甲胺装置E-751塔冷凝器的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘要 本设计是双管程固定管板式换热器，是目前应用较为广泛的换热器。固定管板式换热器的优点是：结构简单、紧凑，能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换；这种换热器使用于壳侧介质清洁且不宜结垢，并能进行清洗管束，壳程两侧温差不大或者温差较大但壳侧压力不高的场合。 本台换热器主要完成的是甲醇蒸汽、水蒸气 计压力为管程 程 作温度管程进 /出口 32/42 ，壳程进出口 ，设计温度管程 60 ，壳程 150 ，程介质主要为 85%）与水蒸气（ 15%）的混合物，传热面积为 158用 25500的无缝钢管换热，则可计算出 446根换热管， 00台换热器的管板延长兼做法兰，管板与换热管的连接方式为焊接，因管板上的应力较多，且内外温度有一定的差值，因此，对管板强度的校核是一个重点，也是一个难点，本文按照弹性支撑假设对管板进行设计和校核的。 关键词 ： 换热管； 固定管板； 温差应力 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is At of of is is we we of is is is to of of of of 2/42 of of . of 0 of 50 of of 85%） 15%） . 58 25is 46N of to a is to is in 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第一章换热器综述 . 1 热器的概述 . 1 壳式换热器的分类 . 1 定管板式换热器 . 1 头式换热器 . 2 形管换热器 . 2 料函式换热器 . 2 热器设计方案的原则 . 3 足工艺和操作的要求 . 3 足经济上的要求 . 3 证安全生产 . 3 热器管结垢及除垢 . 3 工或机械方法 . 4 洗法 . 4 学除垢 . 4 热器泄漏后如何进行试漏检查及堵管 . 4 漏检查 . 4 . 4 热器腐蚀的主要部位及腐蚀原因 . 5 热器腐蚀的主要部位 . 5 蚀原因如下 . 5 热器的发展前景 . 5 第二章换热器传热工艺计算 . 7 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 始数据 . 7 性温度及确定其物性参数 . 7 热量与水流量计算 . 8 效平均温差计算 . 9 程换热系数计算 . 10 构的初步设计 . 11 程换热系数计算 . 11 热系数计算 . 13 壁温度计算 . 13 程压力降计算 . 14 程压力降计算 . 15 第三章固定管板式换热器结构设计计算 . 17 热管材料及规格的选择和根数的确定 . 17 管方式的选择 . 17 体内径的确定 . 17 体壁厚的确定 . 18 箱短节壁厚的计算 . 19 体水压试验 . 19 头厚度的确定 . 20 箱水压试验 . 20 器法兰的选择 . 20 板尺寸的确定及强度计算 . 21 否安装膨胀节的判定 . 31 冲板尺寸的确定 . 32 流板尺寸的确定 . 32 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 管孔接管及其法兰的选择 . 32 孔补强计算 . 35 座 择及应力校核 . 38 总结 . 41 参考文献 . 42 致 谢 . 43 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第一章 换热器综述 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把 低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。 热器的概述 换热器在石油、化工、动力、能源、轻工、核能、食品等行业有着广泛的应用，其中管壳式换热器最为广泛。在化工生产的工艺过程中，各种传热单元，如：加热、蒸发、冷凝等。换热器是一种将热量从高温流体传递到低温流体的工艺设备。在化工厂中换热设备的投资约占总的投资的 10%20%，在炼油厂中约占总投资的 35%40%。 