畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）浮頭式換熱器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　換熱器是化工、動(dòng)力、冶金、能源、航天等各種工程領(lǐng)域中普遍使用的基本設(shè)備，雖然使用歷史已久，但是仍然處于不斷改進(jìn)和發(fā)展之中。本換熱器是用來實(shí)現(xiàn)焦化廠中的貧油和富油之間的熱交換器，從而實(shí)現(xiàn)貧油的熱能再利用?？紤]到工藝需求以及價(jià)格，采用了浮頭式換熱器。換熱器的設(shè)計(jì)可以分為工藝計(jì)算和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，在工藝設(shè)計(jì)部分，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參

2、數(shù)假設(shè)傳熱系數(shù)，計(jì)算換熱器的換熱面積以及初步確定換熱器型號、換熱管、管程和殼程數(shù)、折流板間距和數(shù)目以及內(nèi)徑等工藝尺寸，然后進(jìn)行熱力核算和壓力降核算，確定面積裕度和換熱器壓力降均在合理范圍之內(nèi)，否則，要重新設(shè)定傳熱系數(shù)，重復(fù)上述過程，直至通過核算。機(jī)械設(shè)計(jì)部分分為兩步，第一步：根據(jù)第一部分已設(shè)計(jì)出的工藝尺寸設(shè)計(jì)筒體、管箱、接管、折流板以及各部分之間的連接等結(jié)構(gòu)和尺寸；第二步：依據(jù)GB150、GB151的規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度校核，其中主要包括對管板

3、、殼體與換熱管進(jìn)行的強(qiáng)度校核，校核通過后根據(jù)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)繪制圖紙。通過復(fù)算與校核，使所設(shè)計(jì)的換熱器能夠滿足生產(chǎn)工藝的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：浮頭式換熱器 工藝計(jì)算 機(jī)械設(shè)計(jì) 強(qiáng)度校核</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)所涉及到的換熱器是以焦化廠中粗苯工段的貧油和富油的熱交換為目

4、的的，工藝背景是煉焦煤氣中苯族烴的回收工段。</p><p>　　煤是我國重要的能源，除了燃燒利用其熱能外，還可以經(jīng)過綜合加工利用，生產(chǎn)各種化學(xué)產(chǎn)品。煉焦化學(xué)工業(yè)就是實(shí)現(xiàn)煤的綜合利用的一種途徑，是一種非常重要的煤化工項(xiàng)目，對煉焦煤氣中的芳香烴加以提取再利用，而芳香烴是一種重要的化工原料。因此，煤的綜合加工對合理利用我國煤炭資源，提高經(jīng)濟(jì)收益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。良好的換熱設(shè)備對提高粗苯工段效益有著非常重要的影響，故

5、選擇合適的換熱器至關(guān)重要。</p><p>　　1 我國焦化廠粗苯生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)現(xiàn)狀</p><p>　　近十多年來，中國的焦炭總產(chǎn)量翻了一番還多，1997年達(dá)到了歷史最高峰的13902萬t。從1993年起，中國的焦炭產(chǎn)量已連續(xù)居世界第一位。中國歷年來焦炭產(chǎn)量見表1。中國也是世界焦炭出口大國，2000年中國出口焦炭1520萬t，占世界焦炭出口總量2510萬t的60％以上。</p>

6、<p>　　粗苯作為焦炭的副產(chǎn)品，其生產(chǎn)、市場變化與焦炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，焦炭生產(chǎn)也突飛猛進(jìn)地快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年我國焦炭總產(chǎn)量為1.41億噸，2004年達(dá)到1.77億噸，同比增長25.8%；2005年達(dá)到2.25億噸左右，同比增長27%。我國焦炭產(chǎn)量的大幅增長為粗苯生產(chǎn)的發(fā)展提供了可靠的先決條件。</p><p>　　由于肥煤、主焦煤等煤種的不同，焦炭生產(chǎn)過程

7、中的粗苯回收率也有所不同。焦化廠的規(guī)模、所建化工產(chǎn)品回收裝置技術(shù)水平的差異，致使各廠家在煉焦中的粗苯回收率有所不同。一般情況下，原有焦炭年產(chǎn)量100萬噸的焦化廠粗苯回收量一般在1萬噸左右，新建焦炭年產(chǎn)最100萬噸的焦化企業(yè)粗苯回收量為1.3萬噸左右?？傮w來看，大型焦化廠的粗苯收率在0.9％-1.3％。按照大型焦化廠的粗苯收率低限值計(jì)算，2004年我國焦炭生產(chǎn)1.77億噸，應(yīng)回收粗苯159萬噸左右。但由于我國小型焦化廠眾多，焦炭年產(chǎn)量20

8、萬噸以下的小型焦化廠大多數(shù)沒有化工產(chǎn)品回收裝置，致使應(yīng)該在焦?fàn)t氣中回收的粗苯白白放空燒掉。按照上述60%的回收率數(shù)據(jù)估算，2003-2005年全國的粗苯產(chǎn)量分別為76萬噸、96萬噸和122萬噸。2004年、2005年我國粗苯產(chǎn)量同比增長都在26%以上，和焦炭生產(chǎn)同步增長。上述粗苯產(chǎn)量主要集中在焦炭年產(chǎn)量在100萬噸以上的31家大型焦化廠家。</p><p>　　由于粗苯是苯系家族的混合物，不能單獨(dú)使用，需要深加工

9、才能為客戶最終消費(fèi)。粗苯產(chǎn)品的這-特性決定了其市場出路主要是銷售到下游精苯生產(chǎn)廠家，只有少量產(chǎn)品進(jìn)入溶劑、農(nóng)藥生產(chǎn)廠家。目前國內(nèi)對粗苯進(jìn)行深加工制成純苯的生產(chǎn)廠家主要分為兩大類。一類是酸洗法生產(chǎn)純苯，另一類是采用苯加氫工藝生產(chǎn)純苯。酸洗法生產(chǎn)投資少、見效快，生產(chǎn)裝置易建設(shè)，國內(nèi)大多數(shù)精苯生產(chǎn)裝置采用該生產(chǎn)工藝。但是，酸洗法工藝生產(chǎn)的苯的純度低，而且不能有效分離甲苯、二甲苯。苯加氫工藝則不同，裝置投資大、建設(shè)周期長，但是生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，生產(chǎn)

10、的苯純度高，與石油苯產(chǎn)品性能基本沒有差異，能實(shí)現(xiàn)與甲苯、二甲苯等的有效分離，代表了粗苯加工精制的發(fā)展方向。</p><p>　　目前我國酸洗工藝純苯生產(chǎn)能力為88.5萬噸/年，但由于產(chǎn)品銷路不暢，企業(yè)開工率不高，大部分企業(yè)以銷定產(chǎn)，裝胃平均負(fù)荷不足50%。2005年我國酸洗工藝生產(chǎn)純苯產(chǎn)量為55萬噸，消費(fèi)粗苯70萬噸左右。國內(nèi)河南神馬尼龍化工公司、寶鋼焦化公司、石家莊焦化公司等企業(yè)是粗苯加氫生產(chǎn)純苯工藝的代表，2

