乙烯冷却设备设计-固定管板式换热器【2013年最新整理毕业论文】

西南石油大学毕业设计（论文） I 摘 要 固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构，也是目前应用比较广泛的一种换热器。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点 ,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度，因此在高温高压和大型换热器中，其占有绝对优势。 本次设计的题目是乙二醇塔底进料换热器的设计，课题预期达到的目标为： 换热器面积的计算（实际换热面积： 92.6mm2），管程壳程压力降的计算（小于等于 0.4MPa），工艺结构尺寸的计算：管程数（ 1 管程），换热管的确 定（内径： 19mm 数量： 500 根），壳体内径（ 600mm），壳程数（ 1壳程）的计算，折流板的选型（形式：弓形折流板，数量： 13）等。 换热器的强度计算：对筒体、管箱厚度的计算和校核，对壳体及管箱各处开孔补强，对延长部分兼做法兰的计算及强度核算。经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。 换热器的结构设计：折流板、法兰（甲型平焊法兰）、换热管、支座（鞍式支座）、垫片（石棉橡胶板垫片）的规格及选型。 完善设计图纸及设计说明书。 关键词：换热器；工艺；结构；强度 西南石油大学毕业设计（论文） II Abstract Fixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large,. This design topic is naphtha condenser design, the goal which the topic anticipated achieved: The craft design of heat exchanger:the heat transfer area computation(actual heat transfer area:322.2mm2)；tube side pressure drop computation( 0.4MPa)；the craft structure size computation:number of tube passes(2 tube passes),the number of heat exchange tube(inside diameter:19mm,number:900),the inside diameter of shell(1000mm), number of shell passes(1 shell passes),the lectotype of baffle board(form:segmental baffle,number:13)etc The strength calculation of heat exchanger:the computation and check of cylinder thinckness and channel thinckness,the shell and the reinforcement for opening supplements the intensity,the extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation. Examinatation part carried on the hydraulic pressure test, the pressure examination and so on, in which all results has been all qualified The structural design of the heat exchanger:The specification and lectotype of baffle plate、 flange(type A manhole weded flange)、 heat exchange tube、 suppot(saddle support)、gasket(paronite gasket) Consummates the design paper and the design instruction booklet Keywords: heat exchanger； craft；structure； intensity 西南石油大学毕业设计（论文） III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 引 言 . 1 1.1 换热器的用途 . 1 1.2 换热器的分类 . 1 1.3 换热器的发展趋势 . 1 第 2 章 固定管板式换热器的工艺计算 . 3 2.1 估算换热面积 . 3 2.1.1 选择换热器的类型 . 3 2.1.2 流程安排 . 3 2.1.3 确定物性数据 . 3 2.1.4 估算传热面积 . 4 2.2 工艺结构尺寸 . 5 2.2.1 管径和管内流速 . 5 2.2.2 管程数和传热管数 . 5 2.2.4 传热管排列和分程方法 . 7 2.2.5 壳体内径 . 7 2.2.6 折流板 . 8 2.2.7 其他附件 . 8 2.2.8 接管 . 9 2.3 换热器核算 . 9 2.3.1 热流量核算 . 9 2.3.2 壁温核算 . 13 2.3.3 换热器内流体的流动阻力 . 14 2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果 . 17 第 3 章 强度计算 . 19 3.1 筒体壁厚计算 . 19 3.2 管箱短节、封头厚度的计算 . 20 3.2.1 管箱短节厚度的计算 . 20 3.2.2 封头厚度的计算 . 20 3.3 管箱短节开孔补强的校核 . 21 西南石油大学毕业设计（论文） IV 3.4 壳体接管开孔补强校核 . 22 3.5 管板设计及校核 . 23 3.5.1 管板计算的有关参数的确定 . 23 3.5.2 计算法兰力矩 . 27 3.5.3 管板 的计算的相关参数 . 28 3.5.4 确定 和2G . 29 3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算 . 29 3.5.6 设计条件不同的组合工况 . 30 第 4 章 结构设计 . 36 4.1 折流挡板 . 36 4.2 法兰 . 36 4.3 换热管 . 37 4.4 支座 . 