(完整word版)化工机械与设备课程设计

1、化学工程学院化工机械与设备课程设计设计说明书专业_班级_ 化工 11-4_姓名_ 沈杰_学号_ 11402010417_指导老师_ 杨泽慧_日期2014 年 6 月 10 日成绩_宁波工程学院化工机械与设备课程设计I化学工程学院 2013-2014 (2)化工机械与设备课程设计任务书一、 课程设计题目：管壳式换热器的机械设计二、 课程设计内容1管壳式换热器的结构设计包括：管子数n,管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择, 容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管 管径计算等等。2.壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核(1)根据设计压力初定

2、壁厚；(2)确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；(3)计算是否安装膨胀节；(4)确定壳体的壁厚、圭寸头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。3.筒体和支座水压试验应力校核4.支座结构设计及强度校核包括：裙座体(采用裙座)、基础环、地脚螺栓5.换热器各主要组成部分选材，参数确定6.编写设计说明书一份7. Auto CAD绘3号设备装配图一张三、设计条件1气体工作压力管程：半水煤气(0.80+学号最后两位第一个数字0.02，单位：MPa)壳程：变换气(0.75+学号最后一位数字.01，单位：MPa)2壳、管壁温差50C,ttts壳程介质温度为320-450C,管程介质温度为280-420C。3由

3、工艺计算求得换热面积为(130+学号最后一位数字5)，单位：m24壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据查表 选用。5壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数=0.9宁波工程学院化工机械与设备课程设计II6图纸：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。四、进度安排6月9-6月20日五、 基本要求1.学生要按照任务书要求，独立完成设备的机械设计；2设计说明书一律采用电子版，指导老师指导修改后打印，3号图纸终稿打印；3.图纸打印后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在6月20日上午9点半前，由各组组长负责统一提交。5.根据设计说明书、图纸、平时表现综合评分。六、 说明书的内

4、容任务书1.符号说明2.前言(1)设计条件；(2)设计依据；(3)设备结构形式概述。3.材料选择(1)选择材料的原则；(2)确定各零、部件的材质；(3)确定焊接材料。4.绘制结构草图(1)换热器装配图；(2)确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位 置，以单线图表示；(3)标注形位尺寸;宁波工程学院化工机械与设备课程设计III（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等；5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括

5、：代号，PN,DN,法兰 密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算；（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算；（3）其它标准件选择。7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。8.主要参考资料。【格式要求】：1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；3.所有标准件均要写明标记或代号；4设计说明书目录要有序号、内容、页码；5.设计说明书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变 更;6.表达清晰，层次分明；7设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。七、主要参考资料1化工设备机械基础课程设计指导书.化学工业出版.2009.12化工设备机

6、械基础第五版 刁与玮 王立业 编著2010.6；3化工单元过程与设备设计匡国柱 史启才主编；4化工制图华东化工学院制图教研室编人民教育出版社1980；化工设备机械基础参考资料；6钢制压力容器GB150-2011；7钢制塔式容器JB/T 4710-2005；8GB151-1999管壳式换热器1999年；9压力容器安全技术监察规程国家质量技术监督局1999年。宁波工程学院化工机械与设备课程设计IV目录符号说明.VI.1 前言. 11.1设计条件.1.1.2设计依据.1.1.3设备结构形式概述.1.2 材料选择.22.1选择材料的原则.2.2.2换热器各零、部件的材质 .2.2.3焊接材料.2.3

7、管壳式换热器的结构设计.33.1管子数n.3.3.2管子排列方式、管间距 .3.3.3壳体直径.3.3.4壳体壁厚.3.3.5封头的选择.4.3.6法兰的选择.4.3.7管板尺寸.5.3.8管子拉脱力.5.3.9是否安装膨胀节.7.3.10折流板.8.3.11开孔补强.8.3.12支座.1.04 管壳式换热器的强度计算 .134.1筒体.1.34.2封头.1.45 数据表.155.1结构参数.15宁波工程学院化工机械与设备课程设计V5.2设计值.15结束语.16参考资料.17宁波工程学院化工机械与设备课程设计6符号说明Tt操作状态下管壁温度，cF换热面积，2m；Ts操作状态下壳壁温度，ca官间

