焦炉煤气洗脱苯工段贫富油换热器的设计(共55页)

1、 PAGE 61第1章 绪论(xln) 本次设计来源于焦化厂，基于焦炉煤气洗脱(x tu)苯工段进行分析，后进行了焦炉煤气洗脱苯工段贫富油换热器的设计。换热器在工业生产中， 尤其是在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要补低温流体(lit)加热或把高温流体冷却，把液体气化或把蒸气冷凝。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来实现完成。可以说换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备。1.1工艺流程简述1.1.1总工艺流程简述目前国内焦化厂粗苯回收装置主要包括洗苯、脱苯两个部分。洗苯即使用焦油洗油，将终冷后的焦炉煤气煤中大部分的苯洗去，然后将煤气送往各用户使用；脱苯

2、即将洗苯后的富油脱苯，所得粗苯分别装车外售，脱苯后的贫油返回洗苯塔循环使用。主要工艺流程及参数如下：终冷后的焦炉煤气由塔顶进入洗苯塔，洗苯塔内煤气与逆向流动的洗油接触，煤气中的苯被油吸收，使离开洗苯塔的焦炉煤气中粗苯含量降至2g/m左右。含苯量0.3%0.5%的贫油，由贫油槽通过泵从洗苯塔塔顶喷入塔内，从塔底排出，其含苯量增加至为2%2.5%，即为富油。富油经脱苯后变为贫油，又返回洗苯塔循环使用。由洗苯塔底来的富油，在冷凝冷却器中与脱苯塔来的粗苯蒸汽进行换热后被预热至50，然后进行贫油换热器至125135，再进入管式炉加热至180190后进入脱苯塔。由脱苯塔顶出来的蒸汽约90，进入冷凝冷却器，

3、先与洗苯塔底来的富油换热，在被冷冻水降温后进入粗苯分离器，分离出的粗苯进入粗苯贮槽。脱苯塔下部的热贫油经由贫富油换热器，冷却器冷却至2530后送洗苯塔循环利用。1.2换热器的选型与评述 换热器是在生产中为了实现物料之间热量传递过程的一种设备。换热器按传热面的形状与结构特点分为管壳式换热器，板式换热器，板翅式换热器和螺旋板式换热器。后三者是较新型的换热器，具有设备紧凑，材料耗量少及传热效果好等优点，是现代换热器的发展方向。但它们也具有不少缺点，板式换热器的处理量小，适应的操作压力也小，一般15kgf/cm2,最高为20kgf/cm2。板翅式换热器的设备流道小，易堵，从而使压降升高，清洗困难，且要

4、求介质对铝不腐蚀。螺旋式换热器操作温度低，操作压力低，仅适用于P20am,T400的场合，且不易检修。管壳式换热器目前在生产中应用广泛，主要优点是传热面积较大，传热效果好，且结构简单，操作弹性大。管壳式换热器主要有以下几种型式：固定管板式、U型管式、浮头式。U型管式结构简单，质量(zhling)轻，但清洗困难，管板利用率差；浮头式结构复杂，造价高，介质有泄漏。固定管板式换热器能克服以上缺点，尽管在消除温差应力方面没其他两种型式好，但可通过设置挠性元件波形膨胀节减小温差应力。本次(bn c)设计采用管壳式换热器中的固定管板式换热器。管壳式换热器目前(mqin)在生产中应用广泛，主要优点是传热面积

5、较大，传热效果好，且结构简单，操作弹性大。管壳式换热器主要有以下几种型式：固定管板式、U型管式、浮头式。U型管式结构简单，质量轻，但清洗困难，管板利用率差；浮头式结构复杂，造价高，介质有泄漏。固定管板式换热器能克服以上缺点，尽管在消除温差应力方面没其他两种型式好，但可通过设置挠性元件波形膨胀节减小温差应力。换热器种类多，但都应满足以下条件：(1)保证达到工艺规定条件(2)强度足够、结构可靠。(3)制造、安装、检修方便。(4)经济合理。本次设计从材料、温度、压强、压降、介质、检修、传热等因素综合考虑，选用固定管板式换热器。1.2.1换热器的应用换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称

