年产50万吨合成氨项目变换气水冷器设备设计

现在化工产业是我国经济发展的支柱产业，这一现象还将会持续很久，换热设备是化工设备中的一种典型而且非常重要的设备。换热器在化工生产中发挥着巨大的作用，固定管板式换热器是一种十分典型的管壳式换热设备，是当今使用非常广泛的一种换热设备。选用这样结构紧凑、简单的换热器可靠性很高，适应性也很广，而且具有换热表面的清洗方便，生产成本也非常低，选用的材料范围很广泛的优点。在高温高压和大型换热器中，这种换热器有很大优势。这次设计的题目是年产50万吨合成氨项目变换气水冷器设备设计课题想要达到的目标为：该设备的换热面积为247.5mm2,工艺结构尺寸的计算：管程数（1管程），管程和壳程压力降的计算（小于等于10MPa）,换热管的尺寸和数量（内径：20mm数量：504根），壳体内径计算得（900mm），壳程数计算得（1壳程），折流板的选型（弓形折流板，19块）等。换热器的强度计算在经过水压试验以及压力校核之后对管箱和筒体厚度的计算和校核，对壳体和管箱开孔的补强，对法兰的计算以及法兰强度的核算。所得出的结果全部是符合标准的。关键词：换热器，工艺，结构，强度AbstractThechemicalindustryisstillthepillarindustryofChina'seconomicdevelopment,andthementionofchemicalequipmentwillhavetomentiontheheatexchangeequipment.Heatexchangerplaysahugeroleinthechemicalproduction,fixedtubeplateheatexchangerisashellandtubetypeisatypicalheattransferequipment,istheuseofaverywiderangeofheattransferequipment.Tochoosesuchcompactstructure,simpleheatexchangerhashighreliability,adaptabilityiswide,andhasconvenientcleaningheattransfersurface,theproductioncostisalsoverylow,theadvantagesofawiderangeofmaterialselection.InthehightemperatureandhighpressureThisdesigntopicis400000tons/PVCprojectcrudevinylchloridepurification,compressiondeviceofhotwatercooler,Watercoolerareacalculationfor(heattransferarea:323.8mm2),calculationofprocessdimensions:tubenumber(1tubes),calculationoftubesideandshellsidepressuredrop(lessthanorequalto0.4MPa),changethesizeandquantityofheattube(diameter:21mmnumber:1425),shelldiameterthecalculated(1400mm),shellnumbercalculated(1shell),selectionofbaffle(baffle,block).Heatexchangerstrengthcalculationafterwaterpressuretestandpressurecheckonthetubeboxandtubethicknesscalculationandverification,theshellandtubeboxopeningreinforcement,calculationandstrengthofflangetoflangecalculation.Theresultsareconsistentwiththestandard.