37 4.5 压力容器选材原则 . 38 4.6 垫片 . 39 第 5 章 结论 . 40 参 考 文 献 . 41 致 谢 . 43 西南石油大学毕业设计（论文） V 西南石油大学毕业设计（论文） VI 西南石油大学毕业设计（论文） VII 西南石油大学毕业设计（论文） VIII 1 第 1 章 引言 1.1 换热器的用途 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 1。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 2。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面：一是在生产工艺 流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著提高设备的热效率 3。 1.2 换热器的分类 换热器的种类划分方法很多，方法也各不相同。 按其用途：可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器 45。 按其传热方式和作用原理：可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛，它通过换热管的管壁进行传热。 具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点，是目前应用最为广泛的一种换热器 5。 管 壳式换热器的形式：管壳式换热器根据其结构的不同，可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、 U 形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等 68。 1.3 换热器的发展趋势 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。 30 年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器 912。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞 机发动机的散热。 30 年代末，瑞典又制造出第一台板 2 壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意 13。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。 70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基 础上又创制出热管式换热器 14。 当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造成本的标准系列化，并在广泛的范围内继续向大型化发展，并 CDF（ Comptational Fluid Dynamics）模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系 1516。 板翅式换热器（冷箱）主要用于乙烯裂解，空气分离和天然气液化等。我国杭州制氧机集团有限公司（杭氧）在引进美国 S-W 公司技术和关键加工设备 大型真空钎焊炉基础上，生产制造出的乙烯冷箱，设计水平和制 造能力已基本达到国际先进水平，并在燕山，扬子，上海，天津，广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达 15 股，单体外形尺寸达 6m 1.1 1.154m,最高设计压力达 5.12Mpa。 管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点，一直被广泛应用。尤其在高温高压和大型化的场合下，以及制造工艺上的进一步自动化和机械化，管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展17。 3 第 2 章 固定管板式换热器的工艺计算 2.1 估算换热面积 2.1.1 选择换热器的类型 两流体温度变化情况：热流体 进口温度 170，出口温度 140；冷流体进口温度 70，出口温度 90，因此初步确定选用固定管板式换热器。 2.1.2 流程安排 从两物流的操作压力来看，应使温度低的走管程，温度高的走壳程。 2.1.3 确定物性数据 定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。 故壳程流体的定性温度为： 1 7 0 1 4 0 1 5 5 ( )2T 管程流体的定性温度为： 7 0 9 0 8 0 ( )2t 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 2N在 155下的有关物性数据如下： 密度 1=1.38kg/ 3m 4 定压比热容 1pc=1.038kJ/kg 热导率 =0.0545W/m 粘度 =2.3 310 Pa s N2 在 80下的物性数据： 密度 =1.14kg/ 3m 定压比热容 2pc=1.038kJ/kg 热导率 =0.051W/m 粘度 =2.1 310 Pa s 2.1.4 估算传热面积 1.热流量： 1 1 1 1pQ m c t=D （ 2-1） 33 4 7 6 0 0 / 3 6 0 0 ()kw 2.平均传热温差 : 1212lnmttttt （ 2-2） ( 1 7 0 7 0 ) ( 1 4 0 9 0 )ln （ 170-70 ）（ 140-90 ） 24.66( )K 5 3.传热面积： 由于壳程的压力较高，故可以选取较大的 K 值。假设 K=20W/（ .K）则估算的面积为： 21 3 0 0 6 . 7 4 1 0 1 0 1 . 6 ( )pmQAmKt （ 2-3） 2.2 工艺结构尺寸 2.2.1 管径和管内流速 换热管的规格包括管径和管长，换热管直径越小，换热器单位体积的换热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。 本设计选用 25 2较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速iu=10.8m/s 2.2.2 管程数和传热管数 根据传热管内径和流速确定单程传热管数 19： 224 1 . 3 8 / 8 6 . 9 2 2 4 . 5 ( )0 . 7 8 5 0 . 0 1 5 1 0 . 