1500t-d合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计毕业设计

太原理工大学毕业设计〔论文〕任务书毕业设计〔论文〕题目：1500t/d合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计毕业设计〔论文〕要求及原始数据〔资料〕：1设计要求毕业设计的主要目的是培养和训练学生综合运用所学知识独立进行过程设备设计、控制方案制定及和制造中技术问题处理的能力。毕业设计环节要求学生完成以下任务：⑴了解合成氨生产工艺，掌握粗煤气变换工段的工艺流程及控制方法。⑵使用国家最新压力容器和换热器设计标准、标准进行设计。掌握最新化工容器及设计的全过程。⑶查阅翻译综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。⑷设计计算以手算、电算相结合，要求设计思路新颖、计算数据准确、可靠、且正确掌握计算机操作和专业软件使用。⑸采用CAD绘制所设计的工程图纸。⑹毕业设计全部工作由设计者独立完成。2设计数据物料温度〔进口/出口〕℃操作压力(MPa)流量(kg/h)变换煤气438.7/319.32.87210943.8粗煤气200.0/325.02.97228564第1页毕业设计〔论文〕主要内容：具体内容包括：1合成氨生产工艺、粗煤气变换工段工艺流程及控制方法设计；2评述所设计的换热器在生产中的地位、作用及设备选型〔附工艺流程图〕；3单体设备工艺计算及初选设备轮廓尺寸〔如：管径、管长、管子数、管壳程数、壳径等〕；4设备结构设计；5设备强度计算；6编制制造、检验、安装、运输等技术条件；7绘制设备总装配图及零件图；8编制设计说明书。第2页学生应交出的设计文件〔论文〕：1设计说明书一份。2合成氨生产工艺方块流程图一张(A1)、粗煤气变换别离工段工艺物料流程图一张(A1)、设备总装配图和零部件图不少于四张〔折合A1图纸〕3相关题目中文文献综述一篇，译文一篇。第3页主要参考文献〔资料〕：1天津大学化工原理教研室，?化工原理?上册，天津科技出版社，1992年2国家技术监督局，?钢制管壳式换热器?〔GB151-99〕，1999年3国家医药管理局上海医药设计院，?化工工艺设计手册?〔上、下册〕，化学工业出版社，19874国家压力容器标准化委员会，?压力容器?〔GB150-2021〕，20215燕山石化总公司设计院化工设计院，?钢制列管式固定管板换热器结构设计手册?，化工部设备设计技术中心站，19856化工部第六设计院，?化工设备图样技术要求?〔上、下册〕，化工部设备设计技术中心站，20007石油化学工业部化工设计院，?小氮肥厂工艺设计手册?，石油化学工业出版社，19798化学工业部设备技术中心站，全国压容器标准化技术委员会，?化工设备标准手册?〔共4册〕19979?过程装备成套设计?，化学工业出版社，200210?过程装备成套技术课程设计指南?，化学工业出版社，2002年工业出版社，200211国家压力容器标准化委员会，?钢制焊接压力容器及标准释义?〔JB/T4735–1997〕12国家压力容器标准化委员会，?压力容器用锻件、压力容器用镍铜合金?〔JB4726～4728、JB4741～4743-2000〕13国家压力容器标准化委员会，?钢制管法兰、垫片、紧固件?〔HG20592～20635-2021〕14国家压力容器标准化委员会，?钢制压力容器焊接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、钢制压力容器产品焊接试板的力学性能测试?〔JB4708、JB/T4709、JB4744-2000〕15国家压力容器标准化委员会，?压力容器法兰?〔GB4700～4707-2000〕16国家压力容器标准化委员会，?压力容器波形膨胀节及标准释义?〔GB16749-1997〕17国家压力容器标准化委员会，?容器支座?〔JB/T4712、4713、4724、4725-92〕18国家压力容器标准化委员会，?换热器根本参数?〔JB/T4714～4720、JB4721、JB/T4722～4723-92〕19国家压力容器标准化委员会，?补强圈、钢制压力容器用封头?〔JB/T4736、4746-2002〕20国家压力容器标准化委员会，?固定式压力容器平安技术监察规程?，2021专业班级过程装备与控制工程学生宫金良要求设计〔论文〕工作起止日期指导教师签字日期教研室主任审查签字日期系主任批准签字日期第4页1500t/d合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计摘要本次设计在平安前提下，以经济实用为原那么，从原始数据开始经工艺计算、机械设计和强度校核三步详尽地阐述了本台换热器的设计过程。

此设计过程有五个局部：绪论，工艺计算，机械设计，强度校核和技术条件的编制。

在绪论中主要表达了合成氨生产生产中的变换工段在本次这个天脊集团合成氨装置增产节能改造工程中的作用及简单介绍。控制方案的设计主要是通过对整体设备的综合分析，确定设备的控制方案，到达自动控制目的；工艺计算主要是通过对热量负荷的计算得到换热器的传热面积、初步确定换热器的根本尺寸，为下一步提供依据；机械设计主要任务是在设计条件下，从主体到部件，进行材料和零部件的设计入手，设计合理的结构；强度校核是在满足工艺条件的要求下，对所设计的设备进行强度校核，以便生产可以顺利的进行。关键词：