8、距，mm焊接接头系数，无量纲；di壳体内径，mm；B正六边形对角线上的管子数，个；do壳体外径，mm；Ln换热管长度，mm；Pc计算压力，MPa;d均管子的平均直径，mm；Pw工作压力，MPa;Pw最大允许工作压力，MPa；P设计压力，MPa;PT水压试验压力，MPa;s计算壁厚，mm；DN直径（公称），mm；ad设计壁厚，mm；PN公称压力，MPa；出名义壁厚，mm；Pt管子的工作压力，MPa；泊有效壁厚，mm；Ps壳体的工作压力，MPa；C厚度附加量: ，mm；t管壳壁温度，c；C1钢板的负偏差，mm；q许用拉脱力，MPa；C2腐蚀欲量，mm；a线膨胀系数，1/C；os屈服点，MPa；f每

9、四根管子之间的面积，mm2；h1曲面咼度，mm；At换热管截面面积，mm;ho短圆筒长度，mm；As冗壁横截面面积，mm2;h2直边长度，mm；管、壳壁温差所产生的轴向力，FiN；E弹性模量，MPa；F2压力作用于壳体上的轴向力，N;qt温差应力，MPa；F3压力作用于管子上的轴向力，N;qp到的力，MPa；l胀接长度，mm；最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；在操作压力下，每平方米胀接周边受宁波工程学院化工机械与设备课程设计11前言1.1 设计条件(1)气体工作压力管程：半水煤气0.82MPa壳程：变换气0.82MPa(2)壳、管壁温差50C,ttts壳程介质温度为320-450E，管程

10、介质温度为280-420C。(3)由工艺计算求得换热面积为165m2。(4)壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数0=0.91.2 设计依据换热器的设计涉及因素很多，如介质的腐蚀性及其他特性、操作温度与压力、换热 器的热负荷、管程与壳程的温差、检修与清洗的要求等。具体设计时应综合考虑各方面 因素。对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最适合的设备型号；如果将 这个型号的设备应用到其他工况，则传热效果可能会改变很大。因此，针对具体工况选 择换热器类型，是很重要和复杂的工作。1.3 设备结构形式概述管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、 管束、管板、折流挡板

11、和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种 流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所 具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性 大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往 在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增 加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它 们的热膨胀程度也有差别。若两流体温差较大(50r以上)时，就可能由于热应力而引 起设备的

12、变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。宁波工程学院化工机械与设备课程设计22材料选择2.1 选择材料的原则管壳式换热器的材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等选用。在高温下一般 材料的力学性能及耐腐蚀性能要下降。同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很 少有的。目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石 墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不锈钢和有色金属虽抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应 尽量少用。(1)换热介质条件。主要是指操作压力、温度和介质的腐蚀性。要考虑导热性、耐磨性等 其他物化性能。(2)换热器的类型。不是每一种材料都能制造各种形式的换热器。(3)

13、经济合理性。在满足使用和制造要求的前提下，应选用原材料来源广泛、价格相宜的 非金属材料制造换热器，尽量节约成本及投资。2.2 换热器各零、部件的材质管壳式换热器各部件的常用材料可参考表2-1表 2-1 管壳式换热器部件常用材料支座部件或零件名称材料牌号碳素钢不锈钢壳体、法兰法兰、法兰盖管板膨胀节挡板和支撑板螺栓换热管螺母垫片A3F、A3R、16MnR16Mn、A3（法兰盖）A4A3R、16MnRA3F16Mn、40Mn、40MnB10 号A3、40Mn石棉橡胶板0Cr18Ni9Ti16Mn+1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9TiA3

