邻二甲苯毕业设计王天富

1、荆楚理工学院 课程设计成果 学院: 化工与药学院 班 级: 过程装备与控制工程 2 班 学生姓名: 王天福 学 号: 2012402020215 设计地点（单位）_ 荆楚理工学院_ 设计题目:_ 邻二甲苯预热器设计_ 完成日期： 2016 年 4 月 10 日 指导教师评语: _ _ _ _ _ _ _ _ 成绩(五级记分制):_ _ _ 教师签名:_ _ 1 1换热器概述（特点、分类、发展历史、国内外差距换热器概述（特点、分类、发展历史、国内外差距）.1 2 2换热器方案选择换热器方案选择.2 3 3确定物理性质数据，总传热系数，传热面积计算确定物理性质数据，总传热系数，传热面积计算.3 3

2、.1 物性数据.3 3.2 加热水用量.3 3.3 传热平均温差.3 3.4 传热面积初算.3 4 4工艺结构尺寸计算工艺结构尺寸计算.3 4.1 换热管选择.3 4.2 总管数.3 4.3 管子排列方式.3 4.4 壳体内径的确定.4 5 5换热器结构设计换热器结构设计.4 5.1 介质特性及选材.4 5.2 确定容器类型. 4 5.3 换热管.5 5.4 管箱. 5 5.4.1 管箱封头. 5 5.4.2 筒节.6 5.5 管板. 6 5.6 折流板. 6 5.7 拉杆. 7 6 6 机械强度设计算机械强度设计算.8 6.1 筒体的强度计算. 8 6.1.1 筒体壁厚的计算. 8 6.1.

3、2 液压试验. 9 6.1.3 压力及应力计算. 9 6.2 管箱强度计算. 9 6.2.1 管箱封头壁厚的计算. 9 6.2.2 封头校核. 9 6.2.3 管箱筒节壁厚的计算. 9 6.2.4 筒节校核. 9 6.3 筒体法兰设计.,.10 6.4 管箱法兰设计.,.10 6.5 管板设计.,.10 7 7 换热器管束振动计算换热器管束振动计算.10 8 8 设备质量设备质量.,.10 9 9 画出结构的总体装配图画出结构的总体装配图.,.10 9 9 心得体会心得体会.,.10 1010 参考文献参考文献.11 1.1.换热器概述换热器概述 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压

4、盖等部件组成。固定管板换热器 的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上， 两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法 兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热器的长度设置了若 干块折流板。固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多 程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困难，对于较脏 或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、 壳程温差而产生的热应力。 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

5、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工制造技术。对材料的喷涂，我国已从 国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。 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。换热器的大量使用有效的提高了能源的利 用率，使企业成本降低，效益

6、提高。对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占 64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、 石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构 方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国 ABB 公司提出的。 本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器，是自己所确定的设计参数，按照相关规定的 要求，通过壁厚计算和强度校核等，设计固定管板式换热器产品。熟悉压力容器设计的基 本要求，掌握固定管板式换热器的常规设计方法，把所学的知识应用到实际的工程设计中 区，为以后的工作和学习打下扎实的基础。本设计

7、以安全为前提，并尽可能保证其质量、 经济合理性以及实用性等技术指标。 1-挡板 2-补偿圈 3-放气嘴 图 1.1 固定管板式换热器的示意图 2 2 换热器方案选择换热器方案选择 我所设计的换热器是将 20邻二甲苯预热到 100；邻二甲苯预热的量较 大其质量流量为 qm1100000kg/h.邻二甲苯属于有毒，易燃液体粘度较低，预热 时温度低且压力低，轻微腐蚀性等性质。选择固定管板式换热器。固定管板式 换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可 以分成双程，规格范围广，在工程上广泛应用。使用水进行预热，水很常用的 预热介质无污染。邻二甲苯走管程，水走壳程。 3.3.确

8、定物理性质数据确定物理性质数据 邻二甲苯的进口温度为 T1=20，出口温度为 T2=70.根据其预热的温度及其范围其水进 口温度为 t1=120，出口温度为 t2=80. 管程与壳程压降为 10Kp. 3.1物性数据物性数据 邻二甲苯定性温度 T=（70+20）/2=45 水的定性温度 t=（120+80）/2=100 现查得邻二甲苯 1=840kg/m Cp1=1800kj/kg. 1=0.128w/m. 1=0.00057Pa.s 查水得 2=993.4kg/m Cp2=4174kj/kg. 2=0.538w/m. 2=0.000741Pa.s 邻二甲苯的体积流量qv1=qm1/1=0.0

