回流冷凝器设计毕业设计(编辑修改稿)

回流冷凝器设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

业的需求。 在工业生产中，回流冷凝器主要是利用地下水冷凝蒸汽，使蒸汽经冷凝后变为液体，以满足化工行业的需要。 此外，换热设备也可以回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。 例如，烟道气（约 C300~200 ）、高炉炉气（约 C1500 ）、需要冷却的化学反应工艺气（ C1000~300 ）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。 选题的依据和意义 回流冷凝器是将热流气体冷凝为冷流体。 改革开放以来，随着现代工业的迅速发展 ,我国环境容量小，生态环境脆弱，资源相对短缺三大问题日益突出。 故在寻找新能源的同时 ,也更加注重了节能新途径的研发。 强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境 ,而且能大大节约投资成本。 换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用 ,使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究 人员的重视 ,各种研究成果不断涌现。 各种不同结构和种类的换热器发展很快 ,新结构、新材料的换热器层出不穷。 换热器既可是一种单独的设备 ,如加热器、冷却器和凝汽器等。 也可是某一工艺设备的组成部分 ,如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。 同时日常生活中的暖通空调，北方冬天家里用暖气等都需要提高能源利用率，这些都给换热器带来了日益广阔的发展前景。 设计具有很强的实际意义。 本设计的目的和要求 首先查阅相关文献资料了解回流冷凝器的基本原理、性质及应用，在化工生产中的地位和作用、回流冷凝器应用的现状和发展趋势、设计的理 论基础、技术路线及其意义，对回流冷凝器设计有一个大体上的认识和理解。 然后 根据工艺要求进行工艺流程计算，确定设备类型、结构，并完成设备工艺设计部分，借助化工模拟软件完成。 接着完成回流冷凝器结构设计与部分零部件选型，进行设备强度 2 校核，利用 SW6 软件包完成设备的强度计算，并以此计算结果作为最终结果，完成设计计算说明书。 最后利用计算绘图软件绘制设备的整套设计图纸，撰写毕业设计说明书。 毕业设计是在完成各项设计内容的基础上，按上述内容阐述设计的目的、过程、成果及结论。 在撰写设计说明书的过程中，理论依据要充分，数据要准 确，公式计算要正确，能将所学的知识和技能应用于毕业设计中。 另外，要注意设计说明书结构的合理性；总体设计方案要正确合理；结构设计的合理性，设计数据的准确性；社会调查的客观性和科学性。 是否有自己独特的见解或者创新。 另外，撰写设计说明书时要概念清楚，内容正确，结构严谨，文字通畅，用语符合技术专业规范，各种标准资料的运用符合学科、专业国家标准的规定，图表清楚，图面质量符合要求，书写格式规范。 国内外现状和发展趋势 回流冷凝器是换热设备的一类，用以冷却流体。 通常用水或空气为冷却剂以除 去热量，广泛用于化工，在精馏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，直接影响到精馏塔的稳定操作工况与馏出液的产品分率。 我国出现了自主开发传热技术的新趋势，大量的强化传热元件推向市场，国内外传热技术的代表作有 折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一大批优良的换热器。 现在换热器的研究及发展方向有：物性模拟研究；分析设计研究；大型化及能耗研究；强化技术研究；新材料的研究；控制结垢与腐蚀的研究等。 随着计算机技术的发展，使得一些新型研 究更为方便与快捷，使换热器更为安全可靠，随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型高效的空冷器所取代。 2 管壳式换热器的分类及选型 分类 根据管壳式换热器的结构特点，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）固定管板式换热器 固定管板式换热器的典型结构如图 21 所示，管束连接在管板上，管板与壳体焊接。 其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便， 3 管子损坏时易于堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时， 壳体和管束中将产生较大的热应力。 这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。 为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。 图 21 固定管板式换热器 （ 2）浮头式换热器 浮头式换热器的典型结构如图 22 所示，两管板中只有一端与壳体固定，另一端可相对壳体自由移动，称为浮头。 浮头有浮动管板、钩圈和浮头端盖组成，是可拆连接，管束可从壳体内抽出。 管束与壳体的热变形互不约束，因而不会产生热应力。 浮头式换热器 的特点是管间和管内清洗方便，不会产生热应力；但其结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。 适用于壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。 图 22 浮头式换热器 （ 3） U 形管式换热器 U形管式换热器的典型结构如图 23所示，这种换热器的结构特点是，只有 4 一块管板，管束由多根 U 形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。 当壳体与 U形换热管有温差时，不会产生热应力。 由于受弯管曲 率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。 