11、005年消費(fèi)粗苯25萬噸，2006年隨著新建項(xiàng)目的陸續(xù)投產(chǎn)，預(yù)計(jì)將消費(fèi)粗苯約35萬噸。</p><p>　　近年來，由于國際石油市場價(jià)格價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致以石油為原料的石油苯與苯加氫生產(chǎn)的焦化苯原料成本差距加大，2005年苯加氫生產(chǎn)的焦化純苯比石油苯的生產(chǎn)成本至少低1500元/噸，高額利潤吸引了市場對粗苯資源的重視，外商從2004年起加大了對我國粗苯資源的戰(zhàn)略性收購，造成我國粗苯出口數(shù)量的不斷增大。2003年出口

12、量為1.50萬噸，2004年達(dá)到1.95萬噸，2005年進(jìn)一步增加到6.57萬噸。</p><p>　　2 我國焦化廠粗苯生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢</p><p><b>　　產(chǎn)需逐年增長。</b></p><p>　　粗苯收率和全國焦化行業(yè)的回收率逐年提高。目前，國家對焦化行業(yè)的宏觀控制措施是：堅(jiān)決關(guān)停小煉焦、土煉焦，4m以下的煉焦?fàn)t限期停產(chǎn)關(guān)閉；鼓

13、勵(lì)采用先進(jìn)的煉焦工藝，建設(shè)大型焦化廠；強(qiáng)制焦化企業(yè)必須配套建設(shè)化工產(chǎn)品回收裝置，不能只焦不化，實(shí)現(xiàn)環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，在限期內(nèi)不達(dá)標(biāo)的予以關(guān)停；提高焦化生產(chǎn)的準(zhǔn)入門檻，達(dá)不到規(guī)?；a(chǎn)、工藝落后的生產(chǎn)裝置一律不準(zhǔn)建設(shè)。在這一系列政策的指導(dǎo)下，2005年全國已關(guān)閉了1600余家小型焦化廠，而大型焦化廠正在掀起新一輪的建設(shè)熱潮，山西、山東、安徽、內(nèi)蒙、云南、新疆等省都正在建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)年產(chǎn)200萬t以上的大型焦化廠。這一批大型焦化廠全部配套建設(shè)化

14、工產(chǎn)品回收裝置，而且粗苯收率相對較高。其中山東兗州國際焦化公司年產(chǎn)200萬噸焦炭，回收粗苯量達(dá)2.7萬噸，收率達(dá)到1.35％。隨著大型焦化廠的陸續(xù)建成投產(chǎn)、粗苯收率的提高以及全國焦化行業(yè)粗苯回收率的提高，估計(jì)2006年焦化企業(yè)中粗苯回收比例會(huì)提高到70％以上。預(yù)計(jì)2006年粗苯產(chǎn)量將達(dá)到145萬噸左右，同比增長20%。</p><p>　　粗苯深加工將向大型精苯生產(chǎn)裝置逐轉(zhuǎn)移。</p><p&

15、gt;　　國內(nèi)小型粗苯深加工的精苯裝置多采用酸洗法生產(chǎn)工藝，不但無法實(shí)現(xiàn)多種化工產(chǎn)品的有效分離和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，而且產(chǎn)品質(zhì)量低，生產(chǎn)成本高，銷售價(jià)格上不去，很難與大型精苯裝置競爭。大型精苯裝置采用苯加氫生產(chǎn)工藝，能耗低、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、銷售價(jià)格高、競爭能力強(qiáng)，代表了當(dāng)今粗苯深加工的發(fā)展方向。目前，有實(shí)力的焦化企業(yè)或化工企業(yè)都在爭取建設(shè)大型精苯裝置，如河南神馬尼龍化工公司、寶鋼焦化公司、石家莊焦化公司、太原化工集團(tuán)公司籌都在建設(shè)或計(jì)劃建

16、設(shè)10萬噸/年以上的大型粗苯深加工的精苯裝置。隨著這些大型裝置的建成投產(chǎn)，粗苯深加工將向大型先進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)集中，小型酸洗法的精苯裝置將會(huì)逐步被淘汰。</p><p><b>　　1 換熱器</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　在工程中，將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給另一種流體的

17、設(shè)備，稱為換熱器。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體參與傳熱。一種流體溫度較高，放出熱量。另一種流體溫度較低，吸收熱量。但是有的熱交換器中也有多種溫度不同的流體在其中傳熱的，例如空分裝置中的可逆式板翅式換熱器。換熱器作為一種利用能源與節(jié)約能源的有效設(shè)備，在余熱利用、太陽能利用和地?zé)崮芾玫确矫嫫鹬匾淖饔谩?lt;/p><p><b>　　1.2工作流體特性</b></p>&

18、lt;p>　　在換熱器中參加傳熱過程的流體，分別稱為熱流體和冷流體，通稱工作流體。雖然有很多場合，工作流體的種類和參數(shù)已為工藝條件所確定，但是也有許多場合是可有設(shè)計(jì)者進(jìn)行選擇和確定的。無論什么情況，了解工作流體的特性，都是非常重要的。一般而言，對工作流體的基本要求是：</p><p>　　來源充足，輸送方便，價(jià)格便宜，能就近解決。</p><p>　　使換熱器在給定的熱負(fù)荷下所需的傳

19、熱面積比較小。因而所用的流體應(yīng)該是：密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)大；在高溫工作時(shí)的工作壓力低；在沸騰或冷凝過程中汽化潛熱大。</p><p>　　1.3傳熱的一般概念</p><p>　　熱量從高溫度區(qū)移動(dòng)的過程稱為熱量傳遞，稱為傳熱。熱力學(xué)第二定律指出，凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量傳遞，故在幾乎所有的工業(yè)部門，如化工、能源、冶金、機(jī)械、建筑等都設(shè)計(jì)傳熱問題。尤其是化學(xué)工業(yè)中，因?yàn)榛瘜W(xué)生產(chǎn)中

20、的很多過程和單元操作，都需要進(jìn)行加熱和冷卻，而且化工設(shè)備的保溫、生產(chǎn)過程中的熱能合理利用以及廢熱的回收等都涉及傳熱問題。</p><p>　　通常化工生產(chǎn)中對傳熱過程的要求主要有一下兩種情況：其一是強(qiáng)化傳熱過程，比如各種換熱設(shè)備中的傳熱；其二是削弱傳熱過程，如對設(shè)備或管道的保溫，以減少熱損失。</p><p>　　化工傳熱過程既可以連續(xù)進(jìn)行，也可以間歇進(jìn)行。對于前者，傳熱系統(tǒng)中能量不發(fā)生積

21、累，稱為穩(wěn)態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱的特點(diǎn)是傳熱速率在任何時(shí)刻都為常數(shù)，并且系統(tǒng)中個(gè)點(diǎn)的溫度僅隨位置變化而與時(shí)間無關(guān)；對于后者，傳熱系統(tǒng)中的各點(diǎn)溫度既隨位置又隨時(shí)間而變化，稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。</p><p>　　根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射，在實(shí)際傳熱過程中，熱量傳遞可以以一種方式進(jìn)行，也可以以兩種或三種方式同時(shí)進(jìn)行。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)根據(jù)對流傳熱機(jī)理所

