浮头式换热器毕业设计方案.doc
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1、摘 要 换热器是化工、动力、冶金、能源、航天等各种工程领域中普遍使用基本设备,虽然使用历史已久,但是依然处在不断改进和发展之中。本换热器是用来实现焦化厂中贫油和富油之间热互换器,从而实现贫油热能再运用。考虑到工艺需求以及价格,采用了浮头式换热器。换热器设计可以分为工艺计算和机械设计两个某些,在工艺设计某些,依照给定设计参数假设传热系数,计算换热器换热面积以及初步拟定换热器型号、换热管、管程和壳程数、折流板间距和数目以及内径等工艺尺寸,然后进行热力核算和压力降核算,拟定面积裕度和换热器压力降均在合理范畴之内,否则,要重新设定传热系数,重复上述过程,直至通过核算。机械设计某些分为两步,第一步:依照
2、第一某些已设计出工艺尺寸设计筒体、管箱、接管、折流板以及各某些之间连接等构造和尺寸;第二步:根据GB150、GB151规定进行强度校核,其中重要涉及对管板、壳体与换热管进行强度校核,校核通过后依照所设计构造参数绘制图纸。通过复算与校核,使所设计换热器可以满足生产工艺规定。核心词:浮头式换热器 工艺计算 机械设计 强度校核目 录绪 论11 我国焦化厂粗苯生产技术生产现状12 我国焦化厂粗苯生产技术发展趋势21 换热器31.1概述31.2工作流体特性31.3传热的一般概念31.4 换热器的分类31.4.1 根据传热方式分类41.4.2根据生产中的使用目的分类51.4.3详细分类51.5几种换热器的
3、特点及使用61.5.1管壳式换热器61.5.2 板式换热器61.6换热器在化学工业中的应用71.7选择换热器类型82 焦化厂贫富油换热装置工艺计算102.1主要设计参数及技术指标102.2热力计算102.2.1确定物性参数102.2.2初步选定换热器类型以及尺寸112.2.3估算换热面积112.2.4初选换热器的型号122.3热力核算142.3.1传热系数的计算142.3.2管外给热系数162.3.3传热面积核算172.4换热器的内压降核算192.5换热器壁温计算222.5.1 换热管壁温计算222.5.2 圆筒壁温的计算232.6换热器主要结构尺寸和计算结果243 换热器结构设计与强度设计2
4、53.1壳体与管箱厚度的确定253.1.1壳体和管箱材料的选择253.1.2圆筒壳体厚度的计算以及校核253.1.3管箱厚度计算263.2开孔补强计算293.2.1壳体上的开孔补强293.2.2前端管箱开孔补强计算323.2.3外头盖开孔补强计算353.3换热管373.3.1 换热管的排列方式373.3.2布管限定圆383.3.3分程隔板形式选定393.3.4排管393.3.5换热管束的分程413.3.6换热管与管板的连接413.4法兰和垫片选型413.4.1固定端的壳体法兰、管箱法兰及垫片413.4.2 外头盖法兰、垫片与浮头垫片433.4.3接管法兰形式与尺寸443.5管板设计463.5.
5、1管板的选择463.5.2管板与壳体的连接523.6接管523.6.1接管与筒体、管箱壳体的连接523.6.2排气、排液管533.6.3接管外伸长度533.7接管位置的最小尺寸533.7.1壳程接管位置的最小尺寸533.7.2 管箱接管位置的最小尺寸543.8折流板设计553.8.1折流板的型式和尺寸553.8.2折流板的排列553.8.3折流板的布置563.8.4折流板重量计算563.9拉杆与定距杆573.9.1拉杆的结构形式573.9.2 拉杆的直径、数量及布置583.9.3定距管593.10防冲板593.11保温层603.12浮头盖计算603.12.1管程压力作用下(内压)浮头盖的计算6
