1、 20xx 届 毕 业 设 计（论文） 学生姓名： xxx 学 号： 所在学院： 专 业： 设计 (论文 )题目 : 浮头式对二甲苯冷却器的设计 指导教师： 2012 年 6 月 本科生毕业设计（论文） 浮头式对二甲苯冷却器的设计 摘要 各 种类型的换热器作为工艺过程重要的设备，广泛应用于石油化工、医药、冶金、制冷等部门。换热器应按照工艺参数及条件进行设计，满足特定工况和苛刻操作条件的要求。管壳式换热器具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在工程中仍得到普遍使用。采用 HTFS 软件进行换热器工艺设计已很普遍，但为了使设计出来的换热器能更好地满足各种工况，仍然有许多方面需
2、在设计时加以充分考虑。 本文是对浮头式对二甲苯冷却器的设计，其主要研究内容和结论如下： 设计一台浮头式对二甲苯冷却器，首先进行冷却器的工艺设计，确定选用的管壳 式换热器的类型、换热器的管型、流体的走向和流向、确定相关的冷却介质，最后给出相关的理由。对二甲苯的性质对于工艺设计有一定的影响，而工艺设计的结果又可能直接影响到后期的热力计算和制图，所以如何正确的做出选择，需要查询一定量的国标和文献。 然后对于对二甲苯的物性参数的查询，通过实用热物理性质手册查询对应状态下的对二甲苯的物性参数。处理完基本数据，接着对冷却器进行结构的设计，初定换热系数，选择合适的管子尺寸，算的换热面积，冷却器管程和壳程的相
3、关结构尺寸，包括这流管尺寸、管子长度、接管直径等。壳程的尺寸通过管子的排布而确定，管子的布置尽量要均匀合理，以免导致受热不均引起的应力。 接着进行冷却器的热力计算。根据壳程和管程的传热系数，结合相关热阻和相关影响因素，算出系统总传热系数。然后根据水和对二甲苯的污垢热阻算出管程和壳程阻力。 本论文所做的工作是对浮头式对二甲苯冷却器设计的准备工作和设计计算的一整套过程，分析并研究冷却器设计过程中相关注意点，并怎样通过改变相关变量来提高冷却器的性能，为日后冷却器的相关设计研究提供了一定的理论基础。 关键词： 浮头式 对二甲苯 管壳式换热器 冷却器 摘要 The Design of floating
4、head p-xylene cooler Abstract As process equipment, all types of heat exchangers are widely used in petrochemical, pharmaceutical, metallurgy, refrigeration and other departments. The heat exchanger should be designed in accordance with the process parameters and conditions to meet the requirements
5、of the specific conditions and harsh operating conditions. Shell and tube heat exchanger has a solid structure, flexible operation, high degree of reliability, the use of a wide range, so is still widely used in engineering. HTFS software process design of heat exchangers has become commonplace, but
6、 in order to make the design of heat exchangers can better meet the needs of a variety of conditions, there are still many aspects need to be fully considered in the design. This article is the design of the floating head p-xylene cooler, and its main contents and conclusions are as follows: Design
7、a floating head p-xylene cooler ,determine the selection of shell and tube heat exchanger type of heat exchanger tube, the fluid toward and direction to determine the cooling medium. Finally, giving related reasons. Have a certain impact on the p-xylene nature of the process design, process design r
8、esults may have a direct impact on the thermodynamic calculation and mapping of late, so how to make a choice, you need a certain amount of GB and literature, will be a difficulty. For inquiries on the physical parameters of the p-xylene, the corresponding physical parameters of p-xylene in the stat
