. 浮頭式換熱器表11 換熱器的主要部件（與圖12到圖15對應(yīng)）序號名稱序號名稱序號名稱1平蓋21吊耳41封頭管箱（部件）2平蓋管箱（部件）22放氣口42分程隔板3接管法蘭23凸型封頭43耳式支座（部件）4管箱法蘭24浮頭法蘭44膨脹節(jié)（部件）5固定管板25浮頭墊片45中間擋板6殼體法蘭26球冠形封頭46U形換熱管7防沖版27浮動管板47內(nèi)導(dǎo)流筒8儀表借接口28浮頭蓋（部件）48縱向隔板9補強圈29外頭蓋（部件）49填料10殼體（部件）30排液口50填料函11折流板31鉤圈51填料壓蓋1