换热器设计.doc

安徽理工大学毕业设计1 绪论1.1 换热器的作用及研究现状换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备。通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺要求。在目前大型化工及石油化工装置中，采用各种换热器的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本以获得好的经济效益。因而，在大型化工及石油化工生产过程中，换热器得到越来越广泛的应用。在工厂建设投资中，换热器所占比例也有明显提高，成为最重要的单元设备之一。20世纪80年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本已成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换热器及空冷式换热器及高温高压换热器带来了日益广阔的应用前景。国内各研究机构和高等院校研究成果不断推陈出新，在强化传热元件方面华南理工大学相继开发出表面多孔管、螺旋槽管、波纹管、纵横管等；天津大学在流路分析法、振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入的研究；西安交大在板翅式换热器研究方面已取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热器；在强度软件方面化工设备设计技术中心站开发出SW6；在液压胀管方面江苏化工学院开发出液压胀管器；以换热器起家的兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、板式冷凝器、板式蒸发器、螺旋板换热器、板壳式换热器、螺纹管换热器、折流杆换热器、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构高效换热器、环高压换热器、表面蒸发空冷气、板式空冷气等一批实用价值的系列高效换热器，近年来在强度软件上开发出Lansys PV ,在CAD软件上开发出浮头式换热器Lansys HF、U形管换热器Lansys HU等系列CAD软件，含标准图2000余套；中国石化工程建设公司与兰州石油化工机器厂联合开发出螺纹锁紧环换热器；西安交大、兰州五院、宁夏化工厂合作开发出螺旋绕管式换热器，这些技术成果为国民经济的快速发展，为中国炼油、化工工业的发展起到了决定作用，也使中国的传热技术水平步入国际先进水平1。欧美发达国家于20世纪80年代起开始竞相开发、研制各种型式的板壳式换热器。其中具有代表性的为法国Packinox公司,该公司于20世纪80年代首次在催化重整装置中用一台大型板壳式换热器替代传统的管壳式换热器组。20世纪90年代末期,Packinox公司又将大型板壳式换热器用于加氢装置。该公司的产品得到(美国联合油)的认证,其产品主要用于的催化重整、芳烃及加氢装置2。1.2本课题研究意义随着国际石油价格的不断攀升，煤制烯烃（MTO/MTP）项目逐渐浮出水面，并成为各国为解决化工原料和能源短缺的希望所在。中国的能源结构是“富煤、缺油、少气”，石油资源短缺已成为中国烯烃工业发展的主要瓶颈之一。国民经济的持续健康发展要求中国企业必须依托本国资源优势发展石化基础原料生产，国际油价的节节攀升使MTP项目的经济性更具竞争力。神华宁煤集团煤基烯烃项目是首批以煤为原料生产烯烃的大型工业化项目。丙烯是石化工业主要的烯烃原料之一，主要用于生产聚丙烯、异丙苯、羰基醇、丙烯腈、环氧丙烷、丙烯酸、异丙醇等。近年来，由于丙烯下游产品的快速发展，极大的促进了我国丙烯需求量的快速增长。我国对丙烯下游衍生物的需求十分旺盛,每年都需要大量进口。因此，开发丙烯项目前景广阔3。目前，丙烯的生产除了炼厂气、煤液化、烃类裂解气分离等工艺制取外，采用丙烷催化脱氢或由甲醇直接制取丙烯，具有较好的经济效益。本课题设计的是热再生塔再沸器，其型式选用固定管板式换热器，它是由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成。其结构较紧凑，排管较多，在相同直径情况下面积较大，制造较简单，但最后一道壳体与管板的焊缝无法无损检测。其优点是：（1）传热面积比浮头式换热器大20%30%；（2）旁路漏流较小；（3）锻件使用较少，成本低20%以上；（4）没有内漏。