6、23.12.2 壳程压力作用下(外压)浮头盖的计算643.13钩圈663.14鞍式支座选择66总 结69参考文献70专题论文71翻译部分79英文原文79中文翻译89致 谢94绪 论本设计所涉及到换热器是以焦化厂中粗苯工段贫油和富油热互换为目,工艺背景是炼焦煤气中苯族烃回收工段。煤是国内重要能源,除了燃烧运用其热能外,还可以通过综合加工运用,生产各种化学产品。炼焦化学工业就是实现煤综合运用一种途径,是一种非常重要煤化工项目,对炼焦煤气中芳香烃加以提取再运用,而芳香烃是一种重要化工原料。因而,煤综合加工对合理运用国内煤炭资源,提高经济收益具备重要现实意义。良好换热设备对提高粗苯工段效益有着非常重要
7、影响,故选取适当换热器至关重要。1 国内焦化厂粗苯生产技术生产现状近十近年来,中华人民共和国焦炭总产量翻了一番还多,1997年达到了历史最高峰13902万t。从1993年起,中华人民共和国焦炭产量已持续居世界第一位。中华人民共和国历年来焦炭产量见表1。中华人民共和国也是世界焦炭出口大国,中华人民共和国出口焦炭1520万t,占世界焦炭出口总量2510万t60以上。粗苯作为焦炭副产品,其生产、市场变化与焦炭产业发展息息有关。随着国内钢铁工业迅速发展,焦炭生产也突飞猛进地迅速发展。据记录,国内焦炭总产量为1.41亿吨,达到1.77亿吨,同比增长25.8%;达到2.25亿吨左右,同比增长27%。国内焦
8、炭产量大幅增长为粗苯生产发展提供了可靠先决条件。由于肥煤、主焦煤等煤种不同,焦炭生产过程中粗苯回收率也有所不同。焦化厂规模、所建化工产品回收装置技术水平差别,致使各厂家在炼焦中粗苯回收率有所不同。普通状况下,原有焦炭年产量100万吨焦化厂粗苯回收量普通在1万吨左右,新建焦炭年产最100万吨焦化公司粗苯回收量为1.3万吨左右。总体来看,大型焦化厂粗苯收率在0.9-1.3。按照大型焦化厂粗苯收率低限值计算,国内焦炭生产1.77亿吨,应回收粗苯159万吨左右。但由于国内小型焦化厂众多,焦炭年产量20万吨如下小型焦化厂大多数没有化工产品回收装置,致使应当在焦炉气中回收粗苯白白放空烧掉。按照上述60%回
9、收率数据估算,-全国粗苯产量分别为76万吨、96万吨和122万吨。、国内粗苯产量同比增长都在26%以上,和焦炭生产同步增长。上述粗苯产量重要集中在焦炭年产量在100万吨以上31家大型焦化厂家。由于粗苯是苯系家族混合物,不能单独使用,需要深加工才干为客户最后消费。粗苯产品这-特性决定了其市场出路重要是销售到下游精苯生产厂家,只有少量产品进入溶剂、农药生产厂家。当前国内对粗苯进行深加工制成纯苯生产厂家重要分为两大类。一类是酸洗法生产纯苯,另一类是采用苯加氢工艺生产纯苯。酸洗法生产投资少、见效快,生产装置易建设,国内大多数精苯生产装置采用该生产工艺。但是,酸洗法工艺生产苯纯度低,并且不能有效分离甲苯
10、、二甲苯。苯加氢工艺则不同,装置投资大、建设周期长,但是生产技术先进,生产苯纯度高,与石油苯产品性能基本没有差别,能实现与甲苯、二甲苯等有效分离,代表了粗苯加工精制发展方向。当前国内酸洗工艺纯苯生产能力为88.5万吨/年,但由于产品销路不畅,公司开工率不高,大某些公司以销定产,装胃平均负荷局限性50%。国内酸洗工艺生产纯苯产量为55万吨,消费粗苯70万吨左右。国内河南神马尼龙化工公司、宝钢焦化公司、石家庄焦化公司等公司是粗苯加氢生产纯苯工艺代表,消费粗苯25万吨,随着新建项目陆续投产,预测将消费粗苯约35万吨。近年来,由于国际石油市场价格价格不断上涨,导致以石油为原料石油苯与苯加氢生产焦化苯原
11、料成本差距加大,苯加氢生产焦化纯苯比石油苯生产成本至少低1500元/吨,高额利润吸引了市场对粗苯资源注重,外商从起加大了对国内粗苯资源战略性收购,导致国内粗苯出口数量不断增大。出口量为1.50万吨,达到1.95万吨,进一步增长到6.57万吨。2 国内焦化厂粗苯生产技术发展趋势1、 产需逐年增长。粗苯收率和全国焦化行业回收率逐年提高。当前,国家对焦化行业宏观控制办法是:坚决关停小炼焦、土炼焦,4m如下炼焦炉限期停产关闭;勉励采用先进炼焦工艺,建设大型焦化厂;强制焦化公司必要配套建设化工产品回收装置,不能只焦不化,实现环保达标排放,在限期内不达标予以关停;提高焦化生产准入门槛,达不到规模化生产、工