6、热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。1.2.2换热器的类型 （1）夹套式换热器 这种换热器是在容器(rngq)外壁安装夹套制成,结构(jigu)简单;但其加热面受容器(rngq)壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增

7、加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。 （2）喷淋式换热器 这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,冷却水 从上方喷淋装置均匀淋下,故也称喷淋式冷却器.喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜,管外给热系数较沉浸式增大很多.另外,这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量,可起到降低冷却水温度,增大传热推动力的作用.因此,和沉浸式相比,喷淋式换热器的传热效果大有改善。 （3）套管式换热器 套管式换热器是由直径不同的直管制成的同心套管,并由U形弯头连接而成.在这种换热器

8、中,一种流体走管内,另一种流体走环隙,两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大.另外,在套管换热器中,两种流体可为纯逆流,对数平均推动力较大。套管换热器结构简单,能承受高压,应用亦方便(可根据需要增减管段数目). 特别是由于套管换热器同时具备传热系数大,传热推动力大及能够承受高压强的优点,在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。 （4）板式换热器 最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。主体结构由换热板片以及板间的胶条组成。长期在市场占据主导地位，但是其体积大，换热效率低，更换胶条价格

9、昂贵（胶条的更换费用大约占整个过程的1/3-1/2）.主要应用于液体-液体之间的换热，行业内常称为水水换热，其换热效率在5000w/m。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种,前者应用更为广泛.。（5）管壳式换热器 管壳式(又称列管式) 换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束或者螺旋(luxun)管，,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；

10、一种在管外流动,其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。管子的型号不一，过程一般为直径16mm 20mm或者25mm三个型号，管壁厚度一般为1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。进口换热器，直径最低可以到8mm，壁厚仅为0.6mm。大大提高了换热效率，今年来也在国内市场逐渐推广开来。管壳式换热器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率。内部壳层和管层的不对称设计，最大可以达到4.6倍。这种不对称设计，决定其在汽-水换热领域的广泛应用。最大换热效率可以达到14000w/m，大大提高生产(shngchn)效率，节约成本。 （6）双管板换热器 称P型换热器，是在管壳式换热器的两头各

11、加一个管板，可以有效防止泄漏造成的污染。现在国产品牌较少，价格昂贵，一般(ybn)在10万元以上，进口可以到几十万。符合新版GMP规定，虽价格昂贵，但决定其市场广阔。1.2.3管壳式换热器的类型及特点管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。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。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，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。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑

12、，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列 ，则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。 流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。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。多管程与多壳程可配合应用。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。如果两温度相差很大，换热器内将产生很大热应力，导致(dozh)管子弯曲、断裂，或从管板上拉

13、脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取(ciq)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，管壳式换热器可分为以下几种主要类型： （1）固定管板式(bnsh)换热器 管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时，可在壳体上安装有弹性的补偿圈，以减小热应力。 （2）浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动，完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广，但结构比较复杂，造价较高。 (3) U型管换热器 每根换热管皆弯成U形，两端分别固定在同一管板上下

14、两区，借助于管箱内的隔板分成进出口两室。第2章 换热器的工艺设计计算2.1原始数据2.1.1工艺条件物 料温度（进口/出口）操作压力(MPa)流量 (Kg/hr)贫油164.4/88.50.188827.6富油62/1400.1 2.1.2物料组成 贫油:组分洗油粗苯%99.8770.123 富油：组分洗油粗苯%98.311.69 2.1.3流体(lit)流径的选择 由于被冷却得流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果，且两流体流量(liling)相差不大，所以考虑，应使热贫油走壳程，富油走管程。 2.2介质物性(w xn)数据 定性温度：可取流体进出口温度的平均值 故壳程热贫油的定性温度为 管程

15、富油的定性温度为 根据定性温度，分别查取有关物性数据 由制冷水和贫油的定性温度确定其各组分的黏度： 贫油：组分洗油（Pas）粗苯（Pas）126.450.000650.00025 富油：组分洗油（Pas）粗苯（Pas）1010.000680.00029 比热容的计算(j sun)： 贫油(pnyu)组分洗油（KJ/（Kg）粗苯KJ/（Kg）126.451.7411.733=1.7410.99877+1.7330.00123=1.74KJ/（Kg）富油组分洗油（KJ/（Kg）粗苯KJ/（Kg）1011.6821.725 =1.6820.9831+1.7250.0169=1.68KJ/（Kg）热导