22、設(shè)計(jì)，即對流傳熱是指流體流過固體壁面（流體溫度和壁面溫度不同）時(shí)的傳熱過程稱為對流傳熱。</p><p>　　1.4 換熱器的分類</p><p>　　換熱器的類型隨著工業(yè)發(fā)展而擴(kuò)大，早期的換熱設(shè)備由于制造工藝和科學(xué)水平的限制，多有結(jié)構(gòu)簡單、換熱面積小和體積較大等特征，如夾套式和蛇管式等。后來，由于制造工藝的發(fā)展，提出了一種管殼式的換熱器。這種換熱器的特點(diǎn)是單位體積設(shè)備所能提供的換熱面積要

23、大得多，傳熱效果也好。它成為長期以來在化工生產(chǎn)中所使用的典型的換熱設(shè)備。本世紀(jì)二十年代，開始出現(xiàn)板式換熱器，并應(yīng)用于食品工業(yè)。三十年代初，瑞典首次制成螺旋板換熱器。用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器。上述這些新型的高效式換熱器還存在一定的問題，六十年代左右，由于制造工藝上得到進(jìn)一步的完善，這些類型的換熱器重新又獲得發(fā)展，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用也愈加廣泛。隨著近代科技的發(fā)展（如高溫高壓、高速、低溫、超低溫）等，又促使了高強(qiáng)度、高效率的緊湊換熱器層出不窮。雖

24、然如此，所有的換熱器仍然可以按照它們的一些共同特征來加以區(qū)分。</p><p>　　按照用途來分：有預(yù)熱器（或加熱器）、冷卻器、蒸發(fā)器等等。</p><p>　　按照制造換熱器的材料來分：有金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等等。</p><p>　　按照溫度狀況來分，有：溫度工況穩(wěn)定的換熱器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而變；溫度工況不穩(wěn)定的換熱

25、器；傳熱面上的熱流和溫度都隨時(shí)間改變。</p><p>　　按照熱流體和冷流體的流動(dòng)方向來分，有：</p><p>　　順流式（或并流式）：兩種流體平行的向著同一方向流動(dòng)。</p><p>　　逆流式：兩種流體也是平行流動(dòng)，但是它們的流動(dòng)方向相反。</p><p>　　錯(cuò)流式（或叉流式）：兩種流體的流動(dòng)方向互相垂直交叉，當(dāng)交叉次數(shù)在四次以上時(shí)

26、，可以根據(jù)兩種流體流向的總趨勢將其看成逆流或順流。</p><p>　　混流式：兩種流體在流動(dòng)過程中既有順流部分，又有逆流部分。</p><p>　　1.4.1 根據(jù)傳熱方式分類</p><p>　　在化工生產(chǎn)中，由于用途、工作條件和載熱體的特性等的不同，對換熱器提出了不同的要求，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。以下可將換熱器按下列方式進(jìn)行分類：</p>

27、;<p><b>　　直接傳熱式換熱器</b></p><p>　　一種不需傳熱壁面,由冷流體與熱流體直接接觸進(jìn)行換熱的操作過程的換熱器,此類換熱器常用于工業(yè)生產(chǎn)中。這種換熱方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高。但是直接接觸式換熱的機(jī)理比較復(fù)雜，在進(jìn)行傳熱的同時(shí)往往伴隨著傳質(zhì)的過程。</p><p><b>　　間壁傳熱式換熱器</b&g

28、t;</p><p>　　在化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的是冷、熱流體不允許混合的換熱問題，此時(shí)常常將冷、熱流體用固體壁面隔開，使二者互不接觸，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o冷流體，冷、熱流體通過管子、板等壁面進(jìn)行熱量交換的傳熱操作過程的換熱器,是最普通的也最常用的換熱器,冷、熱流體都是流體,可以是空氣、煙氣、蒸汽、水。這是本文重點(diǎn)進(jìn)行討論的換熱器類型。如圖1.1：</p><p><b>　　

29、圖1.1</b></p><p><b>　　蓄熱式換熱器</b></p><p>　　蓄熱式換熱器是在蓄熱器中實(shí)現(xiàn)熱交換的一種換熱方式。蓄熱器內(nèi)裝有固體填充物（如耐火磚等），冷、熱流體交替流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量，從而達(dá)到換熱的目的。通常在生產(chǎn)中采用兩個(gè)并聯(lián)的蓄熱器交替使用。其缺點(diǎn)是設(shè)備體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合，因此這種換

30、熱器的使用范圍有限。它屬于間歇傳熱,在廢熱再生器中是切實(shí)可行有效的回收廢熱的方式,常被用于回收燃燒氣體的廢熱以及蒸汽等用量不均時(shí)作為調(diào)節(jié)手段。</p><p>　　1.4.2根據(jù)生產(chǎn)中的使用目的分類</p><p>　　可以分為冷卻器、加熱器、冷凝器、汽化器等。</p><p><b>　　1.4.3詳細(xì)分類</b></p>&l

31、t;p>　　按結(jié)構(gòu)分類：浮頭式換熱器、固定管板式換熱器、雙殼程換熱器、單套管式換熱器、多套管式換熱器、外導(dǎo)流筒式換熱器、折流桿式換熱器、熱管式換熱器、插管式換熱器、滑動(dòng)管板式換熱器。</p><p>　　按管板的形狀分類：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器、板式蒸發(fā)器、板式冷凝器、印刷電路板式換熱器、穿孔板式換熱器。</p><p>　　按密封形式分類：此類換熱器

32、多用于高溫、高壓的裝置中，主要類型有螺旋鎖緊環(huán)式換熱器、薄膜密封型換熱器、鋼墊圈型換熱器、密封蓋板式換熱器。</p><p>　　按強(qiáng)化傳熱原件分類：螺紋管換熱器、波紋管式換熱器、異形管換熱器、表面多孔管式換熱器、螺旋扁管式換熱器、螺旋槽管式換熱器、環(huán)槽管式換熱器、縱槽管式換熱器、翅管式換熱器、螺旋繞管式換熱器、T型翅片管式換熱器、新結(jié)構(gòu)高效換熱器、內(nèi)插物換熱器、鋸齒管換熱器。</p><p&

33、gt;　　空冷式換熱器分類：干式換熱器、濕式換熱器、干濕聯(lián)合式換熱器、電站換熱器、表面蒸發(fā)式換熱器、板式換熱器、能量回收換熱器、自然對流換熱器、高壓空冷器。</p><p>　　折流桿換熱器結(jié)構(gòu)與浮頭式換熱器、U形管式換熱器和固定管板式換熱器基本相同，其差別是將折流板用折流環(huán)所取代，流體流過折流桿時(shí)形成卡曼漩渦，來實(shí)現(xiàn)湍流而強(qiáng)化傳熱。</p><p>　　外導(dǎo)流筒換熱器結(jié)構(gòu)與浮頭式換熱器基