换热器，工艺计算，机械设计ADesignof1500t/dofcrudeammoniaprocessgasshiftconversionsectionthirdheatexchangerAbstractThepremiseofthedesigninasafe,economicalandpracticalprincipletobegintheprocesscalculatedfromtherawdatabythemechanicaldesignandstrengthcheck-stepdetailedexpositionofthisstationheatexchangerdesignprocess.Thisdesignprocesshasfiveparts:thepreparationoftheintroduction,processcalculations,mechanicaldesign,strengthcheckandtechnicalconditions.DescribedintheintroductionthemainroleintheproductionofammoniaproductioninthesecondsectionofthistransformationTianjiGroupammoniaunitincreaseinenergy-savingprojectsandbrief.Controlschemedesignedprimarilythroughacomprehensiveanalysisofthewholedevicetodeterminedevicecontrolsolutions,toachieveautomaticcontrolpurposes;processcalculationismainlythroughthecalculationoftheheatloadtogettheheatexchangerheattransferareaoftheheatexchangerinitiallyidentifiedthebasicdimensionsprovidethebasisforthenextstep;mechanicaldesignofthemaintasksisunderdesignconditions,fromthebodytotheparts,andmaterialsandcomponentsdesignedtostart,well-designedstructures;strengthcheckistomeettherequirementsunderprocessconditions,equipmentdesignedforthestrengthcheck,inordertoproduceasmoothconduct.Keywords:HeatExchanger;Processcalculation;MechanicalDesign目录TOC\o"1-3"\h\u2571.绪论 10246201.1变换工段的说明 10219882工艺设计 12249672.1确定设计方案 12176432.1.2管程安排 12250312.2确物性数据 12267022.3估算传热面积 12263252.3.1热流量〔忽略热损失〕 12308752.3.2粗煤气用量〔忽略热损失〕 1341432.3.3平均传热温差 13173902.4工艺结构尺寸 13219312.4.1管径和管内流速 1310752.4.2管程数和传热管数 13197892.4.3平均传热温差校正及壳程数 13133362.4.4传热管排列和分程方法 14145572.4.5壳体直径 14165942.4.6折流板 14248612.5换热器核算 1599662.5.1传热面积校核 15132692.5.2换热器内内压降核算 17150403.机械结构设计 197803.1设计压力 1984963.2设计温度 20304953.3管壁温度 20255803.3.1符号 2047723.3.2管程壁温 2093013.3.3壳程壁温 20241083.4筒体壁厚 21190973.4.1筒体选材 21172583.4.2筒体壁厚计算 21150663.5管箱厚度 2267353.5.1管箱选材 22103243.5.2筒体壁厚计算 22163913.6管箱法兰 2378983.6.1材料选择 2338523.6.2法兰尺寸 23238493.6.3法兰型式 2422153.6.4法兰垫片 24119993.6.5法兰螺柱螺母 25172983.7封头的设计 26110303.7.1封头选材 2642553.7.2封头壁厚计算 2694643.7.3封头尺寸 2734623.8液压实验 27178563.9拉杆设计 28244023.9.1拉杆选材 28174193.9.2拉杆参数 28227863.9.3拉杆的布置 2826613.10管板设计 29144213.10.1材料的选择 29285253.10.2管板结构 29127663.10.3管板布管 29297143.10.4管孔设计 2937933.10.5拉杆孔设计 30247523.10.6管板尺寸 30292303.11实际布管 3182143.12换热管设计 31184733.13接管设计 32286043.13.1管程接管设计 32148593.13.2壳程接管设计 32303903.13.3排气管与降液管设计 3345733.13.4各接管法兰和垫片的设计 3384813.14保温层的设计 3552713.15各接管尺寸设计 35194903.15.1接管的外伸长度 35202133.15.2壳程接管位置 35283323.15.3管程接管位置 36282193.16防冲挡板 3734963.16.1管程 37243243.16.2壳程 37323133.17折流板与支持板 38164353.17.1材料 38202643.17.2折流板设计 38185723.17.3折流板和支持板管孔 39150473.17.4折流板布置 3954533.17.5折流板重量计算 40196563.18管箱设计 412933.18.1管箱结构形式 429783.18.2管箱长度 43194373.19吊耳与顶丝 43135443.19.1左管箱质量 43248293.19.2右管箱质量 43263333.19.3吊耳 44146773.20支座设计 44200573.20.1支座所承受的载荷 44327593.20.2支座尺寸 4559663.20.3支座材料 4646433.20.4支座安装尺寸 46202194.