16、率的计算(j sun) 贫油组分洗油（W/()）粗苯（W/(）126.450.1410.1204=0.1410.99877+0.12040.00123=0.14W/()富油组分洗油W/()粗苯W/()1010.1450.126 =0.1450.9831+0.1260.0169=0.145W/(m)密度的计算 贫油组分洗油Kg/粗苯Kg/511055760 =10550.998777600.00123=1054.63Kg/m 富油组分洗油Kg/粗苯Kg/1011055810 =10550.98318100.0169=1050.86Kg/2.3估算( sun)传热面积2.3.1热流量（忽略(hl)

17、热损失）贫油(pnyu)温度 164.488.5 =75.9Q=T=88827.61.7475.9=1.173kJ/h 2.3.2富油用量（忽略热损失）富油温度 62140 =78=89487.2/h2.3.3平均传热温度 =-=77.8 2.3.4传热面积 根据流体情况 取K=260kJ/()A=579.89 取安全系数(nqun xsh)1.04，则A=6002.4工艺(gngy)结构尺寸2.4.1换热管的选取(xunq)选用碳钢。目前我国换热器标准中仅为和两种规格的管子。 本次设计选用 d=25 d=20换热管总长=7387在标准管长系列中选取9。 换热管根数=820.78821管子按正

18、三角排列时，横过管束中心线的管数n=1.1=1.1=31.522.4.2壳体内径的确定 管中心距，。管子与管板连接采用焊接时=1.25。 t=1.2525=31.25 按标准取为32。 =32（321）225=1042，按壳体标准系列取11002.5折流板形式的选择安装折流板的目的是为了增大壳程流体的流速，使湍流程度加剧，以提高壳程对流传热系数。最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10%40%，一般取20%25 %，过高或过低都不利于传热。本次设计取=0.21100=220 两相邻挡板的距离为壳体内径的（0.21）倍。系列标准中采用的值为：固定管板式的有150，300和600三种

19、，单位mm。本次设计取0.75D=0.541100=600，可取B=600 折流板数=1=14（块），实际(shj)机械设计时为14块。2.6核算(h sun)总传热系数2.6.1管程对流(duli)传热系数管程流速=0.092/s =7.76 =0.023 当液体被加热时当=0.4；当液体被冷却时=0.3；当其体被加热或冷却时=0.4。 =0.023(2.88610)(7.76)=221.95W/2.6.2壳程对流传热系数壳程当量直径d=20.19 流体通过管间最大截面积A=0.61.1（1）=0.144375流体管间流速v=0.162/s=5306.87=10=8.079 当液体(yt)被

20、加热时=1.05；当液体(yt)被冷却时=0.95；对于气体(qt)不论加热还是冷却，可忽略此项不计，取=1.0。 本次设计壳程水被加热故取=0.95,则=532.269W/2.6.4污垢热阻(） 查表,对管程富油 =0.00176 对壳程热贫油=0.00176 2.6.5管壁温度的估算 管外流体平均温度,管内流体平均温度,管壁平均温度,t=126.45 t=101 已知各参数代入式中求得，=117查表，利用插值法，管子材料为不锈钢，求得管壁导热系数为=45W/()。 2.6.6总传热系数的计算 0.0032=310,在在1.151.25的范围内,则初选(ch xun)合理。 2.7核算(h

21、sun)压力降2.7.1管程压力降 ,分别为直管和弯管(wn un)中因摩擦阻力引起的压强降,结垢校正系数,无因次,对的管子取为1.5壳程数管程数 的求取= =0.0056+ 上式适用范围为 =33。 则 =0.005708= = =16.93Pa的求取=0=（2313.11989+0）1.511=3469.679835壳程压力降=（+）流体横过(hn u)管束的压力降，流体通过(tnggu)折流缺口的压力降，壳程压强降的结垢校正系数，无量纲，液体(yt)可取1.15壳程数 管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列=0.5壳程流体的摩擦系数，当500时，横过管束中心线的管子数折流挡板数折

22、流板间距，按壳程流通面积计算的流速，=（-） n=1.1=1.1=29.10，则n=30=（-）=0.6（0.8-300.019）=0.138=0.173/s=1.5610=5.0（1.5610）=0.935=0.50.93530（9+1）=2161.73Pa =9（3.5-）=277.44Pa=（+）=（2161.73+277.44）1.151=2805.0455Pa2.8壁温计算(j sun)2.8.1管程壁温t 冷流体(lit)侧的壁温 =101-310（+8,59810）77.8=76.79热流体(lit)侧的壁温 =126.45-310（）77.8 =102.03管壁温度 =（76.