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某 些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单元设备，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，如氨合成塔内的换热器。 壳式换热器的分类 管壳式换热器是把换热管与管板连接，再用壳体固定的一种换热器。根据管板和壳体的连接方式，管壳 式大致可将其分为：固定管板式、浮头式、 U 型管式、填料函式等几种。 定管板式换热器 固定管板式换热器两端管板采用焊接方式与壳体连接。由于结构简单、紧凑、制造成本低，能得到最小的壳体内径，管程可分为多程，壳程也可分为双程，规格范围买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 广，故在工程中广泛应用。该换热器的缺点是壳程清洗困难，管壳程间有温差应力存在，当热冷流体温差较大时，需在壳体设置膨胀节。固定管板式换热器适用于介质清洁，不易结垢，以及温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。 头式换热器 浮头式换热器只有一端管板与壳体固定，而 另一端的管板壳在壳体自由浮动。这种换热器最大的优点是解除了壳体与换热管之间的相互约束，管束和壳体间不产生温差应力，因而可适用于温差较大的场合。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易地插入或抽出壳体，这样为检修、清洗提供方便。但是该换热器结构复杂，而且浮头端小盖在操作时无法判断泄露情况，因此在安装时要特别注意其密封。 形管换热器 换热器是将换热管弯曲成 U 型，换热管的两端固定在同一块管板上。该换热器由于壳体与换热管相互之间不产生相互的约束，因此不会产生由于热变形不同而产上的温差应力。该换热器由于只有一 块管板，且无浮头，故结构简单，造价低。由于管束可以从壳体内抽出，换热管的外壁便于清洗，但换热管内清洗困难，因此换热管内应走清洁且不易结垢的物料。该换热器的缺点是由于管束中心存在空隙，液体易短路，影响传热效率。同时一旦换热管出现问题，更换非常困难，只能采用堵死的方法，这将造成传热面积的损失。该换热器由于结构简单，特别适用于高温高压的场合。 料函式换热器 填料函式换热器是又一种为消除管子与壳体间热变形的不同而发展起来的固定管板式换热器，该换热器适用于壳程压力不高、介质腐蚀严重、 温差大而经常需要更 换管束的场合。从结构上说它具有浮头式换热器的优点，又克服了固定管板式换热器的缺点，结构简单，制造方便，易于清洗。但由于填料的密封效果较差，因此该换热器不适宜于操作压力和温度过高的场合，壳程内不适宜于走易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 热器设计方案的原则 足工艺和操作的要求 设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等，并自确定方案时，考虑到各种流体的流量，温度和压强变化使采取什么措施来调节，而在设备发生故障时，维修应方便。 足经济 上的要求 在确定某些操作指标和选定设备型式以及仪表配置时 ,要有经济核算的观点 ,既能满足工艺和操作要求 ,又使施工简便 ,材料来源容易 ,造价低廉。如果有废热可以利用 ,要尽量节省热能 ,充分利用 ,或者采取适当的措施达到降低成本的目的。 证安全生产 在工艺流程和操作中若有爆炸、燃烧、中毒、烫伤等危险性 ,就要考虑必要的安全措施。又如设备的材料强度的演算 ,除按规定应有一定的安全系数外 ,还应考虑防止由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要装置安全阀等。以上提到的都是为了保证安全生产所需要的。设计方案也可 能一次定不好 ,后来需要修改 ,但各物料流通路线和操作指标的改动都对后面的计算有影响 ,所以最好第一次确立就考虑周到些 . 热器管结垢及除垢 因为换热器大多是以水为载热体的换热系统，由于某些盐类在温度升高时从水中结晶析出，附着于换热管表面，形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂，当水的 较高时，也可导致水垢析出。