34、本相同，所不同的是殼程進(jìn)出口接管與導(dǎo)流筒不同。在進(jìn)出口處增大殼體直徑，使流體流動(dòng)改變，并使傳熱管可以排滿整個(gè)殼體，從而使旁路泄露和進(jìn)出口死區(qū)減少，效率增加，壓降減少。 </p><p>　　1.5幾種換熱器的特點(diǎn)及使用</p><p>　　在實(shí)際設(shè)計(jì)選型中,往往是已知高溫流體與低溫流體的兩側(cè)進(jìn)出口溫度,在做工藝設(shè)計(jì)選型時(shí),需要考慮的是在盡可能小的換熱面積下,有盡可能大的換熱

35、速率,以及較低的設(shè)備造價(jià)及施工費(fèi)。另外,在操作運(yùn)行及維護(hù)、清洗較方便的前提下考慮換熱器的設(shè)計(jì)選型。</p><p>　　1.5.1管殼式換熱器</p><p>　　管殼式換熱器是最常用的普通結(jié)構(gòu),它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。 固定管板式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)就是由于熱膨

36、脹而引起管子拉彎。U型管殼式換熱器就是克服此缺點(diǎn)將管子做成“U”型,一端固定，另一端活動(dòng),使得換熱器不受膨脹的影響,結(jié)構(gòu)較簡單,重量輕,其缺點(diǎn)是不能機(jī)械清洗、管子不便拆換、單位容量及單位質(zhì)量的傳熱量低,適用于溫差大、管內(nèi)流體介質(zhì)比較干凈的場合。 帶膨脹節(jié)式換熱器可解決膨脹問題,用膨脹接頭的結(jié)構(gòu),故適用溫差大的流體和高壓流體,因?yàn)榭蓪⒔宇^拆下來進(jìn)行清洗,所以可處理易結(jié)垢流體,而對低壓氣體則不適宜,但其缺點(diǎn)就是制造復(fù)雜。 浮

37、頭式管殼換熱器,其浮頭不與外殼相連,可自由伸縮,這樣既解決了熱膨脹的問題,也方便清洗,檢修時(shí)可將管芯抽出即可。 對于固定管板、列管、套管式換熱器每一外殼容積為1m³時(shí),其傳熱面積約為30-40㎡。對U 型管殼式換熱器、浮頭式換熱器每一外殼容積為1m³時(shí),其傳熱面積為70㎡左右。</p><p>　　1.5.2 板式換熱器</p><p>　　由于板式換

38、熱器的傳熱面上可以壓出凹凸形排液槽,在較低的雷諾數(shù)條件下既可出現(xiàn)紊流狀態(tài),故換熱系數(shù)較高,一般可達(dá)3000-5000K/㎡·h·℃,與同樣流速下的管殼式換熱器相比,此值約為管殼式換熱器的傳熱系數(shù)的3-5倍,雖然,這時(shí)板式換熱器的阻力會(huì)大一些,如在同樣耗功的條件下相比,則板式換熱器的放熱系數(shù)比管殼式的高一倍左右。 </p><p>　　由于板式換熱器的結(jié)構(gòu)緊湊、空隙小、因而單位體積的傳

39、熱面積增大,其安裝面積約為管殼式的1/2-1/3,可節(jié)省占地面積與施工費(fèi)用,每一外殼容積為1m³時(shí),其傳熱面積為80㎡左右,另外,板式換熱器容易增減換熱面積,對于管殼式換熱器在需要增加液體的處理量時(shí),原有熱交換器的傳熱面積幾乎不可能增加,但板式換熱器的傳熱面積卻很容易增加,從而增加處理能力,另外,板式換熱器只有傳熱板的外殼板暴露在大氣中,因此,散熱損失可忽略不計(jì),也不需保溫措施。 </p><p&

40、gt;　　板式換熱器在運(yùn)行維護(hù)方面的特點(diǎn)之一就是裝拆比較方便,甚至可以不必完全拆開,僅把壓緊螺栓松開就可抽出板片清洗、更換墊圈,以至更換板片。這對于換熱介質(zhì)容易產(chǎn)生沉積的物料就顯得尤為重要。 </p><p>　　允許用的溫度和壓力方面:用于板式換熱器靠每兩板片之間的墊圈,來防止物料泄漏,因而它的密封周邊的總長非常長,防止墊圈泄漏是板式換熱器的一個(gè)重要環(huán)節(jié),墊圈能承受。</p><p

41、>　　1.6換熱器在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，為了實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，統(tǒng)稱為換熱器。它是化工、煉油、動(dòng)力、原子能和其它許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備。對于迅速發(fā)展的化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)來說，換熱器尤為重要。通常在化工生產(chǎn)的建設(shè)中，換熱器約占總投資的10～20%。</p><p>　　在化工生產(chǎn)中，為了工藝流程的需要，往往進(jìn)行著各種不同

42、的換熱過程：如加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝等。換熱器就是用來進(jìn)行這些傳遞過程的設(shè)備，通過這種設(shè)備，以便使熱量從溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝上的需要。換熱器隨著使用目的的不同，可以把它分成為：熱交換器、加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。由于使用的條件不同，換熱設(shè)備又有各樣的形式和結(jié)構(gòu)。另外，在化工生產(chǎn)中有時(shí)換熱器作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分，如氨合成塔中的下部熱交換器、精餾塔底部的再沸

43、器和頂部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高溫氣體中的廢熱所用的廢熱鍋爐，有時(shí)在生產(chǎn)中也是不可缺少的?？傊?，換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用是十分廣泛的，任何化工生產(chǎn)工藝幾乎都離不開它。</p><p>　　在換熱設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器。目前這種換熱器被當(dāng)作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器，在許多工業(yè)部門中被大量地使用。尤其在化工生產(chǎn)中，無論是國內(nèi)還是國外，它在所有的換熱設(shè)備中，仍占主導(dǎo)地位。同時(shí)在近代的許多

44、化工生產(chǎn)中，如裂解、合成及聚合等，大都要求在高溫和高壓下進(jìn)行。如高壓聚乙烯要求操作壓力高達(dá)250MPa左右，新“德士古”制氫法要求操作溫度在750～1500范圍。這些條件下，要進(jìn)行熱交換是很不容易的，尤其在有腐蝕存在的情況下，實(shí)現(xiàn)熱交換更是困難。而管殼式結(jié)構(gòu)，它具有選材范圍廣，換熱表面清洗較方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理能力大，能承受高溫和高壓等特點(diǎn)。因此，能不斷擴(kuò)大它的使用范圍。由于現(xiàn)代化工廠的生產(chǎn)規(guī)模日益增大，換熱設(shè)備也相應(yīng)向大型化方向發(fā)展，

45、以降低動(dòng)力消耗，減少占地面積和金屬消耗。管殼式結(jié)構(gòu)的換熱器也能滿足這一要求。</p><p>　　近十余年來，另一種高效、緊湊式的新型換熱設(shè)備之一，即板式換熱器，已發(fā)展成為一種重要的化工設(shè)備。雖然目前它還處于發(fā)展階段，但它在化工和石油化工生產(chǎn)中已推廣應(yīng)用。它適用的介質(zhì)相當(dāng)廣泛，從水到高粘度的非牛頓型液體，從含有小直徑固體顆粒的物料到含有纖維的物料，均可處理。從生產(chǎn)工藝上說，它可以用作液體的加熱、冷卻、冷凝或蒸發(fā)，

