年生产能力24万吨的甲醇精馏工段预塔冷凝器设计毕业论文.doc

年生产能力年生产能力 24 万吨的甲醇精馏工段预塔冷万吨的甲醇精馏工段预塔冷 凝器设计毕业论文凝器设计毕业论文 目 录 前 言 1 上篇 换热器设计 2 第一章 换热器概述 2 1 1 换热器的简介与应用 2 1 2 列管式换热器设计简介 4 第二章 冷凝器零部件的工艺结构设计 6 2 1 设计任务和设计条件 6 2 1 管程和壳程 6 2 1 1 管程数 6 2 1 2 壳程数 7 2 2 管子排列 7 2 2 2 管心距 9 2 3 管板结构尺寸 10 2 3 1 固定管板兼做法兰的尺寸确定 10 2 4 管箱容器法兰 11 2 4 1 法兰的基本形式 11 2 4 2 法兰选择 11 2 4 3 容器法兰的匹配与材料选用 13 2 5 法兰连接 14 2 5 1 等长双头螺柱 15 2 5 2 非金属软件片 15 2 5 3 六角法兰面螺母 15 2 6 接管 17 2 6 1 接管的一般要求 17 2 6 2 接管高度 伸出长度 确定 18 2 6 3 接管位置最小尺寸 18 2 6 4 接管法兰的要求 20 2 6 5 接管法兰选择 20 2 7 支持板 折流板 21 2 7 1 折流板 21 2 7 2 弓形折流板的主要几何参数 22 2 7 3 弓形折流板排列方式确定 24 2 7 4 折流板与壳体间隙 25 2 7 5 折流板厚度 25 2 7 6 折流板的管孔 25 2 7 6 1 折流板的管孔直径和公差 26 2 7 6 2 管孔中心距 26 2 7 6 3 管孔加工 26 2 8 拉杆 定距管 27 2 8 1 拉杆的结构形式 27 2 8 2 拉杆的结构和数量 27 2 8 3 拉杆尺寸 28 2 8 4 拉杆的布置 28 2 9 1 旁路挡板 29 2 9 2 防冲板 30 3 1 传热管与管板连接 32 3 1 1 管子和管板的强度胀接连接 32 3 1 2 管子与管板的强度焊接连接 32 3 1 3 管子与管板的焊胀接 33 3 2 管板与壳体及管箱的连接 33 3 2 1 管板与壳体的连接 33 3 2 2 管板与管箱的连接 35 3 3 管箱结构形式 36 第四章 冷凝器机械设计 38 4 1 筒体强度计算 38 4 1 1 筒体材料选择 38 4 1 2 筒体厚度计算 38 4 1 3 筒体内压力实验 39 4 2 封头强度计算 40 4 2 1 封头厚度计算 40 4 2 2 封头内压力试验 40 4 3 管箱短节强度计算 41 4 3 1 管箱短节厚度计算 41 4 3 2 管箱短节压力试验 42 4 4 开孔补强校核 43 4 4 1 管箱短节开孔补强的校核 43 4 4 2 壳体开孔补强校核 44 第五章 鞍座选择 47 5 1 鞍式支座的选取 47 下篇 ANSYS 软件应用 50 第六章 ANSYS 软件在压力容器中应用简介 50 第七章 冷凝器开孔接管区的应力分析 52 7 1 题目描述 52 7 2 问题分析 52 7 3 命令流分析过程 53 7 4 结果处理与讨论 58 第八章 法兰连接中的接触分析 60 8 1 题目描述 60 8 2 分析说明 61 8 3 命令流分析过程 61 8 4 结果分析与讨论 76 第九章 冷凝器管箱短节与封头的连接区的应力分析 79 9 1 题目描述 79 9 2 分析问题 79 9 3 命令流分析过程 80 9 4 结果与讨论 83 致 谢 84 参考文献 85 文献翻译 86 附 录 95 前 言 本设计题目是根据工程实践 经由指导老师的假拟而成的 本设计紧贴过 程装备与控制工程专业 充分发掘本专业的主干知识 同时应用当下较为前沿 的 ANSYS 有限元分析软件做应力分析更是与实际生产的相结合 在毕业设计中 是 一种尝试与创新 有很好的研究价值 本设计的主要内容有冷凝器设备设计和 ANSYS 软件的应用 冷凝器设备设 计包括冷凝器设备结构设计 冷凝器零附件件选型 及设备强度校核 ANSYS 软件应用是利用 ANSYS 有限元分析软件做强度与应力分析 这也是本设计的亮 点与核心部分 应用 ANSYS 有限元软件做强度与应力分析由于本软件是自学与 首次应用所以只是做了简单的设备部件接触应力分析与连接强度分析以及开孔 应力分析等等较为简单的研究 旨在通过 ANSYS 有限元软件对设计的校核检验 与说明设计的安全可行性 本设计主要依据 GB150 1998 钢制压力容器 和 GB151 1999 列管式换热 器 的设计规范与 压力容器安全技术监察规程 的要求 同时结合本设计的 自身特点在规范要求与允许条件下有不少的灵活的变通与个人设计特点 同时 由于只是纯粹的理论知识没有具体的实践 所以设计难免有与实际 不是很切合的地方 但在设计中已力求既满足设计要求又很好的切合实际 努力 做得更好 上篇 换热器设计 第第 1 章章 换热器概述换热器概述 1 1 换热器的简介与应用 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备 又称热交换器 换热 器的应用广泛 日常生活中取暖用的暖气散热片 汽轮机装置中的凝汽器和 航天火箭上的油冷却器等 都是换热器 它还广泛应用于化工 石油 动力和 原子能等工业部门 它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度 