23、79+102.03）=89.412.8.2壳体壁温 当壳体温度接近环境温度时或传热条件使得圆筒壁温接近介质温度时，壳体壁温取壳程流体的平均温度。故取=126.45第3章 换热器的机械设计机械设计包括结构设计和强度(qingd)计算两部分。3.1结构设计3.1.1设计(shj)条件(1)设计(shj)压力 设计压力根据最高工作压力确定。设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.051.10倍。本设计取1.1倍。 本设计的换热器管程、壳程工作(gngzu)压力为常压，为0.1MPa则设计(shj)压力壳程的设计压力，为P=1.10.1=0.11MPa,液柱静压力(yl)=1054.639.81.1

24、0.95Pa=10800.466Pa5，不可忽略静压力，则计算压力+0.0108=0.1208MPa，取高于其一个等级的公称等级0.25MPa。管程设计压力P=1.10.1=0.11MPa,忽略液柱压力，则取高于其一个等级的公称等级0.25MPa。(2)设计温度 设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。 管程设计温度的确定 ，由于管程富油的最高温度为140，则取设计温度为150 壳程设计温度的确定， 由于壳程贫油的最高温度为164.4，则取设计温度为170.。3.1.2筒体壁厚(1)筒体选材 由于筒体设计温度为170,设计压力为

25、0.2MPa。参考GB150-1998，故选Q245。(2)筒体壁厚的计算 式中 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数。 =0.84有表可知=6，故令=6。腐蚀裕量=2设计厚度=6+2=8对于Q235,设钢板负偏差为0.，则名义厚度=8。GB6654压力容器用钢板(gngbn)和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25，因此使用该标准中钢板厚度(hud)超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取(kq)=0 。 则钢板的有效厚度为=6mm。(3)筒体的强度校核 =10.1MPa 式中 有效厚度， =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下

26、圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量， 。 =1311.0=131MPa 故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为 =2.59MPa3.1.3 管箱设计(1)管箱选材 管程设计压力为0.11MPa,设计温度为150。参考GB150-1998，故选Q245。(2)管箱厚度计算 0.46有表可知=6，故令=6。腐蚀裕量=2设计厚度=6+2=8对于Q235,设钢板负偏差为0.，则名义(mngy)厚度=8。GB6654压力容器用钢板(gngbn)和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25，因此使用(shyng)该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16M

27、nR和16MnDR)等，可取=0 。 则钢板的有效厚度为=6mm。(3)管箱选择本次设计选择B型管箱，其结构型式见管箱零件图。(4)管箱的强度校核 =10.08MPa 式中 有效厚度， =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量， 。 =1311.0=131MPa 故校核其满足强度要求。因此，圆筒的最大工作压力为 =1.42MPa3.1.4管箱法兰(1)材料选择管程设计压力为0.11MPa，设计温度为150,参考GB150-1998，故选20(2)法兰尺寸 法兰材料及其质量列表如下： 表3.1 法兰尺寸 公称直径DN，法兰，螺柱D规格数量11001230119

28、01155114111386523M2032 表3.2 法兰质量(zhling)公称直径DN，法兰质量，kg平面凸面凹面榫面槽面PN=0.25MPa110071.574.772.7 (3)法兰型式(xn sh) 根据公称压力等级以及介质(jizh)性质选择法兰型式为甲型平焊法兰凹面型。 3.1.5管箱法兰垫片选择非金属垫片：垫片600-2.50，石棉橡胶板GB/T3985。 垫片结构图见装配图。 表3.3管箱法兰垫片 JB/T4704-2000公称压力， 0.25公称直径， Dd 1100114011003 3.1.6 管箱法兰螺柱螺 对于0.25的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。JB