46、單體的氣提，溶液的濃縮、聚合、脫氣、混合和乳膠的干燥等。</p><p>　　近年來，由于鋁及鋁合金釬焊技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，促使另一種高效、緊湊式的新型換熱器，即板翅式換熱器得到廣泛的應(yīng)用。雖然首先采用這種形式的換熱器是為了滿足飛機(jī)上中間冷卻器的要求，但由于它具有體積小，質(zhì)量輕，效率高和適應(yīng)的溫度范圍廣等突出的優(yōu)點(diǎn)，從而在化工、石油化工和其它許多工業(yè)部門中，也得到了迅速地推廣應(yīng)用?，F(xiàn)在，板翅式換熱器又成功地應(yīng)用

47、于天然氣加工過程中，如進(jìn)料氣冷卻器、部分冷凝器、底部蒸發(fā)器和壓縮機(jī)的中間冷卻器等。其它在航空、車輛和船舶等方面亦已開始推廣應(yīng)用。</p><p>　　目前螺旋板換熱器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用也日趨廣泛。在磷酸生產(chǎn)流程中，由于使用了這種形式的換熱器，在清洗時(shí)可不停車，每次清洗只需切換磷酸和水的通道即可。螺旋板換熱器在國內(nèi)首先較普遍地用在小化肥生產(chǎn)中半水煤氣的預(yù)熱器和氨合成塔下部的換熱器，目前已逐步推廣應(yīng)用的到其它化工生產(chǎn)

48、工藝中，在很多焦化廠中已經(jīng)開始普及用螺旋板式換熱器來作為貧富油換熱器了。</p><p>　　在化工生產(chǎn)過程中，除了遇到高溫、高壓、高真空和深冷等一些操作條妥善地解決這個(gè)問題，而提出和使用了一些新型材料的換熱器。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金屬材料以及鈦、鉭和鋯等稀有金屬材料制作的換熱器，以達(dá)到耐熱，耐壓和防腐的效果。玻璃換熱器應(yīng)用于生產(chǎn)中，目前還剛剛開始，并已推廣應(yīng)用到制藥工業(yè)中。石墨換熱器已在許多國家中得到廣

49、泛地應(yīng)用，如用來處理鹽酸、硫酸等腐蝕性介質(zhì)。此外，還可用于化肥、有機(jī)合成和農(nóng)藥等多種工業(yè)中。</p><p>　　在其它新型換熱器的應(yīng)用中，值得提出的為熱管。它是一種新型的傳熱元件，在六十年代中才開始應(yīng)用于宇宙航行，但目前它的發(fā)展已日趨完善，且逐步推廣應(yīng)用于其它工業(yè)部門。它能利用小的表面積傳遞大的熱量，因此它能充分體現(xiàn)換熱器的一種優(yōu)良的設(shè)計(jì)。</p><p>　　在化工生產(chǎn)中所使用的換熱器

50、種類和形式很多的，但完善的換熱設(shè)備至少應(yīng)滿足下列幾種因素：</p><p>　　1.保證達(dá)到工藝所規(guī)定的換熱條件；</p><p>　　2.強(qiáng)度足夠及結(jié)構(gòu)可靠；</p><p>　　3.便于制造、安裝和檢修；</p><p><b>　　4.經(jīng)濟(jì)上要合理。</b></p><p>　　1.7選擇換

51、熱器類型</p><p>　　目前很多焦化廠所使用的貧富油換熱器主要有管殼式換熱器和板式換熱器，管殼式換熱器主要用的是浮頭式換熱器，因?yàn)樨毟挥偷臏夭钕鄬Ρ容^大，而壓力不是很高，使用浮頭式換熱器能很好的消除溫差應(yīng)力。傳統(tǒng)的焦化廠均使用浮頭式換熱器。</p><p>　　近些年，隨著板式換熱器技術(shù)的改進(jìn)，很多板式換熱器表現(xiàn)出他優(yōu)良的性能，焦化廠中的貧富油換熱器目前主流的是螺旋板式換熱器。<

52、;/p><p>　　螺旋板式換熱器主要由螺旋板、接管、密封板組成，結(jié)構(gòu)簡單，材料利用率高，結(jié)構(gòu)上分可拆式螺旋板和不可拆式螺旋板二種，流量在Re>500時(shí)可連湍流狀態(tài)，因此比管殼式換熱器傳熱效率高1倍以上。</p><p><b>　　一、優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　1、可以做到全逆流流動(dòng)，傳熱效率高，比管殼式換熱器高1倍以上；</

53、p><p>　　2、結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積180㎡/  ；</p><p><b>　　3、結(jié)構(gòu)可靠；</b></p><p><b>　　4、不易污塞；</b></p><p><b>　　5、成本低；</b></p><p>　　6、適用溫

54、度t≤300℃,壓力一般不大于2.5Mpa；</p><p>　　7、螺旋板式換熱器適用于化工、較輕介質(zhì)場合。</p><p>　　二、缺點(diǎn)      </p><p>　　1、焊縫較長，易泄漏，易產(chǎn)生壓力腐蝕；</p><p>　　2、易結(jié)垢場合嚴(yán)禁使用。</p><p>　　鑒于焦化廠

55、環(huán)境惡劣，而貧油中的低凝固點(diǎn)的成分很容易結(jié)垢，而浮頭式換熱器便于清理污垢，而我選擇的設(shè)計(jì)壓力又比較大，如果用螺旋板式換熱器，焊縫過長，可能產(chǎn)生壓力腐蝕，并發(fā)生泄漏，并且浮頭式換熱器在抵抗溫差效應(yīng)方面有較好的效果，經(jīng)過綜合考慮，我認(rèn)為使用浮頭式換熱器利大于弊，因此，我選擇浮頭式換熱器作為焦化廠的貧富油換熱器。</p><p>　　2 焦化廠貧富油換熱裝置工藝計(jì)算</p><p>　　2.1主

56、要設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　本設(shè)計(jì)換熱器為焦化廠年產(chǎn)150千噸貧油和富油的熱交換裝置，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p>　　貧油流量：17123.29kg/h</p><p>　　貧油操作壓力：4.0Mpa </p><p>　　貧油入口溫度：170℃； 出口溫度：110℃</p><

57、;p>　　富油操作壓力：4.0Mpa</p><p>　　富油入口溫度：70℃； 出口溫度：120℃</p><p>　　由以上所述可得到表2.1：</p><p><b>　　表2.1 </b></p><p><b>　　2.2熱力計(jì)算</b></p><p>

58、　　2.2.1確定物性參數(shù)</p><p><b>　　定性溫度：</b></p><p>　　定性溫度可以取流體進(jìn)出口的平均溫度：</p><p>　　管程貧油的定性溫度： </p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　殼程富油的定性溫度：</

59、p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　已知焦化廠貧油在140℃下的物性參數(shù)：</p><p>　　富油在85℃下的物性參數(shù)：</p><p>　　2.2.2初步選定換熱器類型以及尺寸</p><p>　　初步確定使用浮頭式換熱器；選用φ19×2的錳合金鋼16；雖然貧