同时 也是提高能源利用率的主要设备之一 换热器既可是一种单独的设备 如加热器 冷却器和凝汽器等 也可是某 一工艺设备的组成部分 如氨合成塔内的热交换器 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 70 年代中期 为了强化传热 在研究和发展 热管的基础上又创制出热管式换热器 换热器按传热方式的不同可分为混合式 蓄热式和间壁式三类 混合式换热器是通过冷 热流体的直接接触 混合进行热量交换的换热器 又称接触式换热器 由于两流体混合换热后必须及时分离 这类换热器适合于 气 液两流体之间的换热 例如 化工厂和发电厂所用的凉水塔中 热水由上 往下喷淋 而冷空气自下而上吸入 在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面 热水和冷 空气相互接触进行换热 热水被冷却 冷空气被加热 然后依靠两流体本身的 密度差得以及时分离 蓄热式换热器是利用冷 热流体交替流经蓄热室中的蓄热体 填料 表面 从而进行热量交换的换热器 如炼焦炉下方预热空气的蓄热室 这类换热器主 要用于回收和利用高温废气的热量 以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器 多用于空气分离装置中 间壁式换热器的冷 热流体被固体间壁隔开 并通过间壁进行热量交换的 换热器 因此又称表面式换热器 这类换热器应用最广 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式 板面式和其他型式 管 式换热器以管子表面作为传热面 包括蛇管式换热器 套管式换热器和管壳式 换热器等 板面式换热器以板面作为传热面 包括板式换热器 螺旋板换热器 板翅式换热器 板壳式换热器和伞板换热器等 其他型式换热器是为满足某些 特殊要求而设计的换热器 如刮面式换热器 转盘式换热器和空气冷却器等 管壳式换热器一般有固定管板式 浮头式 U 形管式 釜式重沸器 填料 函式等 固定管板式换热器以结构简单 操作弹性大 可靠程度高 造价低等 优点而广泛被使用 固定管板式换热器的两端管板 采用焊接方式与壳体连接 固定 其简单的结构形式如图 1 1 所示 图 1 1 固定管板式换热器的结构 固定管板式换热器主要有外壳 管板 管束 封头压盖等部件组成 固 定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束 管束两端用焊接或胀接 的方法将管子固定在管板上 两端管板直接和壳体焊接在一起 壳程的进出 口管直接焊在壳体上 管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固 管程的进出口管 直接和管箱焊在一起 管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板 用以 增大湍动程度 提高传热系数 这种换热器管程可以用隔板分成任何程数 固定管板式换热器结构简单 制造成本低 管程清洗方便 管程可以分 成多程 壳程也可以分成双程 规格范围广 故在工程上广泛应用 壳程清 洗困难 对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用 当膨胀之差较大时 可在壳 体上设置膨胀节 以减少因管 壳程温差而产生的热应力 固定管板式换热器的特点是 1 旁路渗流较小 2 造价低 3 无内漏 4 稳定性好 固定管板式换热器的缺点是 壳体和管壁的温差较大 易产 生温差力 壳程无法清洗 管子腐蚀后连同壳体报废 设备寿命较低 不适 用于壳程易结垢的场合 对于固定管板式换热器 常见的流型有三种 并流 逆流和折流 在完成 同样传热量的条件下 采用逆流可使平均温差增大 换热器的传热面积减小 若传热面积不变 采用逆流可使加热或冷却流体的消耗量降低 前者可节省设 备费 后者可节省操作费 故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热 1 2 列管式换热器设计简介 列管式换热器的设计 制造 检验和验收必须遵循中华人民共和国国家标 准 钢制管壳式 即列管式 换热器 GB151 执行 按该标准 换热器的公称直径做出如下规定 卷制圆筒 一圆筒内径作为 换热器的公称直径 mm 钢管制圆筒 以钢管外径作为换热器的公称直径 mm 换热器的传热面积 计算传热面积 是以传热管外径为基准 扣除伸入管 板内的换热管长度后 计算所得的管束外表面积的总和 m2 公称传热面积 指圆整后的计算传热面积 传热管公称长度 以以换热管长度 m 作为换热器的公称长度 传热管为直 管时 取直管长度 传热管为 U 型管时 取 U 型管的直管长度 该标准还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱 壳体和后端结构 包括管束 三部分 该标准将换热器分为 两级 级换热器较高级冷拔传热管 适用于 无相变传热和易产生振动的场合 级换热器采用普通级冷拔传热管 适用于 重沸 冷凝和无振动的一般场合 列管式换热器的工艺设计主要包括下列内容 根据生产任务和有关要求确定设计方案 初步确定换热器结构和尺寸 核算换热器的传热能力和流体阻力 确定换热器的工艺结构 本设计方案已定为固定管板式冷凝器 属于 