(B:flangeflange),baffle,heatpipe(asbestosrubbersheetgasket,gasket),support(saddle)selectionandspecification.Keywords:heatexchanger,craft,structure,intensit目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 1\o"CurrentDocument"Abstract 1前言 1第一章生产工艺的介绍 2\o"CurrentDocument"生产项目简介 2\o"CurrentDocument"该项目在世界以及我国的现状 2\o"CurrentDocument"工艺流程介绍 3第二章换热器的工艺计算 3\o"CurrentDocument"设计任务 3\o"CurrentDocument"确定设计方案 4换热器类型的选择 4流程安排 5\o"CurrentDocument"工艺结构设计 5物性参数的确定 5估算传热面积 6热流量以及的热负荷的确定 错误!未定义书签。平均传热温差 6冷却水用量 错误!未定义书签。传热面积的确定 6管径和管内流速的确定 6换热管长、管数和管程数的确定 7平均温差校正系数和壳程数的确定 7传热管排列方式和管心距 8壳体内径 8折流板的确定 9接管的计算 10壳程流体进出口接管 10管程流体进出口接管 10换热器核算 11热流量核算 11壁温核算 13换热器内流体的流动阻力 14换热器的主要结构尺寸和计算结果 15第三章换热器的机械设计及强度校核 16\o"CurrentDocument"换热器零部件的工艺结构设计 17壳体壁厚、管箱壁厚以及封头的设计 17管板的计算及校核 20换热管的选择 25换热管的规格和尺寸 25换热管材料的选择 25换热管的排列方式 25接管的确定 26接管的一般要求 27接管高度的确定 27接管安装位置最小尺寸的确定 28排气口、放净口接管 30管箱 30管箱结构形式的选取 30管箱的结构尺寸 31折流板或支撑板 33主要几何参数 33弓形折流板的排列方式 33折流板与壳体的间隙 35折流板材料的选取 35拉杆、定距管 36固定结构形式 36拉杆直径、数量和尺寸 38拉杆的布置 39拉杆材料的选取 39定距管的选取 39旁路挡板 39防冲板 40\o"CurrentDocument"换热器的强度校核 42管箱短节开孔补强的校核 42壳体接管开孔补强校核 43\o"CurrentDocument"换热器的机械结构设计 44换热管与管板的连接 44管板与壳体的连接 45管板与管箱的连接 45法兰的选用 45垫片 46膨胀节 47结构形式 47设置膨胀节的必要性 483.2.7支座的选择 49．1鞍座的选取以及安装位置 49.2鞍座的结构及尺寸 50第四章焊接工艺的设计 51\o"CurrentDocument"焊缝的布置 51\o"CurrentDocument"焊接方法的选用 52\o"CurrentDocument"接头形式设计 52对接接头 52角接接头和T形接头 53搭接接头 53\o"CurrentDocument"坡口形式 53\o"CurrentDocument"焊条的选用 55\o"CurrentDocument"焊后热处理 56\o"CurrentDocument"强度检验 56耐压试验 56泄露试验 57设备的防腐与检测 58\o"CurrentDocument"设备腐蚀 58换热管腐蚀 58管板连接处的腐蚀 58壳体腐蚀 58\o"CurrentDocument"防腐与除锈 59\o"CurrentDocument"换热器的质量检验 59\o"CurrentDocument"第六章设备的安装、运行和维护 59\o"CurrentDocument"安装 59\o"CurrentDocument"检修 60\o"CurrentDocument"运行维护 61\o"CurrentDocument"准备与开车 61\o"CurrentDocument"第七章结论 61\o"CurrentDocument"致谢 62\o"CurrentDocument"参考文献 63外文翻译 错误!未定义书签。□□□□#综合焊条选用原则，分析本次设计筒体采用的钢号为Q345R,根据JB/T4709-2007中常用钢号推荐选用焊接材料选取筒体与管板及管箱、封头间的埋弧焊焊接材料选取焊丝为H08A，焊剂选用HJ431。其他为手工电弧焊的连接根据管材钢号选用焊条为E4315(J427)。焊后热处理焊后热处理一般选用单一高温回火或正火加高温回火处理。对于气焊焊口采用正火加高温回火热处理。这是因为气焊的焊缝及热影响区的晶粒粗大，需要细化晶粒，故采用正火处理。然而单一的正火不能消除残余应力，故需再加高温回火以消除应力。