60、油在冷凝時(shí)容易結(jié)構(gòu)，但是由于連續(xù)處于高溫環(huán)境，故不易結(jié)垢，因此選擇貧油走管程，富油走殼程；初定管程流速為0.4m/s，設(shè)計(jì)壓力為4.0Mpa；殼程的設(shè)計(jì)壓力為4.0Mpa。</p><p>　　2.2.3估算換熱面積</p><p>　　(1)貧油產(chǎn)生的熱流量（忽略熱損失）：</p><p><b>　　(2) 富油流量：</b></p&

61、gt;<p>　　(3)平均傳熱溫差：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　?。?）溫差校正系數(shù)：</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　由《化工原理》p235查得：，取單殼程，得到平均傳熱溫度：</p><

62、;p><b>　　℃（2.5） </b></p><p>　　（5）根據(jù)《煉焦化學(xué)產(chǎn)品回收與加工》取得經(jīng)驗(yàn)值K=340W/():</p><p><b>　　估算傳熱面積為：</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　2.2.4初選換

63、熱器的型號</p><p><b>　　取貧油流速為：</b></p><p><b>　　=0.4m/s,</b></p><p>　　根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》P257選擇換熱管的尺寸。采用小的管徑，可以使單位體積的傳熱面積增大、結(jié)構(gòu)緊湊、金屬消耗量減少、傳熱系數(shù)提高。據(jù)估算，將同直徑換熱器的換熱管由改為，其傳熱面積可以增加

64、40%左右，節(jié)約金屬20%以上。雖然小管徑的流體阻力大，不便清洗，容易結(jié)垢堵塞，但是由于換熱器的管程介質(zhì)在高溫下不易結(jié)垢，故選擇小管徑，以提高換熱效率，選擇的換熱管。</p><p>　　根據(jù)《化工工程師技術(shù)全書》，采用正三角形排管方式，對于的換熱管采用管心距：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>

65、　　取單管程：</b></p><p><b>　　管數(shù)：</b></p><p><b>　　根（2.8）</b></p><p><b>　　管長：</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p

66、>　　由于管長太長，容易堵塞、彎曲、且換熱器外形太細(xì)長，需要用多管程。根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊》，取單程管長為l=3m,則管程數(shù)為：</p><p>　　取管程數(shù)為4，換熱管數(shù)約為：</p><p>　　鑒于采用多管程設(shè)計(jì)，計(jì)算中心排管數(shù)：</p><p><b>　　取Nc=18根</b></p><p><b

67、>　　估算殼體直徑</b></p><p>　　取=0.6，殼體直徑：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　根據(jù)《化工設(shè)備設(shè)計(jì)》圓整后： D=600mm</p><p><b>　　折流板：</b></p><p>　　采用

68、弓形折流板,取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25％，則切去的圓缺高度h為：</p><p><b>　　折流板間距B為：</b></p><p><b>　　折流板數(shù)目為：</b></p><p><b>　　取</b></p><p>　　折流板圓缺面水平裝配。</p&

69、gt;<p><b>　　計(jì)算接管尺寸：</b></p><p>　　取富油的流速為：，對于殼程而言，管內(nèi)徑：</p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術(shù)》管的公稱直徑選擇=80mm</p><p><b>　　對于管程而言：</b></p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術(shù)》管的公

70、稱直徑選擇：</p><p><b>　　2.3熱力核算</b></p><p>　　2.3.1傳熱系數(shù)的計(jì)算</p><p>　　以外表面為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)的計(jì)算公式：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　其中：</b

71、></p><p>　?。?） 管程傳熱膜系數(shù)：</p><p>　?。?） 管程流體流通截面積：</p><p>　?。?） 管程的實(shí)際流速：</p><p>　　故初選型號時(shí)所選取的貧油流速過高，重新選定：</p><p>　　取=0.2 m/s，則單程管數(shù)為：</p><p><

72、;b>　　單程管長：</b></p><p>　　每程管長為：l=3.5m，則管程數(shù)為：</p><p><b>　　管數(shù)為 110根</b></p><p>　　由于總管數(shù)沒有變動(dòng)，所以，殼體直徑D=600mm。</p><p>　　折流板的圓缺高度：h=150mm</p><p&

73、gt;<b>　　折流板間距：</b></p><p><b>　　折流板數(shù)目=6塊</b></p><p>　　殼程的接管直徑不變：=80mm</p><p><b>　　管程的接管直徑：</b></p><p>　　根據(jù)《過程裝備成套技術(shù)》選=200mm</p>

74、<p><b>　　管內(nèi)雷諾數(shù)：</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　，苯-甲苯的流動(dòng)狀態(tài)為過渡流，計(jì)算管程給熱系數(shù)時(shí)，要先按照湍流時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算，再乘以校正系數(shù)，得到實(shí)際的給熱系數(shù)。</p><p><b>　　校正系數(shù)為：</b></

75、p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　管內(nèi)的普朗特常數(shù)為：</p><p>　　按照湍流情況下的計(jì)算公式來計(jì)算關(guān)內(nèi)的給熱系數(shù)：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　則管內(nèi)的實(shí)際給熱系數(shù)為：</p><

76、;p>　　2.3.2管外給熱系數(shù)</p><p><b>　　殼程的當(dāng)量直徑：</b></p><p><b>　　管間截面積：</b></p><p><b>　　管外流速：</b></p><p><b>　　管外雷諾數(shù)為：</b></p&

77、gt;<p><b>　　管外普朗特準(zhǔn)數(shù)：</b></p><p><b>　　管外給熱系數(shù)：</b></p><p>　　2.3.3傳熱面積核算</p><p>　　1、污垢熱阻/管壁熱阻：</p><p>　　管外側(cè)的污垢熱阻系數(shù)為：·K/W</p><

78、;p>　　管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻系數(shù)為：·K/W</p><p>　　已知選用的換熱管，故已知管壁厚為：b0.002m</p><p>　　選用的換熱管材料是16Mn，已知16Mn的熱導(dǎo)率為：21.8W/m·K</p><p>　　因此，實(shí)際的傳熱系數(shù)為：</p><p><b>　　=</b><

79、;/p><p><b>　　2、傳熱面積校核：</b></p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　因此，與設(shè)計(jì)要求不符合，重新選定K的經(jīng)驗(yàn)值，重新計(jì)算。</p><p>　　3、重新計(jì)算殼體直徑：</p><p>　　取K=150 W/()，則估算換熱

80、面積值為：</p><p>　　單程管數(shù)n不變：n=54.22根</p><p><b>　　管長:</b></p><p>　　單程管長設(shè)為：l=4m，則所需要的管程數(shù)為：</p><p><b>　　換熱管總數(shù)大約為：</b></p><p>　　取四根備用換熱管，以防止

81、其中幾根換熱管發(fā)生堵塞后，仍能正常工作。</p><p><b>　　估算殼體直徑D：</b></p><p>　　取與之相近的殼體公稱直徑：D=800mm</p><p>　　相應(yīng)的折流板圓缺高度為：h=0.25D=200mm</p><p>　　相應(yīng)的折流板間距為：B=0.8D=0.8=640mm，取標(biāo)準(zhǔn)間距B=60

82、0mm。</p><p><b>　　對應(yīng)的折流板數(shù)為：</b></p><p>　　4、傳熱面積重新校核：</p><p>　　因此，估算面積符合高于設(shè)計(jì)要求，可行。</p><p>　　2.4換熱器的內(nèi)壓降核算</p><p><b>　　(1)管程流動(dòng)阻力</b><