84siiVndu 根 （ 2-4） 按单程管计算，所需的传热管长度为： 01 0 6 . 1 2 . 7 ( )3 . 1 4 0 . 0 1 9 2 5 0p sALmdn （ 2-5） 按单程管设计传热管过长，宜采用多管程结构。 6 我国生产的钢管系列标准中管长有 1.5m,2m,3m,4.5m,6m 和 9m,根据选定的管径和流速，现取传热管长 3lm 。 则该换热器的管程数为： 2 . 7 1 ( )3p LN l 管 程 （ 2-6） 传热管总根数： 2 2 4 . 5 2 4 4 9TN （ 根 ） 平均温差校正系数： 12211 7 0 1 4 0 1 . 59 0 7 0ttR tt 21119 0 7 0 0 . 21 7 0 7 0ttP Tt 按单壳 程，两管程结构，查得： 0.99t 平均传热温差： = 0 . 9 9 2 4 . 6 6 2 4 . 4mt mtt 逆（） （ 2-7） 由于平均温差校正系数大于 0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。 7 2.2.4 传热管排列和分程方法 管子的排列方式有等边三角形，正方形，转角正方形三种。与正方形相比，等边三角形排列比较仅凑，管外流体湍动程度高，表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散，传热效果也较差，但管外清洗比 较方便，对易结垢流体更为适用。若将正方形排列的管束斜转 45安装，可在一定程度上提高对流传热系数 12。 图 2-1 换热管排列方式 综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。 取管心距 01.25td（焊接时），则 25t （ mm） （ 2-8） 隔板中心到力气最近一排管中心距离： 25 6 1 8 . 5 ( )2S m m （ 2-9） 2.2.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 0.7 ，则壳体内径为： 1 .0 5 /D t N 8 1 . 0 5 2 5 2 5 0 / 0 . 7 6 6 6 6 （ mm ） （ 2-10） 按卷制壳体 的进级档，可取 6666D mm。 2.2.6 折流板 安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数，为取得良好效果，挡板的形状和间距必须适当，本设计采用弓形折流板，弓形缺口太大或太小都会产生死区，太大不利于传热，太小又增加流体阻力 12。 取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为： 0 . 2 5 6 6 6 6 1 6 6 5h （ mm） 故可取 h=1665（ mm） 取折流板间距 0.3BD= ，则： 0 . 3 6 6 6 6 2 0 0 0B （ mm） 故可取 B=200（ mm） 折流板数 BN ： - 1 = - 1 = 22000BN 传 热 管 长 4000 （ 块 ）折 流 板 间 距 （ 2-11） 2.2.7 其他附件 根据本换热器壳体的内径，故按标准取拉杆直径为 16 ，拉杆数量 4根。 壳程入口处应设防冲挡板 19。如下表所得： 表 2-1 拉杆直径表 9 换热管外径 d 拉杆直径 dn 10 d 14 10 14 d 25 12 25 d 57 16 2.2.8 接管 壳程流体进出口接管：取接管内2N流速为1 20 /u m s，则接管内径为 : 114 4 3 4 7 6 0 0 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 3 5 5 . 6 ( )3 . 1 4 2 0VD m mu （ 2-12） 圆整后可取内径为 360mm。 管程流体进出口接管：取接管内液体流速2 10.8 /u m s，则接管内径为： 24 1 4 8 9 7 1 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 4 0 6 . 4 ( )3 . 1 4 1 0 . 8D m m （ 2-13） 圆整后取管内径为 410mm。 2.3 换热器核算 2.3.1 热流量核算 （ 1）壳程表面传热系数 1819 用克恩法计算， 10 10 . 5 5 0 . 1 41 3000 . 3 6 R e P r ( )ewdl mam= （ 2-14） 当量直径： 2234 0 . 0 2 5 0 . 7 8 5 0 . 0 1 9 2 0 . 0 1 7 ( )3 . 1 4 0 . 0 1 9edm （ 2-15） 壳程流通截面积： 200 19( 1 ) 0 . 3 0 . 6 0 . 6 ( 1 ) 0 . 0 2 5 ( )25dS B D mt （ 2-16） 壳体流体流速及雷诺数分别为： 0003 4 7 6 0 0 / ( 3 6 0 0 1 6 8 . 3 7 ) ) 1 6 . 8 7 ( / )0 . 0 3 4Vu m sS （ 2-17） 00 30 . 0 1 7 1 6 . 8 7 1 6 8 . 3 7R e 2 4 1 4 3 40 . 2 1 0edu （ 2-18） 普朗特数： 11 330001 . 0 3 8 1 0 0 . 2 1 0P r 40 . 0 5 1pc （ 2-19） 粘度校正： 0.14( ) 1wmm 则： 0 . 5 5 1 / 3 0 . 1 40 2 20 . 3 6 ( )erewRPd 0 . 5 5 1 / 3 20 0 . 0 5 10 . 3 6 2 4 1 4 3 4 4 1 5 6 5 / ( ) 0 . 0 1 7 W m K (2) 管内表面传热系数： 0 . 8 0 . 40 . 0 2 3 R e P riiid （ 2-20） 管程流体流通截面积： 2 2 25000 . 7 8 5 0 . 0 1 5 0 . 0 4 4 ( )42TiipNS d mN （ 2-21） 管程流体流速： 1 4 8 9 7 1 / ( 3 6 0 0 8 6 . 9 ) 1 0 . 8 ( / )0 . 0 4 4ii iVu m sS 12 30 . 0 1 5 1 0 . 8 8 6 . 9R e 6 1 2 0 70 . 2 3 1 0i i ii idu 普朗特数： 331 . 0 3 8 1 0 0 . 2 3 1 0P r 4 . 4 20 . 0 5 4pC （ 2-22） 0 . 8 0 . 4 20 . 6 2 60 . 0 2 3 6 1 2 0 7 4 . 4 2 7 6 3 7 / ( ) 0 . 