焊缝设计 475935强度校核 5162706技术条件编制 81153876.1技术条件说明 81300826.1.1钢材 8162756.1.2冷热加工成型 81199856.1.3焊接条件 82279436.1.4热处理 82159576.1.5无损探伤 82139306.2装配图的技术条件 82262436.3零件图的技术条件 82152606.3.1管箱部件图的技术条件编制 82165926.3.2管板零件图技术条件 83178296.3.3折流板技术条件 8321508结束语 84959参考文献 854024致谢 861.绪论1.1变换工段的说明在合成氨工艺生产过程中，变换工艺是一个重要的净化工序，通过变换工序，不尽能制取氢气为合成氨提供原料，而且还减少了CO对氨合成催化剂的毒害。这张工艺物料流程图就是天脊集团合成氨装置增产节能改造工程，针对粗煤气中的CO含量高、水碳比低的特点，对CO变换工艺进行设计与优化。天脊煤化工集团有限责任公司是我过于20世纪80年代初从国外成套引进技术和设备而兴建的，以煤为原料生产生产硝酸磷复合肥的大型煤化工基地。其年产30万吨合成氨装置采用MARK-ⅠV型鲁奇加压气化炉气化制成的粗煤气，在一氧化碳变换工序中经过两段钴钼系耐硫催化剂床层进一步提高H2含量，冷却后的变换气进入低温甲醇洗工序除去变换气中的CO2、H2S，除去CO2、H2S的合成气再进入液氮洗工序，脱除CO的同时将N2和H2配比成适当的比例经过合成气压缩机提压后送入托普索100型合成塔进行氨合成。一氧化碳和水蒸气在催化剂作用下反响生成二氧化碳和氢气。其反响方程式：CO+H2O=CO2+H2+410894kJ/kmol称做水煤气变换反响，简称变换反响。变换反响为放热等分子可逆反响。因此降低反响温度和增加蒸汽用量都可降低变换气中CO的平衡浓度，假设温度高，蒸汽量少，将不利于变换反响甚至还可能发生逆变换反响过程。在要求变换气中CO浓度一定的条件下，降低反响温度是降低蒸汽用量的必要手段。在不能降低温度条件下，片面追求降低CO浓度，将会造成极大的蒸汽浪费。从300#工段出来的粗煤气的主要成分是CO2，H2，CO，CH4，H2S，N2，O2及碳化物等。除N2、H2外，其他物质的存在都对合成氨的催化剂有毒害作用，和影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损害等，需要进行脱除，只至百分之几的数量级为止。本次节能改造时先把来自200#的粗煤气用液氮洗涤，在深度冷冻〔-100℃〕下用液氮吸收少量CO，而且还能脱除甲烷和大局部氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气体。粗煤气经过煤气水别离器别离气体，再经过变换热交换器利用高温变换煤气与进入换热器的相对低温的粗煤气进行换热，以到达加热粗煤气同时冷却变换煤气的目的，节省了资源的利用。2工艺设计2.1确定设计方案2.1.1选择换热器的类型两流体的温度变化情况：热流体进口温度438.7℃，出口温度319.3℃;冷流体进口温度200.0℃，出口温度325℃。管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa，温度可以从-100°C以下到1100°C高温。此外，它还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，因此它在换热器中是最主要的型式,所以本次设计选用管壳式换热器。2.1.2管程安排由设计任务书确定，管程走粗煤气，壳程走变换煤气。2.2确物性数据定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可去流体进出、口温度的平均值。故壳程变换煤气的定性温度为管程流体的定性温度为变换煤气在379℃下的有关物性数据如下：；c1=4.9118kJ/kg℃;粗煤气在262.5℃下的有关物性数据如下：：;;。2.3估算传热面积2.3.1热流量〔忽略热损失〕2.3.2粗煤气用量〔忽略热损失〕2.3.3平均传热温差先按照纯逆流计算，得2.3.4初算传热面积先假设，那么估算的传热面积为：2.4工艺结构尺寸2.4.1管径和管内流速选用的20号钢管。2.4.2管程数和传热管数可依据传热管内径和流速确定单程传热管数取换热管根数为1200根.按单管程计算，所需的传热管长度为按单管程设计，取传热管长。2.4.3平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数计算如下：按单壳程，单管程结构，查图表4-4得平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程适宜。2.4.4传热管排列和分程方法采用正三角形排列。换热器正三角形排列可使流体走短路的时机少，增大管外流体湍流程度，从而增大对流传热系数，节省传热面积，所以换热器的排列方式采用正三角形排列。正三角形排列换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，由表12查得换热管外径对应的换热管中心距。2.4.5壳体直径采用多管程结构，壳体直径可由式4-15估算。取管板利用率，那么壳体直径为其中按卷制壳体的进级档，可取2.4.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的25%，那么切去的圆缺高度为取折流板板间距,那么可取。折流板数目2.5换热器核算2.5.1传热面积校核2.5.1.1管程传热膜系数由式4-13计算式中——对流传热系数；——流体的热导率；——管内径，；——流体的流速，：——流体的密度，；——流体的粘度，；——流体的比热容，；——雷诺数；——普朗特数。管程流体流通截面积管程流体流速和雷诺数分别为普朗特数2.5.1.2壳程传热膜系数由式4-25计算 管子按正三角形排列，传热当量直径为壳程流通截面积壳程流体流速及其雷诺数分别为普朗特数粘度校正2.5.1.3污垢热阻和管程热阻。由查附录9，管外侧污垢，管内侧污垢热阻。管壁厚,碳钢在该条件下的热导率为。2.5.1.4总传热系数K2.5.1.5传热面积校核由，根据4-10可得所计算传热面积为换热器的实际传热面积为换热器的面积裕度为传热面积裕度在之间适宜，该换热器能够完成生产任务。