缺点：（1）壳体和管子壁温差一般易小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节；（2）管子与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）壳程无法机械清洗；（4）管子腐蚀后造成连同壳体报废，壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低；（5） 不适用于壳程易结垢场合1。1.3 换热器的分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构和型式亦不同，换热器种类随新型、高效换热器的开发不断更新，具体分类如下。（1）按传热原理分类直接接触式换热器 这类换热器的主要工作原理是两种介质经接触而相互传递热量，实现传热，接触面积直接影响到传热量。蓄能式换热器（简称蓄能器） 这类换热器用量极少，原理是通过一种固体物质，热介质先通过加热固体物质达到一定的温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到传递热量的目的。板、管式换热器 这类换热器用量非常大，占总量的99%以上，原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备，这类设备是我们通常称为的管壳式、板式、板翘式或板壳式换热器。（2） 按结构分类分为浮头式换热器、固定管板式换热器、填料函式换热器、U形管式换热器蛇管式换热器、双壳程换热器、单套管换热器、多套管换热器、外导流筒换热器、折流杆式换热器、热管式换热器、插管式换热器、滑动管板式换热器。（3） 按板状分类分为螺旋板换热器、板式换热器、板翘式换热器、板壳式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器、印刷电路板换热器、穿孔板换热器。（4） 按材料分类主要为金属和非金属两大类。金属又可分为低合金钢、高合金钢、低温钢、稀有金属等。（5） 按强化传热元件分类分为螺纹管换热器、波纹管换热器、异型管换热器、表面多孔管换热器、螺旋扁管换热器、螺旋槽管换热器、环槽管换热器、纵槽管换热器、翅管换热器、螺旋绕管式换热器、T形翅片管换热器、新结构高效换热器、内插物换热器、锯齿管换热器。换热器的种类繁多，还有按管箱分类等，各种换热器各自适用于某一种工况。为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益1。1.4 本课题设计的主要内容本次毕业设计的课题来源于神华宁煤烯烃合成气制丙烯项目，为其中的低温甲醇洗装置设计一台换热设备热再生塔再沸器，是一种按用途分类的换热器，一般多用于精馏塔塔底，用来再次加热滏液。在满足工艺要求的前提下，换热器应达到安全与经济的目标。换热器设计的主要任务是参数选择和结构设计、传热计算及压降计算等。设计主要包括壳体形式、管程数、换热管类型、管长、管子排列、管子支承结构（如折流板结构等）、冷热流体的流动通道等工艺设计和封头、壳体、管板等零部件的结构、强度设计计算4。我们的任务主要是进行机械设计，即固定管板式换热器的结构设计、受压元件的强度计算、制造及检验。其具体计算步骤如下：壳体和管箱壁厚的计算管子与管板连接结构设计壳体与管板连接结构设计管板厚度计算折流板、支持板等零部件的结构设计换热管与壳体在温差和流体压力联合作用下的应力计算管子拉脱力和稳定性校核接管、接管法兰、容器法兰、支座等的选择及开孔补强设计。综合以上计算及校核，本次设计的所有元件均满足特定要求。但是，作为一个本科生的毕业设计，由于水平的限制，经验的匮乏，加之时间的仓促，设计中难免有不妥之处，诚望各位老师和读者批评指正。 2 再沸器的强度计算与校核2.1 壳体的壁厚计算及校核2.1.1 壳体厚度计算 一般来说，换热器的壳体和管箱公称直径大于400mm时，其筒体使用板材卷制。由于筒体Di =1700mm 400mm，故筒体使用板材卷制，其示意图如图2-1。筒体材料选用16MnR，由GB1501998 钢制压力容器查得，该材料在设计温度260下的许用应力t=156MPa(假设厚度为616mm)5。 图2-1设计压力为0.8MPa，取焊接接头系数0.85，钢材的腐蚀余量C23mm,钢板厚度负偏差C10mm。由于壳程内走的是低压蒸汽,无需计算液柱静压力，即 则筒体计算厚度：=5.14mm设计厚度：d=+C2 =5.14mm+3mm = 8.14mm名义厚度: 取由化工设备设计手册表9-8碳钢和低合金钢壳体的最小厚度可查得1500mmD2000mm时，n12mm,(其中考虑了1mm的壁厚附加量)2。