0 1 5i W m k （ 3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻： 20 0 . 0 0 0 1 7 6 ( ) /R m K W 管内侧污垢热阻： 20 . 0 0 0 2 ( ) /iR m K W 碳钢在该条件下的热导率为 5 0 / mW 管壁热阻为： 20 . 0 0 2 0 . 0 0 0 0 4 ( ) /50wR m K W (4) 传热系数 0 0 0 001 1()C iwi i i mK d d dR R Rd d d （ 2-23） 11 9 0 . 0 0 0 2 1 9 0 . 0 0 0 0 4 1 9 10 . 0 0 0 1 7 67 6 3 7 1 5 1 5 1 7 1 5 6 5 27 8 3 / ( ) W m K 13 （ 5）传热面积裕度 计算的传热面积为： 21 3006740 7 8 . 6 ( )7 8 3 2 4 . 6 6ccmQAmKt （ 2-24） 该换热器的实际传热面积为： 20 3 . 1 4 0 . 0 1 9 6 5 0 0 9 2 . 6 ( )pTA d l N m （ 2-25） 该换热器的面积裕度为： 9 2 . 6 7 8 . 6 1 7 . 9 ( )7 8 . 6PccAAH A （ 2-26） 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 2.3.2 壁温核算 由于换热管内侧污垢热阻较大，会使传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高 ，减低了传热管和壳体的壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温 19。 /1 / 1 /m c m hw chTtt （ 2-27） 式中液体的平均温度mt和mT为： 14 12 7 0 9 0 8022m ttt （） （ 2-28） 12 1 7 0 1 4 0 15522m TTT （） （ 2-29） 27 6 3 7 W / ( m K )ci 20 1 5 6 5 W / ( m K )h 传热管平均壁温： 1 5 5 / 7 6 3 7 8 0 / 1 5 6 5 9 2 . 71 / 7 6 3 7 1 / 1 5 6 5t 壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度，即 155T 。 壳体壁温和传热管壁温之差为： 1 5 5 9 2 . 7 6 2 . 3t 由于换热器壳程流体的温差不大，壳程压力不高，因此，选用 固定管板式换热器较为适宜。 2.3.3 换热器内流体的流动阻力 （ 1）管程流体阻力 12()t s p tp p p N N F （ 2-30） 15 1,sN = 2pN 1.5tF 24iiiLupd （ 2-31） Re 61207 传热管对粗糙度 0 .2 0 .0 120d ，查图得 0.04i 流速 10.8 /u m s ，38 6 .9 /kg m 216 1 0 . 8 8 6 . 90 . 0 4 8 1 0 8 8 . 10 . 0 1 5 2p （ Pa） 2228 6 . 9 1 0 . 83 3 1 5 2 0 4 . 0 2up （ Pa） （ 2-32） ( 8 1 0 8 8 . 1 1 5 2 0 4 . 0 2 ) 1 2 1 . 5 2 8 8 8 7 6tp (Pa) 管程流体阻力在允许范围之内 19。 （ 2）壳程阻力 12()s s sp p p F N （ 2-33） 1,sN = 1.15sF = . 2 010 ( 1 ) 2CBup F f N N （ 2-34） 16 0.5F 0 . 2 2 8 0 . 2 2 80 5 . 0 R e 5 2 4 1 4 3 4 0 . 2 9 6f 0 . 5 0 . 51 . 1 1 . 1 5 0 0 2 4 . 5CTNN （ 2-35） 19BN 0 0.54u m/s 201 6 8 . 3 7 0 . 4 7 80 . 5 0 . 2 9 6 2 4 . 5 ( 1 9 1 ) 1 3 9 2 . 32p (Pa) 流体流过折流板缺口的阻力： 2 02( 3 . 5 )2iB uBpN D （ 2-36） 0.3B= m, 1D m 222 0 . 2 1 6 8 . 3 7 0 . 5 41 9 ( 3 . 5 ) 1 3 2 1 . 70 . 6 2p （ Pa） 总阻力： 0 ( 1 3 9 2 . 3 1 3 2 1 . 7 ) 1 1 . 1 5 3 1 2 1 （ Pa） 由 于该换热器壳程流体的操作压力较高，所以壳程流体的阻力也比较适宜。 17 2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果 表 2-2 物性参数表 参数 管程 壳程 流率 /（ Kg/h） 148971 347600 进 /出温度 / 70/90 170/140 压力 /MPa 0.045 0.009 定性温度 / 80 155 密度 /（ Kg/m3 ） 1.38 1.14 定压比热容 /KJ/(Kg.K) 1.038 1.038 粘度 /cp 0.211 0.23 热导率 /W/(m. ) 0.051 0.054 普朗特数 4.42 4 设备结构参数：壳体内径 /mm： 800 ， 壳程数： 1 ， 管径 /mm： 25 2， 材质：碳钢， 管心距 /mm ： 25 ， 管数目 /根： 449， 折流板数 /个： 2 ， 传热面积 /： 176， 折流板间距 /mm ： 2000，管程数： 1 。 表 2-3 计算结果表 主要计算结果 管程 壳程 流速 /（ m/s） 10.8 20 表面传热系数 /W/( . ) 7637 1565 污垢热阻 /（ .h. /Kcal） 0.0002 0.000176 18 阻力 /MPa 0.0288 0.025 传热温差 /K 62.3 面积裕度 17.9 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 19 第 3 章 强度计算 3.1 筒体壁厚计算 由 工 艺 设计 给 定的 设计 温 度 155 ，设 计 压力cp=1.1 p =1.1 0.099=0.0099MPa ，选低合金结构钢板 16MnR 卷制 .材料 170时的许用应力 t =170Mpa（假设厚度为 6 16mm时） 12取焊缝系数 =0.85,腐蚀裕度 C2=2mm.则 计算厚度 0 . 0 0 9 9 6 0 0 0 . 