2.5.2换热器内内压降核算2.5.2.1管程阻力由查得计算公式为式中：——分别为直管及回弯管道中因摩擦阻力引起的压强降，；——结垢校正因数，量纲为1，对的管子取；——管程数；——串联的壳程数；的计算：查，摩擦系数只与有关。由，对金属管，无缝钢管，绝对粗糙度可取0.1-0.2，暂取0.2,那么相对粗糙度，再由经验公式1-54，所以与管程允许压降比拟，可见管程的压力降是适宜的。2.5.2.2壳程阻力由查得计算公式为式中：——流体横过管束的压强降；——流体通过折流板缺口的压强降；——壳程压强降的结垢校正系数，量纲为1，液体可取；——串联的壳程数。的计算：式中：——管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列；——壳程流体的摩擦系数，当时，；——横过管束中心线的管子数。对正三角形排列，；——折流挡板数；——折流挡板间距；——按壳程流通截面积计算的流速，所以与壳程允许压降比拟，可见壳程的压力降是适宜的。换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率228564210943.8进〔出〕口温度200/325438.7/319.3压力2.972.87物性定性温度262.5379密度13.83810.979定压比热容4.34014.9118黏度热导率0.12670.1480普朗特数0.71730.7173设备结构参数型式固定管板壳程数1壳体内经1400台数1管径管心距32管长6000管子排列正三角形管数目/根1200折流板数/个6传热面积565.2折流板间距1000管程数1材质碳钢主要计算结果管程壳程流速12.1817.43外表传热系数18671734污垢热阻阻力0.02090890.078热流量34444.44传热温差116.48传热系数592裕度1.133.机械结构设计3.1设计压力取1.1倍的操作压力，壳程设计压力为：；管程的设计压力为：。3.2设计温度壳程的设计温度为445℃；管程设计温度为335℃。3.3管壁温度3.3.1符号——以换热管外外表积为基准计算的总换热系数，；——污垢热阻，；——流体的平均温度，℃；——以换热管外外表积为基准计算的给热系数，；——流体的有效平均温差，℃；下标：——热侧流体；——冷侧流体。3.3.2管程壁温由，对冷流体侧〔管程〕的壁温，计算得：对热流体侧〔壳程〕的壁温，计算得：综上得管壁温度为3.3.3壳程壁温式中：————壳程流体的进口温度：————壳程流体的出口温度。3.4筒体壁厚3.4.1筒体选材筒体是换热器的主要受压元件，筒体大多是由钢板冷〔热〕卷制而成。筒体应为要经常抽装管束，所以壳体的内径偏差、同一截面上最大与最小直径偏差以及直线度的控制比拟严格，因此压力容器壳体的材料要具有良好的韧性、焊接性能和良好的热加工性能。根据不同的工艺条件，壳体的材料一般选用碳素钢、低合金钢和不锈钢等。本次设计的换热器壳程所走的介质为变换煤气，设计温度为445℃，考虑到介质属于高温气体和含有较多的氢含量，为了防止氢腐蚀和高温，所以本次设计的筒体选材为低合金钢12Cr2Mo1R，这种材料具有较高的热强性，具有较好的抗氧化性和焊接性能，适用于制造高温〔350℃-480℃〕、高压〔约25MPa〕、临氢压力容器。3.4.2筒体壁厚计算由，对Q345R，设厚度在之间，那么，，在下，对焊缝系数，查采用双面焊双面成型，并进行100%无损检测。因此取。计算厚度：式中，为计算压力，其值为设计压力P与液柱静压力之和。对变换煤气，而冷却水流量为。而壳程设计压力为，，故可以忽略液柱静压力。计算得：设计厚度：对腐蚀余量，由，为防止换热器元件由于腐蚀机械磨损而导致厚度消减故腐蚀余量不小于1mm。暂取。名义厚度：对腐蚀余量，由，对Q245R、Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的负偏差均为。取。但是根据中的规定对壳体直径在之间的由碳素钢和低合金钢制造的固定管板换热器的最小筒体厚度为10mm。那么设计厚度满足最小厚度要求，圆整到。有效厚度：3.5管箱厚度3.5.1管箱选材为了使流体均匀流入各个换热车间，在筒体前后端各接入一段管箱，管程流体设计温度为335℃，设计压力为3.157所以选其材料为Q345R钢板。3.5.2筒体壁厚计算由，对Q345R，设厚度在之间，那么，，在下，对焊缝系数，查采用双面焊双面成型，并进行100%无损检测。因此取。计算厚度：式中，为计算压力，其值为设计压力P与液柱静压力之和。对变换煤气，而变换煤气流量为。故可以忽略液柱静压力。计算得：设计厚度：对腐蚀余量，由，为防止换热器元件由于腐蚀机械磨损而导致厚度消减故腐蚀余量不小于1mm。暂取。名义厚度：对腐蚀余量，由，对Q245R、Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的负偏差均为。取。圆整到。但是由法兰对筒体最小厚度为22mm，应当取筒体厚度为。有效厚度：3.6管箱法兰3.6.1材料选择法兰为典型的受压元件，通常由钢板或锻件经切削钻孔后制成，法兰材料应具有良好的可锻性、切削性、加工性和可焊性。因此本次设计选法兰材料为16Mn锻件，级别为Ⅱ级。3.6.2法兰尺寸由，对于设计压力大于等于的压力容器法兰、管法兰应采用对焊法兰。根据，对长颈对焊法兰，适用的公称压力为，工作温度。因此选择凹凸密封面〔MFM〕形式的长颈对焊法兰为管箱法兰。其尺寸与结构如下：凸面凹面管箱法兰尺寸公称直径法兰/mm14001650158015291091506130235642623法兰螺柱对接筒体最小厚度法兰质量规格数量凹面凸面28421839M366022216.7213.93.6.3法兰型式根据，对的法兰选择I型。3.6.4法兰垫片根据，由法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表选取缠绕垫片，石棉填充带，使用温度范围为。根据，由，选定垫片的尺寸和结构图如：管箱垫片尺寸公称直径DND4D3D2D114001544150814581422垫片系数和垫片比压力值由查的m=2.5,y=693.6.5法兰螺柱螺母根据，由螺柱材料选用表，对的应中选择螺柱的材料为，对应的螺母为。