蒸馏塔冷凝器的毕业设计

1、摘 要本设计说明书是关于蒸馏塔冷凝器的设计，用来实现MTBE与循环水之间的热交换，提高MTBE的生产效率。考虑到工艺需求和造价，我们选用了浮头式换热器。浮头式换热器主要由管箱、管板、壳体、换热管、折流板、拉杆、定距管、钩圈、浮头盖等零部件组成。其优点为热应力较小，便于检查和清洗，缺点是浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，结果壳体直径增大，在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，部分流体将由此旁通而不参加热交换过程。设计内容主体是换热器的换热器的结构和强度设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰

2、厚度的计算、开孔补强计算等。关键词： 浮头式换热器、机械设计、强度校核I目录摘 要V第一章 绪论11.1 工程背景11.2研究的目的和意义1第二章 换热器介绍22.1 换热器的应用及发展22.2 换热器的主要分类32.2.1换热器的分类及特点32.2.2 管壳式换热器的分类及特点4第三章 换热器设计主要参数与材料选择63.1 设计条件63.2 换热器材料选择63.2.1 钢板63.2.2 钢管63.2.3 螺柱和螺母73.2.4 法兰73.2.5 容器法兰垫片73.2.6 拉杆、定距管73.2.7 鞍座7第四章 换热器结构型式选择84.1换热器结构型式的选择84.2 前端管箱84.3 管束分程

3、和分程隔板的布置94.3.1 管束分程94.3.2 分程隔板的布置94.4 换热管104.4.1 换热管的长度104.4.2 规格及尺寸偏差104.4.3 布管104.4.4 布管限定圆114.5 管子与管板的连接124.6 管板与壳体的连接134.7 折流板和支持板144.8 拉杆和定距管154.9 防冲与导流164.10 法兰选择164.100.1 密封面型式164.10.2 管箱法兰、壳体法兰、外头盖侧法兰和外头盖法兰164.10.3 接管法兰174.10.4 垫片174.11 支座的选择18第五章 设计计算与强度校核205.1 壳体、管箱圆筒和外头盖圆筒的壁厚计算与校核205.1.1

4、符号205.1.2 壳体壁厚计算和校验205.1.3 管箱圆筒壁厚计算和校验215.1.4 外头盖圆筒壁厚计算和校验225.2 浮头盖封头和管箱封头厚度计算235.2.1 管箱封头厚度计算245.2.2 外头盖封头计算255.3 管板计算与校核265.3.1 管板的厚度计算265.3.2 浮头式换热器管板计算275.3.3 管子与管板连接拉脱力的计算与校核285.4 螺栓计算与校核295.4.1 螺栓载荷295.4.2 螺栓面积305.4.3 螺栓设计载荷305.5 法兰的计算与校核305.6 接管开孔补强计算335.7 压力实验355.7.1 壳体水压试验355.7.2 管程水压试验压力36

5、第六章 制造、检验和验收376.1 总则376.2 浮头式换热器的制造376.2.1 封头和管箱376.2.2 折流板376.2.3 管束的组装386.2.4 换热器的组装386.3 浮头式换热器的检验与验收38总结40参考文献41III第六章 制造、检验和验收第一章 绪论1.1 工程背景换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。近年来,由于新科学技术和节约能源的发展,对被广泛应用的换热器,提高换热器的传热性能和开发新的节能型换热器,已成为换热器设计、制造方面的重要课题。在化工厂，换热器的费用约占总费用的10%-20%，在炼油厂约占总费用的35%-40%。我国石化行业的换热设备以管壳式换热

6、器为主，而且传统弓形折流板换热器占到总量的7080。弓形折流板换热器固然有其优点，并在产业节能方面做出了巨大贡献，但在新的节能减排形势下，其缺点(压降大、存在大量流动死区、振动大、传热效率低等)严重限制了自身的生存和发展空间，同时也推进了强化传热理论和换热器的发展 。1.2研究的目的和意义随着现代新工艺、 新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重 ，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用 ，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96% 。换热

7、设备在现代装置中约占设备总重的30% 左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的优势，约70% 。其余30% 为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性 ，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向研究发展。 第二章 换热器介绍2.1 换热器的应用及发展换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂中，约占总投资的35%40%。例如，如烟道气（约200300）、高炉炉

8、气（约1500）、需要冷却的化学反应工艺气（3001000）等的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济效益。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 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