14、F宁波工程学院化工机械与设备课程设计32.3 焊接材料见换热器装配图宁波工程学院化工机械与设备课程设计43.1 管子数 n计算：n=779实际：n=7733管壳式换热器的结构设计选25 2.5的无缝钢管，材质20号钢，管长3m。因为F d均Ln所以n779(根)3.14 0.0225 3(3-1)参考：化工设备机械基础P227其中，因安排拉杆需减少6根，实际管数773根3.2 管子排列方式、管间距采用正三角形排列，由化工设备机械基础表7-4查得层数为15。查化工设备机械基础表7-5，取管间距a=32mm。3.3 壳体直径Dia(b 1) 2l式中Di换热器内径，mm；b正六角形对角线上的管子数

15、，查化工设备机械基Di=1m础表7-4，取b=31；l最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d。故Di32 (31-1) 2 2 251060(mm)圆整后取壳体内径Di1000mm。(3-2)参考:化工原理上册P2893.4 壳体壁厚材料选用Q245R钢板，计算壁厚为2 tPcn8 mm式中Pc计算压力，取Pc=1.0MPa；Di1000mm，0.9;t91MPa(设壳壁温度为400C)；(3-3)参考:化工设备机械基础P288宁波工程学院化工机械与设备课程设计51.0 1000291 0.9-1.0取C2=1.2mm,贝U Ci=0.3mm。圆整后取n8 mm。3.5 封头的选择上下封

16、头均选用标准椭圆形封头， 根据GB/T25198压力容器封头 ， 封头为DN1000X8,曲面高度h1=250mm,直边高度h2=40mm,如图3-1所示，材料选用Q245R。下封头与裙座焊接，直边高度取40mm。2_2_1 (JDC_ J-inia- .图 3-1 椭圆形封头3.6 法兰的选择材料选用Q345R。根据NB/T470232012标准，选用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面长劲对焊法兰。法兰尺寸图如图3-2所示。宁波工程学院化工机械与设备课程设计6图 3-2 容器法兰3.7 管板尺寸选用固定板式换热器管板，并兼做法兰，查相关标准得Pt=Ps=1.6MPa取管板的公称压力为

17、1.6MPa）的碳钢管板尺寸，如图3-3所示。11*1053li,11000,fni5,1160宁波工程学院化工机械与设备课程设计7图 3-3 管板3.8 管子拉脱力计算数据按表3-1选取。表 3-1 数据表宁波工程学院化工机械与设备课程设计8项目管子壳体操作压力/MPa0.820.82材质20 钢Q245R线膨胀系数/(1/C)12.9X10-612.9X10-6弹性模量/MPa0.183X1060.183X106许用应力/MPa9191尺寸/mm25X2.5X30001000X8管子根数773管间距/mm32管壳壁温差/Ct=50管子与管板的连接方式开槽膨接胀接长度/mmL=50许用拉脱力

18、/MPa4.0(1)在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力(3-4)4 HV.参考：qppf dolqp=0.083其中f 0.866a22 2 2do0.866 3225396(mm )44(3-5)化工设备(MPa)P0.82MPa,l 50mm机械基础qp0.82 3960.083(MPa)P2203.14 25 50(2)温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力qtt(do di2)4dol(3-6)qt=0.83其中E(ttts)t1(3-7)4 HV.参考：(MPa)As化工设备q=0.913AsD中n1008825321(mm2)(3-8)机械基础(MPa)At(do

19、di2)n44(252202) 773 136600(mm2)(3-9)P221宁波工程学院化工机械与设备课程设计96 612.9 10-0.183 1050,136600125321由已知条件可知，qp与qt的作用方向相同，都使管子受压 则管子的拉脱力：q qpqt0.913MPaq 4.0MPa因此，拉脱力在许用范围内。3.9 是否安装膨胀节管壳壁温差所产生的轴向力F1：Q(Di2nd；)psn(d02JPt不必4安装 其中一(10002773 252) 0.82 773 (25 2 2.5)20.824膨胀节0.339 106(N)贝yF20.339 10253210.053 106(N