9、e ok Practical Thermal Physical Properties Of Manual Queries. Deal with the basic data, then the cooler design of the structure, an initial heat transfer coefficient, and select the appropriate pipe size, count the heat transfer area, cooler tube side and shell side of the structure size, including
10、the flow tube size, pipe length, diameter, to take over. The size of the shell determined by the arrangement of the tubes, the layout of the pipe as far as possible should be uniform and reasonable so as not to cause the stress caused by the uneven heating. 本科生毕业设计（论文） Followed by a cooler thermal c
11、alculation. According to the shell and tube heat transfer coefficient, and the related thermal resistance and related factors to calculate the overall heat transfer coefficient. Then calculated according to the fouling resistance of the tube side and shell side. The work done in this paper is on the
12、 preparatory work of a floating head the p-xylene cooler design and design calculations of a set of processes, attention to points in the process of analysis and the cooler design, and how by changing the relevant variables to improve the cooler performance provides a theoretical basis. Key words: F
13、loating Head, P-xylene, Shell And Tube Heat, Cooler 本科生毕业设计（论文） 目 录 摘 要 . ABSTRACT. 第一章 绪 论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 国内外发展及研究动态 .1 1.2.1 理论研究 .1 1.2.2 实验研究 .5 1.2.3 设计方法研究 .7 1.3 课题研究的意义 .7 第二章 热力计算 .8 2.1 流体走向选 择 .8 2.2 已知数据 .8 2.3 流体的物性参数 .9 2.4 传热量与平均温差 .10 2.5 估算传热面积与传热面结构 .10 2.6 管程计算 .13 2.7 壳程结构及壳程
14、计算 .13 2.8 需用传热面积 .16 2.9 阻力计算 .17 第三章 结论与展望 .19 3.1 结论 .19 3.2 展望 .19 参考文献 .21 符号表 .22 目录 致谢 .23 本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、化工、冶金、电力、轻工、食品等行业应用普遍、在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%45%。近年来随着节能技术的发展，换热器的应用领域不断扩大，带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，管壳式换热器使用量最大。因此对 其进行研究就具有很大的意义 1。管壳式换热器
15、由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。它适应于冷却、冷凝、加热、蒸发和废热回收等各个方面。通常管壳式换热器的工作压力可达 4 兆帕，工作温度 200以下，在个别情况下还可以达到更高的压力和温度。一般壳体直径在 1800mm以下，管子长度在 9m以下，在个别情况下也有更大或更长的 2。 1.2 国内外发展及研究动态 1.2.1 理论研究 浮头式冷却器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形；管子为直管或 U形管 3。为提高换热器的传统热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转 45和同心圆等多种形式，前
16、三种形状是最为常见的。按三角形不只是，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大、管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支撑作用 2。浮头式冷却器根据其管束支承结构不同可分为四种形式：板式支承，如折流板换热 器；杆式支承，如折流杆换热器；空心环支承，如空心环换热器；管子自支承，如刺孔膜式换热器。传统的管壳式换热器采用弓形折流板支承，由于壳程流体在转折和进出口两端涡流的滞留区易产生传热死区，传热面积无法得到充分利用，并且