9、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。 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。 近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工业得到了迅猛发展

10、。能源紧缺已成为世界性重大问题之一，各工业部分都在大力发展大容量、高性能设备，以减少设备的投资和运转费用。因此，要求提供尺寸小，重量轻、换热能力大的换热设备。特别是20世纪70年代的世界能源危机，加速了当代先进换热技术和节能技术的发展。世界各国十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作，开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备来提高工业生产经济效益，并取得了丰硕成果。到目前为止，已研究和开发出多种新的强化传热技术和高效传热元件。为了强化传在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。2.2 换热器的主要分类在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了各种不同形式和结构的换热设

11、备。 2.2.1换热器的分类及特点按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式：1）直接接触式换热器又称混合式换热器，它利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺允许两种流体混合的场合。2）蓄热式换热器 这类换热器又称回热式换热器。它是借助于由固体(如固体调料或多孔性格子砖等)构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单体体积传热面积大，故较适合用于气-气热交换的场合。 3）间壁式换热器 这种换热器又称表面式换热器。它是利用间壁（固体壁面）将进行热

12、交换的冷、热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样可分为： a)管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面进行传热的换热器。按传热管的结构形式不同大致可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器和缠绕管式换热器等。 b)板面式换热器 此类换热器都是以板面作为传热面，按传热板面的结构形式可分分为以下五种：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器。 板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制

13、造，在大规模组织成产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。c)其他型式换热器 这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器，一般是为满足某些工艺特殊要求而设计的，如石墨换热器、聚四氟乙烯换热器和热管换热器等。2.2.2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装了折流板。折流板可以提

14、高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应

15、力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：1）固定管板式固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。其结构如图当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 特点：结构简单，造价低廉，壳程清洗和检修困难，壳程必须是洁净不易结垢的物料。2）U形管式U形管式换热器每根管子均弯成U形，流体进、出口分别安装在同一端的两侧，封头内用隔板分成两室，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。 特点：结构简单，质量轻，适用于高温和高压的场合。管程清洗困难，管程流体必须是洁净和不易结垢的物料

16、。3）浮头式换热器两端的管板，一端不与壳体相连，该端称浮头。管子受热时，管束连同浮头可以沿轴向自由伸缩，完全消除了温差应力。 特点：结构复杂、造价高，便于清洗和检修，消除温差应力，应用普遍。4）双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构如图1.3所示。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。1-盘环形折流板环板；2-盘环形折流板盘板；3-纵向隔板；4-换热管；

17、5-管箱；6-分程隔板；7-定距管；8-拉杆图1.3 双壳程U型管壳式换热器）填料函式换热器：图1.4为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。 图1.4 填料函式换热器41第三章 换热器设计主要参数与材料选择3.1 设计条件 表2.1 换热器初始条件壳程管程程数12介质MTBE

18、循环水工作压力 MPa0.050.4设计压力 MPa0.58/-0.10.58设计温度 8360入口温度 6333出口温度 5440焊缝系数 =0.85换热面积 =2173.2 换热器材料选择压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计、组织结构的改变和零件表面改性。3.2.1 钢板Q345R是普通低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345R钢有所提高外，还要求保证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高。它是目前我

19、国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。可用于容器壳体材料中。本设计中选用Q345R作为壳体、管箱、管板的材料。Q235B有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。主要用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。本设计选用Q235B作为分程隔板、挡板、折流板的材料。3.2.2 钢管 10号钢塑性、韧性很好，易冷热加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，此钢的可焊性非常好，可以用任何方法进行焊接，焊前和焊后不必进行热处理，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差。但此钢用不宜用于要求高强度的环境，只适用于要求受力不大、韧性高的零件中，可用作冷轧、冷冲、冷镦、冷

20、弯、热轧等工艺成形，也可用作心部强度不高的渗碳件、碳氮共渗件等。本设计选用10号钢作为换热管的材料。3.2.3 螺柱和螺母 30CrMoA钢是一种Cr-Mo系列合金结构钢，在淬火及低温回火后或淬火及高温回火后都具有很好的综合力学性能，只有回火温度高于530时强度才明显降低。30CrMoA钢调质后，在高温（低于550）条件下也有较高的强度，钢的低温韧性良好。 35CrMoA也是中淬透性钢的一种，常用于代替40CrNi制大截面齿轮与轴，汽轮发电机转子，480以下工件的紧固件。本次设计螺柱与螺母选择的材料是：30CrMoA，35CrMoA3.2.4 法兰高压容器的平盖、端部法兰、中（低）压设备的法兰

