四管程固定管板式换热器的设计说明书

目录TOC\o"1-4"\h\u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1500kg/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。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。第三章结构设计2.1壳体、管箱壳体和封头的设计2.1.1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400~≤700>800~≤1000>1100~≤1500>1600~≤200>2000~≤2600浮头式810121416U型管式810121416固定管板式68101214表2-2壳体或管箱壳体厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C10101216————16MnR1010101216——0Cr18Ni966(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，则焊缝系数φ=0.85。在设计温度下，0Cr18Ni9的许用应力为[σ]=137MPa，（厚度6-16mm）,屈服强度为σs=205MPa[5]。因为，筒体计算厚度可参照GB150-1998用式（2-1）计算（2-1）式中：Pc——计算压力，MPa；Di——圆筒公程直径，mm；φ——焊缝系数；δ——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2-1、表2-2知可取壳体和管箱壳体壁厚为10mm。2.1.2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，过程的公称直径，检查JB／t4703-2000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JB／t4701-2000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10mm[6]。筒体的有效厚度为而由表2-1和表2-2知可取管箱壳体壁厚为10mm。2.1.3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2-3封头厚度DN,mm材料壳程或管程公称压力PN，MPa0.61.06.4厚度，mm1000Q235-A/B/C10101214————16MnR1010101216——0Cr18Ni966101218——表2-4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4~810~18≥203~910~18≥20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2-3、表2-4壳体和管箱壳体的尺寸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。2.2管板与换热管设计2.2.1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10×45°。图2-1堆焊管板结构图2-1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2-2。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PN≤1MPa、DN=1000的管板尺寸见表2-5[9]。图2-2管板尺寸图（用于壳程PN<1.0MPa)表2-5DN=1000管板尺寸表PsMPaPtMPaDD1D2D3D4D5RhCD2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2-2布管示意图由之前的条件知b3=0.25d=0.25×25=6.25mm取8mm则DL=Di-2b3=1000-2×8=984mm。2.3进出口设计2.3.1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TC"接管"\fC圆整后可取接管内径为350mm。2.3.2接管外伸长度接管外伸长度可由表2-6的数据选取表2-6PN<4.0MPa的接管外伸长度ΔDN0~5051~7576~100101~125126~150151~175176~200350250250250250250300300400250250250250300300300由于是冷凝器，不需要设置保温层故δ=0mm。因此壳程接管外伸长度为250mm，管程接管外伸长度为250mm。