1 0 22 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 0 9 92 ct cpD mmp （ 3-1） 设计厚度 2 3 2 5d C m m （ 3-2） 对于 16MnR，钢板负偏差 .01 mmC ，因而可取名义厚度 6n mm 。 有效厚度 12 6 0 2 4en C C m m （ 3-3） 水压试验压力 1701 . 2 5 1 . 2 5 0 . 1 1 0 . 0 4 1 3170Tc tp p M P a （ 3-4） 所选材料 的屈服应力 345s Mpa 水压试验应力校核 0 . 0 4 1 3 ( 6 0 0 4 )3 . 1 1 82 2 4TeT epD M P a （ 3-5） 0 . 9 0 . 9 3 4 5 0 . 8 5 2 6 3 . 9 2 5Ts M P a 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 20 水压强度满足要求 . 气密试验压力 0 . 0 4 9 5Tcp p M p a 3.2 管箱短节、封头厚度的计算 3.2.1 管箱短节厚度的计算 由工艺设计给定设计参数为 :设计温度 60 ,设计压力cp=1.1 p =1.10.4=0.44 MPa ,选用 16MnR 钢板 , 材料许用应力 t =170Mpa, 屈服强度330s Mpa ,取焊缝系数 .2,85.0 2 mmC 腐蚀裕度12 计算厚度 0 . 0 4 9 5 6 0 0 0 . 1 7 12 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 4 9 52 ct cpD mmp （ 3-6） 设计厚度 2 3 2 5d C m m （ 3-7） 名义厚度 1 50nd C 圆 整 （ 3-8） 综合考虑结构 ,补强 ,焊接的需要 ,取 6n mm 有效厚度 12 6 0 2 4en C C m m （ 3-9） 3.2.2 封头厚度的计算 壳体封头选用标准椭圆封头 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 21 计算 厚度 0 . 0 4 9 5 6 0 0 2 . 2 92 1 7 0 0 . 8 5 0 . 0 4 9 52 ct cpD mmp （ 3-10） 名义厚度 1 50nd C 圆 整 （ 3-11） 为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同 6n mm . 有效厚度 2 6 2 4en C m m 压力试验应力校核 水压试验压力 1701 . 2 5 1 . 2 5 0 . 0 4 9 5 0 . 0 6 1170Tc tp p M p a （ 3-12） 0 . 5 0 . 0 6 1 6 0 0 0 . 5 42 2 44 . 5 0 . 9 0 . 9 0 . 8 5 3 4 52 6 3 . 9 3TeTespDM p aM P a （ 3-13） 3.3 管箱短节开孔补强的校核 开孔补强采用等面积补强法 ,由工艺设计给定的接管尺寸为 300 6 考虑实际情况选 20 号热轧碳素钢管 , Mpatn 130 ,腐蚀裕度2 2C mm 130 0 . 7 6 4 7170tnrtf （ 3-14） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 22 接管计算壁厚 0 . 0 4 9 5 3 0 0 0 . 5 72 1 3 0 1 0 . 0 4 9 52 COt t CPD mmP （ 3-15） 接管有效壁厚 12 6 2 0 4e t n t C C m m （ 3-16） 开孔直径 2 3 0 0 2 6 2 ( 0 2 ) 2 9 2id d C m m （ 3-17） 接管有效补强宽度 2 2 2 9 2 5 8 4B d m m （ 3-18） 接管外侧有效补强高度 1 2 9 2 6 4 1 . 8 6nth d m m （ 3-19） 需要补强面积 22 9 2 0 . 1 7 1 4 9 . 9 3A d m m （ 3-20） 可以作为补强的面积为 21 5 8 4 2 9 2 4 0 . 1 7 1 1 1 1 8eA B d m m （ 3-21） 221 2 2 4 1 . 8 6 4 0 . 5 7 1 3 0 / 1 7 0 2 1 9 . 5e t t rA h f m m （ 3-22） 212 1 1 1 8 2 1 9 . 5 1 3 3 7 . 5A A m m A （ 3-23） 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。 3.4 壳体接管开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强。选取 20 号热轧碳素钢管 200 6 ，钢管的许用应力 at MP130 ，2 2C mm 接管计算壁厚 0 . 0 4 9 5 2 0 0 0 . 0 3 82 1 3 0 1 0 . 0 4 9 52 COt t CPD mmP （ 3-24） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 23 接管有效壁厚 12 6 2 6 0 4e t n t C C m m （ 3-25） 开孔直径 2 2 0 0 2 6 2 2 1 9 2id d C m m （ 3-26） 接管有效补强宽度 2 2 1 9 2 3 8 4B d m m （ 3-27） 接管外侧有效补强高度 1 1 9 2 6 3 3 . 5 5nth d m m （ 3-28） 需要补强面积 21 9 2 0 . 1 2 2 3 . 0 4A d m m （ 3-29） 可以作为补强的面积为 21 5 8 4 1 9 2 4 0 . 1 2 1 5 2 0 . 9 6eA B d m m （ 3-30） 221 2 2 4 1 . 8 6 4 0 . 0 3 8 1 3 0 / 1 7 0 2 5 3 . 6 5e t t rA h f m m （ 3-31） 212 1 5 2 0 . 9 6 2 5 3 . 6 5 1 7 7 4 . 6 1A A m m （ 3-32） 无需另设补强结构。 3.5 管板设计及校核 3.5.1 管板计算的有关参数的确定 计算壳程圆筒内直径横截面积 22 2600 28260044DA m m （ 3-33） 圆筒壳壁金属的横截面积 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 24 26 6 0 0 6 1 1 4 1 7s n nADmm （ 3-34） 一根换热管管壁金属的横截面积 2 22 2 241 9 1 5 1 0 6 . 