21、及接管法兰等常用锻件制成。根据锻件检测项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准将锻件分为、四个级别。锻件通常所用的钢材有Q235R、Q235F、16Mn、20等。法兰材料的选取通常与换热器壳体材料一致。通常所用的钢材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20等。因法兰是在主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故选择低合金钢16Mn锻件，它的特点是：高的强度和屈服比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一定的腐蚀性能。3.2.5 容器法兰垫片垫片可用材料有橡胶垫片、石棉橡胶板垫片、聚四氟乙烯垫片、柔性石墨复合垫、缠绕垫、金属包裹垫、金属环垫等。本设计中壳程介质原料油粘度大、具有易燃的特

22、性，要求法兰与垫片之间具有较好的密封性能。根据HG20614-97钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定，选用缠绕垫片，垫片材料选用柔性石墨作为填充带材料，根据GB /T 4705-2000选用06Cr19Ni10作为加强环材料。3.2.6 拉杆、定距管拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，距管要求有足够的强度和良好的焊接性，考虑到设计要求，拉杆选材为Q235B，定距管选材为10钢。3.2.7 鞍座鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选用低合金钢Q235B。第四章 换热器结构型式选择4.1换热器结构型式的选择本设计的换热器结构形式选择浮头式换热器。浮头式换热器的特点：换热器中

23、的一块管板通过螺栓夹紧在壳体法兰和管箱法兰之间，另一块管板能沿轴向自由移动，当管束与壳体受热伸长不等时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力，管束可以抽出便于清洗管子内外表面的污垢。浮头部分由浮头管板、沟圈和浮头端盖组成，为可拆结构，便于制造、安装和检修，但浮头端盖部件在操作中无法检查，所以在制造和安装时要特别注意它的密封性能，以免发生内漏。浮头式换热器整个结构比较复杂，金属耗费量大，造价比固定管板式高20%左右。但由于具备上述特点，适用于管、壳壁温差较大和介质易结垢需要清洗的场合，因此石油化工系统装置中有大量的应用。4.2 前端管箱1）A 型（平盖管箱） 前端管箱形式中A，装有管箱平盖（或称盲

24、板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大时得用锻件，耗费大量机加工工时，提高制造成本，增加一道密封的泄漏可能。一般多用于DN<900mm 的浮头式换热器中。2）B 型封头管箱型。用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好得多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱，但这种形式用的最多。 本设计在考虑了操作的方便，且考虑B 型管箱的优点以及公称直径大小后选取B,型封头管箱型为前端管箱。图3.1 前端管箱4.3 管束分程和分

25、程隔板的布置4.3.1 管束分程 在设计中，若采用多管程，则需要在管箱中安装分程隔板。分程时，应使各程管子数目大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短。为使制造、维修和操作方便，一般采用偶数管程。程数不宜过多，随着程数的增加，换热器的传热效率下降且与错流传热接近。本设计按照题目要求设计管程为2，其中管束分程方法常采用平行方式。4.3.2 分程隔板的布置 在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的传热系数，通常是采用设置隔板的方法来增加程数以提高流体流速实现其目的。在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面，本设计管程隔板形式采用上图中最常用的结构形

26、式（a），如图3.2所示。图3.2 分程隔板 4.4 换热管4.4.1 换热管的长度 根据热交换器GB/T151-2014 规定，换热管的长度推荐采用：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。本设计中选取换热管长度为6.0m。4.4.2 规格及尺寸偏差本设计中换热管采用10号钢材料，根据钢制管壳式换热器GB151-2014 规定，换热管外径的规格有14mm、16mm、19mm、25mm、32mm、38mm、45mm、57mm。由于走管程的介质是轻柴油，黏度较小，选用较小的管径，故本换热器中选择252.5规格的换热管，由表3.1查得，换热管中心距为32

27、，分程隔板槽两侧相邻管中心距44。表3.1 换热管常用中心距换热管外径d1920222530323538换热管中心距S2526283238404448分程隔板槽两侧相邻管中心距Sn 3840424450525660级管束管束管板管孔直径及允许偏差符合表3.2的规定：表3.2 级管束管束管板管孔直径及允许偏差换热管外径1416192532384557管孔直径14.2516.2519.2525.25 32.2538.4045.40 57.55允许偏差 因换热器中选择换热管外径为25mm，则管孔直径为25.25，允许偏差为+0.25、0。4.4.3 布管换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径，