2.3.3排气、排液管想要让传热的效率更高，排掉的或是收回的工作残液（气）及凝液，只要是不能借助别的接管排气或排液的换热设备，都必须要在它的壳程和管程的最高、最低点，同时安置排气、排液接管。排气、排液接管的尽头部位也必须和壳体或管箱壳体内壁一平，它的结构就是下图现实的样子。排气口和排液口的尺寸一般情况下大于或者等于φ15mm。换热器管里面是蒸汽，所以排气、排液孔可采用（a）的结构[10]。图2-3换热器排液、排气接管结构2.3.4接管最小位置壳程接管位置的最小距离：图2-4壳程接管位置壳程接管位置的最小尺寸，见图2-4，可按式（2-2a）、（2-2b）进行计算：带补强圈接管mm（2-2a）不带补强圈接管mm（2-2b）式中：b，hf——管板厚度，mm；L1——壳程接管位置最小尺寸，mm；C——补强圈外缘（无补强圈时，为管外壁）到管板（或法兰）和壳体的连接焊缝之间的距离；取C≥4S（S为管箱壳体厚度，mm），且≥30mm。DH——补强圈外圆直径，mm；dH——接管外径，mm。取C=80mm。壳程接管不带补强圈，故壳程接管位置的最小尺寸为，取L1=340mm。管箱接管尺寸的最小位置：图2-5管箱接管位置在管箱喷嘴位置的最小尺寸，见图3-5，可以用公式计算（2-3a），（2-3）：带补强圈接管mm（2-3a）不带补强圈接管mm（2-3b）式中：b，hf——管板厚度，mm；L2——壳程/管箱接管位置最小尺寸，mm；C——补强圈外缘（无补强圈时，为管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离，mm；取C≥4S（S为管箱壳体厚度，mm），且≥30mm。DH——补强圈外圆直径，mm；dH——接管外径，mm。取C=80mm。管箱接管不带补强圈，故管箱接管位置的最小尺寸为：取=380mm。2.4折流板或支持板2.4.1折流板尺寸弓形折流板的缺口高度：h=200mm折流板最小厚度：表2-7折流板最小厚度公称直径DN换热管无支撑跨距l≤300>300~600>600~900>900~1200>1200~15001500折流板最小厚度10005681012162.4.2折流板和折流板孔径换热管Ⅰ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2-8。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d>32或l≤900l>900且d≤32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2-9折流板直径及允许偏差公称直径DN<400400~<500500~<900900~<13001300~<17001700~<20002000~<23002300~≤2600折流板名义直径DN-2.5DN-3.5DN-4.5DN-6DN-8DN-10DN-12DN-14折流板外直径允许偏差0-0.50-0.80-1.20-1.40-折流板的布置一般应使管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管，其余折流板按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离如图2-6，图2-6流板与管板间距其尺寸可按式（2-4）计算：（2-4）式中：L1为壳程接管位置的最小尺寸；B2是防冲板的长度，如果没有设置防冲板，可以取B2=di。当器、卧式换热器和重沸器的壳程的介质是气、液相共存或者是液体中含有固体物料的时候，折流板的缺口应当是左右垂直的进行布置，而且要在折流板的最低处预留一个通液口。2.4.4折流板质量计算折流板质量按下式进行计算：（2-5）式中：Q——折流板质量，kg；Da——折流板外圆直径，mm；Af——折流板或支持板切去部分的弓形面积，Af=Da2×C，mm；C[1]——系数，由ha/Da可查表。ha——折流板或支持板切去的弓形高度，mm；d1——管孔直径，mm；d2——拉杆孔直径，mm；n1——管孔数量；n2——拉杆空数量；δ——折流板或支持板厚度，mm。——折流板或支持板密度，kg/。由（2-5）式得Q=16kg。2.5防冲挡板材料为了防止壳程进口的流体交换热管直接的进行表面冲刷,应该在壳程入口管安置防冲板。在垂直热交换器,为了快速和液体培养基更流入管,以防止流体入口冲洗,并减少死区远离接管,提高传热效果,也可考虑在壳程的进口设置导流管。设置冲击板和导流管的条件:腐蚀或磨蚀、气体、蒸汽和天然气液体混合物应该与影响;对于液体物料，当壳程进口处流体的ρu2（ρ为流体密度，kg/m3；u为流体流速，m/s）为下列数值时，应在壳程进口处设置防冲板或导流筒。（1）非腐蚀性、非磨蚀性的单相液体，ρu2>2300kg/(m·s2)者；（2）其他液体，包括沸点下的液体，ρu2>740kg/(m·s2)者；2.6拉杆与定距管2.6.1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2-8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2-8和表2-10确定。