级换热器 其他工艺要求已 给定 所以工艺计算省略 第 2 章 冷凝器零部件的工艺结构设计 2 1 设计任务和设计条件 焦炉气制甲醇生产工艺是将来自焦化厂经过预处理的焦炉煤气送进储气罐 缓冲稳压 压缩增压 接着进行加氢转化精脱硫 即焦炉煤气的净化 然后通 过催化或非催化方法将焦炉煤气中的 CH4 CmHn转化为合成甲醇的有效气体组 分 H2 CO 再通过补碳调整原料气的氢碳比 就制成了氢碳比符合甲醇合成 所需的合成气 将合成气压缩增压后送入甲醇合成塔进行合成反应 生成粗甲 醇 然后对粗甲醇进行精馏 就制成了煤基清洁能源和用途广泛的有机化工原 料精甲醇 本设计项目为 24 万吨 年甲醇精馏工段预塔冷凝器的设计及 ANSYS 软件的应用 题目已知参数为 1 规格 1200 7795 2 列管 19 2 L 6000 n 1914 根 F 673m2 3 操作温度 管程 32 42 壳程 75 70 4 操作压力 表压 管程 0 4MPa 壳程 0 03MPa 5 设计温度 管程 60 壳程 90 6 设计压力 表压 管程 0 5MPa 壳程 0 3MPa 7 物料名称 管程 冷却水 壳程 粗甲醇 再假定接管尺寸如下 壳程粗甲醇入口接管 478 9 壳程冷凝液出口接管 219 9 管程冷却水出入接管 377 9 壳程排气孔接管 57 3 5 2 1 管程和壳程管程和壳程 2 1 1 管程数 在换管内流动的流体从管子的一端流到另一端 称为一个管程 在管壳式 换热器中 最简单最常用的是单管程的换热器 如果根据换热器的工艺设计要 求 需要加大换热面积时 可以采用增加管长或者管数的方法 但前者受到加 工 运输 安装以及维修等方面的限制 故常采用后一种方法 在本设计中 省去了工艺计算 所以由已知 壳体内径 DN 1200mm 换热管为 19 2 L 6m n 1914 可以看出相对壳体内径而言换热管数多 而又知公称直径 DN 1200mm 换热管 为 19 2 时 单程管板最大开空数是 1945 双管程管板最大开孔数是 1922 本设计要求换热管数是 1914 不含拉杆数 同时考虑到管板的利用率不会达 到 100 所以只能选择单管程 而且必须采用正三角形排管方式 2 1 2 壳程数 壳程是指介质流经换热管外的通道及与其相贯通的部分 根据工艺设计要 求 或为增大壳程流体传热系数 也可将换热器分为多程的结构 当按热系数 不是很小 流体雷诺数不小于50到100时 一般都不需要增加壳程数 采用单壳 程就可以满足要求 本题目中流体处理量较大 传热面积也较大 所以可以直 接选用单壳程 亦可以用如下方法确定壳程数 首先 在坐标上做 Q T 和 Q t 线 有热量衡算方程知 若两流体的热容量流率不变 则 Q T 和 Q t 线都是直 线 依据两流体进出口温度 可在坐标纸上做出两条直线 如图1 1所示 然后从冷流体出口温度 t2开始作水平线与 Q T 线相交 在交点处向下作垂 直线与 Q t 线相交 重复以上步骤 直至垂线与 Q t 线交点的温度等于或低于 冷流体的进口温度 此时图中水平线数目就是所需壳程数 图2 1所示的情况正 好与前面所述的单壳程相吻合 所以壳程是单壳程 2 2 管子排列 图2 1 壳程数的确定 2 2 1 传热管排列方式 传热管在管板上的排列有三种基本形式 即正三角形 正四边形和同心圆 排列 如图1 2所示 传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀而紧凑地分布 同时还要 考虑流体性质 管箱结构及加工制造等方面的问题 一般说来 正三角形排列 在相同的管板面积上课排列较多的管子 而且管外表面传热系数较大 但正三 角形排列时管外机械清洗较为困难 而且管外流体的流动阻力也较大 正方形 排列在同样的管板面积上可排列的传热管数最少 但管外易于进行机械清洗 所以当管子外壁需要机械清洗时常采用这种排列方法 同心圆排列方式的优点 在于靠近壳体的地方管子分布较为均匀 在壳体直径很小的换热器中可排的换 热管数较正三列还要多 结合已知题目换热管数要求很多 而壳体直径不是很大 所以综上所述 应该选择正三角形排列方式排列 由图1 2可以看出 采用正三角形排列时管子排列面积是一个正六边形 排 在正六边形内的传热管数位 NT 3a a 1 1 若设 b 是正三角形对角线上的管子数目 则 b 2a 1 式中 NT 排列的管子数目 a 正六角形的个数 采用正三角形排列 当管子数目超过127根 即正六边形的个数 a 6时 最 外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大 也应配置传热管 可排的管子数目 见表1 1 可以从表中看到 NT 1657 a 23 b 47 2 2 2 管心距 管板上两传热管中心距离称为管心距 管心距的大小主要与传热管和管板 的连接方式有关 此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间 传热管和管板的连接方法有胀接和焊接两种 当采用胀接法时 采用过小 的管心距 常会造成管板变形 而采用焊接法时 管心距过小 也很难保证焊 接质量 因此管心距应有一定的数据范围 一般情况下 胀接时 取管心距 t 1 3 1 5 d0 焊接时 取 t 1 25d0 d0为管子外径 对于直径较小的管子 要 注意 管心距最小不能小于 d0 6 mm 