4-2 换热器设计说明书

换热器设计说明书指导老师：李真 王凯伟团队成员：罗雄巍 王建志 秦柏城 许晓安 郭莎莎2019年“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛天 津 大 学 仁 爱 学 院Green Chem团队鄂尔多斯中天合创醋酸乙烯分厂年产20万吨VAC项目鄂尔多斯中天合创醋酸乙烯分厂年产20万吨VAC项目换热器设计说明目录第一章 总述11.1 换热器设计依据11.2 换热器简介1第二章 换热器选择52.1 基本要求52.2 介质流程52.3 流速62.4 压力降72.5 传热膜系数72.6 污垢系数72.7 换热管82.8 换热器型号表示方法10第三章 换热器设计（以E0102为例）113.1 选型用软件一览113.2 设计条件确定113.2.1. 流股参数确定113.2.2. 管程、壳程的设计压力及设计温度113.2.3. 传热系数及污垢热阻123.2.4. 流体空间选择123.2.5. 选用材质123.2.6. EDR数据导入123.3 换热器选型结构设计133.3.1换热器结构形式确定133.3.2选型结果153.3.3详细尺寸163.4 E0102强度校核173.5 换热器设计和校验小结393.6 E0102设备条件图40第四章 换热器选型示例（以E0201为例）414.1选型用软件一览414.2设计条件确定414.2.1流股参数确定414.2.2管程、壳程的设计压力及设计温度414.2.3传热系数及污垢热阻424.2.4流体空间选择424.2.5选用材质424.2.6EDR数据导入424.3换热器选型结构设计434.3.1换热器结构形式确定434.3.2选型结果454.3.3详细尺寸464.4强度校核474.5 E0201设备条件图67第1章 总述1.1 换热器设计依据l 化工设备设计全书换热器 2003-5l 化工工艺设计手册（第四版） 2009-6l 固定式压力容器安全技术监察规程 TSG 21-2016l 压力容器 GB 150-2011l 热交换器 GB/T 151-2014l 化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 HG 20553-2011l 石油化工企业钢管尺寸系列 SH/T 3405-20171.2 换热器简介化工生产中传热过程十分普遍，传热设备在化工厂占有极为重要的位置。物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都需要通过换热器进行热交换，换热器是应用最广泛的设备之一，大部分换热器已经标准化、系列化。已经列入标准的换热器可以直接选用，未列入标准的换热器需要进行设计。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。换热器种类很多，按热量交换原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。间壁式换热器有夹套式、管式和板式换热器。管壳式换热器又称列管式换热器，该类换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最广泛的应用。列管式换热器可根据其结构特点，分为固定管板式、浮头式、U形管式、料函式和釜式重沸器五类。各类换热器特性如下表：表1-1 换热器的结构分类换热器型式换热器特点管式管壳式固定管板式刚性结构：用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难填料函式外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发，易燃易爆及压力较高的介质内填料函：密封性能差只能用于压差较小的场合釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离套管式双套管式结构比较复杂，主要用于高温高压场合，或固定床反应器中套管式能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器、或预热器螺旋浸没式用于管内流体的冷却、冷凝、或者管外流体的加热盘管式喷淋式只能用于管内流体的冷却或冷凝板式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋式可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可回收低温热能伞板式伞形传热板结构紧凑，拆洗方便，通道较小，易堵，要求流体干净板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高表1-2 管壳式换热器优缺点对比种类优点缺点浮头式换热器管束可以抽出，方便清洗；介质温度不受限制；可在高温高压下工作，一般温度450，压力6.4MPa；可用于结垢比较严重的场合小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20%；结构复杂固定管板式换热器传热面积比浮头式换热器大20%30%；旁路漏流较小；锻件使用较少，成本低20%以上;没有内漏壳体和管子壁温差一般宜小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节；管板与管头之间易产生温差应力而损坏；壳程无法清洗；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；不适用于壳程易结垢场合U型管式换热器管束可抽出来机械清洗；壳体与管壁不受温差限制,可在高温、高压下工作，一般适用温度500，压力10MPa；可用于壳程结构结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合在管子的U形出冲蚀，应控制管内流速；管程不适用于结垢较严重的场合；单管程换热器不适用；不适用于内导流筒，故死区较大填料函式换热器管束可抽出机械清洗介质间温差不受限制可用于结构比较严重的场合；可用于管程腐蚀较重的场合；金属耗量较浮头低10%左右；适用温度可达200，压力可达2.5MPa密封处易漏；不适用于有毒、易燃、易爆、易挥发及贵重介质场合双壳程换热器传热面积可减少10%30%；减少设备数量和属耗量；传热效率提高；适用于大型化装置；适用于串联台数较多；适用于高温、高压场合壳程压降约提高4倍；分程隔板与壳体密封片处易泄露；壳体直径圆度要求较高外导流筒换热器进出口压降降低90%以上；进出口处流动死区，旁路漏流减小，可提高传热有效面积7%以上；在DN3251800 范围内，可增加5%16%传热面积；总传热效率相应提高12%23%金属耗量增加10%（按相同直径比较）；制造难度加大，外导流筒处焊缝要求100%射线探伤折流杆换热器不易发生诱导振动损失；传热死区小，传热效率提高20%以上；压降小；抗垢性能良好；适用于换热器大型化，特别是核电换热应用在低雷诺数Re6000（液相）、Re0.6,说明其流体形态为湍流，符合设计要求。参考化工工艺手册（下册），得E0102的型号为BEM400-1.247-31.2-0.158-4 I。3.3.3详细尺寸换热器设备图和管板布置图如下所示。图3-7 E0102设备图图3-8 E0102管板布置图3.4 E0102强度校核运用SW6-2011对该换热器的筒体、管箱、封头、管板和管箱法兰进行校核，得到下述结果。固定管板换热器设计计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队设计计算条件壳 程管程设计压力0.1MPa设计压力0.1MPa设计温度150设计温度50壳程圆筒内径Di400mm管箱圆筒内径Di400mm材料名称16Mn材料名称16Mn简图计算内容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算管箱法兰校核计算开孔补强设计计算管板校核计算前端管箱筒体计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力pc0.1MPa设计温度t50.00 C内径 Di400.00mm材料16Mn (管材)试验温度许用应力s181.00MPa设计温度许用应力st181.00MPa试验温度下屈服点ss320.00MPa钢板负偏差 C10.80mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 0.17mm有效厚度de =dn - C1- C2= 5.20mm名义厚度dn = 8.00mm重量36.54Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值pT = 1.25p = 0.1700(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 288.00MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 7.79MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力pw= = 3.94877MPa设计温度下计算应力st = = 5.07MPastf153.85MPa校核条件stf st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 pc0.1MPa设计温度 t50.00 C内径 Di400.00mm曲面深度 hi100.00mm材料Q345R(板材)设计温度许用应力 st189.00MPa试验温度许用应力 s189.