初期形成的水垢比较松软，但随着垢层的生成，传热条件恶化，水垢中的结晶水逐渐失去，垢层即变硬，并牢固地附着于换热管表面上。 此外，如同水垢一样，当换热器的工作条件适合溶液析出晶体时，换热管表面上即可积附由物料结晶形成的垢层；当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速又较小时，部分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积，形成疏松、多孔或胶状污垢。换热器管束除垢的方法主要有下列三种。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 工或机械方法 并用压缩空气，高压水和蒸汽等配合吹洗。当管子结垢比较严重或全部堵死时，可用管式冲水钻（又称为捅管机）进行清理。当管束有轻微堵塞和积垢时，借助于铲削、钢丝刷等手工或机械方法来进行清理， 洗法 冲洗法有两种。第一种是逆流冲洗，一般是在运动过程中，或短时间停车时采用，可以不拆开装 置，但在设备上要预先设置逆流副线，当结垢情况并不严重时采用此法较为有效。 第二种方法是高压水枪冲洗法。对不同的换热器采用不同的旋转水枪头，可以是刚性的，也可以是挠性的，压力从 10 200由调节。利用高压水除污垢，无论对管间、管内及壳体均适用。高压水枪冲洗换热器效果较好 ,应用广泛。 学除垢 换热器管程结垢，主要是因为水质不好形成水垢及油垢的结焦沉淀和粘附两种形式，用化学法除垢，首先应对结垢物质化验分析，搞清结垢物性质，就可以决定采用哪种溶剂清洗。一般对硫酸盐和硅酸盐水垢采用碱洗 （纯碱、烧碱、磷酸三钠等），碳酸盐水垢则用酸洗（盐酸、硝酸、磷酸、氟氢酸等）。对油垢结焦可用氢氧化钠、碳酸钠、洗衣粉、液体洗涤剂、硅酸钠和水按一定的配比配成清洗液进行清洗。采用化学清洗的办法，现场需要重新配管，比较花费时间。 热器泄漏后如何进行试漏检查及堵管 漏检查 为了查明管子的泄漏情况，首先要作水压试验，一般均采用在管子外侧加压力的外压试验。其方法是：把水通入壳体，保持一定时间，用目测检查两端管板处管子的泄漏情况，对漏管做出记录。 管 管子本身的泄漏一般情况下是无 法修复的，假如泄漏管子的数量不多时，可以用圆锥形的金属堵头将管口两端堵塞，如管程压力较高时，堵紧后再焊住更可靠。堵头买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 的长度一般为管内径的 2 倍，小端直径应等于 的内径，锥度为 1:10，堵头材料的硬度应低于或等于管子的硬度。用堵管来消除泄漏时堵管数不得超过 10%。 热器腐蚀的主要部位及腐蚀原因 热器腐蚀的主要部位 换热器腐蚀的主要部位是换热管、管子与管板连接处、管子与折流板交界处、壳体等。 蚀原因如下 (1) 由于介质中污垢、水垢以及入口 介质的涡流磨损易使管子产生腐蚀，特别是在管子入口端的 40的管端腐蚀，这主要是由于流体在死角处产生涡流扰动有关。 (2)流板连接处的腐蚀 换热管与管板连接部位及管子与折流板交界处都有应力集中，容易在胀管部位出现裂纹，当管与管板存在间隙时，易产生 聚积及氧的浓差，从而容易在换热管表面形成点坑或间隙腐蚀使它成为 裂源。管子与折流板交界处的破裂，往往是由于管子长，折流板多，管子稍有弯曲，容易造成管壁与折流板处产生局部应力集中，加之间隙的存在，故其交界处成为应力腐蚀的薄 弱环节。 (3) 由于壳体及附件的焊缝质量不好也易发生腐蚀，当壳体介质为电解质，壳体材料为碳钢，管束与折流板为铜合金时，易产生电化学腐蚀，把壳体腐蚀穿孔。 热器的发展前景 换热器的所有种类中，管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水氯碱醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化 传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 工制造技术。