83、;/p><p><b>　　(2.16)</b></p><p>　　其中，結(jié)垢校正因數(shù)；</p><p><b>　　串聯(lián)的殼程數(shù), ；</b></p><p><b>　　管程數(shù)，；</b></p><p><b>　　, </b>

84、;</p><p>　　分別為直管及回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降,Pa </p><p><b>　　根據(jù)《換熱器》可知</b></p><p><b>　?。?.17）</b></p><p><b>　　因此，可以計(jì)算</b></p><p>&l

85、t;b>　?。?.18）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=2.4</b></p><p>　　由于采用多管程設(shè)計(jì)，根據(jù)《熱交換管專用設(shè)備》可以知道，局部阻力系數(shù)：</p><p><b>　　ζ=3-4，</b>&

86、lt;/p><p>　　，分別為直管和回彎管中因摩擦阻力而引起的壓力降，取管壁粗糙度為=0.2mm，傳熱管的相對粗糙度=0.2/15=0.013,已知=4003，由《換熱器設(shè)計(jì)》λ-Re關(guān)系圖中可以查得：</p><p>　　λ=0.011，取ζ=3，因此：</p><p>　　根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)》在10000-100000Pa之間，因此，管程流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。&l

87、t;/p><p>　?。?）殼程流動(dòng)阻力：</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　采用正三角形排管方式，此時(shí)Fs=0.5，Ns=1；則可以求得：</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　——流體橫過管束的壓降，Pa；<

88、/p><p>　　——流體橫過折流板缺口的壓降，Pa；</p><p>　　F——管子的排列方法對壓降的校正系數(shù)。正三角形排列是取F=0.5，正方形排列時(shí)取F=0.3，組合排列時(shí)取F=0.4。</p><p>　　——?dú)こ塘黧w的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re>500時(shí)：</p><p>　　Nc——橫過管束中心線的管子數(shù)；采用多管程設(shè)計(jì)，估算中心排管數(shù)；

89、</p><p>　　Nc——1.19=24.96，取Nc=25根；</p><p>　　——折流板的數(shù)目，由前面計(jì)算可知，=6；</p><p>　　B——折流板間距；B=0.8D=640mm；取600</p><p>　　——收到接殼體流通截面積的計(jì)算流速，m/s；</p><p><b>　　流通截面積

90、：</b></p><p><b>　?。?.20）</b></p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>　　因此，殼程的流動(dòng)阻力也在允許范圍之內(nèi)。</p><p>　　2.5換熱器壁溫計(jì)算</p><p>　　2.5.1 換熱管壁溫計(jì)算&l

91、t;/p><p><b>　　符號說明：</b></p><p>　　——以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的總傳熱系數(shù)， W/（m·℃）；</p><p>　　——污垢熱阻，㎡·℃/w；</p><p>　　——分別為熱、冷流體的的平均溫度，℃；</p><p>　　——分別為熱流體的

92、進(jìn)、出口溫度，℃；</p><p>　　——分別為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃；</p><p>　　——流體的有效平均溫差，℃；</p><p>　　——以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的給熱系數(shù)， W/（m·℃）。</p><p><b>　　熱流體側(cè)的壁溫：</b></p><p><

93、b>　　（2.22）</b></p><p><b>　　冷流體側(cè)的壁溫：</b></p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　℃</b></p><

94、p>　　2.5.2 圓筒壁溫的計(jì)算</p><p>　　由于圓筒外部有良好的保溫層，故殼體壁溫取殼程流體的平均溫度：</p><p>　　到此換熱器的工藝計(jì)算告一段落，其中工藝計(jì)算的主要目的是計(jì)算出其換熱面積，選出相應(yīng)的換熱器型式，因此，接下來應(yīng)該是進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度計(jì)算。</p><p>　　2.6換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果</p>

95、<p><b>　　表2.2</b></p><p>　　3 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)</p><p>　　在確定換熱器的換熱面積后，應(yīng)進(jìn)行換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，主要包括殼體和封頭的厚度計(jì)算、材料的選擇、管板厚度的計(jì)算、浮頭蓋和浮頭法蘭厚度的計(jì)算、開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)（如管箱、殼體、折流板、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱

96、的連接、管子與管板的連接、殼體與管板的連接等），具體計(jì)算如下。</p><p>　　3.1殼體與管箱厚度的確定</p><p>　　根據(jù)給定的流體的進(jìn)出口溫度，偏于安全設(shè)計(jì)，選擇設(shè)計(jì)溫度為300℃；設(shè)計(jì)壓力為4.0Mpa。</p><p>　　3.1.1殼體和管箱材料的選擇</p><p>　　由于所設(shè)計(jì)的換熱器屬于常規(guī)容器，并且在工廠中多采

97、用低碳低合金鋼制造，故在此綜合成本、使用條件等的考慮，選擇16MnR為殼體與管箱的材料。</p><p>　　16MnR是低碳低合金鋼，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性能，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，同時(shí)采用低合金鋼可以減少容器的厚度，減輕重量，節(jié)約鋼材。</p><p>　　3.1.2圓筒殼體厚度的計(jì)算以及校核</p><p>

98、;　　焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數(shù)；</p><p>　　根據(jù)GB6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》相關(guān)規(guī)定可知對16MnR鋼板其鋼板的厚度負(fù)偏差以及腐蝕裕量為為。</p><p>　　根據(jù)《壓力容器手冊》，勞動(dòng)人事出版社查得在溫度為300℃時(shí)材料的許用應(yīng)力為=144Mpa（厚度為6～16mm時(shí)），則殼體計(jì)算厚度按下式計(jì)算為：

99、</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)厚度：</b></p><p><b>　　名義厚度：</b></p><p><b>　　有效厚度：</b></p><p>　　根據(jù)《單用化工單元

100、設(shè)備設(shè)計(jì)》（李功陽、陳蘭英，華南理工大學(xué)出版社）中的表1-8，查得，當(dāng)殼體直徑為800mm情況下的最小厚度為12mm，而計(jì)算的名義厚度為14mm，此時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　對殼體進(jìn)行校核：</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　滿足設(shè)計(jì)要求，合格。</p&g

101、t;<p><b>　　因此，此壁厚合格。</b></p><p>　　根據(jù)《壓力容器手冊》，勞動(dòng)人事出版社查得在常溫條件下材料的許用應(yīng)力</p><p>　　=170 Mpa，進(jìn)行水壓試驗(yàn)。</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　為使液壓試驗(yàn)時(shí)容器材料處

102、于彈性狀態(tài)，在壓力試驗(yàn)前必須進(jìn)行水壓以檢驗(yàn)圓筒的薄膜應(yīng)力：</p><p><b>　　（3.4）</b></p><p><b>　　水壓試驗(yàn)合格。</b></p><p>　　3.1.3管箱厚度計(jì)算</p><p>　　管箱由兩部分組成：短節(jié)與封頭；且由于前端管箱與后端管箱的形式不同，故此時(shí)將前