28、这是保证管间小桥在胀管时有足够的强度。当采用焊接方式时，管间距可以小一些。传热管在管板上的排列有四种基本形式，即正三角形，正四边形，转角正三角形、转正四边形。如下图3.3所示：图3.3 布管排列方式三角形排列最为普遍，其在同一直径管板面积上可排最多的换热管数。其用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。当需对换热管外清洗时，则需采用正方形排列，其最小清洗通道应不小于6毫米。对于正方形排列，在一定的管板面积上可排列的管数最少，但它易于清扫，故在易于生成污垢，需将管束抽出清洗的场合得到一定的应用，浮头式和填料函换热器中采用这种排列较多。本次设计的类型为浮头式换热器，综合壳程介质为原料油，需要定期对换热

29、管外清洗，故选用的布管方式为正方形排列。根据任务书给的面积初算换热管根数：因为换热器管程为2，故取4.4.4 布管限定圆符号：b 其值按表3.3选取，mm；b1 见图3.4，其值按表3.4选取，mm；b2 见图3.4，mm；bn 垫片宽度，其值按表3.3选取，mm；DL 布管限定圆直径，mm；Di 圆筒内直径，mm；d 换热管外径，mm； 图3.4 图3.5 表3.3 表3.4Dib<100010002600>3>4Dibnb1700>700101335 Di= 900mm，取b=4mm，bn=13.5mm，b1=5mm则有:。表3.5 布管限定圆直径换热器型式固定管板

30、式、U形管式浮头式布管限定圆直径布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，由表3.5计算得：。4.5 管子与管板的连接换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊、胀焊并用。而其连接结构如图3.6所示： 图3.6 管子与管板的连接方式 强度胀接是为了保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。胀接结构制造简单，管子的更换和修补容易，所以应用较广。一般使用的管板为碳素钢，低合金钢，管子为碳钢，设计压力不超过4.0MPa。强度焊的结构强度高，抗拉脱力强，

31、在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗拉脱能力。 随着高温、高压换热器的出现，使接头在操作过程中，受到反复变形，热冲击，热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，发生破坏的可能性很大，尽管内孔焊较理想的解决了这些问题，但因焊接工具复杂，管板加工困难，因此工程上多数情况下还是采用胀焊结合的形式来解决上述问题。 在本设计中采用胀焊并用的方法来作为换热管与管板的连接方式，此方法既保证换热管与管板连接的密封形，又保证了换热管与管孔之间缝隙的拉脱力。4.6 管板与壳体的连接 管板与壳体的连接形式，分为两类：一是不可拆式的，如固定式管板换热器，管板与壳体是用焊接连接；一是可拆式的，如U形管式、浮头式及填料函式

32、和滑动管板式的换热器，一般采用管板本身不直接与壳体焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定，如下图示： 图3.7 管板与壳体的连接方式考虑到本设计为浮头式换热器，管束要拆卸进行清洗，使用可拆式管板，如上图示，选用a 形连接方式，管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接，此连接在制造上较其它连接方式简单，装卸也比较方便，质量较轻。4.7 折流板和支持板 折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm，在本设计中换热管外径为25mm，据表GB151-2014表42查得其最大无支撑跨距为1.85m。同时支持板的形状和尺寸与折流板一致，所以可根据折流板的种类选取。常用的折流板和支持板的形式

33、有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种，各种形式折流板见图3.8。根据本设计的需要选用单弓形折流板。 图3.8 折流板折流板厚度按GB151-2014表34选取，公称直径为900mm，换热管无支撑跨距为2200mm，折流板选用厚度为10mm。 折流板的间距一般不小于壳体内径的1/5，且不小于50mm，且不超过圆筒内径。两块管板与端部折流板的距离通常大于中间折流板的距离，中间折流板一般在管子有效长度上等距离布置，本次设计选取折流板间距为450mm。折流板数为9，则有中间折流板间距为：。4.8 拉杆和定距管拉杆有两种主要形式：1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于