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第二章 换热器传热工艺计算 始数据 管程水的进口温度 t 1 =32 管程水的出口温度 t”1 =42 管程水的工作 压力 壳程物料的进口温度 t 2 = 壳程水蒸汽的出口温度 t”2 = 壳程水蒸汽的工作压力 壳程物料的流量 21894 性温度及确定其物性参数 管程水定性温度 211 ）（ =2 4223 ）（ =37 (2 1) 管程水密度查物性表得 1 =)/( 管程水导热系数查物性表得 1 =(w 管程水粘度 1 = 管程水普朗特数查物性表得 壳程物料定性温度： 壳程水蒸汽冷凝点 : 2冷却段：2 )(t22tt i = 2 = 冷凝段： 9 1 2 9 1 9 1 222_ 壳程物料密度查物性表计算得： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 冷却段： 2 =85%5%： 2 =85%5%： 冷却段： 2( 冷凝段： 2( 壳程物料导热系数查物性表计算得： 冷却段： 2 =(w 冷凝段： 2 =(w 壳程物料粘度： 冷却段： 2 = 冷凝段： 2 = 壳程物料普朗特数查物性表计算得： 冷却段： 2凝段： 2热量与水流量计算 取定换热效率 =2t 时的汽化潜热 r=85%5%g/ 冷凝段传热量 : 8 4 5 9 0 8r 322 (2 3) 则设计传热量 : 0Q = ）（ 22 （ 流量 : 55 6)( 32202 ）（ 设冷凝段和冷却段分界处的温度为3 )-(112 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 3t = 32. . 98748 459 8 . 5 21112 (2 4) 效平均温差计算 逆流冷却段平均温差 : )l n ()()(321321 =)3 2 . 29 1 . 8 6( . . 8 6）（）（ =52 (2 5) 逆流冷凝段平均温差 : )l n ()()(132132 9 . 8) . 4 3 2 . 29 1 . 8 6) . 4()3 2 . 29 1 . 8 6( (2 6) 冷却段 : 参数 :P=331t tt = =数 :R=312 = 6 =热器按单壳程双管程设计则查图 2-6(a)，得 : 温差校正系数 =效平均温差 :nm t t=2= 冷凝段： 参数 :P= . 00404291. 863232. 2t1213 参数 :R= 0t132 换热器按单壳程 4 管程设计则查图 2-6(a)，得 : 温差校正系数 =效平均温差 : nm t t = 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 程换热系数计算 初选冷却段传热系数 : 0K =650 ）（ w 初选冷凝段传热系数 : 8000 “K ）（ w 则初选冷却段传热面积为 : 0F = 2 = 2393.4 m 初选冷却段传热面积为 : 0F = 0 t = m 选用 的无缝钢管做换热管 则 : 管子外径 0d =25管子内径 20管子长度 L=4500 则需要换热管根数 : 0= 根 可取换热管根数为 450 根 管程流通面积 : 1a = 222it = 管程流速 : 1w = 1113600 =s 管程雷诺数 : 1 111 / 管程冷却段的定性温度 : 311 管程冷却段传热系数 : 1 = 0 0( )0 1 6 0 5 (2 7) 管程冷凝段传热系数为 : 管程冷凝段的定性温度 : 3 2 321 (2 8) 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 管程冷凝段传热系数 : 1 = 00( )605 (2 9) 构的初步设计 查 管间距按 d 取 管间距 :s=管束中心排管数 : 1.1 =，取 23 根 则壳体内径 : 0( 804m 圆整为 : 则长径比 : 理 折流板选择弓形折流板 : 弓形折流板的弓高 : =流板间距 : 3= 取 B =250 折流板数量 : 1 b =16 块 程换热系数计算 壳程流通面积 : )1(f 02 i (2 10) 壳程流速 : 冷却段 : 22 22 s 冷凝段 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 壳程当量直径 : (2 11) 冷凝段管外壁温度假定值 : 70t w 膜温 : 8 0 . 9 322膜温下液膜的粘度 : m 833 膜温下液膜的密度 : 3/g 膜温下液膜的导热系数为 : 65.0m )/(w 正三角形排列 4 2 . 