103、端管箱和后端管箱的厚度計(jì)算分開計(jì)算。</p><p>　　3.1.3.1前端管箱厚度計(jì)算</p><p>　　前端管箱為橢圓形管箱，這是因?yàn)闄E圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。</p><p>　　前端管箱為橢圓形管箱，這是因?yàn)闄E圓形封頭的應(yīng)力分布比較均勻，且其深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型。</p><

104、p>　　此時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)《化工容器設(shè)計(jì)》，上?？萍汲霭嫔缡?-6可以計(jì)算封頭的形狀系數(shù)。</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　同時(shí)取鋼板厚度負(fù)偏差以及腐蝕裕量為：</p><p>　　封頭的厚度應(yīng)按 GB 150-1998 第 5 章計(jì)算：</p><p><b&g

105、t;　　封頭計(jì)算厚度：</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)厚度：</b></p><p><b>　　名義厚度：</b></p><p><b>　　有效厚度：</b></p>

106、<p>　　對封頭的最大允許工作壓力進(jìn)行校核：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　所取的設(shè)計(jì)壓力合適。</p><p>　　取封頭的型號參數(shù)如下：</p><p>　?。?）封頭總深度：240mm；</p><p>　?。?）封頭的內(nèi)表面積：0.794

107、；</p><p>　　封頭的容積：0.087；</p><p>　　封頭的總質(zhì)量：90kg。</p><p>　　短節(jié)部分的厚度取與封頭厚度相同，為14mm。</p><p>　　根據(jù)《壓力容器手冊》，勞動(dòng)人事出版社查得在常溫條件下材料的許用應(yīng)力</p><p>　　=170 Mpa，進(jìn)行水壓試驗(yàn)。</p>

108、;<p>　　為使液壓試驗(yàn)時(shí)容器材料處于彈性狀態(tài)，在壓力試驗(yàn)前必須進(jìn)行水壓來檢驗(yàn)圓筒的薄膜應(yīng)力：</p><p><b>　　水壓試驗(yàn)合格</b></p><p>　　3.1.3.2管箱法蘭選取</p><p>　　左端管箱的公稱尺寸為DN800，選擇長頸對焊法蘭，根據(jù)JB/T 4703，選取左端管箱法蘭WN800-4.0MFM，

109、外頭蓋法蘭的選取以及尺寸詳見本章3.4節(jié)。</p><p>　　3.1.3.3后端管箱厚度的計(jì)算</p><p>　　由于浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)與固定管板式換熱器的不同，因此，浮頭式換熱器的后端管箱是浮頭管箱，又可以稱為外頭蓋。外頭蓋的內(nèi)直徑取900mm。</p><p>　　選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因此，K=1，取鋼板厚度負(fù)偏差為,腐蝕裕量為：，計(jì)算厚度為：</p&g

110、t;<p><b>　　計(jì)算厚度為：</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)厚度為：</b></p><p><b>　　名義厚度為：</b></p><p><b>　　有效厚度為：</b></p><p>　　取外頭蓋的型號參數(shù)如下：&

111、lt;/p><p>　　外頭蓋的總深度：H=265mm；</p><p>　　外頭蓋的內(nèi)表面積：A=0.991；</p><p>　　外頭蓋的容積：V=0.121；</p><p>　　外頭蓋的總質(zhì)量：M=112kg。</p><p>　　短節(jié)部分的厚度與外頭蓋的厚度取相同值：16mm。</p><p&

112、gt;<b>　　3.2開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算</b></p><p>　　在該臺浮頭式換熱器上，殼程流體的進(jìn)出管口在殼體上，管程流體則從前端管箱進(jìn)入，而后端管箱上則有排污口和排氣口，因此不可避免地要在換熱器上開孔。開孔之后，出削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連接性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，會(huì)給換熱器的安全操作帶來隱患。因此此時(shí)應(yīng)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。</p><

113、p>　　由于管程出入口公稱直徑均為200mm，殼程的出入口公稱直徑為80mm，按照厚度系列，可以選擇管程接管的規(guī)格為φ219，殼程接管的規(guī)格為φ89，接管的材料選為20號鋼。</p><p>　　3.2.1殼體上的開孔補(bǔ)強(qiáng)</p><p>　　3.2.1.1補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別：</p><p>　　1、補(bǔ)強(qiáng)判別：根據(jù)GB150中表8-1，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接

114、管外徑是φ89，因此殼體上接管開孔理論上可以不另行補(bǔ)強(qiáng)，但是由于殼程流富油，富油中含有較高含量的BTX類化合物，為了盡可能防止泄漏，損失化工產(chǎn)品，故仍另行補(bǔ)強(qiáng)。</p><p><b>　　2、計(jì)算開孔直徑：</b></p><p>　　滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，因此，可以使用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。</p><p>　　3.2.1

115、.2 開孔所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算</p><p><b>　　強(qiáng)度削弱系數(shù)：</b></p><p><b>　　接管的有效厚度：</b></p><p>　　開孔做需要的補(bǔ)強(qiáng)面積可以根據(jù)下式計(jì)算：</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p

116、>　　3.2.1.3 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍</p><p><b>　　1、有效寬度B：</b></p><p>　　有效寬度B取兩者中的較大值，因此，有效寬度B=168mm</p><p><b>　　2、有效高度：</b></p><p>　　a、外側(cè)有效高度為：</p><p

117、>　　實(shí)際外伸長度為200mm；</p><p>　　取兩者中的最小值，因此外側(cè)有效高度為：</p><p><b>　　b、內(nèi)側(cè)有效高度：</b></p><p>　　實(shí)際內(nèi)伸長度為0mm；</p><p>　　取兩者中的最小值，因此內(nèi)側(cè)有效高度為</p><p><b>　　=

118、0mm</b></p><p>　　3.2.1.4 有效補(bǔ)強(qiáng)面積</p><p>　　1、殼體多余的金屬面積：</p><p><b>　　殼體的有效厚度：</b></p><p>　　則多余的金屬面積為：</p><p><b>　　（3.9）</b></

119、p><p>　　2、接管多余的金屬面積</p><p><b>　　接管的計(jì)算厚度：</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　接管多余的金屬面積為：</p><p><b>　　（3.11）</b></p>

120、<p>　　3、接管區(qū)焊縫面積（焊腳高度越大，焊接處的應(yīng)力幾種系數(shù)越低，因此選擇較大的焊腳高度，取為6mm）：</p><p><b>　　4、有效補(bǔ)強(qiáng)面積：</b></p><p>　　3.2.1.5 需要另行補(bǔ)強(qiáng)的面積：</p><p><b>　　擬采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)</b></p><p

121、>　　根據(jù)接管公稱直徑DN80，參照J(rèn)B/T4736-2002表一的補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)選取補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑160mm，認(rèn)為殼體為內(nèi)坡口的全焊透結(jié)構(gòu)，則根據(jù)JB/T4736-2002中的圖一取，坡口形式如圖3.1：</p><p><b>　　圖3.1</b></p><p><b>　　則補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑為：</b></p><p>

122、　　B=168>，補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度為：</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　考慮到鋼板負(fù)偏差并且經(jīng)過圓整，可以取殼體和管箱上補(bǔ)強(qiáng)圈的名義厚度為12mm。</p><p>　　根據(jù)GB4736-2002