因此，取n=14mm 则有效厚度: .2.1.2 壳体强度校核 判别式为 t=62.22MPa而 即成立，该筒体厚度满足强度要求。取名义厚度n=14mm合适。2.1.3壳体液压试验校核除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种缺陷，为考核缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制造完毕后或定期检验时，都要进行压力试验。压力试验包括耐压试验和气密性试验。这里只进行液压试验校核，在液压试验时，为防止材料发生低应力脆性破坏，液体温度不得低于容器壳体材料的韧脆转变温度4。对于16MnR，当厚度为616mm时，实验温度下的许用应力t =156MPa，抗拉强度b = 510 MPa，屈服点MPa。内压容器： 试验压力 = min, = min ,=170MPa 则 =1.25 =1.09 MPa 圆筒的薄膜应力为： =84.77MPa0.9s=0.9 =263.925MPa故该筒体满足液压实验要求，试验压力确定为1.09 MPa。2.2 管箱的壁厚计算及校核2.2.1 上端管箱厚度计算 管箱筒体示意图如图2-2所示。已知设计压力 Pt= 1.0MPa，设计温度 Tt= -19.9 ，材料为16MnR（热轧），由GB1501998 钢制压力容器查得，该材料在设计温度19.9下的许用应力t=170MPa(假设厚度为616mm)5。取焊接接头系数0.85，钢材的腐蚀余量C23mm,钢板厚度负偏差C10mm，管箱筒体长为490mm。 图2 - 2由甲醇产生的液柱静压力为 P=714.21=0.00343MPa又 100% = 0.343% 5% ，因此液柱静压力可忽略不计。 计算厚度：h= 5.90mm 设计厚度: hd = h+ C2 = 5.90 + 3 = 8.90mm名义厚度: 取由化工设备设计手册表9-8碳钢和低合金钢壳体的最小厚度可查得1500mmD2000mm时，n12mm,(其中考虑了1mm的壁厚附加量)2。因此，取 则有效厚度: 2.2.2 上端管箱强度校核判别式4为 t=77.77MPa而t=1700.85=144.5 MPa即成立，该管箱筒体厚度满足强度要求。取名义厚度合适。2.2.3 管箱筒体液压试验校核对于16MnR，当厚度为616mm时，实验温度下的许用应力t =170MPa，抗拉强度b = 510 MPa，屈服点MPa。内压容器： 试验压力= min, = min ,=170MPa 则=1.25 =1.25 MPa圆筒的薄膜应力为： T =97.22MPa0.9s=0.9 =263.925MPa 故应力符合要求，试验压力确定为1.25MPa。2.2.4 下端管箱厚度计算 已知设计压力 Pt= 1.0 MPa，设计温度 Tt=160 ，材料为16MnR（热轧），由GB1501998 钢制压力容器查得，该材料在设计温度160下的许用应力t=170 MPa (假设厚度为616mm)5。取焊接接头系数0.85，钢材的腐蚀余量C23mm,钢板厚度负偏差C10mm，管箱筒体长为970mm。 由甲醇产生的液柱静压力为 p= =714.21=0.0068 MPa 100% = 0.68% Pw =0.366MPa 且 = 0.15%故取名义厚度为 n=14mm合适。2.3.2 下端封头厚度计算及校核下端管箱也采用标准椭圆封头，其直边段长取H=25mm，材料为16MnR，设计温度 T=160，工作压力Pw=0.366MPa，t =170MPa，设计压力Pc=1.0MPa,取焊接接头系数=0.85。则封头计算厚度为：= 5.89mm设计厚度： 名义厚度： 取 有效厚度: 由壳程筒体强度校核及液压试验校核可知，下端封头厚度也满足要求。同样对封头进行屈服强度校核4： 椭圆形封头的最大允许工作压力为Pw=1.86MPa Pw =0.366MPa 且 = 0.15%故取名义厚度为 n=14mm合适。3 再沸器结构设计3.1 换热管3.1.1 换热管的型式和尺寸换热管有光管、焊接管、螺纹管、波节管、波纹管、三维内外肋管等。在没有特殊要求的情况下，一般选用光管。因为光管加工方便、价格便宜。本装置采用光管。选择管径时，应尽可能使流速高些，但一般不应超过规定的流速范围。易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有252.5mm及192mm两种规格的管子。