毕业设计（论文）-U型管换热器设计.doc

摘 要 换热器是化工生产过程中的重要设备，它能够实现介质之间热量交换。广泛应 用于石油、化工、制药、食品、轻工、机械等领域。U 型管式换热器是换热器的一 种，它只有一个管板，结构简单，密封面少，且 U 形换热管可自由伸缩，不会产生 温差应力，因此可用于高温高压的场合。一般高压、高温、有腐蚀介质走管程，这 样可以减少高压空间，并能减少热量损失，节约材料，降低成本。 甲烷化换热器，是合成氨生产中的重要设备之一, 它能将 27的 H2N2混合气升 温至 274，同时将 339的 H2N2精制气降温至 90。甲烷化换热器一般选用 U 型 管换热器，它由一台型甲烷化换热器与一台型甲烷化换热器连接组成。其中 型甲烷化换热器将 27的 H2N2混合气升温至 150，同时将 215的 H2N2精制气 降温至 90；型甲烷化换热器能将 150的 H2N2混合气升温至 274，同时将 339的 H2N2精制气降温至 215。 本次设计主要根据 GB150钢制压力容器及 GB151管壳式换热器对设备 的主要受压元件进行了设计及强度计算，又结合 HG/T20615钢制管法兰 、JB/T 4712容器支座等其它压力容器相关标准，对其它各部件进行设计，最终完成了 型甲烷化换热器的设计。 关键词：关键词：换热器；甲烷化换热器 Abstract Heat exchanger is important in the process of chemical production equipment, which can be achieved between the heat exchange media. Widely used in petroleum, chemical, pharmaceutical, food, light industry, machinery and other fields. U-tube heat exchanger is a heat exchanger, it has only one tube plate, simple structure, less sealing surface, and the U-shaped tubes are free to stretch, no thermal stress, it can be used for high temperature and pressure of the occasion . General high-pressure, high temperature, corrosive media, take control process, thus reducing the pressure of space, and can reduce heat loss and saving materials and reduce costs. Methanation heat exchanger, ammonia production is one of the important equipment, it will be 27 of H2N2 mixture heated to 274 , 339 while the H2N2 refined gas cooled to 90 . Methanation heat exchanger is generally used in U-tube heat exchanger, which consists of Type and type methanation methanation Heat exchanger connected to form a methanation type. Heat exchanger type methanation of H2N2 to 27 heating the mixture to 150 , 215 while the H2N2 refined gas cooled to 90 ; -type heat exchanger can methanation 150 , heating the mixture to the H2N2 274 , 339 while the H2N2 refined gas cooled to 215 . This design mainly based on GB150 steel pressure vesselsand GB151 shell and tube heat exchangers, the main pressure parts