9、33 m/s 水的体积流量 qv2=qm2/2=0.000 m/s 3.2加热水用量加热水用量 传递的热量 Q= qm1*cp1*(T2T1)= 25000kj/kg. 水用量 Q= qm2*cp2*(t1t2)=0 3.33.3传热平均温差传热平均温差 t1=t2-T1=60 t2=t1-T2=50 逆流 tm=(t1t2)/（t1/t2）=54.85 3.43.4传热面积初算传热面积初算 传热系数取为 K=500W/（m） 估算传热面积 A估=Q/（tm*K）=911.58 m 实际传热面积取 A 实=1.15 *A估=1048.31 m 4 4 工艺结构尺寸计算工艺结构尺寸计算 4.1

10、换热管换热管选 252.5 外径 do=0.025m 内径 d1=0.02m 壁厚 =0.0025m 假设管长 L=5m 4.24.2 总管数总管数 总管数 n=A 实/（*do*L）=2670 4.3 管子排列方式管子排列方式 管子与管板采用焊接，管子采用正三角形排列。 管心距 a=1.25do=0.03125m 取 32mm 4.4 壳体内径的确定壳体内径的确定 管板利用率 =0.8 壳体内径 D1=1.05a（n/）=1.94 取 D1=2000mm 5 5 换热器结构设计换热器结构设计 5.1 介质特性及选材介质特性及选材 管程：邻二甲苯，分子式 C8H10。介质轻微腐蚀，易燃、有毒。

11、 壳程：水，分子式 H2O。 邻二甲苯是无色透明液体，有类似甲苯的气味，不溶于水,可混溶于乙醇、乙醚、氯仿 等多数有机溶剂。黏度低，燃点 495.5。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库 温不宜超过 37。保持容器密封。应与氧化剂分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通 风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的 收容材料。.工业上采用超精馏的方法从混合二甲苯中分离出邻二甲苯。邻二甲苯与混合二 甲苯中其他组分的沸点相差 5以上，精馏时需要塔板数约 150，回流比 5-8，需消耗较多 能量。由分馏煤焦油的轻油部分或催化重整轻油经分馏，或由甲苯经歧化而成。

12、水无色透明液体，无毒无腐蚀无污染可以直接排放。 在设计压力 0.88MPa，设计温 120。由于介质中含有邻二甲苯，温度不高，有腐蚀。 材料选择耐蚀钢。筒体材料选择 14Cr1MoR,管箱材料选择 14Cr1MoR，法兰材料选择 15CrMo，管板材料选择 14Cr1MoR，换热管材料选择 15CrMo。 5.25.2 确定容器类型确定容器类型 已知设计压力为 Pc=0.88MPa，筒体体积 V=Di2L/4=225/4=15.71m=1571L。 PvV=13823MPa*L 由于介质毒性危害程度和爆炸危险程度按 GB 5044 职业星接触毒物危害程度分级 HG 20660 压力容器中化学介

13、质毒性危害和爆炸危险程度分类 两标准确定，邻二甲苯、水介质 属于第二组介质。 图 3-1 压力容器分类图-第二组介质 查【1】图 1-3 可知为第类压力容器。 5.3 换热管 换热管材料为 15CrMo，规格为 252，管长 5m。当量直径 dn=0.025m n =A/(dnL)=2670 根。 换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。 正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，故用得最为普遍，但管外不 易清洗。为便于管外清洗，可以采用正方形或转角正方形排列的管束。 排列方式选择正三角形排列。由于换热管中心距不宜小于 1.25 倍换热管外径。 查

14、【1】表 6-2 可知当换热管外径为 25mm 时，管间距 S=32mm。 换热管中心距要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管间的净空距离）有足够的强 度和宽度。管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距宜不小于 1.25 倍的换 热管外径，最常用的换热管中心距间下表。 常用的换热管中心距 32 mm 表 3-1 常用换热管中心距 换热管外径 d0 10 1214 16 19 20 2532 35 3845 50 57 换热管中心距1314 161922252632404448576472 图 3-2 换热管排列方式 5.45.4 管箱管箱 5.4.15.4.1 管箱封头管箱封头 椭圆

15、封头又名为椭圆形封头、椭圆封头即为由旋转椭圆球面和圆筒形直段两部分组成 的封头。其作用就是 1.管道到头了，不准备现延伸了，就用封头焊到管子上，做为一个 末端来使用。2.用在压力容器上，上下各有一个封头，中间是一个直管段，做为压力容器 的罐子用。旋转椭圆球面母线的长、短轴之比为 2.0 的椭圆形封头，习惯上称为标准椭圆 形封头。椭圆封头的力学性能仅次于半球封头，但优于碟形封头。由于椭圆封头的深度 介于半球形和碟形封头之间，对冲压设备及模具的要求、制造难度亦介于两者之间，即比 半球封头容易，比碟形封头困难。近年来由于采用旋压制造工艺，为制造大直径椭圆形封 头带来了方便。椭圆封头因综合性能较好，被