采用小管径，可使单位体积的传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高。本装置的管程走甲醇，使用252.5mm规格的换热管2。管长的选择是以清洗方便及合理使用管材为原则。长管不便于清洗，且易弯曲。我国生产的标准钢管长度为6000mm。当选取管长时，应根据钢管长度规格，合理裁减，避免材料的浪费。由工艺条件图可知本装置选用4500mm长的换热管。综合以上，本装置的换热管采用252.5mm4500mm的光管。3.1.2 换热管的材料换热管常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷等，也允许使用螺纹管和波纹管等强化传热管。可以根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用换热管材料。本设计根据所给的工艺条件图选用10钢1。3.1.3 换热管的排列形式换热管在管板上的排列方式有正三角形排列、转角三角形排列、正方形排列和转角正方形排列。换热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。正三角形排列的优点有：管板的强度高；流体走短路的机会少，但管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高；相同的壳径内可排列更多的管子；但是正三角形排列在管外机械清洗较为困难。正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合；但是在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少。同心圆排列方式优点是在靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热器中可以排列的传热管数比三角形排列还多4。考虑到本再沸器要排列的管子较多，流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此换热管的排列形式采用转角正三角形排列，如图3-1。管板上两传热管中心距离称为管中心距，管中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。在此选用管中心距为32mm。换热管的排布见附图管板布管图。图 3 - 13.2 折流板折流板的设置主要是为了提高壳程的流速，增加湍动，改善传热。在卧式换热器中，折流板还起着支撑管束的作用。从传热的角度出发有些换热器，如冷凝器，是不需要设置折流板的，但为了增加管束的刚度，防止管子的振动，仍然要设置一定数量的支持板，这些支持板的尺寸及形状均按折流板处理。管壳式换热器常用的有弓形和圆盘-圆环形，其中弓形折流板又包括单弓形、双弓形和三弓形三种。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是顺流经过管子后进入下一板间，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，如有惰性气体和溶解气体放出时，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1。因此，折流板形式确定为单弓形，其结构尺寸示意图如图3-2所示。图3 -2折流板的布置一般使靠近管板的折流板尽可能靠近壳程进出口接管，其余按等间距布置。3.2.1 折流板排列方式确定水平排列的形式，造成流体剧烈扰动以增大传热系数，一般用于无相变介质。竖直排列的形式，多数用于卧式冷凝器或蒸发器。因为气相介质已冷凝，则在壳体下部，如用水平排列，则未冷凝的气相介质必须要通过冷凝液，这时冷凝液被气相介质加热，从而降低换热效果。转角排列一般用于换热管正方形排列，该排列方式可使介质形成湍流，以提高换热效果2。考虑到本设计的要求，采用水平排列的形式。其排列方式示意图如图3-3： 图3-33.2.2 折流板与壳体间隙 折流板外周与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但间隙越小，给制造、安装带来困难。参考表3-1选取折流板名义外直径D=DN-4.5=1700-10=1690mm。表3-13.2.3 折流板厚度折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，其厚度根据参考表3-2选取20mm2。 