of the equipment was designed and strength calculation, but also with HG/T20615 steel pipe flange, JB / T 4712 containers bearing pressure vessels and other relevant standards, the design of other components, he finally completed the methanation type heat exchanger design. Keywords: Heat exchanger;Methanation heat exchanger 目 录 图表清单图表清单.1 符号说明符号说明.3 引言引言.8 第一章第一章 换热器件简介换热器件简介.9 1.1 U 型管换热器简介.9 1.2 甲烷化换热器简介.9 1.2.1.型甲烷化换热器的作用.9 1.2.2 甲烷化换热器工作原理.10 第二章第二章 设计方案的确定设计方案的确定.11 2.1 设计参数的确定.11 2.2 换热器主要零部件结构形式的确定.12 第三章第三章 强度计算强度计算.13 3.1 圆筒的设计.13 3.2 封头设计.13 3.2.1 下封头设计.13 3.2.2 管箱封头设计.14 3.3 管箱圆筒短节设计.15 3.4 压力试验.15 3.4.1 压力试验条件确定.15 3.4.2 水压试验时强度校核.15 3.5 换热管设计.16 3.5.1 换热管选取.16 3.5.2 布管形式.16 3.5.3 布管限定圆.17 3.5.4 U 形管长度选取.18 3.5.5 换热管与管板的连接.18 3.6 管板设计.19 第四章第四章 换热器其他各部件设计换热器其他各部件设计.23 4.1 进出口接管设计.23 4.1.1 精制气入口接管.23 4.1.2 精制气出口接管.25 4.1.3 混合气入口接管.26 4.1.4 混合气出口接管.26 4.1.5 管板排气口接管设计.27 4.1.6 加强管设计.28 4.2 接管开孔补强的设计计算.28 4.2.1 精制气进口处补强设计.28 4.2.2 精制气出口处补强设计.31 4.2.3 混合气入口处补强设计.33 4.2.4 混合气出口处补强设计.36 4.2.5 上排气口处补强设计.38 4.2.6 下排净口处补强设计.40 4.3 管法兰设计.42 4.4 折流板、支撑板设计.48 4.5 防冲板设计.49 4.6 分程隔板.49 4.7 纵向隔板设计.49 4.8 接管最小位置.50 4.8.1 壳程接管最小位置.50 4.8.2 管箱上接管最小位置.50 4.9 管箱的最小内测深度.51 4.10 管箱筒节长度确定.51 4.11 拉杆定距管.51 4.12 支座选取.51 参考文献参考文献.60 谢谢 辞辞.61 1 图表清单 类别标号名称 图 3-1标准椭圆形封头 图 3-2换热管布管图 图 3-3换热管与管板的连接 图 4-1凹凸面法兰的密封面 图 4-2带颈对焊钢制管法兰 图 4-3钢制管法兰盖 图 4-4垫片尺寸 图 4-5分程隔板连接面 图 4-6接管位置 图 4-7偏心载荷简化图 图 4-8设备质心计算简化图 图 4-9支座 图 4-10耳式支座安装尺寸 插 图 图 4-11载荷近似计算简图 表 2-1钢板许用应力 表 2-2钢管许用应力 表 2-3锻件许用应力 表 3-1EHA 椭圆形封头型式参数 表 3-2EHA 椭圆形封头质量 表 3-3低铬钼钢弹性模量 表 4-1钢管类别及刚号 表 4-2DN350 接管尺寸 表 4-3DN500 接管尺寸 表 4-4长半径异径弯头 表 4-5DN300 接管尺寸 插 表 表 4-6DN50024 补强圈尺寸 2 表 4-7DN30024 补强圈尺寸 表 4-8DN30022 补强圈尺寸 表 4-9DN35020 补强圈尺寸 表 4-10钢制管法兰用材料 表 4-11材料组别为 1.17 最大允许工作压力 表 4-12法兰密封面型式 表 4-13凹凸面法兰的密封面尺寸 表 4-14Class300 带颈对焊钢制管法兰尺寸 .