7 64o ia d dmm （ 3-35） 25 0 0 1 0 6 . 7 6 5 3 3 8 0TN a m m （ 3-36） 两管板间换热管有效长度 (估计管板厚度为 40mm ) 2 6 8 9 2 4 0 2 6 2 5L m m （ 3-37） 管束模数 根据 1998150 JB 查得 31 9 1 . 5 1 0tE P a(换热管材料为 10号 钢 ) 31 9 1 . 5 1 0 5 3 3 8 05 9 2 0 6 0 02 8 7 7 . 8 9tTtE N aKLDM p a （ 3-38） 管子回转半径 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 25 22221 241 1 9 1 9 2 2 64ti d dmm （ 3-39） 管子受压失稳当量长度 由 1999151 JB ,确定 7.0 1 . 0 55001 . 0 5 2 5 7 0 10 . 7TNDsmm （ 3-40） 0 . 3 0 . 3 7 0 1 2 1 0B D m m 取 300B mm 2 2 3 0 0 6 0 0crl B m m （ 3-41） 管子稳定许用压应力 cr 根据 1998150 JB 查得 205ts M Pa 4 3600 100622 1 9 1 . 5 1 0 2 0 5 1 3 5 . 7 2crtr t sliCE （ 3-42） cr rl Ci ,由公式得 cr 为 / 1 222 0 5 6 0 0 / 6 1 6 4 . 7 4 2 2 1 3 5 . 7 2ts c rcrrttliCM P a （ 3-43） 管板开孔后面积 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 26 22213 . 1 4 1 9/ 4 2 8 2 6 0 0 5 0 0 1 4 0 9 1 04TA A N d m m （ 3-44） 管板布管区面积 2( 0 . 8 6 6 )1 0 0 0 ( 3 7 0 . 8 6 6 2 5 )15350dnA n s S Smm 2220 . 8 6 60 . 8 6 6 5 0 0 2 5 1 5 3 5 0 2 8 5 9 7 5tdA n S Amm （ 3-45） 管板布管区的当量直径 4 4 2 8 5 9 7 56 0 3 . 53 . 1 4ttAD m m （ 3-36） 系数 为 1 140910 0 . 4 9282600AA （ 3-37） 壳体不带波形膨胀节时 ,换热管束与圆筒刚度比 st EE 53380 4 . 611417tTssE N aQ EA （ 3-38） 系数 、 s、 t 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 27 153380 0 . 3 7140910TNaA （ 3-39） 0 . 6 0 . 60 . 4 1 0 . 4 1 4 . 6 5 . 30 . 6 8s Q （ 3-40） 10 . 4 1 0 . 610 . 4 1 0 . 3 7 0 . 6 4 . 6 1 3 . 1 20 . 6 8t Q （ 3-41） 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 6 0 3 . 51600tt DD （ 3-42） 3.5.2 计算法兰力矩 根据 0 .0 4 9 5p M pa ,壳程直径 800D mm ,选用 / 4 7 0 1 2 0 0 0JB T 甲型平焊法兰 ,直径111 1 3 0 , 1 0 9 0 , 4 0 , 1 2 , 2 3 .D m m D m m m m m m d m m 螺柱选用20M ,数 量 32n ,材料为 3 5 , 1 5 7bC r M o A M p a 20。 预紧状态下需要的最小螺栓面积 垫片选用石棉橡胶板垫片 ,公称直径1080ND m m ,公称压力 P=1.0Mpa 垫片型号 :1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据 / 3985GB T 表29 查得系数 2.5m ，比压力 20y Mpa 21。 72 . 2 1 0mM N m m 71 . 9 1 0pM N m m 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 28 3.5.3 管板的计算的相关参数 确定fbkK , 假定管板的计算厚度 40mm ，则换热管的加强系数为 1212331 . 3 1 81 0 0 0 1 9 1 . 5 1 0 5 3 3 8 01 . 3 1 8 5 . 4 34 0 1 9 3 1 0 0 . 4 5 9 2 0 4 01 5 . 4 3 1 0 . 8 1 . 0 8111 1 3 0 6 0 0 2 6 522i t TptfiD E N aKELkKb D D m m （ 3-43） 刚度参数计算及某些系数的确定 确定 , ww （根据 2619 99151 图JB ） 6 0 . 0 0 61000niD 40 0 . 0 41000fiD 8 0 . 0 0 8 8 91000h iD 60 0 . 0 6 6 71000f iD 0.00014w 0.00028w 33332 2 1122 1 9 1 . 5 1 0 6 5 2 4 00 . 0 0 0 1 416 0 0 6 5 6 0 0121 8 9 . 5 1 03 . 1f f ffsi f iEbK w ED b D （ 3-44） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 29 32 2 1 5 . 2 112f f ffsi f iEbK w ED b D （ 3-45） 3 . 1 3 . 10 . 0 0 0 7 84 4 3 1 0 8 . 1 2fffftKKKKK （ 3-46） 3.5.4 确定 和 2G 由 K 和fK根据 1999151 JB 查得120 . 4 6 ( 2 7 ) , 3 . 4 ( 2 9mG图 图 ） 1 0 . 4 6 1 0 2 . 55 . 7 5 0 . 0 0 0 7 8fmKK （ 3-47） 3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算 计算 1M 11220 . 