16、广泛用于中低压容器。 容器上、下封头均选用标准椭圆型封头，根据 JB/T 4746-2002 规定，DN=D1=2000mm。 图 3-3 钢制压力容器封头类型代号和参数关系 选择 EHA 椭圆形封头，查【2】表 3-3 得总深度 H=525mm；内表面积 A=4.4930；容积 V=1.1257m，直边高度 h=H-Di/4=525-2000/4=25mm 封头标记： EHA 2000n14Cr1MoR JB/T4746-2002 5.4.25.4.2 筒节筒节 筒节材料选与筒体材料一样为 14Cr1MoR，上端管箱筒节长度初选 300mm。下端管箱封 头初选 900mm。 5.55.5 管

17、板管板 在固定式管板的计算中按有温差的各种工况计算出壳体轴向应力、换热管的轴向应力、 换热管与管板之间的拉脱力 q 中，有一个不能满足强度（或稳定）条件时，就需要设置膨 胀节。在固定式管板强度校核计算中，当管板厚度确定之后，不设膨胀节时，有时管板强 度不够，设膨胀节后，管板厚度可能就满足要求。此时，也可设置膨胀节以减薄管板，但 要从材料消耗、制造难易、安全及经济效果等综合评估而定。 由于设计温度为 120，设计压力为 0.88Mpa。管板与换热管连接采用焊接 管板材料选择 14Cr1MoR，选用 e 型管板，其延长部分兼做法兰。 5.65.6 折流板折流板 弓形折流板缺口高度应使流体通过缺口时

18、与横过管束时的流速相近，缺口大小用切去 的弓形弦高占圆筒内直径的百分比来确定，单弓形折流板缺口如图，缺口弦高 h 值，宜取 0.20.45 倍的圆筒内直径。 弓形折流板的缺口可按图所示，切在管排中心线以下，或切 于两排管孔的小桥之间。 图 3-4 弓形折流板 折流板形式选用弓形。查【2】表 5-14 可知名义外径 DI=DN-12=1988mm 高度 h=DN-（0.200.45）DN=（0.550.80）DN=11001600mm，取 h=1200mm 最小间距不少于筒体内径的 1/5，且不小于 50mm。 dmin=DN/5=400mm 查【2】表 5-15 可知换热管的最大无支撑跨距 d

19、max=1850mm 取折流板间距 l=1200mm，折流板数量为 6 个 表 3-3 折流板最小厚度 查【2】表 5-11 可知厚度 =20mm 查【2】表 5-12 可知 在 l900mm 时，折流板管孔直径取 d0.400.30 3.73.7 拉杆拉杆 由于换热管外径 25mm19mm，选用拉杆定距管结构。 查【2】表 5-16 可知 直径 d=16mm 查【2】表 5-17 可知 拉杆数量为 14 根 查【2】表 5-18 可知拉杆螺纹公称直径 dn=16mm 、La=20mm、Lb=60mm、b=2mm 图 3-5 拉杆的连接尺寸 6 6 机械强度设计计算机械强度设计计算 6.16.

20、1 筒体的强度计算筒体的强度计算 6.1.16.1.1 筒体壁厚的计算筒体壁厚的计算 已知设计压力 Pc=0.88MPa，设计温度为 120，材料为 14Cr1MoR，查 GB150.2-2011 表 2 可知壁厚在 6100mm 时，t=136MPa，按 GB 713-2008 中 B 类钢材要求取 C1=0.30mm。由于介质轻微腐蚀，取腐蚀裕量 C2=1mm。焊接接头形式为双面焊对接接头，进 行全部无损检测，取焊接接头系数 =1 计算厚度： =PcDi/（2t- Pc）=0.882000（213610.88）=6.49mm 名义厚度： n=+ C1+ C2=7.79mm 根据 GB 15

21、1-2014 中筒体最小厚度为 12mm，因此取名义厚度 n=12mm 表 4-1 焊接接头系数 焊接接头形式对接接头100%无损检测局部无损检测 双面焊相当于双面 焊的全焊透接头 1.00.85 焊接工艺特点 单面焊（沿焊缝根 部全长有紧贴基本 金属的垫板） 0.90.8 射线检测（AB 级： 中灵敏度技术） II 级III 级 JB/T4730 无损检 测合格级别 超声检测（B 级检I 级II 级 测） 表 4-2 碳素钢和低合金钢圆筒最小厚度 6.1.26.1.2 液压试验液压试验 试验压力值： PT=1.25/ t=1.5610Mpa 压力试验允许通过的应力水平：t=0.92=279M

