蒸汽冷却器设计毕业设计_(固定管板式)

1、 学号： 11403438 常 州 大 学毕业设计（论文）（2015届）题 目 江苏斯尔邦醇基多联产项目26万吨/年丙烯腈装置- - 蒸汽冷却器设计 学 生 邹侗 学 院 怀德学院 专业班级 装备（怀）111 校内指导教师 张琳 专业技术职务 教授 校外指导老师 邱鹏 专业技术职务 工程师 二一五年三月 江苏斯尔邦醇基多联产项目26万吨/年丙烯腈装置-蒸汽冷却器设计摘 要：在江苏斯尔邦醇基多联产项目26万吨/年丙烯腈装置中，为了使生产过程中的水得到充分利用，将产生的水蒸汽冷凝。故需设计一台蒸汽冷却器使流体温度达到工艺流程中所需的温度要求，满足工业生产的需要，同时也可以提高能源的利用率。本设计冷

2、凝器从工作原理上划分属于换热器的一种，故结合化工工艺设计手册 、换热器设计手册、钢制列管式固定管板换热器结构设计手册等相关规范了解换热器的设计、发展、用途等方面的知识，通过气液热交换器的设计过程为主线，从工艺、结构及强度校核等几个方面体现设计过程。本设计的主要内容为：（1）对换热器的基本结构和原理进行简单的阐述。（2）根据给定的工艺技术参数以的相关条件，进行工艺计算。（3）综合考虑换热管束、管板、管箱、壳体、折流板、进、出接管及防冲与导流等结构部分的设计并进行强度校核。（4）对换热器的制造检验安装进行简介。本文是在压力容器的设计基础上，查阅常规换热器的设计标准，综合考虑下得出换热器的设计数据，

3、结果表明符合工艺要求，满足本工程设计的需求。关键词：蒸汽冷却器；工艺计算；结构设计；整体校核；设计规范Jiangsu Sier Bang Alcohol polygeneration project 260,000 tons / year of acrylonitrile plant-The Steam Cooler DesignAbstract：Jiangsu Sier Bang Alcohol polygeneration project 260,000 tons / year of acrylonitrile plant in order to make the production p

4、rocess of water are fully utilized, the resulting water vapor condensation. It is necessary to design a steam cooler fluid temperature reaches a predetermined temperature indicators processes to meet the needs of process conditions, but also can improve energy efficiency. The design of the condenser

5、 from the working principle of a division belonging to the heat exchanger, it is combined with "Chemical Process Design Manual", "Heat Exchanger Design Handbook", "steel tube Fixed tube sheet heat exchanger design handbook" and other knowledge-related specification for

6、heat exchanger design, development, use and other aspects of the design process by gas heat exchanger main line, reflecting the design process from several aspects, structure and strength check. The main contents of this design are: (1) The basic structure of the heat exchanger and the principle of

7、a simple exposition. (2) according to the given technical parameters related to the conditions, the process calculation. Moiety (3) Considering the heat exchange bundles, tube plates, tube box, shell, baffles, into and out of the red and the like takeover and anti-diversion design and strength check

8、. (4) heat exchangers, manufacturing and testing installation Introduction. This article is designed on the basis of the pressure vessel, consult a conventional heat exchanger design standards come under the heat exchanger design data into account, the results indicate that meet the technical requir

9、ements to meet the needs of the engineering design.Keywords: Steam cooler; process calculation; structural design; overall check; design specifications目 录摘要.Abstract.目录.术语表.1 绪论.11.1换热器简介.11.2固定管板式换热器简介.11.3换热器结构分析.12 工艺计算.22.1. 基本设计参数.22.2 确定各介质的物性参数.22.3 计算总热流量.22.4 初设总传热系数.32.5 初选换热器规格.32.6 校核总传热

10、系数K.32.6.1 管程传热膜系数计算.32.6.2 壳程传热膜系数计算.32.6.3 总传热系数K.42.7 校核壁温.42.8 校核冷凝液流型.52.9 接管尺寸的确定.52.9.1 管程进出口.52.9.2 水蒸汽进口.52.9.3 冷凝水出口.62.10压力降计算校核.62.10.1 管程的压力降.62.10.2 壳程的压力降.63 换热器结构设计及校核.73.1 管程封头设计与校核.73.2 管程筒体设计及水压试验.83.3 开孔补强.93.3.1 壳程接口处的开孔补强.93.3.2 管程接口处的开孔补强.103.4 接管最小位置.113.4.1 壳程接管最小位置.113.4.2