29、/T4707-2000 本次选用等长双头螺柱。 图3.1 管箱法兰螺柱结构(jigu) 表3.4 管箱法兰螺柱尺寸(ch cun) d162024273036,405060657080,22.53445,56666,162024273036,极限偏差单件质量, 公称尺寸1000.1330.2081100.1470.2291200.1600.2501300.1730.2700.3901400.1870.2910.4201500.2000.3120.4501600.2130.3330.4801700.2270.3450.5101800.2400.3740.5400.6950.8531900.253

30、0.3950.5700.7330.9012000.4160.6000.7720.9483000.6250.9001.1601.4223.1.5封头的设计(shj) 由于管程设计压力(yl)为0.11MPa，温度为150，故封头材料(cilio)选为Q245。(1)封头的壁厚计算 式中 计算厚度, ; 计算压力, ; 焊接接头(ji tu)系数。 =0.0.462 有表可知(k zh)=6，故令=6。腐蚀(fsh)裕量=2设计厚度=6+2=8对于Q245,设钢板负偏差为0.，则名义厚度=8。GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低合金钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.

31、25，因此使用该标准中钢板厚度超过5时(如20R,16MnR和16MnDR)等，可取=0 。则钢板的有效厚度为=6。(3)封头尺寸根据JB/T4746-2002，选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下： 表3.5封头尺寸公称直径DN,mm总深度H,mm内表面积A,容积V,11003001.39800.1908公称直径DN,mm封头名义厚度,mm456810121416110053.764.686.5108.6130.9153.3176.0 (4)封头的强度(qingd)校核对于(duy)标准椭圆形封头，椭圆形封头的最大工作(gngzu)压力为 =1.43MPa3.1.6液

32、压压力试验除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力安全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。常温时，水的压缩系数比液体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。本次设备压力试验采用水压试验。（1）水压试验对于内压容器 在小于200，150时的应力是131,148MPa.=1.250.111.13=0.155MPa（2）应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态,在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力=14.285MPa液压试验时应满足0.9=0.9245=220.5MPa3.1.6拉杆的设计(1)拉杆的选材拉杆和定距管的材料为10(2)

33、拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选取 表3.6 拉杆尺寸公称直径拉杆直径400400700700900900-13001300-15001500-18001800-200010461012161824124481012141816446681012 表3.7 拉杆(lgn)直径换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616(3)拉杆(lgn)的布置应尽量布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处也应当布置适当(shdng)数量的拉杆本次设计用10根拉杆。3.1.7管板设计(1)材料选择 选择管板材料为20R热轧(2)管板结构本设备选用

34、管板兼作法兰 管板一般有管板兼作法兰和管板不兼作法兰两种形式，实践表明管板兼作法兰易于对管口进行检查、整修，而且清洗管子也较方便，如无特殊要求，一般基于采用管板兼作法兰形式较多。表3.8管板尺寸 公称压力螺柱规格数量0.60.6110012301190115510971138110016.523M20484252 图3.3 管板结构(3)中心(zhngxn)距的选取 本次设计采用正三角形排列(pili)，换热管尺寸为252.5，因此(ync)去换热器的中心距为32。(4)布管限定圆 对固定管板式换热器，布管限定圆的直径为圆筒内径，固定管板式换热器管束最外表面至内表面的最短距离，一般不小于8，为

35、换热管外径。本次设计取=10，则=1080。表3.9 I级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表换热管外径或无支撑跨或且管孔直径允许偏差 +0.30 0 = 1 * ROMAN I (5)拉杆(lgn)孔的设计 拉杆(lgn)孔的直径=16+1=17 拉杆与管板采用螺纹连接(linji)。螺纹深度,为拉杆螺纹孔公称直径, 1.5d=1.516=24(6)实际布管 实际布管数905根，其中换热管895根，拉杆10根。布管图如下：图3.4 实际布管图3.1.8换热管设计在标准中选取换热管为252.5，材料为20，长度为9000。换热管采用25x2.5mm的无缝钢管。表3.10无缝钢管尺寸外径mm壁

