1、 学号： 11403438 常 州 大 学 毕业设计（论文） （ 2015 届） 题 目 江苏斯尔邦醇基多联产项目 26万吨 /年丙烯腈装置 - - 蒸汽冷却器设计 学 生 邹侗 学 院 怀德学院 专业班级 装备（怀） 111 校内指导教师 张琳 专业技术职务 教授 校外指导老师 邱鹏 专业技术职务 工程师 二 一五 年三月 I 江苏斯尔邦醇基多联产项目 26万吨 /年丙烯腈装置 -蒸汽冷却器设计 摘 要： 在江苏斯尔邦醇基多联产项目 26 万吨 /年丙烯腈装置中，为了使生产过程中的水得到充分利用，将产生的水蒸汽冷凝。故需设计一台蒸汽冷却器使流体温度达到工艺流程中所需的温度要求，满足工业生产的
2、需要，同 时也可以提高能源的利用率。 本设计冷凝器从工作原理上划分属于换热器的一种，故结合化工工艺设计手册 、换热器设计手册、钢制列管式固定管板换热器结构设计手册等相关规范 了解换热器的设计、发展、用途等方面的知识，通过气液热交换器的设计过程为主线，从工艺、结构及强度校核等几个方面体现设计过程。本设计的主要内容为：（ 1）对换热器的基本结构和原理进行简单的阐述。（ 2）根据给定的工艺技术参数以的相关条件，进行工艺计算。（ 3）综合考虑换热管束、管板、管箱、壳体、折流板、进、出接管及防冲与导流等结构部分的设计并进行强 度校核。（ 4）对换热器的制造检验安装进行简介。本文是在压力容器的设计基础上，
3、查阅常规换热器的设计标准，综合考虑下得出换热器的设计数据，结果表明符合工艺要求，满足本工程设计的需求。 关键词： 蒸汽冷却器；工艺计算；结构设计；整体校核；设计规范 II Jiangsu Sier Bang Alcohol polygeneration project 260,000 tons / year of acrylonitrile plant-The Steam Cooler Design Abstract： Jiangsu Sier Bang Alcohol polygeneration project 260,000 tons / year of acrylonitrile pl
4、ant in order to make the production process of water are fully utilized, the resulting water vapor condensation. It is necessary to design a steam cooler fluid temperature reaches a predetermined temperature indicators processes to meet the needs of process conditions, but also can improve energy ef
5、ficiency. The design of the condenser from the working principle of a division belonging to the heat exchanger, it is combined with “Chemical Process Design Manual“, “Heat Exchanger Design Handbook“, “steel tube Fixed tube sheet heat exchanger design handbook“ and other knowledge-related specificati
6、on for heat exchanger design, development, use and other aspects of the design process by gas heat exchanger main line, reflecting the design process from several aspects, structure and strength check. The main contents of this design are: (1) The basic structure of the heat exchanger and the princi
7、ple of a simple exposition. (2) according to the given technical parameters related to the conditions, the process calculation. Moiety (3) Considering the heat exchange bundles, tube plates, tube box, shell, baffles, into and out of the red and the like takeover and anti-diversion design and strengt
8、h check. (4) heat exchangers, manufacturing and testing installation Introduction. This article is designed on the basis of the pressure vessel, consult a conventional heat exchanger design standards come under the heat exchanger design data into account, the results indicate that meet the technical
9、 requirements to meet the needs of the engineering design. Keywords: Steam cooler; process calculation; structural design; overall check; design specifications III 目 录 摘要 . Abstract. 目录 . 术语表 . 1 绪论 .1 1.1 换热器简介 .1 1.2 固定管板式换热器简介 .1 1.3 换热器结构分析 .1 2 工艺计算 .2 2.1. 基本设计参数 .2 2.2 确定各介质的物性参数 .2 2.3 计算总热流