20、)25321136600压力作用于管子上的轴向力F3：qt18.46 ( 252202)4 25 500.83( MPa)FaQAAtAs0.339 106136600136600 253210.286 106(N)F1F2As2.52 1060.339 10625321112.9(MPa)(3-15)(3-16)F1F32.52 1060.286 10613660016.35(MPa)(3-17)18.46(MPa)(3-10)F1E(ttAsts)AtAsA6 612.9 10-0.183 10502532113660062.52 10 (N)25321 136600(3-11)压力作用于

21、壳体上的轴向力F2：F2QAsAsAt(3-12)(3-13)参考：化工设备机械基础P224(3-14)宁波工程学院化工机械与设备课程设计10根据GB151-1999管壳式换热器s112.9MPa 2 ；160MPat16.35MPa 2 ；182MPa条件成立，故本换热器不必安装膨胀节。3.10 折流板33折流板为弓形，h3Di31000 750(mm)44折流板间距取600mm,由化工设备机械基础表7-7查的折流板最小厚度为6mm,由化工设备机械基础表7-9查的折流板外径为995.5mm，材料为Q235-A钢, 如图3-4所示。，球 9 5$图 3-4 折流板拉杆选用12,共6根，材料为2

22、0钢。3.11 开孔补强换热器壳体和封头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与 容器壁材料和厚度都相同，即8mm厚的Q245R钢板。宁波工程学院化工机械与设备课程设计11(1)接管厚度及开孔直径宁波工程学院化工机械与设备课程设计12由已知条件得壳体计算厚度6.14mm(2)接管宽度、高度已知壳体名义厚度n8mm，补强部分厚度为nt4mmB=504接管有效补强宽度为B 2d 2 252 504mm(mm)h=44.8接管外侧有效补强高度h , d_nt502 4 44.8mm(mm)(3)补强面积需要补强的金属面积为：Ad 502 4 2008(mm2)(3-22)可以作为补强

23、的金属面积为：A (B d)(e)(504 252)(5.55 4)390.6 mm2(3-23)A220( ett)fr2244.8 (2.75 1.55) 1107.52 mm(3-24)4 HV.参考：A=2008尚需要另加的补强面积为:化工单元2(mm )A4A A1A，2008390.6 107.521509.88(mm2)(3-25)过程及设备Sk=6.14(mm)补强圈厚度SkJB do1509.886.14(mm)504258(3-26)课程设计P139实际取补强圈与筒体等厚Sk=8m m,贝U另仃补强面积：(3-27)A4Sk(do) 8 (504258)1968(mm2)2

24、 2A1 A2 A4 390.6 107.52 19682466.12(mm2) A 2008(mm2)(3-28)参考:接管计算厚度为tt6.14(mm)PcDo2TTPC其中Do=258mm,选用20钢，查表得qp=92MPad=252(mm)1.0 258t1.55 mm2 92 0.9 1.0开孔直径为：d di2C (258 2 4)2 1252mm化工设备(3-18)机械基础P88化工单元过程及设备(3-19)课程设计P139(3-20)化工单元(3-21)过程及设备课程设计P139宁波工程学院化工机械与设备课程设计13同时计及焊缝面积A3之后，该开孔补强的强度足够。其补强结构如图

25、3-5所示图 3-5 换热器开孔补强结构3.12 支座(1)裙座设计采用圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接采用焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可 承受较大的轴向力，故采用对接形式见图3-6。取裙座外径与封头外径相等。并且取裙座的厚度与封头的厚度相同。即裙座尺寸为1000 x8mm。裙座材料选用Q235A。图 3-6 裙座壳与壳体的对接型式无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔，其规格和数量参照下表3-2表 3-2排气孔规格和数量容器内直径 Di6001200140024002400排气孔尺寸8080100排气孔数量，个24绍排气孔中心线至裙座壳140180220顶端的距离因此设置两个排气孔，排气孔尺寸