36、厚mm内径横截面积mm根数壁厚偏差mm长度mm管间距mm上下252.53.141682112%-10%900032 换热管的与管板的连接采用强度(qingd)焊，其尺寸如下：mm表3.11换热管与管板的连接(linji)尺寸换热管规格换热管最小伸出长度 最小坡口深度 252.51.52.523.1.9 接管(jigun)设计(1)流体流速的选择 流体为液体，管子为直管的换热器流速选用范围为管程1.02.0/s，壳程0.21.5/s在这里，我们选管程=1.5/s，壳程 =1.0/s(2) 接管直径计算及选取 管程流体进出口接管：取接管内流体的速度v=1.5/s，则接管内径 =0.14， 取标准管

37、径为150mm 壳程流体进出口接管：取接管内流体的流速v=1.0/s，则壳程接管内径 =0.17 取标准管径为200mm 接管材料选用16MnR标准接管的尺寸数据：表3.12 标准接管的尺寸公称直径外径壁厚内孔截面积（cm2）长度200管重量（kg）1501594.5176.723.432002196336.546.30 3.1.10排液管的设计(shj)在试压或检修时，为了使卧式换热器的残液或残气排尽，需要在换热器壳程的最高和最低部位(bwi)设置排气、排液管，这里为了制造方便，我们选取相同尺寸的排气、排液管，并为了保证开孔补强，我们选用无缝钢管，材料为20钢，接管形式如图 图3.5接管(j

38、igun)结构3.1.11接管法兰和垫片的设计(1)法兰材料选择与接管材料一致(2)法兰结构和尺寸根据相应的操作温度和最大操作压力的限制，法兰公称压力等级为P=1.0MPa。压紧面选择，由于本设备是低压容器，密封压紧面选用凹凸面较好,本设计采用凸面对焊法兰。法兰形式如图所示： 图3.6接管(jigun)法兰的结构表3.13 接管(jigun)法兰尺寸：公称直径DN法兰焊端 外径（钢管外径） A连接尺寸密封面法兰厚度 C法兰高度H法兰外径 D螺栓孔中心圆直径 K螺栓孔径螺栓df数量n螺纹规格系列I系列II150168.3159265225188M1619922048200219.12193202

39、80188M1625422255(3)法兰垫片(din pin)选择： 壳程接管法兰用垫片均为非金属平垫片石棉橡胶板XB35（HG20606-97）。3.1.12接管外伸长度(1)各接管尺寸设计其确定法参考如下：表3.14 接管外伸长度L, 公称直径DN ，050150200200200(2)管程接管(jigun)位置的确定由于选择B型管箱，管程接管(jigun)在无补强圈时位置:=194.5(3)壳程接管(jigun)位置的确定 无补强圈时L1 接管外径，管板厚度，接管外缘到容器法兰与筒体连接焊缝的距离，且，不小于30，为壳体壁厚，通过校核本次设计中接管无需补强。故L1=207.53.1.1

40、3防冲挡板的设计由于管程流体流速小于3m/s，所以不许设计防冲挡板。3.1.14折流板的设计(1)折流板的选材选择16MnR(2)折流板的设计折流板的型式及其他参数工艺计算已给出 折流板的布置一般应使靠近管板的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管，其余按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离如图，其尺寸为： 图3.7折流板位置(wi zhi)折流板厚度(hud)根如表：表3.15 折流板厚度(hud)壳体直径/mm4004008009001200折流板厚度/mm6810 其厚度最小尺寸为6，本次选取10。 折流板直径-4.5=1100-4.5=1095.5。3.1.15焊接结构设计(1)焊接结

41、构焊接结构按相应标准或贱装配图及零件图。(2)焊接材料的选择考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器采用电弧焊时所用焊条使用型号如下表：表3.16 焊条使用型号接头母材焊条型号焊条牌号20+20E4303(GB/T5117)J42220+20RE4315(GB/T5117)J42720R+20RE4315(GB/T5117)J427 当采用埋弧焊焊时所焊丝焊剂型号如下表：接头母材焊丝型号焊剂牌号20+20H08A （GB/T14957）HJ43120+20RH08A （GB/T14957）HJ43120R+20RH08A （GB/T14957）HJ4313.1.16各零部件

