论文总字数：21110字

摘 要

该固定管板式换热器（三氧化硫冷却器）是硫酸制造工艺中转化工序的主要设备之一，利用该设备将三氧化硫的温度降到工艺要求的温度。三氧化硫为管程介质，空气为壳程介质。

本文首先介绍了管壳式换热器的发展历程以及一些新型换热器，然后讨论换热器传热过程的强化，最后根据三氧化硫冷却却器制造工艺特点及设备设计相参照换热器有关设计标准进行工艺计算和设计计算，确定其结构尺寸大小，并且完成强度校核，最终设计出能满足实际生产要求的三氧化硫冷却器。

关键词：固定管板 换热器 三氧化硫 冷却器

ABSTRACT

This stationary tubesheet heat exchanger (sulfur trioxide cooler) is one main equipment in the transform process of vitriolic industry by which to down the temperature of sulfur trioxide to the technical require. The tube side medium is sulfur trioxide, while the shell side medium is atmosphere.

This paper introduces the development process of the shell and tube heat exchangers and some new heat axchangers , then discusses the strengthening for the heat exchanger. Finally, according to the sulfur trioxide cooler manufacturing process characteristics and equipment design related knowledge, reference for relevant design standard heat exchanger process and the calculation to determine the structure, size, and strength check. In the end, we designed a sulfur trioxide cooler which can satisfy the requirement of practical productions.

Keywords: stationary tubesheet; heat exchanger; sulfur trioxide; cooler

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 概述 1

1.1论文研究背景与意义 1

1.2国外研究文献综述 2

1.3国内研究文献综述 3

1.4主要研究内容及方法 4

第二章 总体设计 5

第三章 热工计算 6

3.1 原始数据 6

3.2 定性温度与物性参数 6

3.3 物料与热量衡算 7

3.4.有效平均温差 7

3.5 初算传热面积 8

3.6 换热器的结构设计 8

3.7 管程传热与压降 9

3.8 壳程传热与压降 10

3.9 总传热系数 12

3.10传热面积与壁温核算 13

第四章 详细的结构设计和强度设计 14

4.1 筒体的厚度 14

4.2 封头的选型 14

4.3 法兰的 选型 15

4.4 开孔补强 16

4.5支座的校核 18

4.6 筒体上的应力计算和强度校核 19

4.7 管板的计算 20

第五章 采用SW6-1998 V3.1软件计算的结果 22

结束语 46

参考文献 47

致谢 49

第一章 概述

1.1论文研究背景与意义

在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为热交换器。在这种设备内至少有两种温度不同的流体参与传热,一种流体温度较高，放出热量；另外一种流体温度较低，吸收热量。

冷却器作为换热器的一种类型，是国民生产中的重要设备，其应用遍及化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、海水淡化等各工业部门。例如，锅炉热力系统中的过热器、空气预热器、给水加热器、冷却塔等；金属冶炼系统中的热风炉、空气或煤气预热器、废热锅炉等；制冷及低温系统中的蒸发器、冷凝器等；石油化工工业中广泛采用的加热及冷却设备等，制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，这些都是冷却器应用的大量实例。它不但是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有相当重要的地位。例如在石油化工工厂中，它的投资要占到整个建厂投资的1/5左右；在年产30万吨的乙烯装置中，它的投资占总投资的25%。而本次课题研究的三氧化硫冷却器是固定管板式换热器，是最常用的管壳式换热器之一。其可靠性和可行性已被充分证明，特别是在较高参数的工况条件下, 管壳式更显示其独有的长处。我们在设计换热器产品时需要熟悉压力容器设计的基本要求，掌握换热器的常规设计方法。

三氧化硫冷却器在工业生产过程中，用冷却水将三氧化硫冷却，换热后的热水可供其他预热过程使用成为冷却水，实现了冷却水的循环使用，加大了热能的回收利用。根据不同的生产工艺与生产规模要求，设计出成本低、能耗少、效率高且维修方便的三氧化硫冷却器对工业生产有非常重要的意义。得到的液体三氧化硫是比普通烟硫酸更为有效的硫化剂，是制取高浓度发烟硫酸和氯磺酸的中间产品，具有广阔的市场前景。