根据，对的等长双头螺柱其尺寸和结构图如：管箱法兰螺栓尺寸型式极限偏差单件质量368057A36250±1.51.7203.7封头的设计3.7.1封头选材封头选材与管箱一致，选用Q345R钢板。3.7.2封头壁厚计算由，对Q345R，设厚度在之间，那么，，在下，对焊缝系数，查采用双面焊双面成型，并进行100%无损检测。因此取。计算厚度：式中，为计算压力，其值为设计压力P与液柱静压力之和。对粗煤气故可以忽略液柱静压力。计算得：设计厚度：对腐蚀余量，由，为防止换热器元件由于腐蚀机械磨损而导致厚度消减故腐蚀余量不小于1mm。暂取。名义厚度：对腐蚀余量，由，对Q245R、Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的负偏差均为。取。圆整到。但是因为法兰对筒体最小厚度的要求，应当取筒体厚度为。有效厚度：3.7.3封头尺寸根据，选择以内径为基准的椭圆型封头，代号为EHA，其尺寸和结构图如：封头尺寸公称直径总深度内外表积容积厚度直边高度质量14003753.18870.756922254623.8液压实验根据，先对壳程做液压试验，再对管程做液压试验。对壳程：。对管程：。对封头：在试验压力下对应的压力对壳程：对管程：对封头：各自对应的应当满足对壳程：对管程：对封头：3.9拉杆设计3.9.1拉杆选材选择Q235-A为拉杆材料，选择20号钢作为定距管的材料。拉杆在满足腐蚀和强度的情况下，尽量选用低等的材质，因为拉杆只是起到支撑和定距作用，没有必要采用太高级别的材质的。3.9.2拉杆参数根据，对换热管外径大于或等于的管束，可以采用拉杆定距管的型式，。对换热管外径拉杆直径为。根据，由，选定拉杆数量为10根，其尺寸和结构图如：拉杆尺寸拉杆直径拉杆螺纹直径1616202.03.9.3拉杆的布置拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热管，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于三个支撑点。3.10管板设计3.10.1材料的选择由，管板本身具有凸肩并与圆筒〔或封头〕对接连接时，且厚度大于时应采用锻件，壳程设计温度为445℃根据选择为管板材料。3.10.2管板结构由，选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延伸局部兼作法兰，与管箱用螺柱垫片连接。3.10.3管板布管3.10.3.1中心距的求取由，本次设计采用正三角形排列。换热管尺寸为，因此取换热管中心距为。3.10.3.2布管限定圆由，对固定管板式换热器，布管限定圆的直径为式中————圆筒内径，；————固定管板换热器或U型管换热器管束最外层换热管外外表至壳体内外表的最短距离，，一般不小于。为换热管外径。本次采用的换热管外径为，因此，取。因此得到的布管限定圆直径。3.10.4管孔设计根据，由于管程、壳程都是无相变湍流换热工作，条件较为恶劣，为了防止管束震动，因此选择I级管束，其管板直径及允许偏差为：管孔直径，允许偏差。3.10.5拉杆孔设计拉杆与管板采用螺纹连接。由，螺纹深度。式中为拉杆孔直径。拉杆孔结构图3.10.6管板尺寸根据，由,查得管板尺寸和结构为：管板尺寸28.65529.6741400165015801529150915061400螺柱39M36×605122182管板结构图3.11实际布管根据以上的尺寸设计，进行实际的布管，得到的实际管子数为1200根。3.12换热管设计之前已经选定换热管的尺寸为，长度为。换热管的材料根据，应中选择16Mn作为换热管材料。换热管与管板的连接采用强度焊接，根据，尺寸为换热管尺寸及安装尺寸图换热管规格换热管最小伸出长度最小坡口深度1.52.524.15接管设计由之前的工艺计算得出管程接管的流速为，壳程接管流速为。3.13接管设计3.13.1管程接管设计根据取管程材料为16Mn，，，接管内液体流速为，那么接管内径为根据，可以选取管程接管尺寸为：管程接管尺寸外径壁厚有效内截面积每米管子重量4269131092.553.13.2壳程接管设计壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为，那么接管内径为根据，可以选取壳程接管尺寸为：壳程接管尺寸外径壁厚有效内截面积每米管子重量4269131092.553.13.3排气管与降液管设计考虑到对壳程的接管都安装在最高处或最低处，在最高点设置排气孔，在最低点设置降液管。根据，对放气口和降液口，其最小公称直径为。根据，可以去排气管和降液管的尺寸为：排气管和降液管尺寸外径壁厚有效内截面积每米管子重量2532.81.633.13.4各接管法兰和垫片的设计管程接管外径；壳程接管外径；排气管和降液管外径。根据，各接管对应的公称通径为：管程接管；壳程接管；排气管和降液管。3.13.4.1法兰材料选择由，选择锻件为法兰材料，锻件级别为Ⅱ级，选择锻件为接管材料。对于公称压力为6.3MPa，选择法兰密封面形式为凹凸面形式。3.13.4.2法兰结构和尺寸法兰接管尺寸公称通径钢管外径连接尺寸法兰外径螺栓孔中心圆直径螺栓孔直径螺栓孔数量螺纹2025105751444004266605853916法兰厚度法兰颈法兰高度法兰理论重量18403644015048211.0201213598根据，查得法兰的密封面尺寸列表如下：法兰密封面尺寸公称直径2058240053524.54.0365051355.55.04474734744463.13.4.3法兰垫片选择根据，选用柔性石墨型式的增强柔性石墨板作为法兰垫片。该垫片公称压力，公称尺寸，最高使用温度，适用于凹凸密封型式。根据，查得垫片的尺寸为：接管法兰垫片尺寸公称通径内径外径厚度2027501.540042647333.13.4.4螺栓螺母选择根据，选择双头螺柱商品等级为8.8。