石油化工行业换热器设计说明书

1、i吉林化工学院本科毕业设计说明书摘 要换热器在石油化工行业中有着广泛的应用，本次设计针对水的冷却问题，工艺和操作的要求、经济上的要求、保证安全生产。由所给的设计条件，我们选取了水冷却器，并根据化工工艺设计手册、gb150-98和gb151-99等设计标准对冷却器进行了工艺计算和结构设计，进一步确定了冷却器的各种尺寸，并用cad软件绘制了冷却器的装配图和零件图。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，加修应方便。在确定某些操作指标和治标和选定设备型式以及仪表配置

2、时，要有经济核算的观点，既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。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。关键词：换热器；结构设计；工艺设计；gb150-98；gb151-99- iii -iii吉林化工学院本科毕业设计说明书 abstractheat exchangers in the petrochemical industry has a wide range of applications, this design for water coolin

3、g, process and operational requirements, economic requirements, to ensure safe production. given by the design conditions, we selected water cooler, and under chemical process design manual, gb150-98 and gb151-99 and other design criteria of the cooler to the process calculation and structural desig

4、n, further defined the cooler various sizes and uses cad software to draw the cooler assembly drawings and parts drawing.processes and equipment designed first to ensure the quality, stable operation, which must configure the necessary valves and measurement instruments and so on, and since establis

5、hed programs, taking into account fluid flow, temperature and pressure changes so that the measures taken to regulation, and in equipment failure, plus repair should be easy. in determining the indicators and symptoms of certain operations and the selection of equipment type, and instrument configur

6、ation, there must be economic accounting point of view, not only meet the technological and operational requirements, and also allows easy construction, easy sources of material, low cost. if waste heat can be used to try to save energy, make full use of, or take appropriate measures to reduce costs

7、. if in the process and operators in the explosion, burning, poisoning, burns and other dangers, we must consider the necessary securitykey words：heat exchangers；structural design；process design；gb150-98；gb151-99 目录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1综述11.1.1简述11.1.2固定管板式换热器11.2发展历史11.3换热机组的构造41.4换热器常见问题及处理4第2章

8、 结构设计22.1 管箱设计22.1.1 管箱短节22.1.2 分程隔板22.1.3 管箱深度22.2 封头设计32.2.1 受内压封头计算32.2.2 受外压封头计算32.3 圆筒设计42.4 管板设计52.5 拉杆和定距管的确定82.6 折流板设计82.7 旁路挡板设计92.8 容器法兰的设计92.9 选取支座10第3章 强度校核113.1 前端管箱筒体计算113.1.1 计算条件113.1.2 厚度及重量计算113.1.3 压力实验时应力校核113.1.4 压力及应力计算123.2 前端管箱封头计算123.2.1 计算条件123.2.2 厚度及重量计算123.2.3 压力计算133.3

9、壳程筒体计算133.3.1 计算条件133.3.2 厚度及重量计算133.3.3 压力试验时应力校核143.3.4 压力及应力计算143.4 开孔补强计算143.4.1 计算条件143.4.2 开孔补强计算153.4.3设计条件163.4.4 开孔补强计算163.4.5 设计条件173.4.6 开孔补强计算183.5 延长部分兼作法兰固定管板式管板19 3.5.1 设计计算条件193.5.2 仅有壳程压力作用下的危险组合工况（）243.5.3 仅有壳程压力作用下的危险组合工况（）29第4章 换热器的制造、检验、安装与维修354.1 换热器的制造、检验与安装354.1.1筒体354.1.2 换热

10、管354.1.3 管板354.1.4折流板、支持板354.1.5管束的安装364.1.6换热器的组装364.1.7压力试验364.2换热器的安装、试车和维护364.2.1安装364.2.2试车364.2.3维护37结 论38参考文献39致谢40xxxvii吉林化工学院本科毕业设计说明书第1章 绪论1综述1.1.1简述换热器是化工,石油,动力,食品及其它许多工业部门的通用设备,在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用更加广泛。换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中,间壁式换

11、热器应用最多。1.1.2管壳式换热器 管壳式(又称列管式) 换热器是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。 管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛

12、.。流体在管内每通过管束一次称为一个管程,每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管内流体的速度,可在两端封头内设置适当隔板,将全部管子平均分隔成若干组。这样,流体可每次只通过部分管子而往返管束多次,称为多管程。同样,为提高管外流速,可在壳体内安装纵向档板使流体多次通过壳体空间,称多壳程。在管壳式换热器内,由于管内外流体温度不同,壳体和管束的温度也不同。如两者温差很大, 换热器内部将出现很大的热应力,可能使管子弯曲,断裂或从管板上松脱。因此,当管束和壳体温度差超过50时,应采取适当的温差补偿措施,消除或减小热应力。1.2发展历史二十世纪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，

13、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。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。 在传热过程中，降低间壁式换热器

14、中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件

15、外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。 1.3换热机组的构造换热机组是一次热网与用户之间的直接桥梁，从一次热网得到热量，自动连续地转换为用户需要的生活用水及采暖用水，适用于空调（供暖供冷），采暖，生活用水（洗浴）或其他换热回路（如地板供热，工艺水冷却等）。换热机组由板式换热器、循环水泵、补水泵、过滤器、阀门、机组底座、热计量表、配电箱、电子仪表及自控系统等组成。热源的蒸汽或高温水从机组的一次侧供水口进入板式换热器，二次侧的低温回水经过过滤器除污，通过循环泵也进入板式过滤器，两种不同温度的水经过热交换，二次侧将热量输送给热用户。 1.4换热器常见

16、问题及处理在生产过程中，由于换热器管板受水分冲刷、气蚀和微量化学介质的腐蚀，管板焊缝处经常出现渗漏，导致水和化工材料出现混合，生产工艺温度难以控制，致使生成其它产品，严重影响产品质量，降低产品等级。冷凝器管板焊缝渗漏后，企业通常利用传统补焊的方法进行修复，管板内部易产生内应力，且难以消除，致使其它换热器出现渗漏，企业通过打压，检验设备修复情况，反复补焊、实验，24人需要几天时间才能修复完成，使用几个月后管板焊缝再次出现腐蚀，给企业带来人力、物力、财力的浪费，生产成本的增加。通过福世蓝高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，通过提前对新换热器的保护，这样不仅有效治理了新换热器存在的焊缝和砂眼问题，更

17、避免了使用后化学物质腐蚀换热器金属表面和焊接点，在以后的定期维修时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间，提高了产品竞争力。 第2章 强度校核2.1 前端管箱筒体计算2.1.1 计算条件计算压力：设计温度：t=110.00内径：材料：q345r实验温度许用应力=170.00mpa设计温度许用应力=170.00mpa实验温度下屈服点=345.00mpa钢板负偏差=0.00mm

18、腐蚀裕量=2.00mm焊接接头系数2.1.2 厚度及重量计算计算厚度：名义厚度：有效厚度：2.1.3 压力实验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值：压力试验允许通过的应力水平试验压力下圆筒的应力：应为所以校核结果合格2.1.4 压力及应力计算最大允许工作压力：设计温度下 计算应力：应为 结论：筒体名义厚度大于或等于gb151中规定的最小厚度12.00mm,合格2.2 前端管箱封头计算2.2.1 计算条件计算压力：设计温度：t=110.00内径：曲面高度：材料：q345r板材实验温度许用应力=170.00mpa设计温度许用应力=170.00mpa钢板负偏差=0.30mm腐蚀余量焊接接头系数

19、：2.2.2 厚度及重量计算形状系数：计算厚度：名义厚度：有效厚度：结论：此厚度满足最小厚度要求2.2.3 压力计算最大允许工作压力：结论：合格2.3 壳程筒体计算2.3.1 计算条件计算压力：设计温度：t=150.00内径：材料：q345r实验温度许用应力=170.00mpa设计温度许用应力=170.00mpa实验温度下屈服点=345.00mpa钢板负偏差=1.50mm腐蚀裕量=2.00mm焊接接头系数2.3.2 厚度及重量计算计算厚度：名义厚度：有效厚度：2.3.3 压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力值：压力试验允许通过的应力水平试验压力下圆筒的应力：应为所以校核结果合格2.