而且 t d0值应稍大些 常用管心距列于 下表2 1中 本题目中已知换热管尺寸为 19 2 所以查表1 2知管心距 t 25mm 表2 1 常用管心距 mm 2 3 管板结构尺寸 管板的结构比较复杂 一台列管换热器无论从设计的复杂程度 制造的成 本 还是使用的可靠性都与管板的设计有关 在管板的设计中主要是选定合适 的结构形式后进行结构尺寸和强度尺寸确定 2 3 1 固定管板兼做法兰的尺寸确定 这种结构的管板 主要用于固定管板式换热器上 这种管板结构尺寸的确 定可以根据壳体内径与设计压力来设计或者选择法兰 然后根据法兰相应结构 尺寸确定管板的最大外径 密封面位置 宽度 螺栓直径 位置 个数等 也 可以查表2 2固定管板式换热器管板尺寸得到相关的尺寸 表2 2 固定管板式换热器管板尺寸 mm 换热管外径 d1014192532384557 最大无支撑跨距8001100150019002200250028003200 公称 直径 DN DD1D2D3D4D5 D6 bcd螺栓 孔数 n PN 1 0MPa 80093089079079884380040102336 1000113010909909981043100044122344 120013601310119011981252120048122744 140015601510139013981452140050122752 160017601710159015981652160056142760 180019601910179017981850180060142768 所以 可以初步选择上表中的加粗黑体管板尺寸做管板 2 4 管箱容器法兰 2 4 1 法兰的基本形式 整体法兰 整体法兰又称长颈法兰或者带颈法兰 整体法兰往往与容器 连成一个整体 活套法兰 法兰只是松套在凸缘或者翻边上 故又称自由法兰 法兰环 与筒身或其他零部件间采用角焊 铆接和螺纹连接的法兰也属于活套法兰 这 类法兰拆卸维修方便 但其强度较低 故多用于低压和小尺寸的场合 平焊法兰 又称任意法兰 在法兰内圆加工出坡口并与筒体或其他部件 组焊 它具有较高的强度 所以设计时可采用与整体法兰同样的设计方法 但 在低压 小尺寸和操作温度不高的情况下 可按活套法兰进行设计 在 JB4700 JB4707 压力容器法兰 标准中有甲型法兰与乙型法兰之分 甲型法 兰的填角焊缝较小或不开坡口焊接 不能保证法兰与筒体同时受力 故按活套 法兰考虑 乙型平焊法兰先于端节采用角焊连接 然后短节再与筒体对焊 因 此 焊接强度可靠 能保证法兰与筒体的同时受力 故按整体法兰考虑 角钢法兰 对于无密封要求的常压容器 可采用角钢法兰 角钢法兰上 的螺栓个数一般应是四的倍数 压力容器法兰应按 JB4700 JB4707标准选用 2 4 2 法兰选择 所以本设计选用乙型平焊法兰 密封面采用凹凸密封面如图2 2所示 图2 2 乙型平焊法兰凹凸面密封 所以 选择凹面乙型平焊法兰 相关尺寸列于表2 3之中 表2 3 乙型平焊法兰尺寸 mm 因为法兰是标准件 而管板可以自己设计与选择 所以可以按准表2 3乙 法兰 mm螺栓公称直径 DN mm DD1D2D3D4 dH t规格数量 PN 1 0MPa 120013601315127612561253662726516M2436 型法兰尺寸对表2 2固定管板式换热器管板尺寸稍作改变以使其与法兰能够配合 连接 考虑到壳体与管板的焊接 及管板上换热管的拉脱力 所以最后可以选出 管板几何尺寸如表2 4管板几何尺寸 表2 4 管板几何尺寸 mm 管板尺寸螺栓公称直 径 DN DD1D2D3D4D5bcd规格孔数 PN 1 0MPa 120013601315119011881254120050627M2436 2 4 3 容器法兰的匹配与材料选用 法兰的匹配及材料选用如表2 4所示 表2 4 容器法兰的匹配及材料选用 匹配垫片 匹配 法兰 类型 种类 温度限 20 至 匹 配 法兰材料 匹 配 螺柱 材 料 温度限 20 至 螺母 材料 300 Q235 A 乙 型 法 兰 非 金 属 软 垫 片 GB539 耐油石棉橡 胶板 200 任 意 板材 GB3274 Q235 A B C GB6654 20R 16MnR 锻件 JB755 20 16Mn 选 表 2 5 螺 柱 材 料 35 350 15 所以可选 GB3985石棉橡胶板垫片 螺柱材料为40Cr 螺母选择40Mn 法兰 材料选择16MnR 板材 表2 5 容器法兰螺柱材料选用表 2 5 法兰连接 2 5 1 等长双头螺柱 查 JB T4707 2000 选取 M20的等长双头螺柱 其中标记为 螺柱 M24 180 A JB T4707 2000 结构与形式尺寸如图2 3所示 GB3985 石棉橡胶板350 GB3077 40MnB 40Cr 40MnVB 400 35 45 40Mn 公称压力 MPa 0 250 601 001 60螺柱材料 容器法兰公称直径 mm 352200 32001300 2400 40MnB 40Cr300 2000300 2000 图2 3 等双头螺柱 2 5 2 非金属软件片 查 JB T4704 2000 选择 GB T3985 1995之石棉橡胶板 其中标记为 垫片 1200 0 6 JB T4704 2000 结构形式与尺寸如图2 4所示 图2 4 石棉橡胶板垫片 2 5 3 六角法兰面螺母 