42、质量(zhling)估算(1)壳程筒体质量(zhling)的估算 壳体长度(chngd)的计算 9000-252-21.5-23=8893 壳体质量的计算 =7.85103.148.8930.011=1316.11Kg(2)封头的质量 =264.6=129.2Kg(3)换热管质量的计算 其相关参数如下表：换热管外径，壁厚，换热管单位长度质量，252.5碳钢，低合金钢高合金钢0.8380.855换热管长为9m，材料为20则质量为m=0.8389=7.542Kg表3.17 换热管的质量m=8217.542=6191.98Kg (4)接管质量计算m=3.432+6.302=19.46Kg (5)接管

43、法兰质量计算 m=4.372+7.292=23.32Kg (6)管箱法兰计算 m=74.72=149.4Kg (7)管板质量的估算 左管板质量：右管板质量(zhling)：换热管孔直径(zhjng)，；换热管数；拉杆(lgn)孔直径，；拉杆孔深，；拉杆数目；材料密度，代入已知数据求得： 左右管板质量Q=（1230-2348）42+11386+11004+02752821172410107.8510=270.48Kg(8)折流板的质量估算m=（1095.51325.258821）107.8510=52.75Kg(9)支座的设计1.支座选型按照JB/T471247252007 容器支座进行设计，选

44、择重型焊制B型支座，其相关参数如下表3.18 型式特征型式包角垫板筋板数适用公称直径DN mm轻型焊制A120有41000-200062100-4000重型焊制B1120有1159-4502500-90041000-200062100-4000B2150有41000-200062100-4000结构图如下(rxi)： 图3.8支座(zh zu)结构图 表3.19 支座(zh zu)相关数据公称直径DN允许载荷Q KN鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距鞍座质量Kg弧长11003102008201701281851402008129035087066069 2.支座材料 鞍式支座材料为Q235A，

45、垫板材料与筒体一致为Q245。 3.支座的位置的确定管束长度L3000,L=(0.50.7)L,本次取L=0.6L, LL参考(cnko)标准，查的L=5400，L=L=1800。由于壳程接管(jigun)外伸长度为200，因此加高支座(zh zu)高度道300。4.支座质量 m=69+9=78Kg。(10)本次设计所用螺母参数 本次设计中所用型六角螺母的结构参数与尺寸规格 GB/T6170-2000(11)设备水压试验时充水质量 水压试验时取常温20,此时水的密度为998.2Kg/。 封头充水质量m=998.20.19082=380.91Kg， 筒体充水质量m=998.2=998.21.18

46、.899=8437.50Kg 充水总重m=8818.41Kg(12)设备总重估算 设备总重包括封头、筒体、容器法兰及其螺柱、管板、换热管、折流板、接管及其法兰各零部件重量设备总重M=m+m+m+m+m+m+m+m+m=1316.11+129.2+6191.98+19.46+23.32+149.4+270.48+270.91+52.75+78=8501.53kg(13)设备(shbi)充水质量估算M=M+m=8501.53+8818.41=17319.94kg第四章 强度(qingd)校核4.1固定管板换热器设计(shj)计算固定管板换热器设计计算 计算单位压力容器专用计算软件 ? 设 计 计

47、算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.25MPa设计压力 0.25MPa设计温度 170设计温度 150壳程圆筒内径 1100 mm管箱圆筒内径1100mm材料名称Q245R材料名称Q245R 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4.2前端管箱筒体计算(j sun)前端管箱筒体计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.25MPa设计温度 t 150.00 C内径 Di 1100.00mm材料 Q245R ( 板材 )试验温度

48、许用应力 148.00MPa设计温度许用应力 t 140.00MPa试验温度下屈服点 s 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 1.00厚度及重量计算计算厚度 = = 0.98mm有效厚度 e =n - C1- C2= 8.70mm名义厚度 n = 11.00mm重量 331.52Kg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 = 0.1550 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 TT 0.90 s = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 T = = 9.88 MPa校核条件 T T校核结果 合格

49、压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.19717MPa设计温度下计算应力 t = = 15.93MPat 140.00MPa校核条件t t结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00mm,合格4.3前端管箱封头计算(j sun)前端管箱封头计算计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.25MPa设计温度 t 150.00 C内径 Di 1100.00mm曲面高度 hi 275.00mm材料 Q245R (板材)设计温度许用应力 t 140.00MPa试验温度许用应力 148.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2