26、为80,排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140,裙座上排气孔的设置见图3-7。宁波工程学院化工机械与设备课程设计14图 3-7 裙座上部排气孔的设置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外，引出孔尺寸见下表3-3表 3-3 引出孔尺寸引出管直径 d20、2532、4050、7080、 100引出孔无缝钢管133X4159X4.5219X6273X8的加强管卷焊管-200250引出孔的加强管选用Q235-A的无缝钢管，引出管直径选用20，引出孔结构示意图见图3-8。屮舫応”特(才一图 3-8 引出孔结构示意图(2)基础环设计基础环尺寸的确定DibDis3001000300700 mmDebDis30

27、010003001300 mm基础环的结构基础环选用有筋板的基础环示意图见图3-9宁波工程学院化工机械与设备课程设计15MSMAX MX,My基础环上的最大压应力bmax可以认为是作用作用在基础环底上的均匀载荷。表 3-4 混凝土基础的许用应力Ra混凝土标号Ra/MPa混凝土标号Ra/MPa混凝土标号Ra/MPa753.51005.01507.520010.025013.0同样，根据工艺要求和前人的经验，可确定基础环的厚度为20mm，材料选用为Q235-A。(3)地脚栓设计为了使塔设备在刮风或地震时不至翻倒，必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓，把设备固定在基础环上。地脚螺栓承受的最大拉应力为

28、0 0 0 0 0 0MwMemming ME0.25MW有筋板基础环厚度的设计操作时或水压试验时，设备重力和弯矩在混凝土基础环(基础环底面上)所产生的最大组合应力为0 0maxb maxmax-ZZb0 0mgFv0.3MW0Memmaxg代(MPa)Ab(MPa)图 3-9 有筋板基础环mog宁波工程学院化工机械与设备课程设计16bmax,-ZbAbZb宁波工程学院化工机械与设备课程设计17如果b0，则设备自身足够稳定，但为了固定塔设备的位置，应设置一定数量的地 脚螺栓。如果b0，则设备必须安装地脚螺栓，并进行计算。计算时可先按4的倍数假设地 脚螺栓的数量为n，此时地脚螺栓的螺纹小径(mm

29、)：螺纹小径与公称直径见下表3-5表 3-5 螺纹小径与公称直径对照表选用Q235-A，计算后，选取地脚螺栓为M30 900,n=8相应螺母M30，8个，则其尺寸查表，得表 3-6M30 螺母的尺寸螺栓d1d2neshil11M30364228123001201704管壳式换热器的强度计算4.1 筒体液压实验应力校核则T25 (1000 6.5)96.78(MPa)2 6.5PT(Die)0.9 Rel式中，PT=1.25P=1.25X1.0=1.25(MPa)OT=96.78(MPa)8 1.5 6.5(mm)，Rei=245(MPa)化工设备机械基(3-29)(3-30)(3-31)参考:

30、化工设备础(附表6-1)机械基础P97而0.9 Rel0.9 0.9 245198.45(MPa)di4匕傀fn bt螺栓公称直径螺纹小径/mmM2420.752M2723.752M3026.211M3631.670螺栓公称直径螺纹小径/mmPM4237.129M4842.588M5650.046宁波工程学院化工机械与设备课程设计18可见T0.9 Rel，所以水压试验强度足够强度校核设计温度下的计算应力:贡=77.42(MPa)Pw =1.0Pc(Ue)1.0 (1000 6.5)t22 6.5t91 0.981.9Mpat77.42Mpa(3-31)(3-32)参考:化工设备6(MPa)最大允许工作压力:机械基础P88、97Pw2 tDi2 91 0.9 6.51000 6.51.06Mpa故强度足够(3-33)4.2 封头8=6.12PcDi(mm)2 t0.5QPw = 1.0最大工作压力：6(MPa)pw2 teKDi0.5eOT=63压力实验：(MPa)标准椭圆形封头计算厚度:2 919 6.51.06Mpa1 1000 0.5 6.5PT(Die)T2e10006.12mm2 91 0.9 0.5 1.0(3-34)(3-35)63MPa 0.9 Rel参考:化工设备机械基础P88、97(1000