毕业设计（论文）-流量为1500kgh四管程固定管板式换热器的设计（全套图纸）

1、.沈阳化工大学科亚学院本科毕业设计题 目：流量为1500kg/h四管程 固定管板式换热器的设计 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 1201 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016年5月25日论文答辩日期： 2016年6月6日毕业设计（论文）任务书过程装备与控制工程 专业 过控1201 班学生： 毕业设计（论文）题目：流量为1500kg/h四管程固定管板式换热器的设计 毕业设计（论文）内容：设计计算书一份； 设计说明书一份； 绘制施工图折合A0号图2张。毕业设计（论文）专题部分： 固定管板式换热器 起止时间：2016年3月1日-2016年5月23日指导教师： 2016年 3月1

2、日摘要 换热器又被叫热量交换器，是一种把热流体的热量传递给冷流体的设备，并且实现化工生产过程中热量的交换和传递不可缺少的设备，在工厂中具有重要的意义。换热器可以是一种单独的设备，例如加热器、冷却器和凝汽器等等；也可是工艺设备的组成部分，比如石化、煤炭工业中的余热回收装置等等。换热器是两种温度不同的物料在一个设备内相互交换热量，最终达到将物料冷却，或者将冷物料加热为目的的设备。常见的热交换器是:浮头式换热器,固定管板式换热器,填料函式换热器、u型管换热器,线圈热交换器,单引号和双壳程换热器管式热交换器和管式热交换器和导流管式热交换器,折流栅换热器,热管换热器,换热器插管,滑动管板式换热器,等。本

3、换热器是蒸汽冷凝器在成产中是非常常见的设备，该换热器有耐高压的优点、价格低廉、清洗方便不宜结垢的优点。 壳程的设计任务描述二甲胺的给定条件中,温度为49.96,0.9 MPa开始冷凝,其流量为1500kg/h。管内的介质是水,冷却水温上升从一开始的33到43,压力在0.6 MPa。完成了压降计算,强度计算,钢筋,短管箱部分壁厚计算、等强度设计,强度设计依据圆柱,头部和检查,根据入口连接的流量和出口喷嘴直径的选择上,打开加筋法的基础上平等面积配筋计算。法兰的设计,管板扩展,根据弹性支持假说的管板设计和检查,管板与换热管连接焊接、棒和管板螺纹连接结构。与此同时,鞍的卧式容器检查。 本设计充分利用材

4、料,更多的场合。在同一换热器的热交换器是非常便宜和安全。因此,换热器在工厂中占有重要地位。关键字: 固定管板; 换热器; 不同物料; 热交换 ； 补强全套图纸，加153893706：Abstract Heat exchanger called heat exchanger again, it is a kind of the thermal fluid heat transfer to cold fluid equipment, and realize the heat exchange and transmission in the process of chemical productio

5、n indispensable equipment, has the vital significance in the factory. Heat exchanger can be a single device, such as a heater, cooler and steam condenser, etc. But also part of the process equipment, such as waste heat recovery unit in petrochemical industry, coal industry, and so on. Temperature he

6、at exchanger are two different materials in a heat exchanging equipment, eventually achieve the material cooling, or heating equipment for the purpose of cold material. Common heat exchanger is: of floating head heat exchanger, fixed tube plate heat exchanger, stuffing box type heat exchanger, the u

7、 tube heat exchanger, heat exchanger coil, single and double shell side heat exchanger tube heat exchanger and tube heat exchanger and diversion tube heat exchanger, the rod baffle heat exchanger, heat pipe heat exchanger, heat exchanger, intubation sliding tube plate heat exchanger, etc. This heat

8、exchanger is steam condenser is very common in into during equipment, the heat exchanger has the advantages of resistance to high pressure, low cost, convenient cleaning is unfavorable and scale advantages. Shell side of the design task description of dimethylamine in given conditions, the temperatu

9、re is 49.96 , 0.9 MPa began condensation, the flow rate of 1500 kg/h. Tube medium is water, cooling water temperature rise from the beginning of 43 to 33 , pressure is 0.6 MPa. Completed the pressure drop calculation, strength calculation, reinforcement, short tube box part of wall thickness calcula