34、19mm的管束；2)拉杆与折流板点焊结构,适用于换热管外径小于或等于14mm的管束。已知换热管规格为，故选用拉杆定距管结构。根据表3.6所对应的换热管外径25，确定拉杆直径为16mm。表3.6换热管外径d10d1414<d<2525d57拉杆直径101216已知拉杆直径16mm和换热器的公称直径900mm，再根据表3.7确定拉杆数量为6根。表3.7公称直径/拉杆<400400<700700<900900<13001300<15001500<18001800<20002000<230010121644466410861210616128

35、181410241812282014根据表3.8选取 =20mm、 =60mm。表3.8拉杆直径d拉杆螺纹公称直径b1012161012161315204050601.52.02.0拉杆的连接尺寸如图3.9所示，拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。图3.94.9 防冲与导流当管程介质从进口管以轴向流入时，或者换热管中的介质流速超过3m/s 时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。防冲板的形式一般有工字形、矩形和圆形。一般防冲板的边长应大于接管外径50mm，防冲板最小厚度：碳钢为4.

36、5mm，不锈钢为3mm。4.10 法兰选择4.100.1 密封面型式常见法兰密封面主要有突面、凹凸面、榫槽面、全平面、环连接面5种型式，结构如下图所示：图3.10 密封面型式4.10.2 管箱法兰、壳体法兰、外头盖侧法兰和外头盖法兰根据设计条件，本设备采用a型管板与壳体连接方式，设计压力0.58MPa,公称压力PN=1.6MPa，查HG2059220635-97钢制管法兰、垫片、紧固件和JB47004703-200压力容器法兰，外头盖法兰、管箱法兰和壳体法兰都选用凹面密封面法兰（代号FM），外头盖侧法兰选用凸面密封面法兰（代号M）。4.10.3 接管法兰根据GB150-1999的规定，筒体开孔

37、时，当其1500mm时，其最大直径d，且d。接管法兰根据HG20592-2009标准选用。设计温度83，根据设计温度选用压力等级PN16的法兰，公称直径为250mm，如图3.11所示。结构形式选用突面法兰密封面带颈对焊法兰，尺寸见表3.9、表3.10。 图 3.11 突面(RF)法兰密封面结构 表3.9 密封面尺寸公称通径 DN 公称压力PN WXYZ 25027529030832033534525.04.5292312313291表3.10 接管法兰尺寸公称通径DN法兰外径D螺栓孔中心圆直径 K螺栓孔直径L螺栓孔数量N螺栓Th法兰厚度CNR2504053552612M242629212111

38、74.10.4 垫片 垫片装在管板与法兰之间，作用是防止容器发生泄漏。垫片是密封结构中的重要元件，其变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形能力大的密封垫易填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太大；回弹能力大的密封垫，能适应操作压力和温度的波动。又因垫片是与介质直接接触的，所以还应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等性能。 根据HG20592-2009选用的缠绕式垫片，0Cr18Ni9金属带和柔性石墨。根据选定的法兰选垫片的型号：JB/T 4706-2000，基本结构如图3.11所示，其主要结构尺寸见件表3.11。图3.11 垫片基本结构图表3.11 法兰垫片主要尺寸容器法兰垫片型号BCH-9

39、-C-900-1.6-1B JB/T 4075-2000912940990 4.11 支座的选择 参照GB151-2014支座选择，鞍式支座如下图所示。鞍式支座在换热器上的布置应按下列原则确定： a） 当 时，取 b） 当 时，取 c） 尽量使和相似。 （0.5-0.7）L=3600mm现根据JB/T 4712.1-2007容器支座第一部分：鞍式支座，由表2知允许载荷Q：225kN；鞍座高度：h=200mm；底板： 腹板：筋板： 垫板：弧长为1060mm 螺栓间距：鞍座质量：87.5Kg增加100mm高度增加的质量：8Kg第五章 设计计算与强度校核5.1 壳体、管箱圆筒和外头盖圆筒的壁厚计算与

40、校核5.1.1 符号 C 厚度附加量，mm,对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值;对热套圆简只考虑内侧第一层套合圆筒的C值 圆简或球壳的内直径,mm; 圆筒或球壳的外直径(),mm; 计算压力,MPa; 圆筒或球壳的最大允许工作压力,MPa 圆筒或球壳的计算厚度,mm; 圆筒或球壳的有效厚度,mm; 多层包扎圆筒内筒的名义厚度,mm; 圆筒或球壳的名义厚度,mm; 设计温度下圆筒或球壳的计算应力,mm; 设计温度下圆 筒或球壳材料的许用应力 ,M Pa ;5.1.2 壳体壁厚计算和校验 壳体圆筒的厚度按GB150-2011压力容器第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定。表