表2-10拉杆的尺寸拉杆直径d拉杆螺纹公称直径dnLaLbb101013≥401.5121215≥502.0161620≥602.0拉杆的直径和数量：拉杆直径和数量按表2-11和表2-12选用。表2-11拉杆直径选用表换热管外径d10≤d≤1414<d<2525≤d≤57拉杆直径dn101216表2-12拉杆数量选用表拉杆直径dn，mm壳体公称直径d，mm<400≥400~<700≥700~<900≥900~<1300≥1300~<1500≥1500~<1800≥1800~<2000≥2000~<2300≥2300~<2600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。2.6.2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。2.6.3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。定距管的长度,要依据实际的需求[11]。2.7鞍座选用及安装位置确定鞍座根据JB/T4712.1-2007选取BI1000-S[12]，其中鞍座高度取H=300mm。L=7500mm，取，。第三章强度计算3.1壳体、管箱壳体和封头校核3.1.1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（3-1）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（3-2）液压试验时，壳体所承受的应力（3-3）有以上计算可知，壳体的厚度能满足水压试验时的压力。3.1.2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。3.1.3椭圆封头校核对椭圆封头进行强度校核：有效厚度:在设计温度下，封头正常工作所受的压力为：故封头的厚度可以满足要求。压力试验强度校核：液压试验压力液压试验时，封头所承受的应力由以上计算可知，封头的厚度能满足水压试验时的压力。3.2接管开孔补强3.2.1蒸汽进出口开孔补强蒸汽进出口的接管有关参数的选定：初步选定的管子，根据进口流体的物性，接管材料取0Cr8Ni9[14]。材料的许用应力[σ]=137MPa，腐蚀裕量可取1.5，则接管的计算厚度可计算如下：（3-4）接管的有效厚度为：开孔处所需的最小补强面积：（3-5）式中：A——开孔处所需的最小补强面积，mm2；d——开孔直径，mm；δ——圆筒开孔处的计算厚度，mm；δet——接管的有效厚度，mm；——强度削弱系数，当接管材料与壳体一样时，取=1.0。开口直径,且小于520mm，故可以用等面积补强法进行补强。由式（2-1）计算可知，δ=3.88mm，则根据公式（3-1），有有效补强范围的确定：A．有效补强范围的确定取其中较大值故取B=778.4mmB．有效补强范围的高度接管外侧的有效高度：取其中较小值故可取。接管内侧有效高度：取其中较小值故可取。有效补强面积：（3-2）式中：A：有效补强面积，mm2；A1：管箱有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A2：接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A3：有效范围内焊缝面积，mm2。a.管箱多余金属面积（3-3）b.接管多余金属的面积（3-4）c.接管焊缝金属面积(焊脚取6.0mm)（3-5）d.有效补强面积（3-6）因为故蒸汽进出口接管不需要补强.3.2.2管箱冷却水接管补强的校核冷却水进出口的接管有关参数的选定：初步选定的管子，根据进口流体的物性，接管材料取Q235-A[14]。材料的许用应力[σ]=133MPa，腐蚀裕量可取1.5mm，则接管的计算厚度可计算如下：接管的有效厚度为：开孔处所需的最小补强面积：开口直径,且小于520mm，故可以用等面积补强法进行补强。由计算可知，δ=3.88mm有效补强范围的确定：A．有效补强范围的确定取其中较大值故取B=718.4mmB．有效补强范围的高度接管外侧的有效高度：取其中较小值故可取。接管内侧有效高度：取其中较小值故可取。有效补强面积：a.管箱多余金属面积b.接管多余金属的面积c.接管焊缝金属面积(焊脚取6.0mm)d.有效补强面积因为故冷却水进出口接管不需要补强。3.3膨胀节固定管板换热器的过程中换热器管束和壳牌必须存在温差,和管板管束和壳体之间刚性连接在一起,当温度达到一定温度时,由于过度的温差应力往往导致破坏外壳或创建一个扭曲的管束。倘若管道之间不用清洗,使用固定管板式换热器,需要设置一定的温度补偿装置,像膨胀接头、膨胀节等等。3.3.1膨胀节膨胀节有很多样式，一般有平板膨胀节、Ω形膨胀节、波形膨胀节。