17、当流体横向流过管束时，流体第一章 绪论 2 在管子后方形成的卡门漩涡产生周期性交变应力，使管子发生流体诱导振动。为使折流板的性能得到改进，人们又提出了多弓形折流板，整圆形折流板，异形孔折流板、网状板，偏心孔折流板。这些新型折流板支承结构的出现主要是为了使流体由横向流动变为纵向流动，从而尽可能消除死区，使得传热综合性 能得到提高，也使得管束的抗振性能得到增强。 1管壳式换热器的失效与材料、结构、换热介质及工况等多种因素有关，有时是几种因素共同作用的结果。因此在换热器的选 材、设计、制造、装配和使用过程中要综合考虑各种影响因素，以防患于未然 4。 一种新型高效螺旋折流板换热器有望成为管壳式换热器升
18、级换代的主导产品， 大型石油、化工企业将能以简捷利低成本的方式实现节能。记者上周从杭州华东化工装备实有限公司了解到，其研制的新型高效螺旋折流板换热器 全封闭流道连续型无中心管螺旋折流板换热器在杭州龙山化工有限公司应用后，换热 器传热效率较原先提高 79 8。换热器是石油化工、冶金、电力等行业的主要设备，其设计制造水平的高低直接关乎换热效果，影响能耗。目前管壳式换热器约占我国全部换热器量的 70 80，石化企业换热器更是占全部设备的 40以上。国内外绝人多数在役的管壳式换热器还在采用垂直弓型折流板结构，存在流动死区大、壳程流动阻力大、易积垢等不足，换热器整体传热效率低，使用周期短，还容易诱发管束
19、的振动噪音 5 。 管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、 U 型管式换热器、双重管式换热器、填料函式换热器和双管板换热 器的 6。前 3 种应用比较普通。浮头式换热器的结构：两端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。浮头由浮动管板、勾圈和浮头端盖组成，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。它的特点是壳体和管束的热膨胀是自由的，管束可以抽出，便于清洗管间和管内。其缺点是结构复杂，造价高（比固定管板高 20%），在运行中浮头处发生泄漏，不易检查处理。浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的场合 2
20、。 在设计浮头式冷却器时，在满足工艺过程要求的前提下，浮 头式冷却器换热器应达到安全与经济的目标。浮头式冷却器设计的主要任务是参数选择和结本科生毕业设计（论文） 3 构设计、传热计算及压降计算等 7。设计主要包括壳体形式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算 8。浮头式冷却器的工艺设计计算，依据设计任务的不同可分为设计计算和校核计算两种，包括计算换热面积和选型两个方面 9。一般已知冷、热流体的处理量和它们的物性。进出口温度、压力由工艺要求确定。设计中需选择或确定的数据有三大类，即物性数据、结构数据和 工艺数
21、据。设计计算是由已知数据计算换热面积，进而决定换热器的结构，可选定标准形式的浮头式冷却器；校核计算是对已有换热器，核定一些运行参数，校核它是否满足预定的换热要求。 9文献 2提供了冷却器设计的基本步骤如图 1-1 所示。 第一章 绪论 4 图 1-1 冷却器的基本设计流程 冷却器设计存在的常见问题如下：（ 1）管程试验压力高于课程试验压力时管头的试压（ 2）水压试验压力的正确取值（ 3）避免换热管与管板异种钢焊接（ 4）高压换热器用换热管标准的正确选用（ 5）换热器受压失稳当量长度和最大无支撑跨距的取值问题（ 6）隔板槽面积取值的 误区（ 7） U形管换热器中 U形管弯管处的支撑不容忽略（ 8
22、）低温换热器管板与壳体的连接结构 10-12。 管壳式换热器中，对管程为双程或多程或壳程为二程时，必须没置隔板，这时管板上在设置隔板槽 部位不能布管，因此在管板计算中必须计算隔板槽面积 13。 在管壳式换热器设计工作中，管板上管孔数量是一个非常重要的设计数据，它是决定一台换 热器的换热面积、管板的计算厚度、壳程壳体计算厚度等许多结果的一个重要参数，必须绝对准确 14。换热器的传热面积与管、壳程流速联系密切，流速增大，流体湍流程度增大，壳程侧对流传热系数增大 ，壳程侧对流传热系数亦增大 15。流速增大，还可减少污垢在管子表面沉积的可能，管壁内、外侧表面上的污垢热阻减小；但同时流体阻力增大，换热面
23、积减小，设备投资减少；但同时流体阻力增大，压力降增大，动力消耗增大，操作费用增大。由此可见，流速和压降密切相关 16。 在冷却器的设计中，还有一些常规问题需要考虑。比如在物流的安排上，一般应遵循以下原则： 1不清洁的流体走管内，因为在管内空间得到较高的流速并不困难，而流速高，悬浮物不易沉积，且管内空间也便于清洗； 2体积小的流体走管内，因为管内空间的流动截面往往比 管外空间的截面小，流体易于获得必要的理想流速，而且也便于做成多程流动； 3压力大的流体走管内，因为管子承压能力强，而且还简化了壳体密封的要求； 4腐蚀性强的流体走管内，因为只有管子及管箱才需用耐腐蚀材料，而壳体可用普通材料制造，所以造价可以降低。此外，在管内空间装设保护用的衬里或覆盖层也比较方便，并容易检查； 5与外界温差大的流体走管内，因为可以减少热量的逸散； 6饱和蒸汽走壳程，因为蒸汽对流速和清理无甚要求，并易于排除冷凝液； 7 粘度大的流体走壳程，壳程的流动截面和方向都在不断变化，在低雷诺数