单一的中温回火只适用于工地拼装的大型普通低碳钢容器的组装焊接，其目的是为了达到部分消除残余应力和去氢。绝大多数场合是选用单一的高温回火。热处理的加热和冷却不宜过快，力求内外壁均匀。焊后热处理的目的：.松弛焊接残余应力；2.2.稳定结构的形状和尺寸，减少畸变；善母材、焊接接头的性能；包括a.提高焊缝金属的塑性。b.降低热影响区硬度。c.提高断裂韧性。d.改善疲劳强度。e.恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。.提高抗应力腐蚀的能力；.进一步释放焊缝金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的发生。4.7强度检验强度检验方法分为耐压试验和泄漏试验耐压试验除材料本身缺陷外，容器设备在制造(特别是焊接过程)以及使用中由于各种不确定原因可能会产生多种缺陷，这些缺陷显然是不被允许的，为考核安全性必须在制成后进行耐压试验。该试验必须在高于设计压力的条件下进行，根据试验时使用的介质不同可将耐压试验分为液压试验、气压试验及气液组合压力试验。对于本次设计的换热器为内压容器，耐压试验的主要目的是在超设计压力下考核隐患的缺陷会不会在较高压力下快速扩展或者造成设备的开裂从而发生泄漏，其作用意在检验密封结构的密封性性能。本次设计以水作为试验介质，其压缩系数比气体要小，且来源丰富，故用水作为试验介质。泄露试验为了防止物料在后期生产操作中发生泄漏应该在制造完成后进行泄漏试验，其目的就是在于考核容器设备的密封性能这部分试验主要是对可拆卸密封结构如：管板法兰连接，管箱连接，以及焊接部位的检查。泄漏试验必须是在耐压试验合格之后进行。因为本次设计中的介质为丙烯腈，其物性属于剧毒产品且该品根据《危险化学品安全管理条例》受公安部门管制，所以在生产过程中不允许有泄漏，设备应该进行泄漏试验。根据试验要求的高度可选择不同介质检测方式，《过程设备设计》书中对不同的泄漏试验做了详细介绍，可参照学习。常用的方式有：气密性试验，是在设计压力的条件下将容器内通满干燥洁净的空气、氮气或者其他惰性气体来检测是否发生泄漏。氨泄漏试验，利用氨较强的渗透性且极易在水中扩散被水吸收的特性，一般在致密性要求较高泄漏试验中使用。实验前在待检部位贴上5%硝酸亚汞或者酚酞水溶液浸渍过的试纸，试验后若试纸变为黑色或者红色，即表示该部位有泄漏。卤素检漏试验，是一种高灵敏度的检漏方法，常用在不锈钢及钛设备的泄漏试验中，试验时需要将容器抽真空，利用氟利昂和其他卤素压缩气体作为示踪气体，在容器待检部位用铂离子吸气探针进行探测，以发现泄漏。氦检漏试验，是一种特高灵敏度的检漏方法，试验费用较高，一般仅用于泄漏特殊要求场合。第五章设备的防腐与检测设备腐蚀本次热水冷却器设备主要材料有Q345R、20号碳钢和16MnR锻件，这些材料在日后使用中均会发生或多或少的腐蚀，整套设备的腐蚀主要集中在一些敏感部位，如：流通具有腐蚀性质丙烯腈的换热器内部容易发生腐蚀；管子和管板连接处、管子与折流板连接处用焊接方式连接，在壳程河水的长期冲刷下容易发生电化学腐蚀。换热管腐蚀管子腐蚀分为内外壁的腐蚀，管子内部流体的是变换气（CO、H2、CO2、N2等，在长期的使用过程中几乎对管子内壁不会造成腐蚀；管子外壁上与壳程筒体空间两连接，长期是浸没锅炉给水（蒸汽），水介质中存在污垢，由于污垢和入口介质长时间的涡流冲刷磨损，将对换热管产生腐蚀，同时可能在水介质中含有一定量的氯离子，发生电化学腐蚀。管板连接处的腐蚀此处的连接在本此设计中我选用的是强度焊接形式，虽然此连接结构能够满足强度及应力要求，但在连接处不可避免的将产生应力集中，有应力集中必然在内部流体的脉动冲击下容易产生裂纹。因此这些部位都是应力较为集中，容易发生腐蚀的薄弱环节，应得以重视。壳体腐蚀壳体发生腐蚀虽然与之前两项相比更不那么明显，但少量的腐蚀也是难免的，其中主要发生的腐蚀是电化学腐蚀，因为壳程流体为锅炉给水（蒸汽），弱电解质，筒体材料为碳钢，因此容易发生微量的电化学腐蚀。防腐与除锈钢材设备中的防腐主要采用除锈刷漆工艺。在油漆涂装之前应进行金属材料的其处理的好坏直接影响涂层防腐效果与性能。在进行表面处理之前也应该先清除钢材表面的灰尘、污渍、油脂、钻孔液等污物。表面处理分人工处理和动力工具除锈两种方法。通常在表面处理后的4个小时内涂装上底漆，保证涂装前表面处理不被损坏。在施工过程中应该得到严格的控制，通常要求空气的相对湿度小于85%，钢材的在正式涂装每一道漆之前，由于待涂装工具表面会有各种空洞、焊缝以及死角，通常这些区域喷枪无法达到，因此必须先进行预涂工序，保证足够的膜厚。