表 4-15Class300 钢制管法兰盖尺寸 表 4-16class300 法兰的近似质量 表 4-17垫片型式选用表 表 4-18垫片选用表 表 4-19垫片的使用温度范围 表 4-20垫片尺寸 表 4-21螺栓/螺母的选用 表 4-22螺柱长度和质量 表 4-23紧固件用平垫圈尺寸 表 4-24支座参数 表 4-25支座处壳体的允许弯矩 L M 130 a MP 插 表 表 4-26支座处壳体的允许弯矩 L M 150 a MP 3 符号说明 一根换热管管壁金属的截面积，； a 2 mm 在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支撑的 d A 面积，；例如双管程管板，对于三角形排列： 2 mm (0.866 ) dn An S SS 管板布管区面积，； t A 2 mm 三角形排列 2 1.732 td AnSA 开孔削弱所需要的补强截面积，； A 2 mm 补强有效宽度，； B mm 钢板负偏差，； 1 Cmm 腐蚀裕量，； 2 Cmm 厚度附加量，； C mm 系数，按查参考文献4(GB151-1999)图 19； c C 1/ ft K 和 系数，按查参考文献4(GB151-1999)图 20； e C 1/ ft K 和 系数，按查参考文献4(GB151-1999)图 21； M C 1/ ft K 和 开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所 d 考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量)，；mm 管板开孔前的抗弯刚度，D N mm: 3 2 12(1) p E D 容器外径； 0 D 4 壳程圆筒和管箱圆筒内直径，； i D mm 管板布管区当量直径，； t D mm 4/ tt DA 换热管外径，； d mm 下述对于 b 型连接方式，指管箱圆筒材料的弹性模量，； h E a MP 管板材料的弹性模量，； p E a MP 下述对于 b 型连接方式，指壳程圆筒材料的弹性模量，； s E a MP 风压高度变化系数，按设备质心高度取 i f 对于 B 类地面粗糙度 设备质心所在高度，m101520 风压高度变化系数 i f 1.001.141.25 强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当该 r f 比值大于 1.0 时，取；1 r f 重力加速度，取； g 2 9.8/gm s 偏心载荷，N； e G 容器总高度，mm； 0 H 水平力作用点至底板高度，mm； h 接管外侧有效补强高度，； 1 h mm 接管内侧有效补强高度，； 2 h mm 不均匀系数，安装 3 个支座时，k=1；安装 3 个以上支座时，取 k=0.83； k 管板边缘旋转刚度参数，； f K a MP fff KKK 5 壳程圆筒与法兰的旋转刚度参数，； f K a MP 3 22 1 12 fff fs ifi E b KE DbD 管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，； f K a MP 3 22 1 12 fff fh ifi E b KE DbD 旋转刚度无量纲参数； f K 2 8 it ff D D KK D 质心距容器底端距离； L 换热管与管板胀接长度或焊脚高度，按参考文献4(GB151-1999)5.8.2.3 或 l 5.8.3.2 规定，；mm 设备总质量，kg； 0 m 沿隔板槽一侧的排管根数。 n U 形管根数，管板开孔数为; n 2n 计算压力，； c P a MP 水平风载荷， w P 6 000 1.210 wi Pf q D H 水平力，取的大值，N。 P 0.25 wew PPP和 水平地震力，N； e P 0e Pam g 管板设计压力，； d P a MP 壳程设计压力，； s P a MP 管程设计压力，； t P a MP 支座实际承受的载荷，kN； Q 换热管与管板连接的力，； q a MP 6 许用拉脱力，按参考文献4(GB151-1999)5.7.5 规定，； q a MP 10m 高度处的基本风压，此处按呼和浩特市区； 0 q 2 /N mm 2 0 500/qN mm 半径，； R mm 对于 a 型连接方式，；/2 G RD 对于其他连接方式，/2 i RD 换热管中心距，；Smm 换热管中心距，；S mm 隔板槽两侧相邻管中心距，； n S mm 管板强度削弱系数，一般可取；0.4 管板材料泊松比，取； 0.3 布管区当量直径与直径之比； t t D2R 应力，； a MP 压力作用下，分别为管板中心处，布管区周边处，边缘处的径向应力， 0, t r rR R ； a MP 换热管轴向应力，； t a MP 设计温度下，管板材料的许用应力，； t r a MP 设计温度下，换热管材料的许用应力，； t t a MP 设计温度下壳体材料的许用应力，； t a MP 设计温度下接管材料的许用应力，； t n a MP 系数，查参考文献4(GB151-1999)图 26； / sifi DD按和 系数，查参考文献4(GB151-1999)图 26； / hifi DD按和 焊接接头系数。 