10、tion, strength design, strength design based on cylindrical, head and checking, according to the flow rate of inlet connection and the choice of outlet nozzle diameter, opening reinforcement method on the basis of equal area reinforcement calculation. The design of the flange, tubesheet extended, ac

11、cording to the elastic support hypothesis tube plate design and inspection, tube plate connected to the heat exchange tube, rod and tube sheet welding structure of threaded connection. At the same time, the saddle horizontal vessel inspection. This design make full use of the material, more occasion

12、s. At the same heat exchanger heat exchanger is very cheap and safe. Therefore, the heat exchanger occupies an important position in the factory.Key words: Fixed tube sheet； Heat exchanger； Different materials； Reinforcing 目 录 第一章 固定管板式换热器设计方案的选择 1 1.1换热器类型的选定 1 1.2 本文研究的内容 2 1.3换热器换热方式的选择 3 1.4流体进出

13、口温度的确定 3 1.5换热器材料的选择 3 第二章 固定管板式换热器的工艺计算 4 2.1换热器的工艺参数 4 2.2换热器的物性参数 4 2.3换热器的设计温度 4 2.4换热器的工艺结构设计 5 2.4.1换热器传热面积的估算 5 2.4.2管径、管内流速及传热管数 6 2.4.3平局传热温差校正及壳程数 6 2.4.4壳体内径 7 2.4.5折流板 7 2.5换热器核算 7 2.5.1壳程表面传热系数 7 2.5.2管内表面传热系数 8 2.5.3污垢热阻和管壁热阻 8 2.5.4传热系数 8 2.5.5 压降校核 9 2.6换热器主要结构尺寸和计算结果 11 第三章 结构设计 12

14、3.1 壳体、管箱壳体和封头的设计 12 3.1.1 壁厚的确定 12 3.1.2 管箱壳体壁厚的确定 13 3.1.3 标准椭圆封头的设计 14 3.2 管板与换热管设计 15 3.2.1 管板 15 3.3 进出口设计 17 3.3.1 接管的设计 17 3.3.2 接管外伸长度 17 3.3.3 排气、排液管 17 3.3.4 接管最小位置 18 3.4 折流板或支持板 20 3.4.1 折流板尺寸 20 3.4.2 折流板和折流板孔径 20 3.4.3 折流板的布置 21 3.4.4 折流板质量计算 21 3.5 防冲挡板 22 3.6 拉杆与定距管 22 3.6.1 拉杆的结构和尺寸

15、 22 3.6.2 拉杆的位置 24 3.6.3 定距管尺寸 24 3.7 鞍座选用及安装位置确定 24 第四章 强度计算 25 4.1 壳体、管箱壳体和封头校核 25 4.1.1 壳体体校核 25 4.1.2 管箱壳体校核 25 4.1.3 椭圆封头校核 26 4.2 接管开孔补强 27 4.2.1 蒸汽进出口开孔补强 27 4.2.2 管箱冷却水接管补强的校核 29 4.3 膨胀节 31 4.3.1 膨胀节 31 4.3.2 膨胀节计算 31 4.4 管板校核 33 4.4.1 结构尺寸参数 33 4.4.2 各元件材料及其设计数据 34 4.4.3 管子许用应力 36 4.4.4 结构参

16、数计算 36 4.4.5 法兰力矩 37 4.4.6 管子加强系数 39 4.4.7 旋转刚度无量纲参数 39 第五章 结论 42 参考文献 43 致谢 44沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章固定管板式换热器设计方案的选择第一章 固定管板式换热器设计方案的选择1.1 换热器类型的选定 换热器是化工生产中最为常用的一种机器，它的主要作用是进行几种介质之间的热量传递。常见的热交换器：热交换器、浮头换热器、固定管板换热器、管式换热器、管换热器、双壳侧换热器、多管换热器、换热器、折管式换热器、热管式换热器、滑管板换热器1。 图1.1 为立式壳程冷凝器和水分配器 如上面所示的壳侧立式冷凝器。后壳侧