12、艺落后生产装置一律不准建设。在这一系列政策指引下,全国已关闭了1600余家小型焦化厂,而大型焦化厂正在掀起新一轮建设热潮,山西、山东、安徽、内蒙、云南、新疆等省都正在建设或筹划建设年产200万t以上大型焦化厂。这一批大型焦化厂所有配套建设化工产品回收装置,并且粗苯收率相对较高。其中山东兖州国际焦化公司年产200万吨焦炭,回收粗苯量达2.7万吨,收率达到1.35。随着大型焦化厂陆续建成投产、粗苯收率提高以及全国焦化行业粗苯回收率提高,预计焦化公司中粗苯回收比例会提高到70以上。预测粗苯产量将达到145万吨左右,同比增长20%。2、 粗苯深加工将向大型精苯生产装置逐转移。国内小型粗苯深加工精苯装置
13、多采用酸洗法生产工艺,不但无法实现各种化工产品有效分离和环保达标排放,并且产品质量低,生产成本高,销售价格上不去,很难与大型精苯装置竞争。大型精苯装置采用苯加氢生产工艺,能耗低、成本低、产品质量好、销售价格高、竞争能力强,代表了当今粗苯深加工发展方向。当前,有实力焦化公司或化工公司都在争取建设大型精苯装置,如河南神马尼龙化工公司、宝钢焦化公司、石家庄焦化公司、太原化工集团公司筹都在建设或筹划建设10万吨/年以上大型粗苯深加工精苯装置。随着这些大型装置建成投产,粗苯深加工将向大型先进生产公司集中,小型酸洗法精苯装置将会逐渐被裁减。1 换热器1.1概述在工程中,将某种流体热量以一定传热方式传递给另
14、一种流体设备,称为换热器。在换热器中,至少有两种温度不同流体参加传热。一种流体温度较高,放出热量。另一种流体温度较低,吸取热量。但是有热互换器中也有各种温度不同流体在其中传热,例如空分装置中可逆式板翅式换热器。换热器作为一种运用能源与节约能源有效设备,在余热运用、太阳能运用和地热能运用等方面起着重要作用。1.2工作流体特性在换热器中参加传热过程流体,分别称为热流体和冷流体,通称工作流体。虽然有诸多场合,工作流体种类和参数已为工艺条件所拟定,但是也有许多场合是可有设计者进行选取和拟定。无论什么状况,理解工作流体特性,都是非常重要。普通而言,对工作流体基本规定是:来源充分,输送以便,价格便宜,能就
15、近解决。使换热器在给定热负荷下所需传热面积比较小。因而所用流体应当是:密度、比热、导热系数大;在高温工作时工作压力低;在沸腾或冷凝过程中汽化潜热大。1.3传热普通概念热量从高温度区移动过程称为热量传递,称为传热。热力学第二定律指出,凡是有温差存在地方,就必然有热量传递,故在几乎所有工业部门,如化工、能源、冶金、机械、建筑等都设计传热问题。特别是化学工业中,由于化学生产中诸多过程和单元操作,都需要进行加热和冷却,并且化工设备保温、生产过程中热能合理运用以及废热回收等都涉及传热问题。普通化工生产中对传热过程规定重要有一下两种状况:其一是强化传热过程,例如各种换热设备中传热;其二是削弱传热过程,如对
16、设备或管道保温,以减少热损失。化工传热过程既可以持续进行,也可以间歇进行。对于前者,传热系统中能量不发生积累,称为稳态传热,稳态传热特点是传热速率在任何时刻都为常数,并且系统中个点温度仅随位置变化而与时间无关;对于后者,传热系统中各点温度既随位置又随时间而变化,称为非稳态传热。依照传热机理不同,热量传递有三种基本方式:热传导、对流和热辐射,在实际传热过程中,热量传递可以以一种方式进行,也可以以两种或三种方式同步进行。本次设计依照对流传热机理所设计,即对流传热是指流体流过固体壁面(流体温度和壁面温度不同)时传热过程称为对流传热。1.4 换热器分类换热器类型随着工业发展而扩大,初期换热设备由于制造
17、工艺和科学水平限制,多有构造简朴、换热面积小和体积较大等特性,如夹套式和蛇管式等。日后,由于制造工艺发展,提出了一种管壳式换热器。这种换热器特点是单位体积设备所能提供换热面积要大得多,传热效果也好。它成为长期以来在化工生产中所使用典型换热设备。本世纪二十年代,开始浮现板式换热器,并应用于食品工业。三十年代初,瑞典初次制成螺旋板换热器。用于航空发动机散热器。上述这些新型高效式换热器还存在一定问题,六十年代左右,由于制造工艺上得到进一步完善,这些类型换热器重新又获得发展,在化工生产中应用也更加广泛。随着近代科技发展(如高温高压、高速、低温、超低温)等,又促使了高强度、高效率紧凑换热器层出不穷。虽然