据 GB T6175 2000知 选择六角法兰面螺母相关尺寸图如图2 5六角法兰面 螺母尺寸图所示 M20螺母尺寸数据列于表2 6螺母尺寸 图2 5 六角法兰面螺母尺寸图 表2 6 螺母尺寸 2 5 4 螺母平垫圈 GB T 97 1 2002知适用的平垫圈相关尺寸图如图2 6所示 图2 6 垫圈 2 6 接管 2 6 1 接管的一般要求 接管不应凸出壳体内表面 并在该部位打磨平滑 以避免妨碍管束的拆 装 接管应尽量沿径向或轴向布置 以方便配管或检修 设计温度在300 以上时 不得使用平焊法兰 必须采用整体法兰 对利用接管 或接口 人不能放气和排液的换热器 应在管程和壳程的 最高点设置放气口 最低的设置排液口 其最小公称直径为20mm 操作允许时 一般在高温 高压或不允许介质泄漏的场合 接管与外部 管线的连接也可采用焊接 必要时可设置温度计 压力表及液面计接口 2 6 2 接管高度 伸出长度 确定 接管伸出壳体 或管箱壳体 外壁的长度 主要考虑法兰形式 焊接操作 条件 螺栓拆装 有无保温及保温厚度等因素决定 一般最短应符合下式计算 值 151mmhhl 式中 h 接管法兰厚度 mm h1 接管法兰的螺母厚度 mm 保温层厚度 mm l 接管安装高度 上述估算后应圆整到标准尺寸 常见接管高度为 150mm 200mm 250mm 300mm 按表2 7参考选取 表2 7 PN 4 0MPa 的接管伸出长度 mm DN50200300350450 0 100 l150200250250250 2 6 3 接管位置最小尺寸 壳程接管位置最小尺寸见图2 7壳程接管位置 先假定不需要设计补强圈 并按下式计算 无补强圈 L1 d0 b 4 C 管箱接管位置最小尺寸见图2 8管程接管位置 同样假定不需要设计补强圈 并按下式计算 图2 7 壳程接管位置 无补强圈 图2 8 管程接管位置 无补强圈 L2 d0 hf C 式中 d0 接管外直径 mm b 管板厚度 60mm mm hf 管箱法兰厚度 66mm mm 为考虑焊缝影响 一般取 C 3倍壳体壁厚且不小于50 100mm 有时壳径 较大时且折流板间距也很大 则 L1值在设计时尚应考虑第一块折流板与管板的 间距 以使流体分布均匀 所以 各个接管位置如下 粗甲醇进口接管 取 L1 346mm mmL335504502 4781 冷凝液出口接管 取 L1 246mm mmL5 209504502 2191 冷却水进出口接管 取 L2 320mm mmL5 30450662 3772 排气孔接管 取 L1 156mm mmL 5 124504502 571 2 6 4 接管法兰的要求 凹凸或榫槽密封面的法兰 密封面向下的 一般应设计成凸面或榫面 其他朝向的 则设计成凹面或榫面 且在同一设备上成对使用 接管法兰螺栓通孔不应和壳体主轴中心线想重合 应对称的分布在主轴 中心线两侧 也就是跨中布置法兰螺栓孔 2 6 5 接管法兰选择 管法兰材料一般应采用锻制 不推荐用钢板或型钢制造 所以本设计所用之 管法兰可用 20 锻 标准号 JB755 法兰形式为凹凸面带颈平焊钢制管法兰 公 称压力 PN 1 0MPa 所选择的管法兰尺寸列于下表 2 9 中 表 2 9 凹凸面带颈平焊钢制管法兰尺寸 mm PN 1 0MPa 密封面尺寸公称 直径 DN 法兰 外径 D 法兰 内经 B 螺栓 圆直 径 K 螺栓 空数 n 螺栓 孔直 径 L dXYf1f2 法兰 厚度 C 颈根 直径 N 颈根 圆弧 R 法兰 高度 H 501655912541810287883418 84526 20034022229582226825926034 524246844 350505381460162243042142245264001053 450615485565202653252352445285021263 2 7 支持板 折流板 当换热器壳程介质为相变化时 无需设置折流板 而换热管无支撑跨距超 过表2 10规定时 应设置支持板 用来支撑换热管 以防止换热管产生过大的 挠度或诱导振动 其形状和尺寸均按折流板一样来处理 对浮头式换热器浮头 端需设置支持板 此支持板可采用加厚的环板 表2 10 换热管的最大无支撑长度 mm 换热管外径 d1014192532384557 最大无支撑跨距8001100150019002200250028003200 2 7 1 折流板 管壳式换热器中几种常用的折流板形式见图2 9所示 在弓形折流板中 流 体在板间错流冲刷管子 而流经折流板弓形缺口时时顺流经过管子后进入下一 个板间 改变方向 流动中死区较少 比较优越 结构比较简单 一般标准换 热器中只采用这种 盘环形折流板制造不方便 流体在管束中为轴向流动 效 率较低 而且要求介质必须是清洁的 否则沉淀物将会沉积在圆环后面 使传 热面积失效 此外如有惰性气体或溶解气体放出时 不能有效地从圆环上部排 出 所以一般用于压力比较高而又清洁的介质 2 7 2 弓形折流板的主要几何参数 弓形折流板引导流体以垂直方向横过管束 能提供高度的湍动和良好的传 热 弓形折流板的两个主要几何参数是切口尺寸 h 和挡板间距 B 切口尺寸 图2 9 常用折流板形式 其拱高占直径的百分比表示 经验证明 20 的切口最为适宜 在相同的压力 降下 能提供最好的传热性能 大于25 的切口容易形成污垢 而采用 40 45 的切口则从未打达到过设计的传热性能 