1.2国外研究文献综述

对于换热器，伊斯兰自由大学的Farhami和Bozorgian两位学者在《换热器选择的影响因素》中进行了详细的分析。当设计一个换热器时，工程师计算出必要的换热器类型，根据成本比较选择一个基于国际标准且负担的起转换效率的换热器。在使用之前要对适用流体的影响因素分析，如可能的沉积物，PH值，酸度等。有必要可以加装滤波器。此外《换热网络夹点设计法》中提出了一种换热网络设计的新方法，它们的特点是网络模式，可控性好，所需的工厂布局安全等。如今，一种新的优化方法称为算法的变化（AOC）对管壳式换热器进行设计和优化。这种新的优化技术，是基于对易经的概念开发。在应用AOC的换热器设计问题时，新的优化方法利用基准优化问题，如全局优化测试函数和TSP检查。基于TSP的结果，被证明AOC比遗传算法更为优越，因此该方法用于换热器的优化设计。壳体内直径、管外径和折流板间距为设计变量，换热器的成本为目标函数。对于换热器的设计问题，结果表明，AOC与遗传算法这两种方法都能在短时间内找到最优解。在新型高效换热器方面，俄罗斯对气动喷涂翅片管换热器提出了一种先进方法, 即气动喷涂法, 来提高翅片化表面的性能。其实质是采用高速的冷的或稍微加温的含微粒的流体给翅片表面喷镀粉末粒子。用该方法不仅可喷涂金属还能金属陶瓷混合物,从而得到各种不同性能的表面。通常在实践中翅片底面的接触阻力是限制管子加装翅片的因素之一。瑞典Alares 公司开发了一种扁管换热器, 通常称为麻花管换热器。螺旋扁管的制造过程包括了“压扁”与“热扭”两个工序。改进后的麻花管换热器同传统的管壳式换热器一样简单, 但改进了传热, 减少了结垢, 真正的逆流, 降低了成本, 无振动, 节省了空间, 无折流元件。由于管子结构独特使管程与壳程同时处于螺旋运动, 促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%, 而压力降几乎相等。组装换热器时也可采用螺旋扁管与光管混合方式。该换热器严格按照ASME 标准制造, 凡是用管壳式换热器和传统装置之处均可用此种换热器取代, 它能获得普通管壳式换热器和板框式传热设备所获得的最佳值。Uttarw ar和Raja研究了管内插入不同形式的螺旋线圈强化层流区加热油的情况, 结果表明内插螺旋线圈强化层流区换热, 传热系数可高达315 倍, 而强化紊流区换热时, 传热系数只提高30% ~ 50%。换热器的发展需要不断的做新的改变。

1.3国内研究文献综述

换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性、可靠性起着举足轻重的作用因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。因此, 几十年来,高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课题,国内外先后推出了一系列新型高效换热器。如焊接试板式换热器，用焊接结构替代橡胶垫密封, 全焊式和半焊式板式换热器的出现, 消除了由于垫片材料耐温、耐腐蚀、耐压方面的限制。对于腐蚀介质使用板式换热器, 近年来得到很大发展。近期国内对换热器的研究方向主要是在非金属材料的应用、计算流体力学和模型化设计的应用、加强实验和理论研究、有源技术研究、强化结构组合研等方面。目前对管壳式换热器的研究主要有: 传热强化, 能量回收利用, 以及为高效化, 大型化的进展所作的研究。管程传热强化可以通过改变传热面形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的插入物。壳程的传热强化研究包括管型与管间支撑物的研究。根据不同的管束支承结构可分为板式支承、杆式支承、空心环支承、管子自支承等几种形式。扩大传热面积的发展可以分为以下这几个阶段：光滑表面阶段、粗糙表面阶段、插入件扰动阶段、喷流扰动阶段到目前的贴壁旋流扰动阶段。管子内插件的型式很多,绕花丝多孔体是由金属丝按设计出的最佳尺寸用专门的工艺制成的一种绕花状元件, 它可紧贴管内壁插入管内,实验得出高效绕花丝多孔体型的强化换热器的总传热系数比光管换热器有显著的提高。在强化传热方面，更有不断地创新发展，如应用最广的管壳式换热器开发了许多传热性能优异的传热管元件，有螺旋槽管、横纹管、非圆形管、多孔表面管、管外用纵槽结合管内用多孔表面；壳程用折流杆栅可提高传热系数20%，压降低50%，还可防流体诱振。随着不断的发展，换热器的革新很大程度表现在新材料的应用上。因为很多换热器存在着腐蚀现象，从而超级双相不锈钢换热器等应用新材料的换热器被研发成功。针对腐蚀这一问题，不仅仅新材料，塑料喷涂技术也有了有了一定的发展。该技术适用于骨式、板式、空冷器等换热器, 它不仅能提高材料的耐蚀性,还可减小流动摩擦阻力因而降低了动力损失。

1.4主要研究内容及方法

1.4.1研究解决的问题

根据三氧化硫冷却器制造工艺特点及设备设计有关知识，确定设计方法和步骤。

1.4.2采用的研究手段

1）完成调研，检索文献，对国内外在该领域的研究现状有足够的认识。

2）选择固定管板式换热器结构，进行结构等设计。

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