18、如此,所有换热器依然可以按照它们某些共同特性来加以区别。按照用途来分:有预热器(或加热器)、冷却器、蒸发器等等。按照制造换热器材料来分:有金属、陶瓷、塑料、石墨、玻璃等等。按照温度状况来分,有:温度工况稳定换热器,热流大小以及在指定热互换区内温度不随时间而变;温度工况不稳定换热器;传热面上热流和温度都随时间变化。按照热流体和冷流体流动方向来分,有:顺流式(或并流式):两种流体平行向着同一方向流动。逆流式:两种流体也是平行流动,但是它们流动方向相反。错流式(或叉流式):两种流体流动方向互相垂直交叉,当交叉次数在四次以上时,可以依照两种流体流向总趋势将其当作逆流或顺流。混流式:两种流体在流动过程中
19、既有顺流某些,又有逆流某些。1.4.1 依照传热方式分类在化工生产中,由于用途、工作条件和载热体特性等不同,对换热器提出了不同规定,浮现了各种不同形式和构造换热器。如下可将换热器按下列方式进行分类:直接传热式换热器一种不需传热壁面,由冷流体与热流体直接接触进行换热操作过程换热器,此类换热器惯用于工业生产中。这种换热方式长处是设备构造简朴,传热效率高。但是直接接触式换热机理比较复杂,在进行传热同步往往随着着传质过程。间壁传热式换热器在化工生产中经常遇到是冷、热流体不容许混合换热问题,此时经常将冷、热流体用固体壁面隔开,使两者互不接触,热量由热流体通过壁面传给冷流体,冷、热流体通过管子、板等壁面进
20、行热量互换传热操作过程换热器,是最普通也最惯用换热器,冷、热流体都是流体,可以是空气、烟气、蒸汽、水。这是本文重点进行讨论换热器类型。如图1.1:图1.1蓄热式换热器蓄热式换热器是在蓄热器中实现热互换一种换热方式。蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖等),冷、热流体交替流过蓄热器,运用固体填充物来积蓄和释放热量,从而达到换热目。普通在生产中采用两个并联蓄热器交替使用。其缺陷是设备体积庞大,且不能完全避免两种流体混合,因而这种换热器使用范畴有限。它属于间歇传热,在废热再生器中是切实可行有效回收废热方式,常被用于回收燃烧气体废热以及蒸汽等用量不均时作为调节手段。1.4.2依照生产中使用目分类可以分为冷
21、却器、加热器、冷凝器、汽化器等。1.4.3详细分类按构造分类:浮头式换热器、固定管板式换热器、双壳程换热器、单套管式换热器、多套管式换热器、外导流筒式换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。按管板形状分类:螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器、印刷电路板式换热器、穿孔板式换热器。按密封形式分类:此类换热器多用于高温、高压装置中,重要类型有螺旋锁紧环式换热器、薄膜密封型换热器、钢垫圈型换热器、密封盖板式换热器。按强化传热原件分类:螺纹管换热器、波纹管式换热器、异形管换热器、表面多孔管式换热器、螺旋扁管式换热器、螺旋槽管式换热
22、器、环槽管式换热器、纵槽管式换热器、翅管式换热器、螺旋绕管式换热器、T型翅片管式换热器、新构造高效换热器、内插物换热器、锯齿管换热器。空冷式换热器分类:干式换热器、湿式换热器、干湿联合式换热器、电站换热器、表面蒸发式换热器、板式换热器、能量回收换热器、自然对流换热器、高压空冷器。折流杆换热器构造与浮头式换热器、U形管式换热器和固定管板式换热器基本相似,其差别是将折流板用折流环所取代,流体流过折流杆时形成卡曼漩涡,来实现湍流而强化传热。外导流筒换热器构造与浮头式换热器基本相似,所不同是壳程进出口接管与导流筒不同。在进出口处增大壳体直径,使流体流动变化,并使传热管可以排满整个壳体,从而使旁路泄露和
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