11、管程接管最小位置.113.5 排气排液管设计.123.6 管板法兰及螺栓设计与校核.133.6.1 管板及法兰设计.133.6.2 管板强度校核计算.143.6.3 法兰垫片和螺栓计算及校核.173.6.4 设计条件不同危险组合工况的应力计算.193.7 壳程筒体设计与水压试验.213.8 管束拉杆及定距管.223.8.1 换热管的设计及校核.223.8.2 拉杆的选取.223.8.3 定距管.233.9 折流板设计.233.10 防冲板设计.243.11 旁路挡板设计.253.12 吊耳设计.263.13 鞍座的选取及强度校核.263.13.1 鞍座结构的选取.273.12.2 鞍座的强度校

12、核.284 设备的制造安装与检验.324.1制造设计与材料要求.324.2设备安装.324.3设备检验.325 结束语.33参考文献.34致谢.35 术 语 表VI常州大学本科生毕业设计（论文）1 绪论1.1换热器简介换热器是使在不同温度下两种或多种流体化工设备之间的材料实现热交换的一种设备，是一种将热量从较高温度的流体传递到较低温度下的流体，以此来达到使流体温度变为规定温度的工艺要求的设施。不仅如此，在要求节能减排的当今社会中换热器的使用还可以提高工艺过程中的能源利用效率1。为了响应国家的节约能源，降低消耗的号召，充分利用生产过程中过剩的热量，并且进一步的提高化工等产业的经济效益，因此，需要

13、制定不同的适应工业过程的高性能换热设备。由于当今社会的经济水平飞速发展，人们开始更多地关注所有的能源利用的细节2。也需要更丰富，更便捷的方式来提供热量的传递，这种需求不断的增长。目前各个国家提高为了热交换器的传热性能，开始了大量的研究。1.2固定管板式换热器简介固定管板式换热器是一种当今社会中常见的热交换器，它的特点结构设计较简单，制造成本较低，壳程和管程可多样化设计制造。由于其使用的历史悠久而且有着较为完善的相关规范标准，在西方发达国家经过时间的检验。因此，在工程设备中固定管板式换热换器已被广泛应用。此热交换器的结构相对简单，运行可靠。可用各种金属材料制造，能在高温、高压下等条件下使用3。虽

14、然没有在传热效率，紧凑等方面胜过等新型高效热交换器，但它具有处理量较大，结构比较可靠，材料范围广，适应性强，操作弹性大，易于制造，生产制造成本低等特点4。但是也是由于结构简单的原因，虽然设计使用清理方便，但在使用过程中较大的热应力在壳体和管束中容易产生。为了减少热应力对固定管板式换热器的影响，可以在固定管板式换热器中设置一些元件，来吸收热膨胀差的影响保证正常的工作5。1.3换热器结构分析通常情况下冷凝器是一种制冷器件，用来将气体或蒸汽转换为液体，在化工装置被广泛使用，是化工行业不可或缺的重要设备。工业设计中，因其工作原理与换热器相似，故划分为换热器的一种6。 此换热器器的封头选用旋转椭圆球面母

15、线的长、短轴之比2.0的椭圆形封头，由旋转椭圆球面和圆筒形直段两部分组成，拥有着更好的整体性能。封头焊在管程筒体上与筒体合为一个整体。管箱和筒体用管板连接。管板，是一种固定管束并把管程与壳程流体分开的热交换器的配件。为了使两种流体间换热更加效率提高传热的效果，还应设计安装折流板在壳程中。本设计的壳程数为一，壳程的介质为气体，故采用的是左右布置的折流板7。考虑到工艺因素还应安装相对应的接管以及固定的鞍座。经过多年的使用经验提高换热效率等因素还要安装吊耳、防冲板等附件。2 工艺计算2.1 基本设计参数 根据给定的设计任务书，本设计的基本工艺参数如下表2.1所示。表2.1基本设计参数参数名称管程壳程

16、介质循环水水蒸气（冷凝水）入口温度 33105出口温度 43105工作压力 MPa0.540.02流量 kg/h70002.2 确定各介质的物性参数 管程定性温度：.（2.1） 壳程定性温度： .（2.2）根据对应的定性温度，分别查取管程与壳程流体的物性参数得到相应温度下的物性参数如表2.28。物性参数管程壳程（水蒸气）壳程（冷凝水）密度 993.20.705954.7定压比热容 4.181.924.23导热系数 0.6270.0250.684动力黏度 /mPa·s0.6780.01250.27表2.2 管程与壳程的物性参数表2.3 计算总热流量 水蒸气105时的凝结潜热：.（2.3

17、）.（2.4） 管程流量:：.（2.5） 对数平均温差的计算：.(2.6)2.4 初设总传热系数 由于以水为介质的换热器较为常见，考虑到工作裕量，故参考常见的换热器传热系数，初选K=1400，所需传热面积A:.(2.7)2.5 初选换热器规格 参考换热器设计规范选择固定管板式换热器的常见规格9如下表2.3。表2.3 初选换热器规格固定管板式换热器（BEM）规格公称直径D600mm公称换热面积A48.26m2管程数Np1管数n423管长L2.0m管子直径19mm×2.0mm管束的排列方式正三角形 换热器实际换热面积：AO=ndo（L-0.1）=423×3.14×0.