有些大型的钢材在涂装完成后可能在组装、搬运过程中出现局部油漆碰落，这时应该打磨合格后重新喷漆。换热器的质量检验化工设备的生产是一项要求就为严格的过程，其生产的产品是不允许有缺陷的存在，换热制造过程初期对材料进行严格检查后并不意味着检查工作停止，在化工设备制造过程中也同样要再对设备进行不断的检验，即质量检验。换热器设备在生产制造过程中的质量检验主要包括三大类的检验：原材料的检验。对原材料的物理、化学性质分析，力学性能分析的各种破坏试验；工序间的检验。主要针对在实际生产过程中是否会因为某些人为火其他因素造成零件几何尺寸上的偏差；内外压力试验。这主要针对设备的耐压性能和密封性能做检验。第六章设备的安装、运行和维护安装换热器的安装与多数的化工设备安装类似，其基础底座才水泥混泥土浇灌而成，其硬度应该满足换热器在其上面不会发生下沉现象，并且在浇灌过程中将安装鞍座的各地脚螺栓底座按照设计的位置同时灌于混泥土中，使其与基础牢固为一体。安装之前必须先对混泥土基础做详细的验收，检验其结构是否满足硬度要求，是否有裂缝存在，基础的标高和地脚螺栓位置等是否符合要求等等。经过一步步严格的基础验收后便可进行换热器的安装，在换热器安放到指定位置前，应该在地脚螺栓两侧放置垫铁以便于后期细微的水平高度调整，垫铁的放置是可以调整的。本次设计的变换气水冷却器规格不大，可以通过吊车直接安放到位，安放的位置必须符合土建要求，安放前垫片必须保持水平状态。位置安放正确后便可开始通过水平仪找水平，找水平过程中可以通过调整各地脚螺栓上的垫片来矫正水平位置。水平校正完毕后，将固定地脚螺栓及各垫铁，同时在对底座基础进行灌浆和表面后期处理。安装位置应该严格符合化工设计中各设备相互间距及维修操作间距等设备布置要求。检修设备机器和人一样，不可能无节制的长期运行，它也会出现问题，因此在进行一定生产周期后应该对其进行停车体检，这样即是对安全预防的保证，也是对设备生产效率的提高体现。长时间的运行可能会带来多种的安全隐患，多数只有在停车检修时才能够得以发现和解决；熟称磨刀不误砍柴工，检修同样是这个道理，检修过程中可以维修或者更换耗损零部件、去除污垢等，这样便有效的提高了设备的工作效率。换热器在停车后必须放净其管、壳程内的流体介质，对于有害介质还需要做精置和防护措施，保证检修人员的安全。按照从外到内的顺序依次拆开管箱，抽出换热管束。将换热器各零部件拆开后开始对其各部件进行清扫，常用的方法是用压缩空气、水清扫，碰到较为难清洗的结垢时，可以利用酸洗的方法去除其结垢，但必须控制酸洗液的浓度和清洗时间，防止对设备进行二次腐蚀。清洗完毕后，对设备还需进行类似出厂前作的水压试验，用于检测其密封性能。运行维护换热器的日常运行及维护主要是对换热器内部管、壳程流体的温度、压力进行控制调节，这些数据的运行稳定性将会直接影响设备的操作性能和工艺要求。但这些数据一般进行自动化条件控制，出现严重问题的可能性较小，但不可排除运行过程中仪表的失效给数据带来的误差，因此日常维护极为重要，必须注意到每一细节，平稳的运行和维护将对设备生产及整个工艺流程产生重要的意义。准备与开车换热器在开车运行前应该做好充分的准备工作，包括换热器设备的准备工作和从事换热器设备运行管理工作员的准备工作。对于换热器本身而言，开车前应该再对设备的主体和附件做最后的检查清理工作；对于换热器操作人员来说，所需做的准备工作较多，首先操作员必须对该换热器系统的技术性能搞清楚，掌握其操作规程及方法，设备出现突发状况时应对的正确措施以及了解操作过程中各种了解手段等等。换热器的操作合理将对换热器安全运行和寿命都产生深远的影响。换热器在经过完善的内外部检查及试压等准备工作后，便可以顺利进行开车运行了，根据具体开车步骤，一步一步的对丙烯腈换热器进行试运行，管、壳程内流体保持一定的速率充满换热器，同时应该检查各温度、压力表是否正常工作，其值是否反应真实工况，并控制在规定范围内。第七章结论半学期的毕业设计即将结束，我完成了年产50万吨合成氨项目变换气水冷器设备设计。其中工艺计算包括了换热面积估算，算得实际换热面积为247.5m2，又算出了25%的面积裕度等；结构设计包括了壳体内径为900mm,504根①25义2.5规格的换热管等；强度设计以及校核包括了流动阻力的计算；零部件的选型包括了选择乙型平焊法兰，选择石棉橡胶板垫片，弓形折流板和鞍式支座等。这个过程让我对化工设备的设计过程又有了一个系统而且全面的了解，也让我对当时上课学习的过程中遗漏的知识有个一个查漏补缺的