17、档板或板,蒸汽流过冲击板流从上到下,由底水排放冷凝水。降膜管流的形式,因此低压冷却水侧要求;一个大由于水的传热系数,所以消费更少的水,但水不容易均匀的分布，可在管口安装一水分配器。图1.2 为卧式壳程冷凝器 这种冷凝器管程是单向或双向的。管的长度和直径的大小,和管道的安排取决于管、壳程传热需求。使用双管程冷凝水可以引出管方之间,这样我们可以减少液相所覆盖的区域也可以降低压降,在同一时间,减少的数量的方法第二工艺管道保持恒定的质量速度。在这种冷凝器,蒸汽和冷凝物接触不好,所以沸腾范围广泛的蒸汽冷凝是完全不合适的。此外,由于冷凝管道局部填补,所以过冷度很低。 根据设计要求，所选用的换热器为四管程固

18、定管板式换热器。它的应用十分之广泛，且结构坚固，稳定性高，适应性广，好制造，生产成本低廉2。1.2 本文研究的内容 摘要二甲胺容量为1500 kg / h的固定管板式换热器的设计。主要内容如下: (1) 类型和类型的热交换器进行调查和总结。此类设备的几种典型结构详细介绍,对固定管板式换热器的设计。确定本文的研究路线和内容。 (2) 确定换热器的设计。选择合适的换热器材料基于介质。冷热介质在管的分布和壳程。 (3) 设计条件下的固定管板式换热器的温度、压降和传热面积计算与检查。初步确定换热器管的结构参数和布。机械设计提供了进一步研究的基础。 (4) 基于GB150、 GB151、换热器的壳,管和

19、管板强度设计,进行检查。的作用下在壳程和管程压力验算,最后分裂洞加固计算。 (5) 配件如换热器设计过程的要点隔膜罐,法兰、隔板、鞍座、吊耳、电极、清洗系统和保护系统的设计和选择。1.3 换热器换热方式的选择 由于所选用的换热器为四管程固定管板式换热器，而它的换热方式大致有并流法、错流法、平流法和逆流法。并流法与逆流法在平时的生产生活中都非常常见3。考虑到本换热器的介质是水和二甲胺，蒸汽量并不大，而且二甲胺是通过汽化潜热来交换热量的，对换热的能力要求比较高，所以可以选择逆流法进行操作。1.4 流体进出口温度的确定 壳程:二甲胺，入口温度为49.96、0.9MPa冷凝，流量为1500kg/h。

20、管程：冷却水，冷却水温度从33升到43、压力为0.6MPa。 因此冷热流体之间的交换温度为 冷却水入口温度：33; 冷却水出口温度：43。 二甲胺入口温度：49.96，汽相； 二甲胺出口温度：49.96，液相；1.5 换热器材料的选择 二甲胺是一种剧毒物质，还能和氧化剂发生猛烈的反应4。因为二甲胺走壳程，所以对于换热器管板、壳体、换热管和折叠板可抗腐蚀可采用0Cr18Ni9不锈钢。42沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章固定管板式换热器的工艺计算第二章 固定管板式换热器的工艺计算2.1 换热器的工艺参数 管程水的进口温度=33 管程水的出口温度=43 管程水的工作压力=0.6MPa 管程水

21、的定性温度 两流体的温度差 壳程二甲胺的流量=1500kg/h 壳程二甲胺的入口温度=49.96 汽相 壳程二甲胺的出口温度=49.96 液相 壳程二甲胺的工作压力=0.9MPa 壳程二甲胺汽化潜热潜热2.2 换热器的物性参数 两种流体定性温度下的物性参数如下表： 物性流体温度密度kg/m3粘度mPas比热容kJ/(kg)导热系数W/(m)二甲胺蒸汽49.96进9.5170.00971.7850.018749.96出620.10.1413.6650.208冷却水38992.60.684.1740.632.3 换热器的设计温度 一般情况下，我们所设计出的换热器的设计温度要比它的最大的使用温度高出

