太原科技大学毕业设计（论文）
摘 要
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。
本文以固定管板式管式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要以循环水和氯乙烷为介质，按实际设计步骤依次进行工艺计算、结构设计和强度校核，并画出换热器的CAD结构图。主要研究内容如下：
（1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。
（2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对换热器进行设计，具体分为换热器的工艺计算，结构设计和强度校核。
（3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器支座的设计。
（4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。
除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。
本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准，在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出CAD图，对我们了解换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。
关键词： 换热器，工艺计算，机械设计，强度校核
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Abstract
The heat exchanger is the process of heat to the cold fluid, chemical production process of heat exchange and transmission of essential equipment.
Based on the fixed tube plate and tube type heat exchanger as the research object, referring to many domestic and foreign literature on the basis of the heat exchanger, the development, background, classification and application are explored and studied, with gas heat exchanger design process as the main line, structure design as the main body, a comprehensive introduction to heat exchanger the design of the whole process. This paper mainly in the circulating water and chlorine oxide as the dielectric, according to the actual design steps of process calculation, structure design and strength check, and draw the heat exchanger CAD structure. The main research contents are as follows:
(1) heat exchanger development, classification, material and applying heat exchanger were introduced, to understand the basic structure and basic principle.
(2) by referring to the design of the heat exchanger standards derived data, heat exchangers design, divided into specific heat exchanger process calculation, structure design and strength check.
(3) heat exchanger exterior design including its cylinder head design, design, tube box and heat exchanger bearing design.
(4) heat exchanger internal design includes: the heat transfer tube size, fixed tube plate thickness and the baffle dimensions.
Besides mentioned above, the research of heat exchanger content should also include the pressure vessel flange, pipe flanges, opening and reinforcement, took over the parts, and its attachments, each hole stress checking etc.
This article is in pressure vessel design and application of classification method based on the design of heat exchangers, consult the relevant standards, which are studied and analyzed the design data of the heat exchanger, make CAD picture, on our understanding of heat exchanger design process and function will have a more profound understanding of.
Key words: heat exchanger, process design, mechanical design, strength check
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第一章 绪 论
在不同温度的流体之间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。
1.1 合成氨的工艺流程
合成氨生产工艺过程示意图：
造气→粗煤气→低温甲醇洗及冷冻系统→液氨洗系统→氨合成→氨库 造气即原煤经处理系统产生煤与空气中分离的氮气在加压气化流中反应。
氨由H和N两种元素组成。合成氨是以H2和N2在一定条件下全盛的。H2是从煤中获得的，而N2是从空气中分离得到的。
原煤经过筛选，粉碎等过程后，在200#工段加压气化系统的燃烧炉内与高温水蒸气反应得到水煤气，反应的一系列方和如下：
燃烧层： C+O2→CO2+Q C+O2→CO+Q CO+O2→CO2+Q 气化层：
C+ H2O→CO2+H2 －Q C+ H2O→CO+ H2－Q C+ H2→CH4+Q CO+ H2O→CO2+ H2+Q
粗煤气继续在200# 经过洗涤降温，分离等程序最后进入300#，粗煤气变换系统的主要成分有CO2、CO、H2、H2S、CH4等。到300#的粗煤气洗涤变换后进入400#，在300#的变换炉内发生的主要反应有：C+ H2O→CO2+ H2 +Q。进入400#变换气冷却系统的变换气主要成分是CO2、H2，还有少量的CO、N2、H2S、CH4等。400#2段的主要作用是冷却变换气，气
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体的成分基本没有变化。
CO2、H2S等有害物质和各种杂质的作用会影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损坏等，因此，在合成氨之前必须将这些有害物质和杂质去除。500#低温甲醇洗涤系统和600液氮洗系统是用物理方法吸收，沉淀这些物质。500主要吸收CO2 和H2S，从500流出的净化气还有少量的CO、N2、CH4等。600#主要吸收CO，从1800#、5800#空气分离得到的N2 也进入600#，并和H2混合，得到比例大约为1：3的N2和H2混合气体。此混合气体进入900#氨全盛系统合成，反应方程式如下：
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N2+3 H2→2NH3
经氨合成系统合成的氨经处理后进入氨库。
1.2 低温甲醇洗工段工艺流程
冷却工段即为气氨的液化。气氨的液化包括气氨的压缩和冷凝，气氨在常压常温下冷凝温度为—33.35℃。因此，在常压常温下，气氨不能用常温水使其冷却成液氨。氨的冷凝温度随压力的提高而升高，当压力提高1.6MPa时，冷凝温度为40℃，高于一般冷却水温度，因此可以用25～35℃的常温水冷却，使之液化。
工艺流程：气氨冷凝为液氨，是靠冷冻循环来完成的，冷冻循环主要由压缩、冷却、冷凝、节流膨胀、蒸发五个过程组成的。气氨—冰机压缩提压后，进入氨冷却器，冷却后的气氨进入冷凝器，由冷却水把气氨冷凝为液氨，由冷却水将气氨放出的热量带走，冷凝后的液氨通过节流阀由冷凝压力降至蒸发压力。节流膨胀后的氨在氨冷器中蒸发吸收被冷却水的热量，此时液氨又变为气氨送入冰机进口，如此构成一个循环，这个循环周而复始的进行，被冷却物质的温度便于降低达到工艺要求。
1.3 第一换热器(3w-505A)的设计说明
第一换热器的主要作用是实现两种不同温度、不同压力之间的热量交换，从而满足工艺要求。
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第二章 控制方案的确定
2.1 工艺过程及控制参数的选取
1．被控变量的选择：本过程主要是冷却变换气，使变换气出口温度达到一定值来达到下道工段的要求。因而选择其出口温度为被控变量。
2．操纵变量：变换气进口流量。被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后 时间越小越好。
3．干扰因素：（1）变换气进口温度,压力及流量的变化； （2）变换气进口温度,压力及流量的变化； （3）周围环境的影响。 最终确定参数如下：
被控变量：变换气出口温度。 给定值：变换气出口给定温度。
测量值：由检测元件测得的变换气的实际出口温度值。 被控对象：变换气出口管。 操纵变量：变换气进口流量。
2.2 控制方案的设计
采用单回路控制系统。
温度给定值 ys偏差eTC控制信号 u调节阀操纵变量 m干扰 f y气体出口管 ymTT热交换器温度简单控制方框图图2.1热交换器温度简单控制方框图
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