所以 mm2401200 20D2 0hN 折流板间距 B 的选取最好使壳体直径处的管间流动面积与折流板切口处的 有效流动面积近似相等 这样可以减少介质在通过缺口前后由于流通面积的扩 大与收缩引起的压力损失 对于20 的切口 符合此要求的折流板间距为壳体 直径 DN的三分之一 即 DN B 3 一般情况下可使折流板间距不大于 DN或不 小于 DN 5 所以可以取 圆整后应该取450mm 当 mm4003 12003 DBN 然这些不是绝对的 应该考虑到制造 安装及实际情况进行圆整及调节为适合 工程上的尺寸 切口高度 h 按20 或者25 确定后 还要考虑折流板制造中 可能 产生的孔变形 故应将尺寸调整到使被切管孔保留到小于二分之一孔位 间距 B 按 B 1 5 1 DN之间确定后 从最小50mm 起按 50mm 100mm 200mm 300mm 450mm 600mm 圆整 折流板的布置一般应使靠近管板的第一块或最后一块折流板靠近壳程进 出口接管 其余间距按以上原则确定的 B 值等距离布置 靠近管板的折流板与 管间的距离如图 其最小尺寸按下式计算 12l LB 2 b4 20100mm 式中 L1 壳程接管位置最小尺寸 B2 是防冲挡板长度 无防冲板时 可取 B2 di 接管内径 粗甲醇蒸汽进口接管处支持板的布置位置 1l 325460 2 504 20100 529609mm 取 l1 590mm 冷凝液出口接管处支持板的布置位置 mm370290 10020 450 2 201 5 195 l2 取 l2 360mm 所以 折流板总数 块11450 24025 23705956000 N 所以 NT N 1 12块 2 7 3 弓形折流板排列方式确定 图2 10 折流板的布置方式 卧式换热器设置弓形折流板 以弓形缺口位置分一下几种 1 水平缺口 缺口上下布置 水平切口用的最普遍 如图2 10 a b 这 种排列可造成流体激烈扰动 增大传热系数 一般用于全液相且流体是清洁的 否则沉淀物会在每一块折流板底部集聚使下部传热面积失效 液体中有少量气 或液时 应在上折流板上方开小口或者缺口 但开口排气或泄液措施会造成流 体的旁路泄漏 应尽量避免采用 2 垂直缺口 缺口左右布置 如图2 10 c 这种结构一般用于带悬浮物或 结垢严重的流体 也易用于两相流体 最低处应留排液孔 在卧式冷凝器 再 沸器 蒸发器和换热器中 壳程中的不凝蒸汽和惰性气体沿壳内顶部流动或逸 出 避免了蒸汽或不凝性气体在壳体上部集聚或停滞 3 倾斜切口 对正方直列的管束 采用与水平面成450的倾斜切口折流板 可使流体横过正方形错列管束流动 有利于传热 但不适于脏污流体 如图2 10 a 右端图示 本设计选取垂直缺口式的 2 7 4 折流板与壳体间隙 折流板与壳体间隙依据制造安装条件 在保证顺利安装前提下 越小越好 折流板外直径列于表2 11折流板外直径中 表2 11 折流板外直径 mm 所以 折流板名义外直径为 DN 6 1194mm 2 7 5 折流板厚度 折流板厚度与壳体直径 换热管无支撑长度有关 其数值不得小于表2 12 折流板厚度的规定 所以该冷凝器所用支持板厚度为8mm 2 7 6 折流板的管孔 公称直径DN 40050090013001700 折流板名义外直径 DN 2 5DN 3 5DN 4 5DN 6DN 8DN 10 折流板外径允许偏差 0 5 0 8 1 2 2 7 6 1 折流板的管孔直径和公差 按 GB151规定 管孔直径及允差都可查询相关资料手册 因为本换热器是 级换热器 所以当为 级换热器时 按表2 13规定 所以本设计之支持板管孔外径为19 6mm 表2 12 折流板厚度 mm 表2 13 级换热器折流板管孔尺寸及允许偏差 mm 换热管无支撑长度 300 300 600 600 900 900 1200 1200 1500 1500 壳体公称直径 DN 厚 度 159 3254571010 400 700456101012 800 900578101216 1000 15006810121616 1600 20001012162020 换热管外径 d 1014192532384557 折流板管孔直径10 514 619 625 832 838 845 858 0 管孔直径允许偏差 0 40 0 45 0 50 2 7 6 2 管孔中心距 折流板上管孔管孔中心距见表 2 1常用管心距 公差为相邻两孔 0 30 任 意两孔 1 00mm 2 7 6 3 管孔加工 折流板上管孔加工后两端必须倒角0 5 450 2 8 拉杆 定距管 2 8 1 拉杆的结构形式 常用的拉杆的结构形式有两种见图2 11拉杆的结构形式 拉杆定距管结构 适用于换热管外径大于或等于19mm的管束 12 La La 按表2 15拉杆尺寸规定 拉杆与折流板点焊结构 适用于换热管外径小于或等于14mm的管束 11 d 当管板较薄时 也可采用其他的连接结构 图2 11 拉杆的结构形式 所以 选用图2 11 a 拉杆定距管结构 2 8 2 拉杆的结构和数量 拉杆的直径和数量按表2 14拉杆直径和2 15拉杆数量选择 表2 14 拉杆直径 mm 表2 15 拉杆数量 dn mm DN mm 400 400 700 700 900 900 1300 1300 1500 1500 1800 1800 2000 换热管外径 d 10 d 