22、Pa 试验压力下圆筒的应力：= PT（Di+e）/（2e）=110.20Mpa 校核条件：=t 条件满足校核合格 6.26.2 管箱强度计算管箱强度计算 6.2.16.2.1 管箱封头壁厚的计算管箱封头壁厚的计算 已知设计压力 Pc=0.88MPa，设计温度为 420，材料为 14Cr1MoR，查 GB150.2-2011 表 2 可知壁厚在 6100mm 时，t=136MPa，按 GB 713-2008 中 B 类钢材要求取 C1=0.30mm。由于介质轻微腐蚀，取腐蚀裕量 C2=1mm。焊接接头形式为双面焊对接接头，进 行全部无损检测，取焊接接头系数 =1 计算厚度： =PcDi/（2t-

23、0.5 Pc）=0.882000（213610.50.88） =6.48mm 名义厚度：n=+ C1+ C2=7.78mm 由于筒体的名义厚度为 12mm，取封头 n=12mm 6.2.26.2.2 封头校核封头校核 试验压力值： PT=1.25/ t=14867MPa 压力试验允许通过的应力水平：t=0.92=279.00 MPa 试验压力下圆筒的应力：= PT（Di+e）/（2e）=110.20 MPa 校核条件：= 条件满足校核合格 6.2.36.2.3 管箱筒节壁厚的计算管箱筒节壁厚的计算 已知设计压力 Pc=0.88MPa，设计温度为 120，材料为 14Cr1MoR，查 GB150

24、.2-2011 表 2 可知壁厚在 6100mm 时，t=136MPa，按 GB 713-2008 中 B 类钢材要求取 C1=0.30mm。由于介质轻微腐蚀，取腐蚀裕量 C2=1mm。焊接接头形式为双面焊对接接头，进 行全部无损检测，取焊接接头系数 =1 计算厚度： =PcDi/（2t- Pc）=0.882000（213610.88）=6.49mm 名义厚度： n=+ C1+ C2=7.79mm 根据 GB 151-2014 中筒体最小厚度为 12mm，因此取名义厚度 n=12mm 6.2.46.2.4 筒节校核筒节校核 试验压力值： PT=1.25/ t=14867Mpa 压力试验允许通过

25、的应力水平：t=0.92=279.00 MPa 试验压力下圆筒的应力：= PT（Di+e）/（2e）=110.20 MPa 校核条件：= 条件满足校核合格 6.36.3 筒体法兰设计筒体法兰设计 已知筒体内径 Di=2000mm，设计压力 Pc=0.88Mpa 根据 NB/T 47020-2012 选用 DN2000，PN1.0 的长颈对焊法兰，材料为 15CrMo，标准号为 NB/T 47023-2012，密封面形式选用凹凸面。 图 4-1 凹凸面密封 法兰-FM 2000-1.6/86-165 NB/T 47024-2012 根据 NB/T 47020-2012 表 2 垫片选用 柔性石墨

26、螺柱材料选用 35CrMoR，螺母材料选用 35CrMoR。 表 4-3 长颈对焊法兰参数 表 4-4 垫片参数 垫片 2000-1.0 RSB NB/T 47024-2012 6.46.4 管箱法兰设计管箱法兰设计 已知筒体法兰内径 Di=2000mm，设计压力 Pc=0.88Mpa NB/T 47020-2012 选用 DN2000，PN1.0 的长颈对焊法兰，材料为 15CrMo，标准号为 NB/T 47023-2012，密封面形式为凹凸面。 管箱法兰与筒体法兰选用配套尺寸，管箱法兰尺寸如下： 法兰-FM 2000-1.0/86-165 NB/T 47024-2012 根据 NB/T 4

27、7020-2012 表 2 垫片选用柔性石墨 螺柱材料选用 35CrMoR，螺母材料选用 35CrMoR。 6.56.5 管管 板设计板设计 经 SW6 试算 出 管板厚度 =55mm，膨胀节刚度 Kex=19600 N/mm。 （详细见附录） 7 7 换热器管束振动计算换热器管束振动计算 8 8 设备质量设备质量 前端管箱封头 361.13Kg 后端管箱筒体 510.10Kg 后端管箱封头 361.13Kg 壳程圆筒 5738.67Kg 换热管 12.48Kg PN=1.0MPa 公称直径 DN DD1D2D3D4H 20002195214020982078207594165 PN=1.0MPa haa 112Rd 螺柱规格螺栓数量对接筒体最小厚度 0 40211820321530M276016 PN=1.0MPa 公称直径 DN内径 d外径 D厚度 20000202720773 法兰 126.4Kg 9.9.绘制换热器装配图绘制换热器装配图 心得体会心得体会 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关过程设备设计方面的知识，在设计过 程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因 所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