表3-23.2.4 折流板的管孔 折流板的管孔直径和公差 按GB151-1999管壳式换热器规定，级不锈钢换热器折流板管孔直径d+0.4=25+0.4=25.4mm6。 管孔中心距 折流板上管孔中心距（包括分程隔板处的管孔中心距）公差+0.3。 管孔加工 折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5。3.3 拉杆、定距管折流板、支持板的固定一般均采用拉杆和定距管等元件与管板固定，其固定形式有以下几种。（1）采用全焊接方式，拉杆一端插入管板并与管板焊接，每块折流板间距固定后与拉杆焊接固定。常用于拉杆与折流板为不锈钢结构或换热管外径14mm的管束。（2）采用拉杆定距管结构，拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接；也有的是最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热器后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常用的形式。（3）螺纹与焊接相结合，拉杆一端用螺纹拧入管板，然后将每块折流板焊在拉杆上，同样不需要定距管，适于换热管外径14mm的管束。（4） 定距螺栓拉杆，是靠一节节定距螺栓将折流板夹持而达定距及固定折流板的目的。定距螺栓分A、B两种形式，A型是与管板连接的定距螺栓，其两端均为螺栓，B型是两折流板之间采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，该结构安装简单方便，间距正确。换热器直径小于等于1000mm时，每台换热器只用两根拉杆固定2。根据上述所说选用拉杆定距管结构，其示意图如图3-4所示。拉杆直径和数量尺寸如表3-3，其结构型式如图3-5。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，位置占据换热管的位置。对于大直径换热器，在布管区的中心部位或靠近折流板缺口处也应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点2。本设计拉杆固定端设在上管板上。 表3-3类型拉杆直径拉杆螺纹公称直径dbL数量长131620602.0327412短131620602.0124223.4 吊耳和顶丝管箱超过30kg，应设置吊耳2。吊耳的结构尺寸见图3-6。在上端封头上对称放置两个吊耳，下端管箱上也对称放置两个吊耳。图 3 - 6顶丝是为便于拆卸管箱，设置在换热器管板上的。其结构如图3-7。由化工设备设计手册查得，顶丝直径D=M24，个数为4。顶丝放置在两个螺栓孔之间，并沿圆周均布2。图3 - 73.5 管箱法兰和接管法兰(1)换热器的法兰一般采用标准法兰，查化工设备设计手册，确定管箱法兰和接管法兰的型式，均采用凹凸面密封的长颈对焊法兰的结构型式2。(2）法兰材料为16Mn（锻件），螺栓材料为35CrMoA,螺母材料为30CrMoA，查法兰标准JB/T 4703得法兰的结构及尺寸如下图3-8和表3-4。图3 8表3-4 (单位：mm)170018951840179817781775861954870086081577676676350120356508107657267167134611535350490450415405402329025规格数量1700211822321530M275618700211816261227M242810650211816261227M242410350171412221223M20166法兰标记如下：法兰RF 17001.6/86195 JB/T47032000法兰RF 7002.5/50120 JB/T47032000法兰RF 6502.5/46115 JB/T47032000法兰RF 3502.5/3290 JB/T47032000以上是对于大管径接管法兰的选取标准。对于小管径法兰，需采用不同标准。壳程排气口和壳程排净口法兰据GB/T9117.12000选用突面带颈承插焊钢制管法兰，其结构尺寸如图3-9和表3-5所示： 图3-9表3-5 突面带颈承插焊钢制管法兰公称通径DN钢管外径A连接尺寸法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔径L螺栓数量n螺纹规格2026.910070164M145060.3150120.5184M16公称通径DN钢管外径A密封面法兰厚度C法兰高度H颈部直径N法兰内径B承插孔dfBminU2026.943213163821.028.0115060.392219.5257852.562.017排净口和低压蒸气冷凝液出口法兰拒HG 2059597选用PN1.0MPa带颈对焊钢制管法兰，其结构尺寸如图3-10和表3-6所示。