反应釜冷却器设计-毕业论文.doc
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1、安徽工程大学毕业设计(论文)反应釜冷却器设计摘 要本文设计的列管式换热器为四管程固定管板式换热器。固定管板式换热器的优点是:结构简单、紧凑,能承受较高的压力,造价低,管程清洗方便,管子损坏时易于堵管或更换。本文主要进行了换热器的工艺计算、换热器的结构和强度设计。设计的第一部分是工艺计算部分,主要是根据给定的设计条件估算换热面积,从而进行换热器的选型,校核传热系数,计算出实际的换热面积,最后进行压力降和壁温的计算。管壳程压力降经计算满足工艺要求。设计的第二部分则是关于结构和强度的设计,主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件(如接管、折流板、定距管、管箱等)的设计,包括:材料的选择、具体
2、尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、鞍座应力计算、开孔补强计算等。结论表明各承压原件处的强度设计均满足强度要求,最后设计结果可通过八张图表现出来。关键词:固定管板式换热器;工艺计算;结构;强度;管板;鞍座Design of the Reactor CoolerAbstractThis design is about fixed tube sheet heat exchanger. The advantages of the fixed tube sheet heat exchanger: The exchanger can bear high press;The price of maki
3、ng is low;Structure is simple and compacted;We can wash the tubes easily;We can change the broken tubes easily.The design is mainly chemical containers-the integrity of the reactor design, which include the technology calculate of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger.The fir
4、st part of design is the technology calculation process. Mainly, the process of technology calculate is according to the given design conditions to estimate the heat exchanger area, and then, select a suitable heat exchanger to check heat transfer coefficient, just for the actual heat transfer area.
5、 Meanwhile the process above still include the pressure drop and wall temperature calculation. The pressure drop is calculated must meet the technical requirement. The second part of the design is about the structure and intensity of the design. This part is just on the selected type of heat exchang
6、er to design the heat exchangers components and parts, such as vesting, baffled plates, the distance control tube, tube boxes. This part of design mainly include: The choice of materials,identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the stress calculati
7、on of saddle, the opening reinforcement calculation etc. The results show that the press-bearing components can meet the intensity requirements. In the end, the final design results through eight drawings to display.Key words: fixed tube sheet heat exchanger;technology calculate; structure; intensit
8、y; tube sheet;saddle目 录引 言1第1章 绪论21.1 换热器的应用21.2 换热器的分类21.3 换热器的选型21.4 列管式换热器31.5 换热器的研究现状及发展趋势41.6 本设计的主要内容4第2章 换热器的工艺设计62.1 设计有关参数62.2 设计方案62.3 估算换热面积72.4 工艺结构尺寸72.5 换热器核算10第3章 换热器的结构设计及强度计算163.1筒体壁厚计算163.2 管箱短节、封头厚度计算173.3 筒体接管开孔补强校核193.4 管箱接管开孔补强校核203.5 管箱法兰和接管法兰的选取213.6 管箱法兰与管板连接之间的垫片233.7 换热管与
9、管板的连接243.8 管板的设计的及校核253.9 接管的布置及管箱的设计423.10 折流板的布置433.11 换热器相关的连接结构443.12 其他零部件的设计45第4章 冷却器鞍座应力校核484.1 各部件质量及总质量484.2 鞍座校核484.3 筒体校核49结论与展望54致 谢55参考文献56附录A:主要参考文献摘要及题录57附录B:英文原文及翻译59插图清单图2-1 折流板9图3-1 封头的结构形式.18图3-2 管箱法兰的结构.22图3-3 凸面法兰的结构.22图3-4 板式平焊法兰的结构.23图3-5 垫片的结构.24图3-6 换热管与管板的连接结构型式.25图3-7 折流板布
10、置图.33图3-8 管板的结构尺寸.41图3-9 筒体接管位置.42图3-10 管箱接管位置42图3-11 管箱尺寸43图3-12 管箱法兰与管箱的连接44图3-13 管板与筒体的连接45图3-14 管箱与管板的连接45图3-15 拉杆的尺寸46图3-16 定距管的结构尺寸46图3-17 分程隔板的结构46图3-18 鞍式支座的安装47图4-1 筒体受力分析.50表格清单表2-1 设计有关参数6表2-2 换热器常用的流速范围8表2-3 常用换热管管心距8表2-4 换热管最大无支承长度9表2-5 合理压力降的选取.14表2-6 换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表.15表3-1 不另行补强的接