22、20左右，所以壳体的设计温度应该为120；管程介质是水，最大的使用温度是43，则管程的设计温度为70。2.4 换热器的工艺结构设计2.4.1 换热器传热面积的估算 任务书中给定的二甲胺流量为1500kg/h，即： （2-1） 用热量损失系数进行估计， （2-2） 取则 有效的平均温度差： （2-3） 对于逆流，有效平均传热温差： （2-4） 热负荷的计算： （2-5） 根据管程走循环水，壳程走二甲胺蒸气，总传热系数K现暂取： 则估算换热面积： （2-6）2.4.2 管径、管内流速及传热管数 选用无缝光滑较高级冷拔传热管（不锈钢） 工业生产中常用的流量如下：水和类似流体的流量一般为0.52.5m

23、/s时，冷却水流量可以增加到3m/s。管内流速。 （2-7） 则所需的传热管长度： （2-8） 换热器需要的管长度：已知的设计是四管程固定管板式换热器，根据公式，它是： （2-9） 传热管总管数为 （2-10）2.4.3 平局传热温差校正及壳程数 平均温差校正系数有： （2-11） （2-12） （2-13） （2-14） 因为平均的传热温度差校正系数比0.8大，而且壳程流体的流量也很大，所以取单壳程更合适。2.4.4 壳体内径 采用单管程结构，壳体内径按式（2-15）估算。 （2-15） 按卷制壳体的进级档，可取D=1000mm 则横过管数中心线管的根数 （2-16）2.4.5 折流板 切去

24、的圆缺高度为，折流板间距B为450mm， =传热管长/折流板间距-1=7500/450-1=16（块）2.5 换热器核算2.5.1 壳程表面传热系数 由公式求得当量管数 再通过公式，可得无量纲冷凝表面传热系数： （2-17） 冷凝表面传热系数： （2-18）2.5.2 管内表面传热系数 可管程流体流通截面积求得管程流体流速 ，再通过公式（2-19），求雷诺数： （2-19） 管程流体普朗特数： ： （2-20） 由公式（2-18），得到管程表面传热系数： （2-21）2.5.3 污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内侧污垢热阻 管壁热阻计算，不锈钢条件下的热导率为16.86以 （2-22）2

25、.5.4 传热系数 根据公式可得冷凝器的传热系数： 据公式所需换热面积为 （2-23） 而冷凝器实际面积 则其面积裕度为： （2-24）因为换热器常常被用于精馏的过程，又因为精馏塔的操作需要进行回流比的调整，而且还要有调节塔压的功能，所以要适当的加大它的面积裕度，所以它的面积裕度应在30%左右。传热的面积裕度在适当范围，该换热器能够生产任务。2.5.5 压降校核 计算管程压降 取不锈钢的管壁粗糙度为0.1mm，则，而，于是 （2-25） （2-26） （2-27） 对的管子有。 管程流体的压降： （2-28） 故, 管程的压降符合要求。 计算壳程压降 流体流过管束阻力 , , F=0.5； （

26、2-29） 因为壳程内存在气体和液体，则以50%汽相分率的混合水蒸气来计算 （2-30） （2-31） 壳程流体流速及其雷诺数分别为： （2-32） （2-33） （2-34） 流体流过折流板缺口的阻力 （2-35）总阻力 （2-36） 在允许范围之内。2.6 换热器主要结构尺寸和计算结果 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表。换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率/153.060.83进/出温度/33/4349.96/49.96压力/0.60.9物性参数定性温度/3849.96密度/994.7620.1定压比热容/4.1743.665粘度/0.7570.141导热系数/0.6230.20

27、8设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径/1000壳程数1管径/管心距/32管长/4500管子排列管数目/根724折流板数/个16传热面积/258.6折流板间距/450管程数4材质不锈钢主要计算结果管程壳程流速/1.3040.44表面传热系数/582369322污垢热阻/0.000260.000176压降38.0kPa135.8Pa热流量/6388.9传热系数/1115裕度/%26.8沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章结构设计第三章 结构设计3.1 壳体、管箱壳体和封头的设计3.1.1 壁厚的确定 表3-1 碳素钢或低合金钢圆筒的最小厚度公称直径40070080010001100150