根据，查得螺栓的长度为：接管法兰螺栓尺寸公称通径螺纹数量重量2047560400161901520对螺母的重量根据查得：接管法兰螺母尺寸规格重量11.933173.14保温层的设计根据壳体外表温度超过50度时要加保温层，查的应该选用超细玻璃棉为保温材料，计算得到保温层的厚度为145mm。3.15各接管尺寸设计接管的外伸长度根据查表4-5，由，保温层厚度，查得对的接管其外伸长度为；的接管其外伸长度均为。壳程接管位置由，得到计算壳程接管位置最小尺寸的公式：带补强圈接管无补强圈接管式中：————补强圈外径，；————接管外径，；————管板厚度，；————。由于壳程接管无补强圈，所以采用无补强圈接管公式计算。，，，，取。计算得：故可以取，其结构图为：壳程接管位置图管程接管位置由，得到计算管程接管位置最小尺寸的公式：带补强圈接管无补强圈接管式中：————补强圈外径，；————接管外径，；————管箱用对焊法兰高度，；————。由于管程接管加补强圈，所以采用带补强圈接管公式计算。，，，，取。计算得：故，其结构图为：管程接管位置图3.16防冲挡板3.16.1管程根据，当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。由于本次设计管程流体是径向流入，所以管程不需设置防冲挡板。壳程根据，本次设计壳程流体为循环冷却水，是非腐蚀、非磨蚀性的单向流体。当壳程进口管流体的值〔——流体密度，；——流体流速，〕大于时，需要在壳程进口管处设置防冲板或导流筒。本次设计壳程进口管处，，计算得：故需要置防冲挡板，材料。设置防冲板的尺寸：防冲挡板外外表到圆筒内壁距离应不小于外径的1/4，1/4×426=106.5本次取为120；防冲挡板直边或者边长应大于接管外径的50mm，本次取为500mm；防冲挡板最小厚度碳钢为4.5mm。防冲挡板的固定形式：本次的进口接管上需要防冲挡板，所以选择焊在定距管上。3.17折流板与支持板材料折流板材料选择为，该材料温度和强度均符合本次设计的要求。折流板设计3.17.2.1折流板选型壳体是单壳程，选择单弓型的折流板。3.17.2.2折流板尺寸〔1〕折流板缺口弦高根据，宜取倍的圆筒内直径。取0.25倍，即。〔2〕折流板和支持板的最小厚度根据，对之间、跨距内的折流板和支持板的最小厚度为，本次暂取。〔3〕折流板的外圆直径根据，查得公式折流板结构图3.17.3折流板和支持板管孔根据，对于I级管束：换热管外径或无支撑跨距管孔直径允许偏差3.17.4折流板布置根据，卧式换热器的壳程为单相流体时，折流板缺口应水平上下布置。本次设计壳程流体为变换煤气是单相流体，故折流板应当上下布置。之前工艺计算出折流板间距为，布置有5块。最靠近管板出的折流板与管板间距为：式中：————壳程接管到管板间距，；————防冲板长度，无防冲板时可取，为壳程接管内径，；————管板厚度，。：，，，故间距为：本次设计根据实际情况需要6块折流板，靠近管板处的折流板距离取为720，中间的均布分布，间距为906。3.17.5折流板重量计算根据，查得折流板的重量计算公式为：设计参数：————折流板的外圆直径，；————壳体公称直径，；————壳体内径，；————折流板或支持板切去局部弓形面积，；————管孔直径，；————拉杆孔直径，；————壳体接管内径，；————管孔数；————拉杆孔数；————缺边位置尺寸，；————折流板或支持板中心线至缺边的距离，；————靠近管板处的折流板与管板间距，；————壳程接管到管板间距，；————折流板或支持板厚度，；————折流板或支持板材料重度，；————系数。由表4-12查得，，那么。再由表4-14查得。故折流板切去局部弓形面积为：根据，对于〔I级管束〕的换热管：25.812951310360.3查得对其密度为计算得3.18管箱设计根据，管箱设计中所涉及到的参数：————接管补强圈外边缘〔无补强圈，指接管外壁〕至设备法兰与管箱壳体连接焊缝间的距离，；————接管外径，；————接管内径，；————换热管外径，；————换热管内径，；————公称直径，；————补强圈外径，；————各相邻管程之间分程处物料流通的最小宽度，；————封头内曲面高度，；————封头直边高度，；————法兰厚度，；————在与换热器轴线垂直的平面内，测得的焊缝至分程隔板或管壁之间的最大有效距离，；————接管位置尺寸，；————接管至壳体与封头连接焊缝间的距离，；————封头高度，；————管箱长度，；————管箱最小长度，；————接管流通面积计算所需管箱最小长度，；————接管相邻焊缝间距离计算所需的管箱最小长度，；————管箱最大长度，；————各程平均管数；————管箱壳体厚度，；————封头厚度，。3.18.1管箱结构形式选择B型管箱，这种型号适用于单程和多程管箱。其优点是结构简单，便于制造，目前国内采用最多。管箱结构图3.18.2管箱长度对于B型管箱，先按照接管流通截面积计算所需的管箱最小长度。根据，查得公式为：式中值可以由表4-37查得，计算得：按照接管相邻焊缝间距离计算所需的管箱最小长度。根据公式：式中：〔当接管无补强圈时，〕,;，;。计算得：所以管箱最小长度取和中的较大者。本次设计左管箱长度暂取，右管箱长度暂取。3.19吊耳与顶丝3.19.1左管箱质量封头：管箱筒体：管箱法兰：接管法兰：接管：27.75kg总质量为：3.19.2右管箱质量右管箱质量和左管箱质量相同为1570.65kg。3.19.3吊耳根据，每个管箱上对称的设置两个吊耳。吊耳的尺寸如下：吊耳尺寸单个吊耳允许吊起载荷，10353025803.20支座设计3.20.1支座所承受的载荷各主要零部件的质量估计：封头：2×462=924管箱法兰：216.7×2=433.4kg左管板：右管板：筒体：π/4×〔14362-14002〕×6000×7850=3774.85kg定距管：拉杆：拉杆螺母：折流板：换热管：接管：保温层：防冲挡板：6.93kg故设备总质量壳程水压试验时水的质量：管程水压试验时水的质量：设备工作时介质质量：故支座所承受的最大载荷为：3.20.2支座尺寸根据选择重型BI型式的鞍式支座。由，查得支座尺寸为：公称直径允许载荷鞍座高度底板腹板筋板14005752001000170121023014010垫板螺栓间距鞍座质量带垫板，增加高度增加的质量，弧长164035087084010113支座结构和尺寸图支座尺寸图3.20.3支座材料根据，选择鞍式支座材料为，垫板材料选。