20、3.4 压力及应力计算最大允许工作压力：设计温度下 计算应力：应为 结论：筒体名义厚度大于或等于gb151中规定的最小厚度13.00合格2.4 开孔补强计算接管：a 2.4.1 计算条件计算压力：设计温度：t=150.00壳体形式：椭圆形封头壳体材料名称及型式：20管材壳体补强焊接接头系数：0.85壳体内直径：壳体开孔处名义厚度：壳体厚度负偏差：=1.50mm壳体腐蚀裕量：=2.00mm壳体材料的许用应力：=140.00mpa接管实际外伸长度：155mm接管实际内伸度：0mm接管焊接接头系数：1接管腐蚀裕量：1mm接管厚度负偏差：接管材料许用应力：=140.0mpa2.4.2 开孔补强计算壳体

21、计算厚度：接管计算厚度：接管材料强度消弱系数：开孔直径：d=1230时：不计温差应力时：计温差应力时 ：9.系数:不计温差应力时：m0时,即=0.9000计温差应力时 ：m0时, 即=2.910.管板径向应力系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：11.管板布管区周边处径向应力系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：12.管板布管区处剪切应力系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：13.壳体法兰力矩系数：不计温差应力时：计温差应力时：14.管板径向应力：不计温差应力时：计算值：许用值：1.5计温差应力时：许用值：315.管板布管区周边径向应力：不计温差应力时：计算值： 许用值：1.5计温差应力时：计

22、算值：许用值：316.管板布管区周边剪切应力系数：计算值：许用值：0.5计算值：许用值：1.517.壳体法兰应力：不计温差应力时：计算值： 许用值：1.5计温差应力时：计算值：=许用值：318.换热管轴向应力：不计温差应力时：计算值： 许用值： 计温差应力时：计算值：许用值： 19.壳程圆筒轴向应力：不计温差应力时：计算值：许用值：计温差应力时：计算值：许用值：3 20.换热管与管板连接拉脱应力：不计温差应力时：计算值：10.421mpa许用值：计温差应力时：许用值：3（焊接）2.5.3 仅有壳程压力作用下的危险组合工况（）1. 换热管与壳程圆筒热膨胀变形差：不计温差应力时：0.0计温差应力时

23、： 2. 当量压力组合：不计温差应力时：计温差应力时：3. 有效压力组合：不计温差应力时：计温差应力时 ：4. 基本法兰力矩系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：5. 管板边缘力矩系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：6. 管板边缘剪力系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：7. 管板总弯矩系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：8.系数仅用于m0时：不计温差应力时：计温差应力时 ：9.当m0时,由gb151-1999.按k和m查图31（b）得:不计温差应力时：m0时,计温差应力时 ：m0时, 10.管板径向应力系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：11. 管板布管区周边处径向应力系数：不计温差应

24、力时：计温差应力时 ：12.管板布管区处剪切应力系数：不计温差应力时：计温差应力时 ：13.壳体法兰力矩系数：不计温差应力时：计温差应力时：14.管板径向应力：不计温差应力时：计算值：许用值：1.5计温差应力时：计算值：许用值：315.管板布管区周边径向应力：不计温差应力时：计算值： 许用值：1.5计温差应力时：计算值： 许用值：316.管板布管区周边剪切应力系数：计算值：许用值：0.5计算值：许用值：1.517.壳体法兰应力：不计温差应力时：计算值：许用值：1.5计温差应力时：计算值：许用值：318.换热管轴向应力：不计温差应力时：计算值： 许用值： 计温差应力时：计算值：许用值： 19.壳

25、程圆筒轴向应力：不计温差应力时：计算值：许用值：计温差应力时：计算值：许用值：3 20.换热管与管板连接拉脱应力：不计温差应力时：计算值：4.809mpa许用值：计温差应力时：许用值：3（焊接）第3章 换热器的制造、检验、安装与维修3.1 换热器的制造、检验与安装换热器的制造、检验与验收，应遵守gb151-1999和gb150-1998的有关规定。3.1.1筒体a筒体内直径允许偏差：用板材卷制时，内直径允许偏差课通过外圆周长加以控制，起外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差0。b 圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e0.5%dn，dn=0.5%x700=3.5mmc圆筒直线度偏差为l/10