图3-10表3-6 PN1.0MPa带颈对焊钢制管法兰公称通径DN钢管外径（法兰焊端外径）A1连接尺寸法兰厚度C法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹ThAB506035716512518M16420150168315928524022M20824公称通径DN钢管外径（法兰焊端外径）A1法兰颈法兰高度H法兰理论质量kgNSH1RABAB506035774742.985483.1115016831591841844.5128559.133.6 垫片 （1）垫片材料的选择应根据换热器的介质，设计压力，设计温度按GB151-1999管壳式换热器附录H选用，选取缠绕式垫片，材料为不锈钢，内填石棉6。 （2）垫片的结构及尺寸如图3-11和表3-7所示。法兰垫片的选用要与所选用的法兰一致，以保证其气密性。图2-6和表2-4所列法兰垫片适用于大口径接管，对于小口径接管法兰垫片据GB/T 4622.2 2003 选用，如图3-12和表3-8所示。图3-11表 3-7DN17001813177717371701700791765725705650741715675655350430404372352垫片标记如下：B5117001.6 JB/T 47052000C517002.5 JB/T 47052000C516502.5 JB/T 47052000C5135002.5 JB/T 47052000表3-8 平面和突面法兰用带定位环型垫片尺寸公称通径数量2026640156203225069586110452032215018062102215203223.7 壳程接管 （1）接管与壳体连接的结构形式采用插入式焊接结构，接管端部与壳体内表面平齐。 （2）对于立式换热器，管板厚度较薄，壳程介质压力较低，且对排净要求不高，壳体与接管的焊接接头选用全熔透焊缝T型接头6，其示意图如图3-13。 K0.3n，且不小于6mm图 3 -13（3）接管位置的确定见总装配图。3.8 管板与壳体、管箱、换热管的连接（1）管板与换热管的连接采用强度焊加贴胀2，如图3-14。 图3-14（2）管板与壳体的连接采用对接焊透的结构。（3）管板与管箱的连接 管板延长部分兼做法兰，与管箱法兰的连接形式比较简单，根据工艺上的要求，选择密封面为凸面形式。（4）管板上的管孔2 查化工设备设计手册表9-22可得，管孔直径为25.25mm，允许偏差 。3.9 防冲挡板 （1）壳程设置防冲挡板的条件 为防止壳程物料进口处，流体对换热管表面直接冲刷，应在物料进口处设置防冲板。当非腐蚀性、非磨蚀性的单2体液体的流体密度与流速平方乘积大于2230kg/(mm)应设置防冲挡板2。在该设计中，低压蒸气流速取 ，则故需设置防冲挡板。防冲挡板的几何尺寸及结构如图3-15：（2）管程设置防冲挡板的条件 当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速V大于3m/s时，应设置防冲挡板。从而减少流体的不均匀分布和对换热管端部的冲刷2。取甲醇、水进料口流速 ,且管程使用非轴向入口接管，故管程无需设置防冲挡板。 图3-15其中L1.5倍的管间距；J与换热管间距相同；K换热管之间的间隙；C710mm；D80mm；E排数140mm4排；F30mm 3.10 耳式支座的设置支座型式的选定是根据设备的重量、结构、承受的载荷以及操作和维修等要求来选定的。容器的支座应能承托容器重量，并使容器固定在一定的位置上。在某些场合下，支座还要承受操作时的震动、风载荷、地震载荷、管道推力等外力。（1）耳式支座在换热器上的布置应按以下原则确定：支座应设置在设备重心以上，这样设备稳定性较好，若换热器有膨胀节，应将膨胀节设在耳式支座的下方2。由GB151可知，公称直径800mm时，至少应安装四个支座，且应均匀布置5。查JB/T 472592 耳式支座7选用支座型号为B7，材料为Q345D。其结构尺寸见附图装配图（二）。（2）支座制造要求焊接采用电焊，焊条牌号应根据支座各部件的材料参照有关标准选用。焊接接头的型式和尺寸按GB985中的规定选择。耳式支座本体的焊接，采用双面连续填角焊。