10、量 .2 2.4 初设总传热系数 .3 2.5 初选换热器规格 .3 2.6 校核总传热系数 K.3 2.6.1 管程传热膜系数计算 .3 2.6.2 壳程传热膜系数计算 .3 2.6.3 总传热系数 K.4 2.7 校核壁温 .4 2.8 校核冷凝液流型 .5 2.9 接管尺寸的确定 .5 2.9.1 管程进出口 .5 2.9.2 水蒸汽进口 .5 2.9.3 冷凝水出口 .6 2.10 压力降计算校核 .6 2.10.1 管程的压力降 .6 2.10.2 壳程的压力降 .6 3 换热器结构设计及校核 .7 3.1 管程封头设计与校核 .7 3.2 管程筒体设计及水压试验 .8 3.3 开孔
11、补强 .9 3.3.1 壳程接口处的开孔补强 .9 3.3.2 管程接口处的开孔补强 .10 3.4 接管最小位置 .11 IV 3.4.1 壳程接管最小位置 .11 3.4.2 管程接管最小位置 .11 3.5 排气排液管设计 .12 3.6 管板法兰及螺栓设计与校核 .13 3.6.1 管板及法兰设计 .13 3.6.2 管板强度校核计算 .14 3.6.3 法兰垫片和螺栓计算及校核 .17 3.6.4 设计条件不同危险组合工况的应力计算 .19 3.7 壳程筒体设计与水压试验 .21 3.8 管束拉杆及定距管 .22 3.8.1 换热管的设计及校核 .22 3.8.2 拉杆的选取 .22
12、 3.8.3 定距管 .23 3.9 折流板设计 .23 3.10 防冲板设计 .24 3.11 旁路挡板设计 .25 3.12 吊耳设计 .26 3.13 鞍座的选取及强度校核 .26 3.13.1 鞍座结构的选取 .27 3.12.2 鞍座的强度校核 .28 4 设备的制造安装与检验 .32 4.1 制造设计与材料要求 .32 4.2 设备安装 .32 4.3 设备检验 .32 5 结束语 .33 参考文献 .34 致谢 .35 V 术 语 表 VI VII 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 1 页 共 35 页 1 绪论 1.1 换热器简介 换热器是使在不同温度下两种或多种流体化工设备
13、之间的材料实 现热交换的一种设备，是一种将热量从较高温度的流体传递到较低温度下的流体，以此来达到使流体温度变为规定温度的工艺要求的设施。不仅如此，在要求节能减排的当今社会中换热器的使用还可以提高工艺过程中的能源利用效率 1。 为了响应国家的节约能源，降低消耗的号召，充分利用生产过程中过剩的热量，并且进一步的提高化工等产业的经济效益，因此，需要制定不同的适应工业过程的高性能换热设备。由于当今社会的经济水平飞速发展，人们开始更多地关注所有的能源利用的细节 2。也需要更丰富，更便捷的方式来提供热量的传递，这种需求不断的增长 。目前各个国家提高为了热交换器的传热性能，开始了大量的研究。 1.2 固定管
14、板式换热器简介 固定管板式换热器 是一种当今社会中常见的热交换器，它 的 特点结构设计较 简单，制造成本 较 低， 壳程和 管程可多样 化设计制造。由于其使用的历史悠久而且有着较为完善的相关规范标准，在西方发达国家经过时间的检验。因此，在工程设备中固定管板式换热换器已被广泛应用 。 此热交换器的结构相对简单，运行可靠。可用各种金属材料制造，能在高温、高压下等条件下使用 3。虽然没有在传热效率，紧凑等方面胜过等新型高效 热交换 器，但它具有处理量较大，结构比 较可靠，材料范围广，适应性强，操作弹性大，易于制造，生产制造成本低等特点 4。 但是也是由于结构简单的原因，虽然设计使用清理方便，但在使用
15、过程中较大的热应力在壳体和管束中容易产生。为了减少热应力对固定管板式换热器的影响，可以在固定管板式换热器中设置一些元件，来吸收热膨胀差的影响保证正常的工作 5。 1.3 换热器结构分析 通常情况下冷凝器是一种制冷器件，用来将气体或蒸汽转换为液体，在化工装置被广泛使用，是化工行业不可或缺的重要设备。工业设计中，因其工作原理与换热器相似，故划分为换热器的一种 6。 此换热器器的封头选用 旋转椭圆球面母线的长、短轴之比 2.0 的椭圆形封头 ， 由旋转椭圆球面和圆筒形直段两部分组成 ，拥有着更好的整体性能。封头焊在管程筒体上与筒体合为一个整体。管箱和筒体用管板连接。 管板， 是一种固定管束并把管程与
16、壳程流体分开的热交换器的 配件 。 为了使两种流体间换热更加效率 提高传热 的 效果， 还应设计安装折流板在壳程中 。 本设计的壳程数为一，壳程的介质为气体，故采用的是左右布置的折流板 7。考虑到工艺因素还应安装相对应的接管以及固定的鞍座。经过多年的使用经验提高换热效率等因素还要安装吊耳、防冲板等附件。 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 2 页 共 35 页 2 工艺计算 2.1 基本设计参数 根据给定的设计任务书，本设计的基本工艺参数如下表 2.1 所示。 表 2.1 基本设计参数 参数名称 管程 壳程 介质 循环水 水蒸气（冷凝水） 入口温度 33 105 出口温度 43 105 工作压
17、力 MPa 0.54 0.02 流量 kg/h 7000 2.2 确定各介质的物性参数 管程定性温度： Cttt o382 43332 21 .（ 2.1） 壳程定性温度： CTTT o1 0 52 1 0 51 0 52 21 .（ 2.2） 根据对应的定性温度，分别查取管程与壳程流体的物性参数得到相应温度下的物性参数如表 2.28。 表 2.2 管程与壳程的物性参数表 2.3 计算总热流量 水蒸气 105时的凝结潜热： kgkjkgj /2 2 4 8/10)t4.22 5 0 0(r 3 .（ 2.3） kwkjqQ m 4 3 7 1h/106.1 5 7 32 2 4 87 0 0 0r 41 .（ 2.4） 管程流量 :： hkgtc Qqipimi/3 7 6 4 5 91018.4 106.1 5 7 3 4 .（ 2.5） 物性参数 管程 壳程（水蒸气） 壳程（冷凝水） 密度 )/( 3mkg 993.2 0.705 954.7 定压比热容 )/( CkgkjC op 4.18 1.92 4.23 导热系数 / ）（ CmW o 0.627 0.025 0.684 动力黏度 /mPa s 0.678 0.0125 0.27