7 偏心距，mm； e S 计算厚度，；mm 管箱圆筒厚度，； h mm 壳程圆筒厚度，； s mm 壳体开孔处的有效厚度，； e , en C mm 有效厚度，； et , etnt Cmm 名义厚度，； n mm 接管名义厚度，； nt mm 接管计算厚度，； t mm 换热管壁厚，； t mm 8 引言 毕业设计是我们在校期间的一次重要教学环节，通过毕业设计可以让我们对大 学四年所学的知识有更深的理解。过程装备与控制工程涵盖石油、化工、食品、制 药、机械、轻工等多个领域。它的发展将直接促进国民经济的发展。 工业生产中，利用一些设备，来进行热量交换，这类设备统称为换热器。换热 器是化工、制药、石油、动力、食品等许多工业部门的通用设备，在生产中占有重 要的地位。换热器的应用广泛，日常生活中供暖系统、发动机的泠却系统和动力装 置的冷凝系统都用到换热器。换热器的较多，按其结构分类主要分为管式换热器和 板式换热器两种。 由于经济、科技的不断发展，节能减排被人们重视。换热器的研究设计也就变 得越来越重要。随着装置的大型化，对换热面积的需求也变大。但设备的大型化将 会使成本大大增加，因此紧凑型的换热器就比较受欢迎；同时提高传热系数也是换 热器研究的一个重要方向。换热器的研究发展对其他领域的依赖也是比较大的，传 热理论研究的不断完善，制造技术的发展，材料科学技术的不断进步，都将促进换 热器的发展。 本次设计的甲烷化换热器采用 U 型管式换热器，属于管式换热器。甲烷化换热 器在高温高压下氢被金属吸附，分解为原子氢溶解在金属晶体中，并向晶体内部扩 散，与钢中碳化物发生反应生成甲烷。因此在设计选材时应考虑抗氢腐蚀。 换热器是化工、石油中的重要热工设备, 对换热器进行科学的计算,合理的结构 设计, 是换热器性能及安全的重要保证。在保证安全的前提下，应尽可能降低成本， 换热器的结构设计就变得尤为重要, 因此在换热器的设计中, 只有经过对换热器结 构参数的不断调整, 反复计算, 才能使换热器的性能更高, 设计更加合理。 9 第一章 换热器件简介 工业生产中，利用一些设备，来进行热量交换，这类设备统称为换热器。换热 器化工生产必不可少的单元设备，广泛的应用于化工、石油、轻工、机械、冶金、 动力、制药等领域。据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资约占装置建设总 投资的 30%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数的 40%。由此可见，换热 器对整个企业的建设投资及经济效益有着着重的影响。 1.1 U 型管换热器简介 U 型管换热器是一种典型的管壳式换热器，其管子弯成 U 形，管子的两端固定 在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制，不会产生 温差应力，且换热管流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强。U 型管 换热器仅有一块管板，所以结构简单，造价比其他换热器便宜。U 型管换热器可用 于高温、高压、有腐蚀性工况。一般高温、高压、有腐蚀性介质走管内，这样可以 减少高压空间，降低成本。 1.2 甲烷化换热器简介 甲烷化换热器在高温高压下氢被金属吸附，分解为原子氢溶解在金属晶体中， 并向晶体内部扩散，与钢中碳化物发生反应生成甲烷。 1.2.1.型甲烷化换热器的作用 型甲烷化换热器采用 U 型管式换热器，是合成氨生产中的重要设备之一,它能 将 150的混合气升温至 274，同时将 339的精制气降温至 215。U 型管式换 热器的特点是结构简单，重量轻，适用于高温高压的场合。 10 1.2.2 甲烷化换热器工作原理 150的 75混合气体由混合气体入口进入壳程，339的 75 22 HN、 精制气由精制气入口进入管程，由于管道内精制气和壳程的混合气体存在温 22 HN、 度差，会形成热交换，高温物体的热量向低温物体传递，这样就把管道里精制气的 热量交换给了壳程的混合气体，将 150的混合气升温至 274，同时将 339的精 制气降温至 215。 11 第二章 设计方案的确定 2.1 设计参数的确定 管程、壳程的工作压力均为 3.2。 a MP 设计压力 取设计压力为 3.5。