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正文內(nèi)容

回流冷凝器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-10-03 20:38 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 業(yè)的需求。 在工業(yè)生產(chǎn)中,回流冷凝器主要是利用地下水冷凝蒸汽,使蒸汽經(jīng)冷凝后變?yōu)橐后w,以滿足化工行業(yè)的需要。此外,換熱設(shè)備也可以回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如,煙道氣(約 C?300~200 )、高爐爐氣(約 C?1500 )、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣( C?1000~300 )等的余熱,通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽,從而提高熱能的總利用率,降低燃料消耗和電耗,提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。 選題的依據(jù)和意義 回流冷凝器是將熱流氣體冷凝為冷流體。 改革開放以來,隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展 ,我國(guó)環(huán)境容量小,生態(tài)環(huán)境脆弱,資源相對(duì)短缺三大問題日益突出。故在尋找新能源的同時(shí) ,也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用不但能節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境 ,而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應(yīng)用 ,使得換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直以來受到研究 人員的重視 ,各種研究成果不斷涌現(xiàn)。各種不同結(jié)構(gòu)和種類的換熱器發(fā)展很快 ,新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器層出不窮。換熱器既可是一種單獨(dú)的設(shè)備 ,如加熱器、冷卻器和凝汽器等 。也可是某一工藝設(shè)備的組成部分 ,如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。同時(shí)日常生活中的暖通空調(diào),北方冬天家里用暖氣等都需要提高能源利用率,這些都給換熱器帶來了日益廣闊的發(fā)展前景 。 設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。 本設(shè)計(jì)的目的和要求 首先查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料了解回流冷凝器的基本原理、性質(zhì)及應(yīng)用,在化工生產(chǎn)中的地位和作用、回流冷凝器應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)、設(shè)計(jì)的理 論基礎(chǔ)、技術(shù)路線及其意義,對(duì)回流冷凝器設(shè)計(jì)有一個(gè)大體上的認(rèn)識(shí)和理解。 然后 根據(jù)工藝要求進(jìn)行工藝流程計(jì)算,確定設(shè)備類型、結(jié)構(gòu),并完成設(shè)備工藝設(shè)計(jì)部分,借助化工模擬軟件完成。接著完成回流冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與部分零部件選型,進(jìn)行設(shè)備強(qiáng)度 2 校核,利用 SW6 軟件包完成設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算,并以此計(jì)算結(jié)果作為最終結(jié)果,完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。最后利用計(jì)算繪圖軟件繪制設(shè)備的整套設(shè)計(jì)圖紙,撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是在完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,按上述內(nèi)容闡述設(shè)計(jì)的目的、過程、成果及結(jié)論。在撰寫設(shè)計(jì)說明書的過程中,理論依據(jù)要充分,數(shù)據(jù)要準(zhǔn) 確,公式計(jì)算要正確,能將所學(xué)的知識(shí)和技能應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)中。另外,要注意設(shè)計(jì)說明書結(jié)構(gòu)的合理性;總體設(shè)計(jì)方案要正確合理;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;社會(huì)調(diào)查的客觀性和科學(xué)性。是否有自己獨(dú)特的見解或者創(chuàng)新。 另外,撰寫設(shè)計(jì)說明書時(shí)要概念清楚,內(nèi)容正確,結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),文字通暢,用語符合技術(shù)專業(yè)規(guī)范,各種標(biāo)準(zhǔn)資料的運(yùn)用符合學(xué)科、專業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,圖表清楚,圖面質(zhì)量符合要求,書寫格式規(guī)范。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 回流冷凝器是換熱設(shè)備的一類,用以冷卻流體。