支座与容器壳体的焊接采用连续焊，焊缝腰高约等于0.7倍的较薄扳厚度，且不小于4mm。焊后焊缝金属表面不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷，焊接区不应有飞溅物。垫板应与容器壁贴合，局部最大间隙应不超过mm。支座螺栓孔的加工极限偏差与其它部分的制造公差分别按GB1804的第IT14级与IT16级精度.支座所有组焊件周边粗糙度为Ra50m。支座组焊完毕后，各部件应平整，不得翘曲。若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热处理前焊于容器壁上7。3.11开孔补强计算开口补强计算由同组成员陈艳丽同学设计计算，本人引用其结论：所有开孔均无需另行补强。4 管板设计计算4.1 管板结构参数管程设计压力；设计温度=160管板设计温度=160；装配温度壳体平均金属温度=148；换热管平均金属温度=135.8公称直径=1700；壳体和管箱内径=1700；壳体壁厚=14；换热管外径=25；换热管壁厚=14换热管根数n=1957；换热管长度=4500；换热管正三角形排列，管间距=32；换热管与管板连接采用焊接，焊接高度=3.5；管箱法兰用JB/T 4703-FM 1700-1.6；垫片用JB/T 4705-B51-1700-1.6。各元件材料如下：壳体16MnR；管箱16MnR；换热管10钢；管板16Mn锻件；管箱法兰16Mn锻件；连接螺栓35CrMoA；连接垫片不锈钢缠绕垫。管板和法兰结构尺寸见图4-1。 图 4 1管板布管详图如附图管板图。4.2 管板厚度计算4.2.1 符号 壳程圆筒内直径横截面积，； 管板开孔后的面积，； 圆筒壳壁金属横截面积，； 管板布管区面积，； 一根换热管管壁金属的横截面积，； 壳体法兰或管箱法兰的宽度，； 系数，按查图； 系数，按查图； 壳体法兰或管箱法兰外直径，； 壳程圆筒和管箱圆筒内直径，； 管板布管区的当量直径，； 换热管外径，； 壳体法兰材料弹性模量，； 管箱法兰材料弹性模量，； 管箱圆筒材料弹性模量，当管箱法兰采用长颈对焊法兰时，取管箱法兰的材料弹性模量，； 管板材料的弹性模量，； 壳程圆筒材料的弹性模量，； 换热管材料的弹性模量，； 系数，当两者中的较大值；当值； 系数，仅用于； 系数，当时，按K和m查图31（a）实线； 当时，按K和m查图31（b）； 系数，按查图29； 系数，按K和Q查图30； 换热管加强系数； 壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数，； 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数，； 旋转刚度参数，； 对于其延长部分兼作法兰的管板： 旋转刚度无量纲参数； 管束模数，； 管板周边不布管区无量纲宽度； 换热管有效长度（两管板内侧间距），； 换热管与管板胀接长度或焊脚高度，； 管板边缘力矩系数； 系数； 边界效应压力组合系数； 基本法兰力矩，； 基本法兰力矩系数； 管程压力操作工况下的法兰力矩，； 管程压力操作工况下的法兰力矩系数； 管板边缘力矩变化系数； 法兰力矩变化系数； 壳体法兰力矩系数； 管板总弯矩系数； 管板第一弯矩系数； 管板第二弯矩系数； 换热管根数； 有效压力组合，； 边界效应压力组合，； 当量压力组合，； 壳程设计压力，； 管程设计压力，； 壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比； 换热管与管板连接的拉脱力，； 许用拉脱力，； 换热管中心距，； 制造环境温度，； 沿长度平均的壳程圆筒金属温度，； 沿长度平均的换热管金属温度，； 管板边缘剪切系数；Y 系数，见GB 1501998第9章，按查取； 壳程圆筒材料线膨胀系数，； 换热管材料线膨胀系数，； 系数； 换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差； 壳体法兰厚度，； 管箱法兰厚度，； 管箱圆筒厚度，当管箱法兰采用长颈对焊法兰时，取颈部大小端厚度平均值，； 壳程圆筒厚度，； 换热管壁厚，； 管板刚度削弱系数，一般可取值； 系数，； 管板强度削弱系数，一般可取； 法兰力矩折减系数； 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比； 系数； 系数； 壳程圆筒轴向应力，； 壳体法兰应力，； 管板径向应力，； 管板布管区周边处的径向应力，； 管板径向应力系数； 管板布管区周边处径向应力系数； 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力），； 在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力，； 换热管稳定许用压应力，； 壳体法兰许用应力，； 在设计温度时，管板材料的许用应力，； 在设计温度时，换热管材料的许用应力，； 系数； 管板布管区周边剪切应力，； 管板布管区周边剪切应力系数； 壳程圆筒的装配环向焊缝系数； 系数，按查图26； 系数，按查图266。