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值pT = 1.25p= 0.1700(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 7.07MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度dh = = 0.16mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 5.70mm最小厚度dmin = 3.00mm名义厚度dnh = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量13.07Kg压力计算最大允许工作压力pw= = 4.54613MPa结论合格后端管箱筒体计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 pc0.1MPa设计温度 t50.00 C内径 Di400.00mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力 s189.00MPa设计温度许用应力 st189.00MPa试验温度下屈服点 ss345.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 0.16mm有效厚度de =dn - C1- C2= 5.70mm名义厚度dn = 8.00mm重量36.54Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值pT = 1.25p = 0.1700(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 7.12MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力pw= = 4.51420MPa设计温度下计算应力st = = 4.63MPastf160.65MPa校核条件stf st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件椭圆封头简图计算压力 pc0.1MPa设计温度 t50.00 C内径 Di400.00mm曲面深度 hi100.00mm材料Q345R (板材)设计温度许用应力 st189.00MPa试验温度许用应力 s189.00MPa钢板负偏差 C10.30mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值pT = 1.25p= 0.1700 (或由用户输入)MPa压力试验许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 7.07MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.0000计算厚度dh = = 0.16mm有效厚度deh =dnh - C1- C2= 5.70mm最小厚度dmin = 3.00mm名义厚度dnh = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量13.07Kg压力计算最大允许工作压力pw= = 4.54613MPa结论合格内压圆筒校核计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 pc0.55MPa设计温度 t150.00 C内径 Di400.00mm材料16Mn ( 锻材 )试验温度许用应力 s178.00MPa设计温度许用应力 st167.00MPa试验温度下屈服点 ss305.00MPa钢板负偏差 C10.00mm腐蚀裕量 C22.00mm焊接接头系数 f0.85厚度及重量计算计算厚度d = = 0.78mm有效厚度de =dn - C1- C2= 6.00mm名义厚度dn = 8.00mm重量241.48Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值pT = 1.25p = 0.6900 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 274.50MPa试验压力下圆筒的应力sT = = 27.46MPa校核条件sT sT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力pw= = 4.19557MPa设计温度下计算应力st = = 18.61MPastf141.95MPa校核条件stf st结论合格开孔补强计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队接 管: N1,484计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力 pc1.05MPa设计温度150壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16Mn锻件壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di400mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C1mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力tMPa接管轴线与筒体表面法线的夹角()0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角()接管实际外伸长度50mm接管连接型式接管实际内伸长度0mm接管材料10(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1tmm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力tMPa补强圈许用应力tMPa开孔补强计算非圆形开孔长直径43mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度mm接管计算厚度tmm补强圈强度削弱系数 frr接管材料强度削弱系数 fr开孔补强计算直径 d43mm补强区有效宽度 Bmm接管有效外伸长度 h1mm接管有效内伸长度 h2mm开孔削弱所需的补强面积Amm2壳体多余金属面积 A1mm2接管多余金属面积 A2mm2补强区内的焊缝面积 A3mm2A1+A2+A3=mm2补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 根据GB150第6.1.3节的规定,本开孔可不另行补强。