通常用水或空氣為冷卻劑以除 去熱量,廣泛用于化工,在精餾操作中和釜式再沸器一起使用,回流冷凝器主要用于提供液相回流,直接影響到精餾塔的穩(wěn)定操作工況與餾出液的產(chǎn)品分率。我國(guó)出現(xiàn)了自主開發(fā)傳熱技術(shù)的新趨勢(shì),大量的強(qiáng)化傳熱元件推向市場(chǎng),國(guó)內(nèi)外傳熱技術(shù)的代表作有 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、板殼式換熱器、表面蒸發(fā)式空冷器等一大批優(yōu)良的換熱器。現(xiàn)在換熱器的研究及發(fā)展方向有:物性模擬研究;分析設(shè)計(jì)研究;大型化及能耗研究;強(qiáng)化技術(shù)研究;新材料的研究;控制結(jié)垢與腐蝕的研究等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使得一些新型研 究更為方便與快捷,使換熱器更為安全可靠,隨著全球水資源的緊張,循環(huán)水將被新的冷卻介質(zhì)取代,循環(huán)將被新型高效的空冷器所取代。 2 管殼式換熱器的分類及選型 分類 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可分為固定管板式、浮頭式、 U 形管式、填料函式和釜式重沸器五類。 ( 1)固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖 21 所示,管束連接在管板上,管板與殼體焊接。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、能承受較高的壓力,造價(jià)低,管程清洗方便, 3 管子損壞時(shí)易于堵管或更換;缺點(diǎn)是當(dāng)管束與殼體的壁溫或材料的線膨脹系數(shù)相差較大時(shí), 殼體和管束中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種換熱器適用于殼側(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(chǎng)合。為減少熱應(yīng)力,通常在固定管板式換熱器中設(shè)置柔性元件(如膨脹節(jié)、撓性管板等),來吸收熱膨脹差。 圖 21 固定管板式換熱器 ( 2)浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖 22 所示,兩管板中只有一端與殼體固定,另一端可相對(duì)殼體自由移動(dòng),稱為浮頭。浮頭有浮動(dòng)管板、鉤圈和浮頭端蓋組成,是可拆連接,管束可從殼體內(nèi)抽出。管束與殼體的熱變形互不約束,因而不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 浮頭式換熱器 的特點(diǎn)是管間和管內(nèi)清洗方便,不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力;但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)比固定管板式換熱器高,設(shè)備笨重,材料消耗量大,且浮頭端小蓋在操作中無法檢查,制造時(shí)對(duì)密封要求較高。適用于殼體和管束之間壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合。 圖 22 浮頭式換熱器 ( 3) U 形管式換熱器 U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖 23所示,這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是,只有 4 一塊管板,管束由多根 U 形管組成,管的兩端固定在同一塊管板上,管子可以自由伸縮。當(dāng)殼體與 U形換熱管有溫差時(shí),不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 由于受彎管曲 率半徑的限制,其換熱管排布較少,管束最內(nèi)層管間距較大,管板的利用率較低,殼程流體易形成短路,對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄漏損壞時(shí),只有管束外圍處的 U形管才便于更換,內(nèi)層換熱管壞了不能更換,只能堵死,而壞一根 U形管相當(dāng)于壞兩根管,報(bào)廢率較高。 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,承壓能力強(qiáng),適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結(jié)垢需要清洗,又不適宜采用浮頭式和固定管板 式的場(chǎng)合。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。 圖 23 U 形管式換熱器 ( 4) 填料 函式換熱器 填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖 2 25所示,這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似,浮頭部分露在殼體以外,在浮頭與殼體的滑動(dòng)接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。由于采用填料函式密封 結(jié)構(gòu),使得管束在殼體軸向可以自由伸縮,不會(huì)產(chǎn)生殼壁與管壁熱變形差而引起的熱應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡(jiǎn)單,加工制造方便,節(jié)省材料,造價(jià)比較低廉,且管束從殼體內(nèi)可以抽出,管內(nèi)、管間都能進(jìn)行清洗,維修方便。 