7 9 64 5 00 8 Nn s 冷凝负荷 : 12) 壳程冷凝段雷诺数 : (2 13) 壳程冷凝段传热系数 : e(131223）（“mm g (2 14) 652 冷却段雷诺数 : 22 42w 103 6 粘度修正系数 : 0 . 9 7)108 2 . 42107 . 9 721()( w壳程传热因子查图 2 : 90冷却段壳程换热系数 : 31222 (2 15) 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 热系数计算 查 138 页可知 物料的侧污垢热阻 : 2r = )/m(101 25 管程水选用地下水，污垢热阻为 :1r = )/m(3 24 由于管壁比较薄，所以管壁的热阻可以忽略不计 冷却段总传热系数 : 10122111 传热面积比为 : 0 / KK j （合理） 冷凝段总传热系数 : 10122111 传热面积比为 : 0 / KK j （合理） 壁温度计算 设定冷凝段的长度 : L 冷却段的长度 : 冷却段管外壁热流密度计算 : )/(q 022 t )/( (2 16) 冷却段管外壁温度 : )/1( 2222 w (2 17) 误差校核 : ww 误差不大 冷凝段管外壁热流密度计算 : )/(q 022 t )/(4 7 5 2 3 4 w 2 (2 18) 冷凝段管外壁温度 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 )/1( 222 误差校核 : ww 误差不大 程压力降计算 管程水的流速 : 1u 1113600= s (2 19) 管程雷诺准数 : 1111 / 程摩擦系数 : =降结垢校正系数 : 程压降 : i (2 20) 管程数 : 管程回弯次数 : n=1 回弯压降 : 2t取管程出入口接管内径 : 1d 250程出入口流速 : 121136 004 m/s 局部压降 : 2 )113 管程 总压降 : 321 程允许压降 : P =35000 A 所以 c 孔不需要补强。 根据 目 其它各孔也不需要补强。 座 择及应力校核 根据 4712式支座选择重型 B 型双筋、带垫板焊制式鞍式支座。鞍座 B 800S 各一个。材料为 料许用应力 。 当 00所选鞍式支座的相关尺寸见表 3 3号 项目 符号 单位 数值 1 公称直径 DN 00 2 允许载荷 Q 20 3 鞍座高度 h 00 4 底板 1l 20 1b 50 1 0 5 腹板 2 0 6 筋板 3l 00 3b 20 3 0 7 垫板 弧长 40 4b 60 4 e 5 8 螺栓间距 2l 30 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 39 9 带垫板鞍座质量 M 8 10 鞍座包角 120 11 增加 100度增加的质量 鞍座校核： 封头高度 H=200体长 L=4500备总重量 4950关系数计算如下 序号 项目 符号 单位 根据来源及计算公式 数值 1 支座反力 F N 2126250 2 系数 1C )3/41(4 )/()/(21 221 i 系数 2C 412 系数 3C )( 223 筒体在支座跨中截面处的弯矩 1M ( 11 29820592 6 筒的支座界面的弯矩 2M 1( 2322 i 跨中截面处的轴向应力 (最高点 ) 1 11 跨中截面处的轴向应力 (最低点 ) 2 12 系数 A 0 系数 B 634 11 轴向许用应力 137 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 40 12 比较 M P 21 验算合格 筒体和封头中的切向剪应力 13 系数 3K 过程设备设计表 54 切向剪应力 a x 5 椭圆形封头的形状系数 K 标准椭圆形封头 K=6 封头内压引起 h 27 比较 ,8.0 t筒体的周向应力 18 鞍座截面筒体最低处的周向应力 5255 9 系数 5K 过程设备设计表 5 3 0 筒体有效宽度 2b mm 1 鞍座边角处筒体的周向应力 6 626124 e 2 系数 6K 过程设备设计表 53 比较 ,5 t t 验算合格 鞍座腹板应力 24 系数 9K 过程设备设计表 55 鞍座腹板厚度 0b 10 26 鞍座计算厚度 实际高度 200 27 取 中较小者为和 2333 200 28 鞍座有效断面平均应力 9 oi 9 比较 t329 验