开孔补强计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队接 管:N2,424计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力 pc1.05MPa设计温度150壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16Mn锻件壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di400mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C1mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力tMPa接管轴线与筒体表面法线的夹角()0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角()接管实际外伸长度50mm接管连接型式接管实际内伸长度0mm接管材料10(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1tmm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力tMPa补强圈许用应力tMPa开孔补强计 算非圆形开孔长直径37mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度mm接管计算厚度tmm补强圈强度削弱系数 frr接管材料强度削弱系数 fr开孔补强计算直径 d37mm补强区有效宽度 Bmm接管有效外伸长度 h1mm接管有效内伸长度 h2mm开孔削弱所需的补强面积Amm2壳体多余金属面积 A1mm2接管多余金属面积 A2mm2补强区内的焊缝面积 A3mm2A1+A2+A3=mm2补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 根据GB150第6.1.3节的规定,本开孔可不另行补强。开孔补强计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队接管: N3,1684计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力 pc0.63MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16Mn管材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di400mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10.8mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t181MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角()0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角()接管实际外伸长度50mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料10(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0.6mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t122.88MPa补强圈许用应力tMPa开孔补强计算非圆形开孔长直径163.2mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度0.8207mm接管计算厚度t0.4112mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.6789开孔补强计算直径 d163.2mm补强区有效宽度 B326.4mm接管有效外伸长度 h125.55mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A135mm2壳体多余金属面积 A1708mm2接管多余金属面积 A269mm2补强区内的焊缝面积 A38mm2A1+A2+A3= 785mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格开孔补强计算计算单位天津大学仁爱学院Green Chem团队接 管:N4,1685计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力 pc0.63MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di400mm壳体开孔处名义厚度n8mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角()0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角()接管实际外伸长度20mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料10(GB8163)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0.75mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力t122.88MPa补强圈许用应力tMPa开孔补强计算非圆形开孔长直径161.5mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度0.7859mm接管计算厚度t0.4061mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr0.6501开孔补强计算直径 d161.5mm补强区有效宽度 B323mm接管有效外伸长度 h120mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A129mm2壳体多余金属面积 A1782mm2接管多余金属面积 A274mm2补强区内的焊缝面积 A310mm2A1+A2+A3= 866mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格延长部分兼作法兰固定式管板设计单位天津大学仁爱学院Green Chem团队设计计算条件简图壳程设计压力ps0.55MPa设计温度Ts150平均金属温度ts82.5装配温度to15材料名称16Mn设计温度下许用应力st167Mpa平均金属温度下弹性模量 Es1.979e+05Mpa平均金属温度下热膨胀系数as1.139e-05mm/mm圆筒管箱壳程圆筒内径 Di 400mm壳 程 圆 筒 名义厚 度 ds8mm壳 程 圆 筒 有效厚 度 dse6mm壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef1.94e+05MPa壳程圆筒内直径横截面积 A=0.25 p Di21.257e+05mm2壳程圆筒金属横截面积 As=pds ( Di+ds )7653mm2设计压力pt0.13MPa设计温度Tt50圆筒材料名称16Mn设计温度下弹性模量 Eh1.995e+05MPa管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)dh17mm管箱圆筒有效厚度dhe15mm管箱法兰设计温度下弹性模量 Et”1.995e+05MPa材料名称20(GB9948)换热管管子平均温度 tt22.5设计温度下管子材料许用应力 stt140MPa设计温度下管子材料屈服应力sst210MPa设计温度下管子材料弹性模量 Ett1.94e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量 Et2.009e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数at1.092e-05mm/mm管子外径 d19mm管子壁厚dt2mm注：换热管管子根数 n174换热管中心距 S25mm一根管子金属横截面积106.8mm2换热管长度 L3000mm管子有效长度(两管板内侧间距) L12904mm管束模数 Kt = Et na/LDi3214MPa管子回转半径 6.052mm管子受压失稳当量长度 lcr295mm系数Cr =135比值 lcr /i48.75管子稳定许用压应力 ()MPa管子稳定许用压应力() 86.05MPa材料名称Q345R设计温度 tp150管板设计温度下许用应力173MPa设计温度下弹性模量 Ep1.94e+05MPa管板腐蚀裕量 C24mm管板输入厚度dn48mm管板计算厚度 d42.7mm隔板槽面积 (包括拉杆和假管区面积)Ad0mm2管板强度削弱系数 h0.4管板刚度削弱系数 m0.4管子加强系数 2.773管板和管子连接型式胀接，开槽管板和管子胀接(焊接)高度l45mm胀接许用拉脱应力 q4MPa焊接许用拉脱应力 qMPa管箱材料名称16Mn管箱法兰厚度 34mm法兰外径 540mm基本法兰力矩 1.