当管子泄漏损坏时，只有管束外围处的 U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根 U形管相当于坏两根管，报废率较高。 结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板 式的场合。 特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。 图 23 U 形管式换热器 （ 4） 填料 函式换热器 填料函式换热器的结构如图 2 25所示，这种换热器的结构特点与浮头式换热器相类似，浮头部分露在壳体以外，在浮头与壳体的滑动接触面处采用填料函式密封结构。 由于采用填料函式密封 结构，使得管束在壳体轴向可以自由伸缩，不会产生壳壁与管壁热变形差而引起的热应力。 其结构较浮头式换热器简单，加工制造方便，节省材料，造价比较低廉，且管束从壳体内可以抽出，管内、管间都能进行清洗，维修方便。 因填料处易产生泄漏，填料函式换热器一般适用于 MPa4 以下的工作环境，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度也受填料的物性限制。 填料函式换热器现在已很少采用。 5 图 24 填料函双壳程换热器 图 25 填料函分流式换热器 （ 5） 釜式重沸器 釜式重沸器的结构如图 26所示，这种换热器的管束可以为浮头式、 U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、 U形管式换热器的特性。 在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定。 产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以 小些。 此换热器与浮头式、 U形管式换热器一样，清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。 图 26 釜式重沸器 任务安排 ： 30000 吨 /年正戊烷 8000kg/h 地下水 6 ： 立式列管冷凝器 (1)正戊烷：蒸汽温度 ℃ 冷凝为饱和液体 (2)冷却介质：地下水，入口温度 25℃ (3)每年 330 天计，每天 24 小时连续 选择换热器的类型 两流体在定性温度下的物性参数如下： 物料 温度 密度 粘度 比热容 导热系数 ℃ 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= ℃时正戊烷的蒸发潜热 r=热负荷为： Qh= hm r== ： T2=Q/(M2C)+T1=+25=℃ tm=（ 25+） /2 = ℃ 两流体的温差 Tmtm=50℃，选用固定管板式换热器 ： T m=（ +） /In{（ ） /（ ） }=℃ 3 换热器的工艺设计 工艺计算 流径选择 （ 1） 选择原则 7 ① 不清洁或易结垢的流体宜走容易清洗的一侧。 对于直管管束，宜走管程；对 于 U 形管管束，宜走壳程。 ② 腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 ③ 压力高的流体宜走管程，以避免制造较厚的壳体。 ④ 为增大对流传热系数，需要提高流速的流体宜走管程，因管程流通截面积一 般比壳程小，且做 成多管程也较容易。 ⑤ 两流体温差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走 壳程， 以减少管壁与壳体的温差，减小热应力。 ⑥ 蒸气冷凝宜走壳程，以利于排出冷凝液。 ⑦ 需要冷却的流体宜选壳程，便于散热，以减少冷却剂用量。 但温度很高的流 体，其热能可以利用，宜选管程，以减少热损失。 ⑧ 黏度大或流量较小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，在低 eR 下 （ 100eR ）即可达到湍流。 （ 2） 选择流径 正戊烷蒸汽相对比较洁净，选择正戊烷蒸汽走壳程，地下水走管程，既有利于地下水水冷却效率高，也可借助外界温度加速地下水冷却。 确定物性参数 由前面计算可知，正戊烷的定性温度 为 ℃ ，地下水水的定性温度为℃ . 根据定性温度，分别查取正戊烷和水的有关物性参数，列表 31 如下： 表 31 物性参数表 物性 壳程 (正戊烷 ) 管程 (地下水 ) 符号 数据 符号 数据 密度 3/mkg h 596 c 比热容 )/ Ckgkj （ hC cC 粘度 Pa S h 105 c 80105 导热系数 mW/ ℃ h c 进口 温度℃ 1T 1t 25 8 出口温度℃ 1T 2t 传热平均温度差的计算 根据间壁两侧流体温度沿传热面是否有变化，即是否有升高或降低，可 将传热分为恒温传热和变温传热两类。 若间壁的一侧或两侧流体沿传热面的不同位置温度不同，即流体从进口到出口，温度有了变化，或是升高或是降低，这种情况的传热称为变温传热。 在变温传热中，沿传热面温度差是变化的，所以在传热计算中需要求出传热过程的平均温度差 mt。 本设计就属于变温传热中两侧变温传热的情况。 根据两侧流体变温下的温度差变化情况，可分为逆流、并流、错流和折流。 在逆流（即冷、热两流体在传热面两侧流向相反）操作时，热流体和冷 流体用可以比并流操作时少，所以工程上多采用逆流操作，在本设计中先按逆流计算，再校正。 先求逆流时的传热平均温度差： 211 tTt  , 122 tTt  ； mt （ ） /ln()=℃ 计算传热面积 根据热流体为低沸点 烃类蒸汽冷凝，冷流体为水，根据《化工原理课程设计》有表 32取传热系数 计K =900 )]/([ 2 CmW  ， 表 32 管壳式换热器中 K 值的大致范围 热流体 冷流体 传热系数 K )]/([ 2 CmW  水 水 1700~850 轻油 水 910~340 重油 水 280~60 气体 水 280~17 水蒸汽冷凝 水 4250~1420 水蒸汽冷凝 气体 300~30 低沸点烃类蒸汽冷凝（常压） 水 1140~455 高沸点烃类蒸汽冷凝（常压） 水 170~60 9 水蒸汽冷凝 水沸腾 4250~2020 水蒸汽冷凝 轻油沸腾 1020~455 水蒸汽冷凝 重油沸腾 425~140 则有估算的传热面积： mtK。