1414 d 2525 d 57 拉杆直径dn101216 10461012161824 1244810121418 16446681012 在保证大于或等于表2 15所给定的拉杆总截面积的前提下 拉杆的直径和 数量可以变动 但其直径不得小于10mm 数量不得少于4根 2 8 3 拉杆尺寸 按图2 12拉杆尺寸和表2 16拉杆尺寸确定拉杆尺寸 拉杆的长度 L 按需确 定 2 8 4 拉杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 拉杆位置占据换热管的位置 对于 大直径换热器 在布管的中心部位或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆 2 9 旁路挡板 防冲板 2 9 1 旁路挡板 如果壳体和管束之间的环隙过大 则流体会通过该环隙短路 为防止这种 情 图2 12 拉杆尺寸 表2 16 拉杆尺寸 mm 况的发生 必要时应设置旁路挡板 另外 在换热器分程部位 往往间隙也比 较大 为防止短路发生可在适当部位安装挡板 已知本冷凝器的公称直径相比于所需排管数而言比较小 而且壳体与管束 的间隙为10mm 左右 所以不存在环隙过大 即流体不可能在该环隙短路 所 以可以不用安装旁路挡板 但随着换热器和冷凝器的直径的增大 管束的重量越来越重 为使管束能 顺利的装入和抽出壳体而不损失折流板 当直径 DN 1100mm 的换热器和冷凝 拉杆直径 dn 拉杆螺纹公称直 径 dn a L b L 管板上拉杆孔深 d L 101013 4016 121215 5018 161620 6020 器内需增设滑板 在换热器中的滑板也能起到旁路挡板的作用 滑板的数量在 换热设备中的数量与旁路挡板的数量相同 在冷凝器中 采用两条 布置在折 流板下半圆内如图2 13所示 旁路挡板和滑板可以用钢板或扁钢制成 在换热 器直径小于1000mm 可将旁路挡板分段焊在两折流板之间 折流板上无需开槽 如图2 14 a 所示 当换热器直径大于1000mm 时 可将挡板或滑板嵌入到两边 铣床凹槽的折流板内 并焊在每一块折流板上 如图2 14所示 图2 13 滑板的布置 2 9 2 防冲板 为了防止壳程物料进口处流体对换热器表面的直接冲刷 引起侵蚀及振动 应在流体入口应设置防冲板 以保护换热管 其设置条件如下 对有腐蚀或有磨蚀的气体和蒸汽 包括饱和蒸汽及气液混合物料 应设置 防冲板 本设计中的物料是粗甲醇蒸汽 同时由于换热管离壳体内壁很近无方安置 防冲板 所以本设计不设置防冲板 图2 14 旁路挡板或滑板的安装形式 第三章 冷凝器机械结构设计 3 1 传热管与管板连接 管子与管板的固定是列管式换热器制造中最主要的问题之一 它不但耗费 大量工时 更是红要的是这个部位是换热器的一个薄弱环节 它的主要失效形 式是连接处产生泄漏 在高温下由于热冲击时常发生管子与管板连接处开裂 造成连接处破坏的主要原因是 高温下应力松弛而失效 间隙腐蚀破坏 疲劳 破坏 由于热补偿不好而引起的破坏等 为了防止管子与管板连接处的破坏 必须正确选择连接形式和制造工艺 防止管束振动 对于有高温介质冲刷的部位 采取适当的隔热防护结构 对于 温差应力过大的采取有效地补偿措施 管子与管板的连接形式有强度胀接 强度焊接与焊接混合结构 无论采用 何种连接形式 都必须满足以下两个条件 连接处保证介质无泄漏的充分气密 性 承受介质压力的充分结合力 3 1 1 管子和管板的强度胀接连接 强度胀接是为了保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉强度的胀接 胀 接结构制造简单 管子的更换和修补容易 所以应用较广 有于胀接胀接管端 处产生塑性变形 存在残余应力 随着温度上升 残余应力逐渐消失 这样使 管端处失去密封和结合力的作用 所以采用胀接结构 会使温度和压力受到一 定的限制 3 1 2 管子与管板的强度焊接连接 管子与管板的焊接目前采用较广泛 由于管孔不需要开槽 而且管孔的粗 糙度要求不高 管子端部不需要退火和磨光 因此制造加工较方便 也不需要 像胀接那样一定得实管子端部和管板有硬度差 在高压 高温条件下可考虑选 用强度高的低合金管等 焊接结构强度高 抗拉脱力强 在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗 拉脱能力 当管子焊接处有渗漏可以补焊 管子破漏 可用专门刀具划掉焊缝 重新更换管子 强度焊适用场合如下 温度和压力很高时一般原则是 对碳素钢和普低钢 温度在 300 400 以上 应优先采用焊接 压力超过 7 0MPa 时也多用焊接结构 不锈钢管与管板不论压力大小 温度高低 一般均采用焊接结构 在薄管板结构中由于管板厚度小于胀接需要的最小板厚时 一直无法胀 接而采用焊接 要求接头严密不漏的场合如处理易燃 易爆 毒性气体的换热器采用焊 接 管间距太小或换热器直径较小情况下比较难以胀接 采用焊接 但强度焊接结构不适用于有较大振动及有间隙腐蚀的场合 3 1 3 管子与管板的焊胀接 随着高温 高压换热器的出现 使接头在操作过程中受到反复变形 热冲 击 热腐蚀及介质压力作用 工作环境极其苛刻 发生破坏的可能性很大 尽 管内孔焊接工具复杂 管板加工复杂 因此工程上大多数情况还是采用胀焊结 合的形式解决上述问题 根据操作条件主要有如下几种胀和焊接的结合形式 