18、019×（2-0.1）=47.95m2.(2.8) 该换热器所要求的总传热系数：.(2.9)2.6 校核总传热系数K2.6.1 管程传热膜系数计算 查阅化工工艺设计手册后得知管内传热膜系数公式8计算：.(2.10).(2.11) 选用化工工艺设计手册公式（15-8）.(2.12) 其中qvi为管中流量，n为管束数目，di管内径，为管内流体的密度，为管内流体的粘度，U为管内流体的流速。2.6.2 壳程传热膜系数计算 选择化工工艺设计手册的Nusselt传热膜系数公式8。现假设壁温为84oc，则冷凝液的平均温度为0.5（105+84）=94.5oc与其饱和温度很接近，故可以使用105oc

19、时的物性参数。.（2.13） 其中为冷凝水密度，g为重力加速度，为焓变，为冷凝水热导率，为粘度，为壁温温差，d为管外径。 换热介质中管程的水污垢热阻数值为，而壳程的水蒸气污垢热阻数值为。2.6.3 总传热系数K .(2.14) 传热系数的校核： 算出的K与假设的K的比值在1.1-1.2之间。符合工艺设计要求，故合格。2.7 校核壁温.(2.15) 与假设的84oc很接近，可以接受2.8 校核冷凝液流型 符合工艺设计要求，故合格。2.9 接管尺寸的确定2.9.1 管程进出口 流体进出口接管的内径计算式10： 取管程接口处介质的流动速度u=6m/s。 溶液体积流量：. (2.16) 循环水进出口直

20、径：.(2.17) 取标准管168×7.0mm。2.9.2 水蒸汽进口取水蒸气入口处的流体流动速度u=90m/s。蒸汽体积流量：.(2.18)蒸汽进口接管直径：.（2.19）故选用标准尺寸219×8.0mm。2.9.3 冷凝水出口 取壳程接口介质的出口的流速为u=0.6m/s。冷凝水的体积流量：.(2.20)接管的出口直径：.(2.21)故选取标准尺寸89×7.5mm。 2.10 压力降计算校核2.10.1 管程的压力降 .(2.22) 其中Ft为结构校正系数去1.5，Np为管程数，Ns为壳程数11。.（2.23）其中取粗糙度为0.1mm.(2.24).(2.25

21、).(2.26) 10999Pa=0.011MPa与热交换器管程的压力降经验值0.01-0.1MPa相比较在范围之内。故管程的压力降合格。2.10.2 壳程的压力降 查阅相关资料，采用Kern法计算壳程的压力降:.(2.27).(2.28).(2.29) 摩擦系数f由化工工艺设计手册图15-22取0.09.(2.30) 其中折流板缺口为25%故由化工工艺设计手册表15-16取0.154.(2.31).(2.32).(2.33) 其中G为气相进料量，Ds为壳径的大小，LB为折流板的间距，Ncr为近中心的管数，Nw为缺口处的管数。.(2.34) 3273Pa=0.0033MPa与热交换器壳程压力降

22、经验值0.001-0.01MPa相比较在范围内。故壳程的压力降合格。3 换热器结构设计及校核 换热器参考设计基本型式为BEM，其中B代表的是管箱的端部为椭圆形封头的封头管箱；E代表单程壳体；M代表与B相似的固定管板结构。其中热交换器的管板延长部分兼作法兰，支座为鞍式支座。图3.1 固定管板式换热器的结构示意图3.1 管程封头设计与校核 材料：Q245R ，标准号：GB/T25198-2010 ，采用椭圆形封头采用长短轴比值为2的标准椭圆形封头，椭圆形封头受内压，其中焊接接头系数取0.85。图3.2封头结构尺寸示意图 厚度计算公式：.(3.1).(3.2) 封头腐蚀裕量为： 封头厚度负偏差： 根