3.20.4支座安装尺寸根据，对根据，取根据，即在范围内取值。本次设计暂取根据。焊缝设计5强度校核固定管板换热器设计计算计算单位四川科新机电股份设计计算条件壳程管程设计压力3.157MPa设计压力3.267MPa设计温度445设计温度3351400mm管箱圆筒内径1400mm材料名称12Cr2Mo1R材料名称Q345R简图计算内容后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算开孔补强设计计算后端管箱筒体计算计算单位四川科新机电股份计算条件筒体简图计算压力Pc3.27MPa设计温度t335.00C内径Di1400.00mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力163.00MPa设计温度许用应力t127.70MPa试验温度下屈服点s325.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数1.00厚度及重量计算计算厚度==18.14mm有效厚度e=n-C1-C2=18.70mm名义厚度n=21.00mm重量662.31Kg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=5.2900(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=292.50MPa试验压力下圆筒的应力T==200.67MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==3.36645MPa设计温度下计算应力t==123.93MPat127.70MPa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,合格后端管箱封头计算计算单位四川科新机电股份计算条件椭圆封头简图计算压力Pc3.27MPa设计温度t335.00C内径Di1400.00mm曲面高度hi350.00mm材料Q345R(板材)设计温度许用应力t127.70MPa试验温度许用应力163.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm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==18.02mm有效厚度e=n-C1-C2=18.70mm最小厚度min=3.00mm名义厚度n=21.00mm结论满足最小厚度要求重量369.58Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==3.38878MPa结论合格

不带法兰固定式管板计算(c)设计单位四川科新机电股份设计计算条件简图壳程圆筒设计压力Ps3.157MPa设计温度t445平均金属温度379装配温度15材料名称12Cr2Mo1R设计温度下许用应力144.6MPa平均金属温度下弹性模量1.825e+05MPa平均金属温度下热膨胀系数1.344e-05mm/mm壳程圆筒内径1400mm18mm15.7mm壳程圆筒内直径横截面积A=0.25Di21.539e+06mm2壳程圆筒金属横截面积As=s(DI+n)6.983e+04mm2管箱圆筒设计压力3.267MPa设计温度335材料名称Q345R设计温度下弹性模量2.06e+05MPa管箱圆筒名义厚度21mm管箱圆筒有效厚度18.7mm换热管材料名称16Mn(正火)管子平均温度t262.5设计温度下管子材料许用应力71.4MPa设计温度下管子材料屈服应力182MPa设计温度下管子材料弹性模量1.592e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量1.89e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数1.265e-05mm/mm管子外径d25mm管子壁厚2.5mm管子根数n1200换热管中心S32mm一根管子金属横截面积176.7mm2换热管长度L16000mm换热管有效长度(两管板内侧间距)L5636mm换热管管束模数=5079MPa管子回转半径8.004mm管子受压失稳当量长度2000mm系数Cr=131.4比值249.9管子稳定许用压应力()[]=12.58MPa管子稳定许用压应力()[]=MPa管板材料名称12Cr2Mo1设计温度445设计温度下许用应力144.6MPa设计温度下弹性模量1.746e+05MPa管板腐蚀裕量4mm管板输入厚度182mm管板计算厚度178mm隔板槽面积(包括拉杆和假管区面积)Ad0mm2管板强度削弱系数0.4管板刚度削弱系数0.4管子加强系数,K=2.8管板和管子连接型式焊接管板和管子胀接(焊接)高度l3.5mm胀接许用拉脱应力[q]MPa焊接许用拉脱应力[q]35.7MPa管箱法兰材料名称管箱法兰厚度mm比值比值系数(查<<GB151-1999>>图25)系数(查<<GB151-1999>>图26)旋转刚度MPa壳体法兰材料名称12Cr2Mo1壳体法兰厚度182mm管板延长局部凸缘外直径Df0mm管板延长局部凸缘宽度-700mm比值0.01121比值0.13系数(按s/Di,/Di)查<<GB151-1999>>图25)0.006787系数(查<<GB151-1999>>图26)`0.001218旋转刚度-492.9MPa系数计算旋转刚度(c型结构0)-492.9MPa旋转刚度无量纲参数-0.07622膨胀节总体轴向刚度N/mm管板第一弯矩系数m1,(按K,查<<GB151-1999>>图27)0.9982系数-4.677系数(按查<<GB151-1999>>图29)0.7451换热管束与不带膨胀节壳体刚度之±3.145换热管束与带膨胀节壳体刚度之比管板第二弯矩系数m2,按K,Q(或Qex)查<<GB151-1999>>图28(a)或(b)3.935管板参