4 6 0 . 0 0 4 7 62 5 . 7 5 5 3 . 4mMK Q G （ 3-48） 由 K 和 Q 根据 1999151 JB 查得 33 0 . 9 7 1 0 ( 3 0G 图 ） 计算fMM , 330 . 0 0 0 7 8 0 . 4 40 . 0 0 0 7 8 0 . 9 7 1 0ffKKG （ 3-49） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 30 110 . 9 5 6 3 . 10 . 4 5 5 . 2 1ffM KK （ 3-50） 3 . 1 0 . 9 5 9 0 . 5 7 5 . 2 1ff fKMMK （ 3-51） 3.5.6 设计条件不同的组合工况 壳程压力作用下的危险组合 壳程压力 0 . 0 4 5scp p M p a 管程压力 Mpapt 0 不计膨胀 0 0tE 4 0 . 0 4 5 0 . 1 9 8a s s tp p E M P a 由 K 和 m 根据 1999151 JB 查得 aGli 31图 05.0liG 3 / 3 0 . 4 1 . 9 / 5 . 7 5 0 . 3 9 7leG m K 则 1G 取leG与liG中较大的值 1 0 .3 9 7leGG 122211 1 2 . 1 2 4 0 . 4 8 9113 9 7 0 . 0 4 74 4 4 . 6 3 . 41 1 . 9 1 2 . 1 2 433 0 . 0 9 64 4 5 . 7 5 4 . 6 3 . 41 1 1 1 2 . 1 2 40 . 0 9 34 4 4 . 6 3 . 40 . 4 4 0 . 1 3 0 . 5 7 0 . 0 0 4 7 60 . 0 5 4 4rrpw s m fVGQGmVK Q GVQGM M M M （ 3-5255） （ 1）管板应力 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 31 2 20 . 6 8 1 0 0 00 . 0 4 7 0 . 1 3 2 60 . 4 4 02 . 3 7 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5ir r antrDpM p a M P a （ 3-56） 2222 1 220 . 6 8 0 . 1 9 8 1 . 0 2 5 2 1 . 0 2 5 20 . 0 9 6 1 2 1 . 90 . 4 1 . 9 2 1 . 910004 . 3 8 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 540airrntrpDkkmmmM P a M P a （ 3-57） 0 . 6 8 0 . 1 9 8 6 0 3 . 50 . 0 9 60 . 4 4 00 . 4 8 0 . 5 0 . 5 1 3 7 6 8 . 5atppntrpDM p a M P a （ 3-58） （ 2）壳体法兰应力 1130 1 . 8 8600iDK D （ 3-59） 按 1 5 0 1 9 9 8 9 5 1 4 . 8 6J B Y 表 查 得 2246001 4 . 8 6 0 . 0 5 4 4 0 . 6 8 0 . 1 9 84 4 01 9 . 2 1 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5if w s aftfDY M pM P a M P a （ 3-60） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 32 （ 3）管子应力 2211 3 . 4 2 . 1 2 4 50 . 0 4 9 5 0 . 1 9 80 . 1 8 5 3 . 40 . 7 3t c aG V QppQGM P a （ 3-61） 130t c r M P a （ 4）壳程圆筒轴向应力 210 . 6 8 1 2 . 1 2 42826000 . 1 9 81 1 4 1 7 4 . 6 3 . 41 . 3 0 0 . 8 7 1 7 0 1 4 7 . 8castcVApA Q GM p a M P a （ 3-62） （ 5）拉脱应力 连接形式选用焊接 20 . 8 1 1 0 6 . 7 61 9 20 . 7 2 0 . 6 0 . 6 1 3 0 7 8tttl m maqdlM p a q M p a （ 3-63） 管程压力作用下的危险组合 壳程压力 Mpaps 0 管程压 0 .0 4 9 5tp M pa 1 0 . 0 4 9 5 1 0 . 1 8 0 . 5 8 4ctp p M p a 不计膨胀差 0 0tE 8 . 7 0 . 0 4 9 5 0 . 4 3a t t tp p E M p a 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 33 733124 4 1 . 9 1 00 . 6 8 6 0 0 0 . 4 30 . 3 8 .0 . 3 81 0 0 0 . 0 0 9 3 80 . 4 6 0 . 2 4 2 . 7 50 . 2 61 1 0 . 2 4ppiapMMDpN m mMMVMm V mmV （ 3-6467） 由 K 和 m 根据 1999151 JB 查得 bGli 31图 0.3liG 则1 0.3liGG 122211 1 0 . 5 8 0 . 3 9 7110 . 4 3 74 4 5 3 . 41 0 . 2 6 1 3 833 0 . 1 4 74 4 5 . 7 5 5 3 . 41 1 1 1 3 81 . 14 4 5 3 . 40 . 4 5 0 . 3 8 0 . 0 0 4 7 60 . 1 6 6 2 4rrpw s pVGQGmVK Q GVQGM M M （ 3-6871） （ 1）管板应力 2 20 . 6 8 1 0 0 00 . 0 0 1 3 . 8 2 80 . 4 4 00 . 1 6 4 1 . 51 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5ir r antrDpM p aM P a （ 3-72） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 34 22 221 nirarDmmkmkp （ 3-73） 221 . 0 2 5 2 1 . 