50、2.00mm焊接接头系数 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 = = 0.98mm有效厚度 e =n - C1- C2= 3.70mm最小厚度 min = 3.00mm名义厚度 n = 6.00mm结论 满足最小厚度要求重量 64.59 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.94024MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.25MPa设计温度 t 150.00 C内径 Di 1100.00mm材料 Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 148.00MPa设计温度许用应力 t 140.0

51、0MPa试验温度下屈服点 s 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 1.00厚度及重量计算计算厚度 = = 0.98mm有效厚度 e =n - C1- C2= 8.70mm名义厚度 n = 11.00mm重量 331.52Kg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 = 0.1550 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 TT 0.90 s = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 T = = 9.88 MPa校核条件 T T校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.19717M

52、Pa设计温度下计算应力 t = = 15.93MPat 140.00MPa校核条件t t结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00mm,合格4.4后端管箱筒体计算(j sun)4.5后端管箱封头计算(j sun)后端管箱封头计算计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.25MPa设计温度 t 150.00 C内径 Di 1100.00mm曲面高度 hi 275.00mm材料 Q245R (板材)设计温度许用应力 t 140.00MPa试验温度许用应力 148.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数

53、 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 = = 0.98mm有效厚度 e =n - C1- C2= 3.70mm最小厚度 min = 3.00mm名义厚度 n = 6.00mm结论 满足最小厚度要求重量 64.59 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 0.94024MPa结论 合格壳程圆筒计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.26MPa设计温度 t 170.00 C内径 Di 1100.00mm材料 Q245R ( 板材 )试验温度许用应力 148.00MPa设计温度许用应力 t 136.40MPa试验温度下屈服点 s

54、 245.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 1.00厚度及重量计算计算厚度 = = 1.05mm有效厚度 e =n - C1- C2= 8.70mm名义厚度 n = 11.00mm重量 2681.98Kg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 = 0.1550 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 TT 0.90 s = 220.50MPa试验压力下圆筒的应力 T = = 9.88 MPa校核条件 T T校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.14067MPa设计温度下计算应力 t

55、 = = 16.62MPat 136.40MPa校核条件t t结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度11.00mm,合格4.6壳程圆筒计算(j sun)开孔补强计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 接 管: , 2006计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.25MPa设计温度150壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q245R板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径 Di1100mm壳体开孔处名义厚度n11mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t140MPa 接管实际外伸长

56、度200mm接管实际内伸长度0mm接管材料16Mn(热轧)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm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 C1t 0.75mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t181MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 0.983mm接管计算厚度t0.13 mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr1开孔直径 d193.5mm补强区有效宽度 B387 mm接管有效外伸长度 h134.07mm接管有效内伸长度 h20 mm开孔削弱所需的补强面积A 190.2mm

57、2壳体多余金属面积 A11493 mm2接管多余金属面积 A2212.6mm2补强区内的焊缝面积 A336 mm2A1+A2+A3=1742 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。4.7开孔补强计算(j sun)开孔补强计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 接 管: , 1504.5计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.25MPa设计温度150壳体型式椭圆形封头壳体材料名称及类型Q245R板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径 Di1100

58、mm壳体开孔处名义厚度n6mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t140MPa椭圆形封头长短轴之比 2接管实际外伸长度200mm接管实际内伸长度0mm接管材料16Mn(热轧)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm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 C1t 0.562mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t181MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 0.884mm接管计算厚度t0.097 mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数 fr1开孔直

59、径 d146.1mm补强区有效宽度 B292.2 mm接管有效外伸长度 h125.64mm接管有效内伸长度 h20 mm开孔削弱所需的补强面积A 129.2mm2壳体多余金属面积 A1411.4 mm2接管多余金属面积 A294.37mm2补强区内的焊缝面积 A320.25 mm2A1+A2+A3=526.1 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。开孔补强计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 接 管: , 2006计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压

60、力 pc0.261MPa设计温度150壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q245R板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径 Di1100mm壳体开孔处名义厚度n11mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t140MPa 接管实际外伸长度200mm接管实际内伸长度0mm接管材料16Mn(热轧)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm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 C1t 0.75mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t181MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算壳体计算