26、00，且当l6000时，其值不得大于4.5mm。l=2652mm，所以直线度允许偏差2652/1000=2.652mm。进行检查时，应通过中心线和垂直面即沿圆周 0，90、180、270四个部位测量。d壳体内壁凡有妨碍管束装入或抽出的的焊缝均应磨至与木材表面齐平。e插入式接管不应伸出管箱、壳体、和头盖的内表面。3.1.2 换热管a换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应补小于管外径，且不小于25mm.。b管端坡口应采用机械加工方法加工，焊前应清洗干净。3.1.3 管板a管板由低合金钢q345r制成，加工前表面不平度不应大于2mm，如超过此值，应进行校平，然后进行加工。b拼接管板的对接

27、接头应进行100%的射线或超声检测，按jb4730进行表面检测，检测结果不低于级，或超声检测中的级为合格。d换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣寄凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。d管板与换热管连接时，管孔表面粗糙度ra25um。3.1.4折流板、支持板a折流板、支持板的管孔直径及允许的误差按gb151-1999中5.9.3的规定为19.6，上偏差为0.4，下偏差为0，但允许偏差0.1mm的管孔数不得超过4%。b折流板、支持板外圆表面粗糙度ra值不得大于25m，外圆面两侧的尖角应倒钝，还应去除折流板、支持板上的

28、任何毛刺。3.1.5管束的安装a拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。b穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。c除换热管与管板间以焊接连接外，其它任何零件均不能与换热管连接。d管箱应在补焊后做消除应力的热处理，设备法兰应在热处理后加工。e换热管的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等损害密封面。3.1.6换热器的组装a换热器零部件在安装前应认真检查和清扫，不应留有焊瘤，焊接飞溅物，浮绣等其它杂物。b吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管。c螺栓的禁锢应至少分三遍进行，每遍的起点应相互错开120。3.1.7压力试验压力试验的要求及方法

29、应符合gb150-1998钢制压力容器第十章10.9的规定。固定管板式换热器压力试验的顺序为：管程以0.5mpa进行水压试验，合格后再以0.625mpa进行气密性检验，同时检查换热管与管板连接接头；壳程以0.4mpa进行水压试验，合格后再以0.5mpa进行气密性检验。3.2换热器的安装、试车和维护3.2.1安装a安装位置：应根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足装拆、维修的需要。b基础：必须使换热器不发生下沉。在滑动支座一端应予埋滑板。c地角螺栓和垫铁活动支座的地角螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有1-3mm的间隙。地角螺栓两侧均有垫铁，设备招平后，斜垫铁，可与设

30、备支座底板悍牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。3.2.2试车试车前应查阅图纸有无特殊要求和说明。名牌有无特殊标志。试车前应清洗整个系统，并在入口接管处设置过滤网，系统中如无旁路，试车时应增设临时旁路。试车开始后，开启放气门，使流体充满设备，此设备的物料为蒸汽，开车前应排空残液，以免形成水击，因为此设备的介质有腐蚀性，停车后应降参与介质排净，开车和停车过程中，应逐渐升温和降温，以免造成压差过大和热冲击。3.2.3维护换热器不得在超过铭牌规定的条件下进行，要经常对管壳程介质的温度和压降进行监督，分析换热器的泄露和结构情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，

31、应根据介质和换热器的结构，选择有效地方法进行清洗，应经常监视管束的震动情况。结 论近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。换热器是一种高效紧凑的换热设备，它的应用几乎涉及到所有的工业领域，而且其类型、结构和使用范围还在不断发展。再沸器作为换热器的一种，在工业生产中的作用也越来越重要，其发展和改进必定引起工业生产效率的大幅度提高。参考文献1 中华人民共和国国家标准。钢制压力容器。gb150-1998。北京：中国标准出版社2 中华人民共和国国家标准。管壳式换热器。gb151-1999。北京：中国标准出版社3 秦叔经 叶文邦等主编。化工设备设计全书-换热器。北京：化学工业出版社，20034 石油化工设计手册。化工工业出版社，20025 陈敏恒等。化工原理。化学工业出版社，20026 潘永亮，刘玉良主编。化工设备设计基础。北京：科学出版社，19997 钱颂文主编。换热器设计手册。北京：化学工业出版社，20028 王志文主编。化工容器设计。化学工业出版社，19909 丁伯民，黄正林等编。化工容器。北京：化学工业出版社，200310 fan sun，prasad r ca transient