0 2 5 210 . 6 8 3 . 8 2 8( 0 . 2 6 ) 2 ( 0 . 2 6 )( 0 . 0 0 0 4 )0 . 42 0 . 2 660040 2 . 2 1 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5trM p a M p a （ 3-74） 0 . 6 8 3 . 8 2 8 6 0 3 . 50 . 0 0 30 . 4 4 00 . 2 9 0 . 5 0 . 5 1 3 0 6 5atppntrpDM p a M P a （ 3-75） （ 2）壳体法兰应力 1130 1 . 8 8600iDK D （ 3-76） 按 87.16591998150 YJB 查得表 2246001 4 . 8 6 0 . 1 6 6 2 4 7 0 . 6 8 0 . 4 34 4 01 2 7 . 5 1 . 5 1 . 5 1 3 7 2 0 5 . 5if w s aftfDY M pM P a M P a （ 3-77） 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 35 （ 3）管子应力 2211 3 . 4 3 8 4 . 60 . 0 3 3 0 . 4 30 . 1 8 5 3 . 45 0 . 4 8 2 . 0 1 8 0t c attG V QppQGM P a M P a （ 3-78） （ 4）壳程圆筒轴向应力 210 . 6 8 1 0 . 9 3 82826000 . 0 4 9 5 0 . 4 31 1 4 1 7 5 3 . 41 9 . 9 4 0 . 8 5 1 7 0 1 4 4 . 5c t astcVAppA Q GM P a M P a （ 3-79） （ 5）拉脱应力 连接形式选用焊接 3 . 52 0 . 1 9 1 0 6 . 7 61 0 . 3 21 9 3 . 50 . 5 0 . 5 1 3 0 6 5tttl m maq M p adlq M p a （ 3-80） 计算结果表明进行的管板设计合格。 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 36 第 4 章 结构设计 4.1 折流挡板 安装折流挡板的目的是为提高管外对流传热系数，为取得良好效果， 挡板的形状和间距必须适当。对常用的圆缺型挡板，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生“死区”，太大不利于传热，太小又增加流体阻力。 挡板的间距对壳程的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外对流传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的 0.2 1.0 倍。我国系列标准中采用的挡板间距为：固定管板式有 100mm、 150mm、 200mm、300mm、 450mm、 600mm、 700mm、 7 种；浮头式有 100mm、 150mm、 250mm、300mm、 350mm、 450mm、 (或 480mm)、 600mm 8 种 18。 4.2 法兰 换热器设备常用的法兰分为设备法兰和管法兰两类。 设备法兰标准有： JB 4710 甲型平焊法兰 选用压力范围为 0.25 1.6 Mpa JB 4702 乙形平焊法兰 选用压力范围为 0.25 4.0 Mpa JB 4703 长颈对焊法兰 选用压力范围为 0.6 6.4 Mpa 本设计选用 JB 4701 甲型平焊法兰 选用压力范围为 0.25 1.6 Mpa。 甲型平焊法兰只有法兰环。一般采用钢板制作，必要时也可以采用锻件轧制，与圆筒体或封头角焊连接。由于法兰环与筒体或封头连接的整体性差，即该法兰的连接强度和刚度较小，因此只适用于温度、压力较低的场合。在现行的行业标准中，甲型平焊法兰只有四个压力等级（ PN0.25、 0.6、 1.0、 1.6MPa），公称直径的适用范围也较小（ DN300 2000mm），所用工作温度范围为 -20300 22。 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 37 4.3 换热管 换热管的规格包括管径和管长。换热管的直径越小，换热器单位体积的 传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径可取小些，但对于不洁净或亦结垢的流体，管径应该取得大些，以免堵塞。目前我国试行的系列标准规定采用 25 2 和 19 2 两种规格，对于一般流体是适用的。此外还有 38 2.5， 57 2.5 的无缝钢管。 本设计选用 25 2 规格的换热管。 我国生产的钢管系列标准中管长有 1.5m、 2m、 3m、 4.5m、 6m、 9m，按选定的管径和流速确定管子数目，再根据所需传热面积，求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应，一般管长与壳径之比，即 L/D 为 3 4.5。 本设计选用 3m的管长。 管 子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高，表面传热系数大。正方形排列虽比较松散，传热效果也较差，但管外清洗方便，对亦结垢流体更为适用。 本设计选用 等边三角形的排列方式 18。 4.4 支座 化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类：立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座，尤以鞍式支座使用最为广泛。 鞍式支座的结构特征： 1鞍式支座标准分轻型（代号 A）和重型（ 代号 B）两种。轻型用于满足一般卧式容器使用要求；重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和 L/D 大的卧式容器使用要求。 2根据安装形式，鞍式支座分固定式（代号 F）和滑动式（代号 S）两种。 3鞍式支座适用于卧式容器直径 DN159 426（用无缝管件筒体）、 3004000（用卷制筒体）的范围内 22。 本设计选用鞍式支座 23 浙江 大学本科生毕业设计（论文） - 38 图 4-1 鞍式支座 4.5 压力容器选材原则 1.选用压力容器材料时，必须考虑容器的工作条件，如温度、压力和 介质特征；材料的使用性能，如机械性能、物理性能和化学性能；加工性能，如材料的焊接性能和冷热加工性能；经济合理性能，如材料的价格、制造费用