28、0160020020002600浮头式810121416U型管式810121416固定管板式68101214 表3-2 壳体或管箱壳体厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C1010121616MnR10101012160Cr18Ni966(7)8(9)1420由工艺条件给定的壳程设计温度49.96、设计压力为0.9MPa，因为在壳程中的是二甲胺蒸气，压力不高，腐蚀性大，所以壳程筒体材料可选0Cr18Ni9。筒体用钢板卷制，取钢板的厚度负偏差=0.8mm，腐蚀裕量=1.5mm，筒体采用双面对接焊接，局部探伤，则焊

29、缝系数=0.85。在设计温度下，0Cr18Ni9的许用应力为=137MPa，（厚度6-16mm）, 屈服强度为s=205MPa5。因为，筒体计算厚度可参照GB150-1998用式（3-1）计算 （3-1）式中：Pc计算压力，MPa； Di圆筒公程直径，mm； 焊缝系数； 筒体的计算厚度。 设计壁厚 由于二甲胺蒸气的腐蚀强度高，取腐蚀裕量=1.5mm。则 此时负偏差为C1=0.8mm，则。 名义壁厚 ，可取名义壁厚为10mm。 筒体的有效厚度为 而由表3-1、表3-2知可取壳体和管箱壳体壁厚为10mm。3.1.2 管箱壳体壁厚的确定 管箱法兰和垫片确定：根据工艺设计压力为0.6MPa，过程的公称

30、直径，检查JBt4703-2000可选长焊颈法兰lwn1000-1.0fm。材料采用16Mn。同时，根据管的性质和选择的模型可以选择JBt4701-2000法兰石棉橡胶垫片。 箱壳体壁厚的确定： 管程的设计压力为0.6MPa设计温度为70查GB150-1998知，筒节材料都采用16MnR，设计压力，用式（3-1）计算 设计厚度： 名义壁厚: ，名义壁厚可以取10mm6。 筒体的有效厚度为 而由表3-1和表3-2知可取管箱壳体壁厚为10mm。3.1.3 标准椭圆封头的设计 标准封头的厚度确定： 椭圆形封头是由长短半轴分别由a，b的半椭圆和高度为ho的短圆筒（通称为直边）两部分构成的7。直边的功能

31、主要是为了确保封头的生产质量以及免除筒体和封头之间的环向焊缝处产生边缘应力的作用。 表3-3 封头厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.01.62.54.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C1010121416MnR10101012160Cr18Ni966101218 表3-4 标准的椭圆形封头直边高度ho(mm)封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢封头壁厚4810182039101820直边高度254050254050 而对于标准椭圆形封头，K=1.00，故 设计厚度： 名义壁厚：，可取名义壁厚为10mm。 有效厚度： 由表3-3、表3-4壳体和管箱壳体的尺寸

32、结构应选择的封头为DN=1000mm，材料为Q235-A，封头厚度10mm，直边高度为40mm。查标准椭圆封头JB/T4737-95得曲边高度为250mm，内表面积，容积，质量。3.2 管板与换热管设计3.2.1 管板 管板结构：下面图中是固定式管板式换热器同时也是法兰的管板，管板和法兰之间相连的密封面是凸面，分程的隔板槽的拐角之处，倒角是1045。图3-1 堆焊管板结构图3-1是堆焊不锈钢管板，堆焊管板应该首先进行堆焊，之后在钻管孔。 管板尺寸：管板尺寸如图3-2。根据GB151-1999管壳式换热器中的规则，碳钢、低合金钢固定管板式换热器的管板（16Mn锻件）在PN1MPa、DN=1000

33、的管板尺寸见表3-59。图3-2 管板尺寸图（用于壳程PN1.0MPa) 表3-5 DN=1000管板尺寸表PsMPaPtMPaDD1D2 D3D4D5RhCD2螺柱（栓）hfb规格数量0.61.01140110010659971052100014.523M20484656管板与换热管只能采用焊接的形式连接。 换热管的排列：换热管的排列型式：三角形换热管中心距：对于换热管外径为25mm的管子，换热管中心距取32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距为44mm。布管限定圆DL：布管限定圆其实就是管束的最外层换热管的中心圆直径，固定管板式的布管限定圆应该按DL=Di-2b3确定。而这里面的Di是换热管筒

