【正文】 制工程 年級(jí)班別 2020 級(jí) 2 班 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2020 年 05 月 29 日 回流冷凝器設(shè)計(jì) [摘要 ]： 傳熱過(guò)程是化工生產(chǎn)過(guò)程中存在的及其普遍的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的換熱設(shè)備種類繁多，是不可缺少的工藝設(shè)備之一。由于使用條件不同，換熱設(shè)備可以有各種各樣的型式和結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，它被當(dāng) 作一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備在很多工業(yè)部門(mén)中大量使用，尤其在化工、石油、能源設(shè)備等部門(mén)所使用的換熱設(shè)備中仍處于主導(dǎo)地位。它的作用是通過(guò)溫度相對(duì)較低的水來(lái)冷凝溫度較高的氣體從而保證精餾塔液相產(chǎn)品的摩爾分率，從而使設(shè)備部分的溫度保持在一個(gè)生產(chǎn)所需要的水 平，使設(shè)備正常工作。 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。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(shuō)明書(shū)。 [關(guān)鍵詞 ]： 換熱器、換熱面積、管板、換熱管。它是一些工業(yè)部門(mén)大范圍使用的一種通用設(shè)備，例如化工、制藥、機(jī)械等。 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。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(guò)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。 改革開(kāi)放以來(lái)，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(wèn)題日益突出。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。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。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。 設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。 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。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(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。在撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的過(guò)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。是否有自己獨(dú)特的見(jiàn)解或者創(chuàng)新。 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。我國(guó)出現(xiàn)了自主開(kāi)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。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。 （ 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。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。 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。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。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。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。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。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。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。 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。 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。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。 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℃） W/（ m對(duì)于直管管束，宜走管程；對(duì) 于 U 形管管束，宜走殼程。 ③ 壓力高的流體宜走管程，以避免制造較厚的殼體。 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。 ⑦ 需要冷卻的流體宜選殼程，便于散熱，以減少冷卻劑用量。 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。 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 ℃ 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。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(guò)程的平均溫度差 mt? 。 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。 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： mtKQA ??計(jì)` =（ 900） = ㎡ 計(jì)算工藝結(jié)構(gòu)尺寸 （ 1） 管徑和管內(nèi)流速 ① 管徑 選擇管徑時(shí)，應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過(guò)規(guī)定的流速范圍。由于本設(shè)計(jì)估算傳熱面積較大所以本設(shè)計(jì)選用mmmm ?? 規(guī)格。故應(yīng)選擇適宜的流速，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。 表 33 管殼式換熱器常用流速的范圍 流體的種類 一般液體 易結(jié)垢液體 氣體 流速 sm/ 管程 3~ 1? 30~5 殼程 ~ ? 15~3 表 34 不同黏度液體在列管換熱器中的流速（在鋼管中） 液體黏度 smPa?/ 最大流速 ）（ sm// 液體黏度 smPa?/ 最大流速 ）（ sm// 5000? 35~100 500~1000 1~35 100~500 1? （ 2）管程數(shù)和換熱管數(shù) 流體從換熱管的一端流到另一端，稱為一個(gè)流程。我國(guó)規(guī)定有 12七種分程數(shù)，最常用的是 2程和 4 程。 按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為 ?NdAPL0? L=(8)= 管程數(shù)： lLPN ? L— 按單程換熱器計(jì)算的傳熱管長(zhǎng)度為 l— 選取的每層管子長(zhǎng)度，無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度系列有 2 3 6 9 12m 等好幾種， 現(xiàn)選取為 9m PN =(取整） ： NNN PT ?? =84=32 根 （ 3） 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù) R=0 T=（ ） /（ ） = 即選用單殼程、管程較為合適。換熱管的排列應(yīng)使其在整個(gè)換熱器圓截面上均勻分布，同時(shí)還要考慮流體的性質(zhì)，管箱結(jié) 構(gòu)及加工制造等方面的問(wèn)題。正三角形及正方形排列按照管子相對(duì)殼程流體的流向，又可分為直列與錯(cuò)列（又稱轉(zhuǎn)角排列），如圖 31 所示。因此，換熱管的空間排列方式一般采用正方形錯(cuò)列或正三角形錯(cuò)列。本換熱器流體的性 質(zhì)屬于比較潔凈和不易結(jié)垢，因此采用正三角形排列。 如圖 32所示。根據(jù) GB 1511999《管殼式換熱器》 表 13，對(duì)于固定管板式換熱器，布管限定圓直徑 LD 為 12 32bDD iL ?? （其中， 3b 為固定管板式或 U形換熱器最外層換熱管外表面至殼體內(nèi)壁的最短距離， odb ? ，一般不小于 mm8 ），則 LD =400225=。管心距取決于管板的強(qiáng)度、清洗管子外表面時(shí)所需的空隙、管子在管板上的固定方法等。 表 35 常用換熱管中心距 換熱管外徑 od 10 12 14 16 19 20 22 25 換熱管中心距 t 13～ 14 16 19 22 25 26 28 32 換熱管外徑 od 30 32 35 38 45 50 55 57 換熱管中心距 S 38 40 44 48 57 64 70 72 根據(jù)《化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 P103，如表 36，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管心距為 : nS =44mm。 4 管程往上，在 之間，取 D=32 = 因?yàn)闅んw內(nèi)徑從 400mm 開(kāi)始取 所以 取整 D 取 400mm 13 管子規(guī)格： Φ 25 筒體公稱直徑 DN： 400mm 管程數(shù) N： 4 管子根數(shù) n： 32 中心排管數(shù)： 7 管程流通面積： ㎡ 換熱管長(zhǎng)度 L： 9m 計(jì)算換熱面積 A： （ 5）折流板 在殼程管