数管板开孔后面积A-0.25n9.503e+05mm2管板布管区面积(三角形布管)(正方形布管)1.064e+06mm2管板布管区当量直径1164mm系数计算系数0.6173系数0.2231系数4.428系数(带膨胀节时代替Q)6.555管板布管区当量直径与壳体内径之比0.8314管板周边不布管区无量纲宽度k=K0.472仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况(Pt=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)0.0-0.001762当量压力组合3.1573.157MPa有效压力组合13.98-60.31MPa边界效应压力组合0.021430.02143MPa边界效应压力组合系数0.002483-0.0005755管板边缘力矩系数0.002483-0.0005755管板边缘剪力系数-0.011610.002691管板总弯矩系数0.96371.006系数仅用于时0.4130.4311系数当时,按K和m查图31(a)实线当时,按K和m查图31(b)0.2040.7591系数>0,=,<0,=0.4130.7591管板径向应力系数带膨胀节Q为Q=0.026230.04892管板布管区周边处径向应力系数=0.065580.06946管板布管区周边处剪切应力系数=0.063520.06444计算值许用值计算值许用值管板径向应力35.011.5=216.9281.73=433.8MPa管板布管区周边处径向应力49.221.5=216.9-230.43=433.8MPa管板布管区周边剪切应力8.9630.5=72.3-39.231.5=216.9MPa换热管轴向应力1.559=71.4=12.5865.333=214.2=12.58MPa壳程圆筒轴向应力48.35=144.6-211.6=433.8MPa换热管与管板连接拉脱应力q=1.002[q]=35.7423[q]焊接[q]胀接107.1MPa仅有壳程压力Pt作用下的危险组合工况(Ps=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)0.0-0.001762当量压力组合-3.996-3.996MPa有效压力组合-21.42-95.7MPa边界效应压力组合-0.003326-0.003326MPa边界效应压力组合系数0.00025165.629e-05管板边缘力矩系数0.00025165.629e-05管板边缘剪力系数-0.001177-0.0002633管板总弯矩系数0.99470.9974系数G1e仅用于时0.42630.4274系数G1i当时,按K和m查图31(a)实线当时,按K和m查图31(b)0.1880.1864系数G1>0,=;<0,=0.42630.4274管板径向应力系数带膨胀节Q为Q=0.027360.02746管板布管区周边处径向应力系数=0.068410.06866管板布管区周边处剪切应力系数=0.064190.06425计算值许用值计算值许用值管板径向应力55.951.5=216.9250.93=433.8MPa管板布管区周边处径向应力-80.071.5=216.9-359.63=433.8MPa管板布管区周边剪切应力-13.880.5=72.3-62.061.5=216.9MPa换热管轴向应力0.5677=71.4=12.5864.343=214.2=12.58MPa壳程圆筒轴向应力-2.817=144.6-262.7=433.8MPa换热管与管板连接拉脱应力q=0.3649[q]=35.741.363[q]焊接[q]胀接107.1MPa计算结果管板名义厚度182mm设计计算成功前端管箱筒体计算计算单位四川科新机电股份计算条件筒体简图计算压力Pc3.27MPa设计温度t335.00C内径Di1400.00mm材料Q345R(板材)试验温度许用应力163.00MPa设计温度许用应力t127.70MPa试验温度下屈服点s325.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数1.00厚度及重量计算计算厚度==18.14mm有效厚度e=n-C1-C2=18.70mm名义厚度n=21.00mm重量662.31Kg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=5.2900(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=292.50MPa试验压力下圆筒的应力T==200.67MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==3.36645MPa设计温度下计算应力t==123.93MPat127.70MPa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,合格前端管箱封头计算计算单位四川科新机电股份计算条件椭圆封头简图计算压力Pc3.27MPa设计温度t335.00C内径Di1400.00mm曲面高度hi350.00mm材料Q345R(板材)设计温度许用应力t127.70MPa试验温度许用应力163.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm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==18.02mm有效厚度e=n-C1-C2=18.70mm最小厚度min=3.00mm名义厚度n=21.00mm结论满足最小厚度要求重量369.58Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==3.38878MPa结论合格前端管箱法兰计算计算单位四川科新机电股份设计条件简图设计压力p3.267MPa计算压力pc3.267MPa设计温度t335.0C轴向外载荷F0.0N外力矩M0.0N.mm壳材料名称Q345R体许用应力12