4.2.2 各参数计算（1） 假设管板计算厚度=64；（2）管板设计温度=160，材料为16Mn锻件，确定管板的许用应力4；（3） 计算各参数和系数。A. 法兰力矩a .垫片查垫片标准JB/T 4705- B51-1700-1.6，不锈钢缠绕垫垫片外径Dgo=1777mm垫片内径Dgi=1737mm垫片系数m=3.0垫片比压力y=69MPa垫片基本密封宽度bo=(Dgo-Dgi)/4=(1777-1737)/4=10mm因bo6.4mm，故垫片有效密封宽度=mm垫片压紧力作用中心圆直径 DG=Dgo-2b=mmb .螺栓载荷查螺栓标准JB/T 4703-FM 1700-1.6螺栓个数及尺寸：56个M27螺栓材料 35CrMoA螺栓材料在常温下许用应力螺栓材料在160时许用应力预紧状态下需要的最小螺栓载荷操作状态下需要的最小螺栓载荷c .螺栓面积 预紧状态下需要的最小螺栓面积为：操作状态下需要的最小螺栓面积为：需要的螺栓面积取与的大值，即=13607.85d .法兰力矩（a）. 螺栓中心圆直径法兰颈部小端有效厚度法兰颈部大端有效厚度螺栓中心至法兰颈部与法兰背面交点的径向距离螺栓中心至作用位置处的径向距离螺栓中心至作用位置处的径向距离螺栓中心至作用位置处的径向距离基本法兰力矩（b）. 管程压力操作工况下法兰力矩 作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力流体压力引起的总轴向力F与之差操作状态下需要的最小垫片压紧力则B. 换热管稳定许用压力换热管回转半径由GB150-1998 钢制压力容器图32得管子受压失稳当量长，如图4-2所示，由所给工艺条件图可知， 图4-2则 换热管材料在设计温度下的屈服点换热管材料在换热管平均金属温度下的弹性模量系数则 管子稳定许用压应力C. 参数和系数计算壳体内径面积壳体金属横截面积 管子金属总截面积管子有效长度管束模数管板材料的弹性模量管板强度削弱系数管板刚度削弱系数管子加强系数管板布管区面积，对于三角形排列：管板布管区当量直径系数管板周边不布管区无量纲宽度法兰外径 法兰宽度 管箱法兰厚度 管箱圆筒厚度取管箱法兰颈部大小端厚度的平均值，管箱法兰材料在管程设计温度下的弹性模量查GB 151-1999图26得 管箱旋转刚度取壳体法兰厚度 壳体厚度 壳体材料在平均金属温度下的弹性模量 查GB 151-1999图26得 壳体旋转刚度旋转刚度无量纲参数管板开孔后面积系数按，查GB 150-1998钢制压力容器表9-5得壳体法兰应力参数Y=17.81按K=7.251，查 GB 151-1999管壳式换热器图27得 ，查图29得 按K=7.251,Q=4.35, 查GB 151-1999管壳式换热器图28得 ，查图30得 ，D. 管板应力校核及评定a .第一种计算工况（壳程压力作用下的危险组合）壳程设计压力，管程压力，不计入热膨胀差。 ， 当量压力组合 有效压力组合 基本法兰力矩系数管板边缘力矩系数管板边缘剪切系数管板总弯矩系数系数 K1.3时，系数系数 管板径向应力系数管板布管区周边处径向应力系数管板布管区周边剪切应力系数壳体法兰力矩系数管板径向应力管板材料在设计温度下的许用应力 合格管板布管区周边处的径向应力 合格管板布管区周边剪切应力 合格壳体法兰应力 合格换热管轴向应力 合格壳程圆筒轴向应力 合格换热管与管板连接拉脱应力 合格结论：第一种计算工况的全部应力合格。b .第二种计算工况（壳程压力作用下的危险组合）壳程设计压力，管程压力，计入热膨胀差。平均金属温度下管子材料的热膨胀系数平均金属温度下壳体材料的热膨胀系数则换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差当量压力组合 有效压力组合 基本法兰力矩系数管板边缘力矩系数管板边缘剪切系数管板总弯矩系数系数 K1.3时，系数系数 管板径向应力系数管板布管区周边处径向应力系数管板布管区周边剪切应力