34、体的内直径；b3是固定管板换热器管束最外层换热管从外表面到壳体内壁的最小距离，b3=0.25d并且要大于等于8mm；DL是布管的限定圆直径。 图3-2 布管示意图 由之前的条件知b3=0.25d=0.2525=6.25mm取8mm 则DL=Di-2b3=1000-28=984mm。3.3 进出口设计3.3.1 接管的设计 壳程流体进口接管：取接管内气体流速为，则接管内径为 约等之后取接管的内径为400mm。 管程流体的进出口接管：取接管内的液体流速是，接管内径就是 圆整后可取接管内径为350mm。3.3.2 接管外伸长度 接管外伸长度可由表3-6的数据选取 表3-6 PN30060060090

35、09001200120015001500折流板最小厚度10005681012163.4.2 折流板和折流板孔径换热管级管束（适用于碳素钢、低合金钢和不锈钢换热器）折流板或支持板管孔直径及允许偏差应符合表3-8。 表3-8 折流板或支持板管孔直径及允许偏差换热管外径或无支撑跨距d32或l900l900且d32管孔直径d+0.8d+0.4允许偏差+0.40 折流板直径及允许偏差： 表3-9 折流板直径及允许偏差公称直径DN4004005005009009001300130017001700200020002300kg/(ms2)者；（2）其他液体，包括沸点下的液体，u2740kg/(ms2)者；3

36、.6 拉杆与定距管3.6.1 拉杆的结构和尺寸 拉杆的结构型式： 选用拉杆定距管结构。 拉杆的尺寸：图3-8 拉杆连接尺寸 拉杆的长度L按实际需要确定，拉杆的连接尺寸由图3-8和表3-10确定。 表3-10 拉杆的尺寸拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb101013401.5121215502.0161620602.0 拉杆的直径和数量：拉杆直径和数量按表3-11和表3-12选用。 表3-11 拉杆直径选用表换热管外径d10d1414d2525d57拉杆直径dn101216 表3-12 拉杆数量选用表拉杆直径dn，mm壳体公称直径d，mm40040070070090090013001300

37、150015001800180020002000230023002600拉杆数量10461012161824283212448101214182024164466810121216因为换热管的外径是25mm，壳体的公称直径是1000mm，所以选取直径为16mm的拉杆，数量是6。3.6.2 拉杆的位置拉杆要尽可能均匀的布置在管束的外边缘处，对于直径较大的换热器，在布管区内或者靠近折流板缺口处可以布置一定数量的拉杆，所有的折流板一定至少3个支承点。3.6.3 定距管尺寸定距管的大小,一般要用换热器的换热管的规格。是一个不锈钢管程和壳程换热器是碳钢或低合金钢,并可以使用相同的碳钢不锈钢换热管直径管道

38、。定距管的长度,要依据实际的需求11。3.7 鞍座选用及安装位置确定鞍座根据JB/T4712.1-2007选取BI1000-S12，其中鞍座高度取H=300mm。L=7500mm，取，。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢第四章强度计算4.1 壳体、管箱壳体和封头校核4.1.1 壳体体校核 对壳体进行强度校核： 在设计温度下，壳体正常工作所受的压力 （4-1） 故所取壳体的厚度能满足工艺要求。 压力试验强度校核： 液压试验压力： 由于壳程设计压力大于管程设计压力，所以选壳程压力与管程试验压力相等 （4-2） 液压试验时，壳体所承受的应力 （4-3） 有以上计算可知，壳体的厚度能满足水压试验时的压力。4.1.2 管箱壳体校核 管箱壳体进行强度校核 在设计温度下，管箱壳体正常工作时所受的压力 故所取管箱壳体的厚度能满足工艺要求。 压力试验强度校核： 液压试验压力 13 液压试验时，管箱壳体所承受的应力 有以上计算可知，管箱壳体的厚度能满足水压试验时的压力。4.1.3 椭圆封头