因填料處易產(chǎn)生泄漏,填料函式換熱器一般適用于 MPa4 以下的工作環(huán)境,且不適用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒及貴重介質(zhì),使用溫度也受填料的物性限制。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少采用。 5 圖 24 填料函雙殼程換熱器 圖 25 填料函分流式換熱器 ( 5) 釜式重沸器 釜式重沸器的結(jié)構(gòu)如圖 26所示,這種換熱器的管束可以為浮頭式、 U形管式和固定管板式結(jié)構(gòu),所以它具有浮頭式、 U形管式換熱器的特性。在結(jié)構(gòu)上與其他換熱器不同之處在于殼體上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間,蒸發(fā)空間的大小由產(chǎn)氣量和所要求的蒸氣品質(zhì)所決定。產(chǎn)氣量大、蒸氣品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大,否則可以 小些。 此換熱器與浮頭式、 U形管式換熱器一樣,清洗維修方便,可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì),并能承受高溫、高壓。 圖 26 釜式重沸器 任務(wù)安排 : 30000 噸 /年正戊烷 8000kg/h 地下水 6 : 立式列管冷凝器 (1)正戊烷:蒸汽溫度 ℃ 冷凝為飽和液體 (2)冷卻介質(zhì):地下水,入口溫度 25℃ (3)每年 330 天計(jì),每天 24 小時(shí)連續(xù) 選擇換熱器的類型 兩流體在定性溫度下的物性參數(shù)如下: 物料 溫度 密度 粘度 比熱容 導(dǎo)熱系數(shù) ℃ kg/m^3 Pa s KJ/( kg℃) W/( m℃) 正戊烷 596 105 地下水 25 105 25℃ : hm =30000 1000/330/24= ℃時(shí)正戊烷的蒸發(fā)潛熱 r=熱負(fù)荷為: Qh= hm r== : T2=Q/(M2C)+T1=+25=℃ tm=( 25+) /2 = ℃ 兩流體的溫差 Tmtm=50℃,選用固定管板式換熱器 : T m=( +) /In{( ) /( ) }=℃ 3 換熱器的工藝設(shè)計(jì) 工藝計(jì)算 流徑選擇 ( 1) 選擇原則 7 ① 不清潔或易結(jié)垢的流體宜走容易清洗的一側(cè)。對(duì)于直管管束,宜走管程;對(duì) 于 U 形管管束,宜走殼程。 ② 腐蝕性流體宜走管程,以免殼體和管束同時(shí)被腐蝕。 ③ 壓力高的流體宜走管程,以避免制造較厚的殼體。 ④ 為增大對(duì)流傳熱系數(shù),需要提高流速的流體宜走管程,因管程流通截面積一 般比殼程小,且做 成多管程也較容易。 ⑤ 兩流體溫差較大時(shí),對(duì)于固定管板式換熱器,宜將對(duì)流傳熱系數(shù)大的流體走 殼程, 以減少管壁與殼體的溫差,減小熱應(yīng)力。 ⑥ 蒸氣冷凝宜走殼程,以利于排出冷凝液。 ⑦ 需要冷卻的流體宜選殼程,便于散熱,以減少冷卻劑用量。但溫度很高的流 體,其熱能可以利用,宜選管程,以減少熱損失。 ⑧ 黏度大或流量較小的流體宜走殼程,因有折流擋板的作用,在低 eR 下 ( 100?eR )即可達(dá)到湍流。 ( 2) 選擇流徑 正戊烷蒸汽相對(duì)比較潔凈,選擇正戊烷蒸汽走殼程,地下水走管程,既有利于地下水水冷卻效率高,也可借助外界溫度加速地下水冷卻。 確定物性參數(shù) 由前面計(jì)算可知,正戊烷的定性溫度 為 ℃ ,地下水水的定性溫度為℃ . 根據(jù)定性溫度,分別查取正戊烷和水的有關(guān)物性參數(shù),列表 31 如下: 表 31 物性參數(shù)表 物性 殼程 (正戊烷 ) 管程 (地下水 ) 符號(hào) 數(shù)據(jù) 符號(hào) 數(shù)據(jù) 密度 3/mkg h? 596 c? 比熱容 )/ Ckgkj ??( hC? cC? 粘度 Pa S h? 105 c? 80105 導(dǎo)熱系數(shù) mW/ ℃ h? c? 進(jìn)口 溫度℃ 1T 1t 25 8 出口溫度℃ 1T 2t 傳熱平均溫度差的計(jì)算 根據(jù)間壁兩側(cè)流體溫度沿傳熱面是否有變化,即是否有升高或降低,可 將傳熱分為恒溫傳熱和變溫傳熱兩類。若間壁的一側(cè)或兩側(cè)流體沿傳熱面的不同位置溫度不同,即流體從進(jìn)口到出口,溫度有了變化,或是升高或是降低,這種情況的傳熱稱為變溫傳熱。在變溫傳熱中,沿傳熱面溫度差是變化的,所以在傳熱計(jì)算中需要求出傳熱過程的平均溫度差 mt? 。本設(shè)計(jì)就屬于變溫傳熱中兩側(cè)變溫傳熱的情況。 根據(jù)兩側(cè)流體變溫下的溫度差變化情況,可分為逆流、并流、錯(cuò)流和折流。在逆流(即冷、熱兩流體在傳熱面兩側(cè)流向相反)操作時(shí),熱流體和冷 流體用可以比并流操作時(shí)少,所以工程上多采用逆流操作,在本設(shè)計(jì)中先按逆流計(jì)算,再校正。 先求逆流時(shí)的傳熱平均溫度差: 211 tTt ??? , 122 tTt ??? ; ??mt ( ) /ln()=℃ 計(jì)算傳熱面積 根據(jù)熱流體為低沸點(diǎn) 烴類蒸汽冷凝,冷流體為水,根據(jù)《化工原理課程設(shè)計(jì)》有表 32取傳熱系數(shù) 計(jì)K =900 )]/([ 2 CmW ?? , 表 32 管殼式換熱器中 K 值的大致范圍 熱流體 冷流體 傳熱系數(shù) K )]/([ 2 CmW ?? 水 水 1700~850 輕油 水 910~340 重油 水 280~60 氣體 水 280~17 水蒸汽冷凝 水 4250~1420 水蒸汽冷凝 氣體 300~30 低沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝(常壓) 水 1140~455 高沸點(diǎn)烴類蒸汽冷凝(常壓) 水 170~60 9 水蒸汽冷凝 水沸騰 4250~2020 水蒸汽冷凝 輕油沸騰 1020~455 水蒸汽冷凝 重油沸騰 425~140 則有估算的傳熱面積: mtK
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