在平时的应用中，应用最多并且最普遍的应该是波形膨胀节。3.3.2膨胀节计算管子拉脱力计算：流体压力在换热器管壁温度应力,结合了两种力量之间的连接管和管板产生的联合力量,管子与管板的趋势。力的平均管周边每平方米用武力扩张,爸爸的单位。管子与管板的焊接连接,实验结果表明,接头的强度高于金属管道的权力本身,从力不足以引起街上的损害。因为管和管板焊接连接,在这里我们不需要计算管道。膨胀节设置计算：一定要设置膨胀节的条件：对于固定管板式换热器，用式（3-7）计算壳体和管子中的应力：（3-7）实现下述条件其中一个的，就一定要设置膨胀节：式中F1是由壳体和管子之间的温差所产生的轴向力，N；（3-8）F2是由于壳程和管程压力作用于壳体上的轴向力，N；（3-9）其中F3是由于壳程和管程压力作用于管子上的轴向力，N；（3-10）其中：At,As分别为管程、壳程的横截面积，mm2；分别为管子和壳体材料的温度膨胀系数，；t0安装时的温度；tt,ts分别为操作状态下管壁温度和壳壁温度。壳体物性常数如下：换热管物性常数如下：则根据公式（3-8）、（3-9）、（3-10）有[σ]st=137MPa，[σ]tt=137MPa，Φ=0.85。2[σ]stΦ=2×137×0.85MPa=232.9MPa2[σ]tt=274MPa由此可知此换热器并不必设置膨胀节。3.4管板校核3.4.1结构尺寸参数壳程圆筒内直径DN=1000mm；厚度=10mm；换热管外径d=25mm；管壁厚度=2.5mm；根数n=724；管长=4500mm；受压失稳当量长度Lcr=643.8mm；正三角形排列管间距S=32mm;换热管与管板的连接形式：焊接；管箱法兰采用JB4703-2000长颈对焊法兰-LWN1000-0.6；法兰外直径Df=1140mm；螺栓中心圆直径Db=1100mm；δ=10mm；筒节厚度取δh=10mm；与筒节连接的法兰厚度=56mm；螺栓M20数目=40；有效承载面积=338mm2；垫片采用JB4720-1992，石棉橡胶板；垫片接触面外径；按GB150表9-1压紧面形式1a；垫片基本密封宽度b0=14.25；管板刚度度消弱系数η=0.4；管板强度度消弱系数η=0.4。3.4.2各元件材料及其设计数据壳程圆筒材料（0Cr18Ni9）：根据GB150-1998表4-1，设计温度下许用应力[σ]tc=137MPa；圆筒壁温下弹性模量Es=MPa；圆筒壁温下线胀系数αs=11.54×10-6/℃。换热管材料（0Cr18Ni9）：根据国标150-1998，设计温度下许用应力[σ]tt=137MPa；设计温度下屈服点σts=164.6MPa；设计温度下的弹性模量Ett=193700MPa；管壁温度下弹性模量Et=193700MPa；管壁温度下线胀系数αs=11.47×10-6/℃。管板材料（0Cr18Ni9）：根据国标150-1998，表4-5，设计温度下的许用应力[σ]tr=137MPa；设计温度下的弹性模量Ep=1.894×105MPa；筒节相连法兰材料（16MnR）：根据GB150-1998，表F5设计温下管板法兰材料=2.015×105MPa；管箱圆筒材料弹性模量按管箱长颈法兰材料的值Eh=2.03×105MPa螺栓材料（40MnB）：根据GB150-1998，表4-7常温下许用应力[σ]b=195MPa；设计温度下的许用应力[σ]tb=175MPa；垫片材料（石棉橡胶板）：根据GB151-1999，表9-2垫片系数m=2；比压y=11MPa。3.4.3管子许用应力则3.4.4结构参数计算垫片压紧力作用中心圆直径：因为=14.25mm>6.4mm，所以DG=垫片接触面外径-2b=1044-210=1024mm面积：管板布管区三角排列面积壳程圆筒内径面积壳程圆筒金属横截面积查GB151附录J得：一根换热管金属横截面积则管板开孔后的面积管板布管区当量直径：系数计算：按GB150-1998第9章,则查表9-5得壳体法兰应力系数Y=14.863.4.5法兰力矩基本法兰力矩：管程压力操作工况下法兰力矩Mp：换热管与壳体圆筒的热膨胀应变形差：管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数：法兰宽度查GB151-1999中的图26得=0.00043.4.6管子加强系数管子厚度：已知管板名义厚度管壳两侧腐蚀裕度为1.5mm，焊接结构槽深为3mm则管板有效厚度δ=56-3-1.5=51.5mm换热管有效长度管子加强系数：管板周边不布管区无量纲宽度：3.4.7旋转刚度无量纲参数壳体法兰与圆筒旋转刚度参数：已知壳体法兰（管板延长部分）厚度查GB151-1999中的图26得=0.0004旋转刚度无量纲参数：确定系数：由K=4.9，查图GB151-1999图27管板第一弯矩系数=0.07；图29得=4.7查图GB151-1999图28管板第一弯矩系数=4.7；图30得=0.15则确定的各系数如下：第五章结论换热器固定管板的设计，可