强度焊 贴胀 强度焊 重胀 强度胀 强度胀 密度焊 强度胀 贴胀 密度焊 强度 焊 强度胀 贴胀 总数所述 因为壳程物料是粗甲醇 有毒性与易燃性 所以选择强度焊连 接方式 并采用如图 3 1 所示的强度焊接管形式 这种形式为常用的结构形式 3 2 管板与壳体及管箱的连接 3 2 1 管板与壳体的连接 管板和壳体的连接依换热器的结构形式分为可拆连接和不可拆连接 可拆 连接主要用于浮头式 U 型管式和填料函式换热器 的固定端管板 不可拆连接 在 图 3 1 强度焊焊接形式 刚性结构换热器中采用 其两端管板的内侧面直接焊在壳体上 而根据两端管 板的外侧面连接形式又分为管板兼做法兰和管板不兼做法兰 前者用于管侧介 质压力计密封性能要求不高的场合即通常称为固定管板式换热器 后者多见于 管侧压力很高或密封性能要求也很高的高压高温换热器中 本设计是固定管板 式换热器 所以其连接应采用兼做法兰的管板与壳体的连接结构 常见的兼做法兰的管板与壳体连接结构很多 可以根据实际情况选取合适 的结构形式 主要依据其使用压力及场合以及介质性质可以选取 以为介质是 有毒性和易燃的粗甲醇所以参考文献可以选取如图 3 2 所示的连接形式 这种形式的焊接质量比较高 能够保证气密性 适合压力也较高 设备直 径也较大 管板厚度较厚 图 3 2 兼做法兰的管板与壳体连接结构 3 2 2 管板与管箱的连接 管板与管箱的连接多数是靠法兰连接 形式很多 随着温度 压力 及耐 腐蚀情况不同 在设计中应合理选择不同连接形式 对设备的制造 安全及节 约材料有重要意义 固定管板式换热器的管板与管箱法兰的连接形式比较简单 除了满足工艺 上要求选择一定的密封面形式外 按压力 温度选用法兰的结果形式 常见的 固定管板式换热器的管板与管箱法兰连接形式有三种 其中有采用平面密封形 式 这种结构适用于管程操作压力小于 1 6MPa 且对气密性要求不高的情况下 另外一种是采用榫槽密封面形式 适合气密性要求较高的场合 但具有制造要 求较高 加工比较困难 垫片窄 安装不便等缺点 一般在中低压较少采用 当在较高压下采用时 法兰的形式应该改为长颈法兰 最后一种如图 3 3 所示 的结构形式是最常用的 法兰密封面采用凹凸面形式 试压力高低 法兰的形 式可为平焊法兰 更多的长颈法兰 本设计中气密性要求不低 压力较小 所以选择图 3 3 所示之连接形式 管箱连接法兰形式为平焊法兰 由前面选型已知管箱连接法兰为凹凸面密封的 乙型平焊法兰 3 3 管箱结构形式 管箱结构形式主要有以下几种 A 型 平盖管箱 这种管箱装有管箱平盖 或称盲板 清洗管程 时只要拆开盲板即可 而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路 缺点是盲板 结构用材多 且尺寸较大时得用锻件 耗费大量机加工加工时 提高制造成本 并增加一道密封的泄露可能 一般都用于 DN 900mm 的浮头式换热器中 B 型封头管箱型 这种管箱用于单程或多程管箱 优点是结构简单 便于制造 适于高压 清洁介质 可省掉一块造价高的盲板 法兰和几十对螺 栓 且椭圆形封头受力情况要比平端盖好的多 缺点是检查管子和清洗管程时 必须拆下连接管道管箱 但这种形式用的最多 C 型 N 型管箱 这种形式是管箱一端与壳体及管板连成一体 或是 用于卡拆管束与管板支撑一体的管箱 另一端可采用 A 型结构 减少泄漏的可 能性 一般用的很少 只在高压情况下采用 本冷凝器设计选择 B 型封头管箱型 结构如图 3 3 B 型封头管箱型管箱结 构 图 3 3 B 型封头管箱型管箱结构 第四章 冷凝器机械设计 4 1 筒体强度计算 4 1 1 筒体材料选择 选择压力容器用钢材必须考虑设备的操作条件 如设计压力 设计温度 介质的特性 材料的焊接性能 冷热加工性能 热处理性能以及容器的结构特 点等 一般情况下 可按下列原则选材 所需钢板厚度小于 8mm 时 在碳素钢和低合金钢之间 应尽量采用碳 素钢钢板 多层容器用材除外 在刚度和结构设计为主的场合 应尽量选用普通碳素钢 在强度设计为 主的场合 应根据压力 温度 介质等使用限制 依次选用 Q235 B 20R 16MnR 等钢板 所需耐酸不锈钢厚度大于 12mm 时 应尽量采用复合板或衬里 堆焊等 结构形式 耐酸不锈钢应尽量不用作设计温度小于或等于 500 的耐热用钢 Q235 B 钢板适用范围 容器设计压力 P 1 6MPa 钢板使用温度 0 350 用于壳体时 钢板厚度不的大于 20mm 不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器 本设计冷凝器壳程设计压力位 0 3MPa 使用温度小于 100 选择钢板厚 度在 6 16mm 之间 毒性程度不高 所以选择 Q235 B 能够满足设计要求 4 1 2 筒体厚度计算 由工艺设计给定设计温度 90 设计压力 选用碳素钢钢MPa3 0Pc 板 Q235 B 卷制 材料 100 时的许用应力 取焊缝系数 Mpa113 t 0 1 钢板负偏差 C1 0 6mm 腐蚀余量 则mmC2 2 计算厚度 i t PcD0 3 1200 1 595mm 2 113 1 0 3 2Pc 设计厚度 d2 C1 59523 595mm 名义厚度 nd1 C4 195mm 按 GB151 规定 用碳素钢做公称直径为 1200mm 的固定管板式换热器的圆筒的 最小