1.1(11.1) 3.23.23.52 wa PPMP: a MP 计算压力 3.5 ca PPMP 混合气出口温度 274，取壳程设计温度为 300。 22 H N 精制气进口温度 339，取管程设计温度为 350。 22 H N 依据介质温度、压力以及含氢、氮特点，在选材、加工制造方面，首先考虑抗 氢腐蚀。是中温抗氢钢板，常用于设计温度不超高 550的压力容器。筒15 ro C M R 体、管箱、封头材料选择。换热管、进出口接管材料选择，管板材15 ro C M R15 ro C M 料选择锻件。15 ro C M 由参考文献1(GB150-1998)表 4-1，表 4-3，表 4-5 查钢板、钢管、锻件许用应 力如下。 表 2-1 钢板许用应力 常温强度指标 在下列温度（） 下许用应力， a MP 钢号 钢板标 准 使用状 态 厚度 mm b a MP s a MP 20300350 15 ro C M R GB 6654 正火加 回火 660:450295150131125 12 表 2-2 钢管许用应力 常温强度指标 在下列温度（） 下许用应力， a MP 钢号 钢管标 准 厚度 mm b a MP s a MP 300350 15 ro C M GB 99481644023510195 表 2-3 锻件许用应力 常温强度指标 在下列温度（） 下许用应力， a MP 钢号 锻件标 准 厚度 mm b a MP s a MP 300350 15 ro C M JB 4726300440275123116 由1(GB150-1998)10.8.2.1 规定，容器及受压元件当钢材为厚度的16 s mm 时，对其 A 类和 B 类焊接接头，进行百分之百射线或超声检测。焊接接头15 ro C M R 系数按1(GB150-1998)3.7 双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头 100% 无损检测 。1.00 2.2 换热器主要零部件结构形式的确定 由于氢气易燃易爆，不允许有泄漏，且管程、壳程走的均为气体，不易结垢， 换热管不需经常清洗，所以管板与筒体及管箱宜采用焊接。 管程工作温度 339，换热管与管板不宜采用胀接形式，所以采用焊接形式。 13 第三章 强度计算 3.1 圆筒的设计 0.4 0.4 131 1.0052.4 t ca PMP 3.5 1200 16.25 2 2 131 1.003.5 ci t c PD mm P 取腐蚀裕量，钢板负偏差 2 2Cmm 1 0.3Cmm 12 0.322.3CCCmm 设计厚度 2 16.25218.25 d Cmm 钢板负偏差取名义厚度 1 0.3Cmm20 n mm 有效厚度202.317.7 en Cmm 3.2 封头设计 椭圆形封头由两个半椭球面和短圆筒组成，由于封头的椭球部分经线曲率变化 连续平滑，故应力分布较平均，且椭圆形封头易于冲压成型，是中低压容器应用较 多的封头，故此设备选择标准椭圆形封头。 3.2.1 下封头设计 3.5 1200 16.14 2 0.52 131 1.000.5 3.5 ci t c PD mm P 设计厚度 2 16.14218.14 d Cmm 钢板负偏差取名义厚度 1 0.3Cmm20 n mm 有效厚度202.317.7 en Cmm 14 封头最小成形厚度 取 mind min 18.2mm 由参考文献2(GB/T25198-2010)选取 EHA 椭圆形封头 图 3-1 标准椭圆形封头 由参考文献2(GB/T25198-2010)附录 C 表 C.1 查 EHA 椭圆形封头型式参数如 下表 表 3-1 EHA 椭圆形封头型式参数 公称直径 DN/mm总深度 H/mm 内表面积 2 /A m 容积 3 /V m 12003251.65520.2545 由参考文献2(GB/T25198-2010)表 C.2 查 EHA 椭圆形封头质量 表 3-2 EHA 椭圆形封头质量 （kg） 封头名义厚度/ n mm公称直径 DN/mm 20 1200261.8 封头标记： EHA 1200 20 18.215/25198 ro C M R GB T 3.2.2 管箱封头设计 3.5 ca PMP 350时15 ro C M R 125 t a MP 3.5 1200 16.92 2 0.52 125 1.000.5 3.5 ci t c PD mm P 设计厚度 2 16.92218.92 d Cmm 15 钢板负偏差取名义厚度 1 0.3Cmm20 n mm 有效厚度202.317.7 en Cmm 封头最小成形厚度 取 mind min 19mm 封头参数见表 3-1 及表 3-2 封头标记： EHA 1200 20 1915/25198 ro C M R GB T 3.3 管箱圆筒短节设计 ，设计温度为 350。