41、4.1 碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度 公称直径4007007001000100015001500200020002600浮头式，U形管式810121416壳体圆筒设计条件如表4.2所示。表4.2 壳体圆筒设计条件部件 材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm壳体圆筒Q345R830.581850.850.34设计温度83下壳体的计算厚度如下，其中，=0.85，带入下式4.1得： （4.1）计算厚度：=1.7mm设计厚度：名义厚度：,经圆整取=10mm, 圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定，则取= 14mm有效厚度： 设计温度下圆筒的计算应力按下式4.2计算： （4.

42、2） 设计温度下圆筒的最大允许工作压力按下式4.3计算： （4.3） 则有：满足强度和压力要求，故取= 14mm符合设计要求。5.1.3 管箱圆筒壁厚计算和校验管箱圆筒设计条件如表4.3所示：表4.3 管箱圆筒设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm管箱圆筒短节Q345R830.581850.850.34设计温度243下管箱圆筒短节的计算厚度如下，其中， ，=0.85，带入公式4.1得： 计算厚度：= 1.7mm设计厚度：名义厚度：,经圆整取=10mm, 圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定，取= 14mm有效厚度：设计温度下圆筒的计算应力按公式4.2计算：

43、 设计温度下圆筒的最大允许工作压力按公式4.3计算： 则有：满足强度和压力要求，故取= 14mm符合设计要求。5.1.4 外头盖圆筒壁厚计算和校验外头盖圆筒设计条件如表4.4所示：表4.4 外头盖圆筒短节设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm外头盖圆筒短节Q345R830.581560.850.34设计温度下外封头圆筒短节的计算厚度如下，其中； ；=0.85带入公式4.1得： 计算厚度：= 1.8mm设计厚度：名义厚度：,经圆整取=10mm, 圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定，取= 14mm有效厚度：设计温度下圆筒的计算应力按公式4.2计算： 设计温度

44、下圆筒的最大允许工作压力按公式4.3计算： 则有：满足强度和压力要求，故取= 14mm合适。5.2 浮头盖封头和管箱封头厚度计算压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。 图4.1 标准椭圆封头此次设计采用标准椭圆形封头，它由半个椭球面和圆筒短节组成，如图4.1所示。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。椭圆形封头应力分布比较均匀，且深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容

45、器中应用较多的封头之一。管箱封头和外头盖封头设计条件如表4.5，表4.6所示。表4.5 管箱封头设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm管箱封头Q345R830.581850.850.34表4.6外头盖封头设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm外头盖封头Q345R830.581850.850.34符号规定：Di 封头内直径，mm；D0封头外直径（),mm；h1 封头曲面深度，mm；h2封头质变高度，mm；A 封头内表面积，；V 封头容积，m3；m 封头质量，； 计算压力，MPa； 最大允许工作压力，MPa；封头计算厚度，

46、mm； 封头有效厚度，mm； 封头名义厚度，mm； 设计温度下封头材料的计算应力，MPa； 设计温度下封头材料的许用应力,MPa； 焊接接头系数。5.2.1 管箱封头厚度计算标准椭圆形封头的厚度计算如下,其中， ，=0.85带入公式4.4可得： （4.4）计算厚度：= 1.8mm设计厚度：名义厚度： ，圆整取=10mm, 考虑到管箱圆筒厚度为14mm，故取= 14mm有效厚度：标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15，但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。故该标准椭圆形封头的名义厚度= 14mm合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按下式4.5计算： （4.5

47、）式中：K椭圆形封头形状系数， 表4.7 系数K值2.62.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.4K1.461.371.291.211.141.071.000.930.870.810.760.710.66由表4.7取K值为1，则则有：该封头满足压力要求，故取= 14mm符合设计要求。 设计温度下封头的计算应力按下式4.6计算： （4.6）则有：该封头满足强度要求，故取= 14mm符合设计要求。5.2.2 外头盖封头计算标准椭圆形封头的计算厚度按下式4.4计算，其中，=0.85, 计算厚度：= 1.8mm设计厚度：名义厚度： ，经圆整取=10mm, 考虑外头盖圆筒短节厚度为14mm，故取= 14mm有效厚度：标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15，但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。 故该标准椭圆形封头的名义厚度= 14mm合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按公式