23、据钢制列管式固定管板换热器结构设计手册的规定，取椭圆形封头的最小厚度8mm12。 封头的名义厚度为： 封头的有效厚度为： 封头椭圆形封头允许工作压力的最大值13为：.(3.3) 由于0.704Mpa1.7Mpa 封头压力符合工艺要求。 封头单个重27.47kg，总重54.84kg。3.2 管程筒体设计及水压试验 筒体材料：Q245R 常温下 设计温度下 设计温度下的筒体的计算厚度为：.(3.4) 筒体的腐蚀裕量为： 钢材的厚度负偏差： 根据钢制列管式固定管板换热器结构设计手册取热交换器筒体最小厚度8mm 圆筒的名义厚度 圆筒的有效厚度 设计温度下圆筒的计算应力：.(3.5) 其中 符合工艺要求

24、。 参考换热器设计标准选取管程筒体 ， L=300mm 。 管程水压试验： 管程最大工作压力：.(3.6) 水压试验下压力：.(3.7) 校核合格 管程筒体单个重30kg，总重为60kg。3.3 开孔补强3.3.1 壳程接口处的开孔补强 查阅过程设备设计了解开孔补强并对开孔处进行开孔补强校核14。 （1）开孔处的计算厚度：.(3.8) 开孔处的有效厚度 接管处的有效厚度 （2）对于受内压的圆筒所需要的补强面积计算：.(3.9) 其中 取为1 （3）有效补强范围： a 接口处有效宽度B确定： 取其中大者，则 b 接口处外侧有效高度： 取其中小者，则 c 接口处内侧有效高度： （实际内伸高度） 取

25、其中小者，则 （4）接口处实际有效补强面积： 多余的金属面积为筒体有效厚度减去计算厚度A1：.(3.10) 其中多余的金属面积为接管有效厚度减去计算厚度A2，焊缝金属在有效补强区内的截面积大小为A3。接口处实际有效补强面积之和为。其中 故 ，所以不需另行增加补强面积，开孔处无需采用补强圈补强。3.3.2 管程接口处的开孔补强 （1）开孔处的计算厚度：.(3.11) 开孔处的有效厚度 接管处的有效厚度 （2）对于受内压的圆筒需要的补强面积：.(3.12) 其中 取为1 （3）有效补强范围： a 有效宽度B的确定: 取其中大者，则 b 外侧的有效高度： 取其中小者，则 c 内侧的有效高度 （实际内

26、伸高度） 取其中小者，则 (4)接口处实际有效补强面积： 多余的金属面积为筒体有效厚度减去计算厚度A1：.(3.13) 其中多余的金属面积为接管有效厚度减去计算厚度A2，焊缝金属在有效补强区内的截面积大小为A3。接口处实际有效补强面积之和为。其中 故 ，所以不需另行增加补强面积，开孔处无需采用补强圈补强。3.4 接管最小位置在换热器的设计中接管应该靠近壳程两端的管板，这样可以达到使该热交换器的传热面积进行充分合理的利用的目的15 。这样做的话还可以缩短管箱壳体的长度使管程的流体进、出口接管处应尽可能的靠近管箱法兰，这样设计可以减轻设备的总重量。但是，所以管口处也不能距离管板法兰太近，为了保证设

27、备的制造安装能正常进行，所以接管有了最小位置的限制。根据换热器设计手册中公式（1-6-3）和（1-6-5）确定接管的最小位置。3.4.1 壳程接管最小位置图3.3 壳程接管位置 壳程入口.(3.14) 取L1尺寸为300mm 壳程出口.(3.15) 取L1尺寸为170mm3.4.2管程接管最小位置图3.4 管程接管位置 管程入口.(3.16) 取L2尺寸为250mm 管程出口.(3.17) 取L2尺寸为250mm B管板厚度，mm； L1/L2管箱接管位置最小尺寸，mm； C管外壁至管板距离，取C4S（S为壳程/管箱外壁厚度，mm）且30mm； dH接管外径，mm。3.5 排气排液管设计 在换

28、热器的壳程和管程上方设计排气口，在壳程和管程的下方设计排液口，这样设计的热交换器中可以提高传热的效率，排除或回收工作过程中的残气及凝液。所以在不能借助其他接管排气及排液的热交换器要设计排气排液管。一般的排气排液管结构尺寸结构如下图所示15。排气排液口的尺寸不得小于15mm。图 3.5 卧式换热器的排气、排液管示意图取接管=32×2.5，数量4个，材料为20 钢。根据钢制管法兰选取法兰型号：长高颈法兰LWN25-150 RF Sch40数量4个，材料16Mn；3.6 管板法兰及螺栓设计与校核3.6.1 管板及法兰设计 管板是管壳换热器重要的一部分，它不仅是连接换热管管箱和筒体的元件，因为还要兼做法兰，所以在设计过程中还应考虑其强度方面的要求15。图3.6固定式管板兼做法兰的结