蒸馏塔冷凝器的毕业设计

I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II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 .20III5.1 壳体、管箱圆筒和外头盖圆筒的壁厚计算与校核 .205.1.1 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 .41第一章 绪论1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。广东石油化工学院专科毕业设计：蒸馏塔冷凝器的机械设计2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。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。第二章 换热器介绍32.2 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。广东石油化工学院专科毕业设计：蒸馏塔冷凝器的机械设计42.2.2 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。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。其第二章 换热器介绍5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；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 填料函式换热器广东石油化工学院专科毕业设计：蒸馏塔冷凝器的机械设计6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 1 2介质 MTBE 循环水工作压力 MPa 0.05 0.4设计压力 MPa 0.58/-0.1 0.58设计温度 C083 60入口温度 63 33出口温度 054 40焊缝系数 =0.85换热面积 2m =2170F3.2 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