11、管最小厚度.19表3-2 法兰参数.22表3-3 筒体法兰的结构尺寸.23表3-4 管箱法兰的结构尺寸.23表3-5 鞍座尺寸表.47表4-1 各部件质量表.48表4-2 原始数据表.49V刘松:反应釜冷却器设计引 言在化工生产中,反应釜中的化学反应都是在一定温度下进行的,物料进入到反应釜中受到温度的限制,因此在物料进入反应釜之前进行换热以达到所要求的温度,这就是反应釜冷却器产生的背景。本设计要求设计一台合适的列管式换热器,列管式换热器是目前应用最为广泛的换热设备,列管式换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜,但管外不能进行机械清洗。为了满足不同的工艺要求,产生了许多种列管式换热器,有固定管板式
12、换热器、填料函式换热器、浮头式换热器和U型管式换热器。传统的列管式换热器长期运行会导致设备被水垢堵塞,将会使效率降低、功耗增加、寿命缩短。如果水垢不能被及时地清除,就会面临设备维修、停机或者报废更换的危险。而且传统的列管式换热器大部分是碳钢材料,容易引起腐蚀,现在很多换热器换上了新材料,比如高分子复合材料和陶瓷,特别是陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展,因为它较好地解决了耐腐蚀、耐高温等课题,成为了回收余热最佳换热器,目前,陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉,正在为世界节能减排事业作出了巨大的贡献。本文首先要根据前人的经验选择选择合适的列管式换热器
13、,再对换热器进行设计。现在列管式换热器的设计方法已经很成熟,对于工艺设计,可以根据化工原理上面的方法进行计算。对于结构设计和强度校核,可以根据换热器结构手册和换热器设计标准GB151-1999进行计算和校核。传统的手工校核不仅计算量大,而且稍不注意可能影响校核结果,所以现在我们的设计单位和工厂都采用SW6软件进行校核,这也大大减少了工程设计人员的工作量。随着科技的不断发展,各种新技术在列管式换热器上的应用,列管式换热器在我们化工生产中的地位也越来越重要,因而列管式换热器的推广应用前景十分可观。-53-第1章 绪论1.1 换热器的应用 换热装置是以传递热量为主要功能的通用机械,通常称为热交换器,
14、简称换热器。换热器在化工、石油、制冷、动力、食品等部门中均有广泛的应用。在化工厂中,换热设备的投资约占总投资的10%20%;在炼油厂中,约占总投资的35%40%。近二十年来,换热设备在能量储存、转化、回收,以及新能源利用和污染治理中得到了广泛的应用。 在工业生产中,换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体,使流体温度达到工艺过程规定的指标,以满足工艺过程的需要。此外,换热设备也是回收余热、废热特别是低品位热能的有效装置。 换热器随使用目的的不同,可分为:热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。在换热设备中,应用最为广泛的是管壳式换热器。目前这种换热器被当作为一
15、种传统的标准换热器,在许多工业部门中被大量的使用。1.2 换热器的分类 根据换热的目的和工艺要求不同,换热器的结构型式必然是五花八门,其分类也是多种多样。 a.按冷热物料接触方式可分为:直接接触式、蓄热式和间壁式三种类型。 b.按换热器的使用功能又可分为:加热器、冷却器、再沸器、冷凝器,蒸发器、凉水塔、废热锅炉等。c.按换热器换热面紧凑程度又可分为:紧凑式换热器(换热面积密度)和非紧凑式换热器(换热面积密度。d.按流体流动方式又可分为:单程型换热器和多程型换热器。f.按换热器结构形式又可分为:管式换热器(主要有管壳式、套管式、螺旋盘管式或蛇管式换热器);热管式换热器(主要有吸液芯热管、重力热管
16、、旋转式热管换热器);板式换热器(主要有板式、螺旋板式、伞板式、板壳式换热器);扩展表面式换热器(主要有板翅式和管翅式换热器);蓄热式换热器(主要有回转式和固定格室式换热器);其他(孔块式换热器、空冷器及薄膜式换热器等)。1.3 换热器的选型传热设备选型时需要考虑的因素是多方面的,主要有:a.热负荷及流量大小;b.流体的性质:c.温度、压力及允许的压降范围;d.对清洗、维修的要求;f.设备结构材料、尺寸、重量;g.价格、使用安全性和寿命等。流体的性质对换热器类型的选择往往会产生重大的影响,如流体的物理性质(如比热容、热导率、粘度)、化学性质(如腐蚀性、热敏性)、结垢情况以及是否有腐蚀性颗粒等因
17、素。如用于硝酸的加热器,流体的强腐蚀性决定了设备的结构材料,限制了可能采用的结构范围。又如对于热敏性大的液体,能否精确控制它在加热过程中的温度和停留时间,往往就成为选型的主要前提。流体的清净程度和易否结构,有时在选型上也起决定性的作用,如对于需要的经常清洗换热面的物料,就不能选用高效的板翅式或其他不可拆卸的结构。 同样,换热介质的流量、工作温度、压力等参数在选型时也很重要,例如板式换热器虽然高效紧凑、性能好,但是由于受结构和垫片性能的限制,当压力或温度稍高,或者流量很大时就不适用了。在换热器选型时,还应考虑材料的价格、制造成本、动力消耗费和使用寿命等因素,力求使换热器在整个使用寿命内最经济地运
18、行。1.4 列管式换热器列管式换热器是一种广泛使用的换热设备。列管式换热器是把换热管束与管板连接后,再用筒体与管箱包起来,形成两个独立的空间:管内的通道及相连通的管箱,称为管程空间(简称管程);换热管束外的通道及相贯通的部分,称为壳程空间(简称壳程)。列管式换热器具有可靠性能高、适应性广等优点,在各工业领域中得到最为广泛的应用。近年来,尽管受到了其他新型换热器的挑战,但反过来也促进了其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天,列管式换热器仍占主导地位。列管式换热器根据它的结构特点,可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。(1)固定管板式换换热器。这类换热器的结构比较
19、简单、紧凑、造价便宜,但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上,管板分别焊在外壳两段,并在其上连接有顶盖,顶盖和壳体没有流体进出口接管。通常在管外设置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的,而管内管外是两种不同温度的流体。因此,当管壁与壳壁温差较大时,由于两者的热膨胀性不同,产生了很大的温差应力,以致管子扭弯或使管子从管板上松脱,甚至毁坏了换热器。为了克服温差应力必须设有温差补偿装置,一般在管壁与壳壁温度相差50以上时,为安全起见,换热器应有相应的温差补偿装置。但补偿装置(波形膨胀节)只能用于壳壁与管壁温差低于60-70和壳程流体压力不高的情况。一般壳程压力超过0.
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