3.5 ca PMP 350时15 ro C M R 125 t a MP 3.5 1200 17.04 2 2 125 1.003.5 ci t c PD mm P 设计厚度 2 17.04219.04 d Cmm 钢板负偏差取名义厚度 1 0.3Cmm20 n mm 有效厚度202.317.7 en Cmm 3.4 压力试验 3.4.1 压力试验条件确定 进行液压试验，介质选水，水压试验温度 20。 试验压力的确定 1.25 T t PP 3.4.2 水压试验时强度校核 （1）筒体强度校核 16 150 1.25 3.55.0 131 Ta PMP ()5 (1200 17.7) 171.99 22 17.7 Tie Ta e P D MP 0.90.9 1.00 295265.5 sa MP 满足水压试验强度要求0.9 Ts （2）管箱短节强度校核 150 1.25 3.55.3 125 Ta PMP ()5.3 (1200 17.7) 182.31 22 17.7 Tie Ta e P D MP 0.90.9 1.00 295265.5 sa MP 满足水压试验强度要求0.9 Ts （3）封头强度校核 150 1.25 3.55.3 125 Ta PMP (0.5)5.3 (12000.5 17.7) 180.99 22 17.7 Tie Ta e P D MP 0.90.9 1.00 295265.5 sa MP 满足水压试验强度要求0.9 Ts 3.5 换热管设计 3.5.1 换热管选取 由参考文献3(GB9948-2006) 选取 低合金钢管。252.5mmmm15 ro C M 3.5.2 布管形式 采用正三角形排列 17 由参考文献4(GB151-1999)表 12 换热管中心距 S 取。32mm 图 3-2 换热管布管图 3.5.3 布管限定圆 由参考文献4(GB151-1999)表 13 布管限定圆直径 3 2 Li DDb U 形管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内壁的最短距离， 3 b ，一般不小于。 3 0.25bd8mm 12002 81184 L Dmm 换热管最小弯曲半径由参考文献4(GB151-1999)表 11 取。 min R50mm 18 考虑布置防冲板及纵向隔板的密封，可布 511 个 U 形管，由参考文献4 (GB151-1999)表 43、表 44，选拉杆直径，拉杆数 12 根，U 形管数为 505 根。12mm 3.5.4 U 形管长度选取 换热管最小有效长度 min 3 346 4.364 22 505 3.14 25 10 S Lm n d 考虑管板厚度，取 U 形管直边段长。 4600mm 3.5.5 换热管与管板的连接 图 3-3 换热管与管板的连接 由参考文献4(GB151-1999) 5.8 采用焊接型式，结构型式及尺寸按图 34 和表 33 的规定选图 C 的工况 19 取 1 2lmm 2 3lmm 3 2lmm 3.6 管板设计 根据参考文献4(GB151-1999)进行管板计算。 由参考文献4(GB151-1999) 图 18 管板与壳体、管箱的连接方式选 b 型。 由参考文献4(GB151-1999) 5.7.1.3b 型连接方式管板的计算。 （1）根据布管尺寸计算, dttt AA D和 (0.866 ) dn An S SS 35n 32Smm 100 n Smm 505n 2 35 32 1000.866 3280962.6 d Amm 222 1.7321.732 505 3280962.6976614 td AnSAmm 4/4 976614/3.141115.4 tt DAmm 对于 b 型连接方式，/21200/2600 i RDmm 1115.4 0.93 22 600 t t D R （2）假设管板计算厚度140mm （3）计算管板抗弯刚度 D 和各项旋转刚度参数；, ffff KKKK 对于 b 型连接方式：；0,0,0; fffshff bKK以、计算和 20 s mm20 h mm 查57-1 常用金属材料的物理性能 表 3-3 低铬钼钢弹性模量 下列温度()下的弹性模量/ 3 10 a MP 材料 300350 低铬钼钢（至） 3ro C M190186 5 1.90