列管式煤油冷却器的设计说明书

1、合肥工业大学化工原理课程设计说明书设计题目 列管式煤油冷却器的设计 学生姓名 谢继强 学生学号 同组学生 祝尚 宋响亮 邓威 指导老师 陈亚中 学 院 医学工程学院 专业班级 制药工程12-2班 完成时间 2014年3月27日 设计任务书一 设计题目：列管式煤油冷却器的设计二 设计任务及操作条件1. 处理能力：10万吨/年煤油2. 设备形式：列管式换热器3. 操作条件 （1）煤油：入口温度140.出口温度40 （2）冷却介质：自来水.入口温度30.出口温度40 （3）允许压强降：不大于1000kPa （4）煤油定性温度下的物性数据：密度 825kg/m3.黏度 7.15*10-4Pa.s .比

2、热容 2.22kJ/(kg.) .导热系数 0.14W/（m.） （5）每年按330天计.每天按24小时连续运行4. 提交文件 （1）设计说明书一份 （2）A3工艺流程图一张 （3）A1换热器装配图一张化工原理课程设计成绩评定表评定基元评审要素评审内涵满 分指导教师实评分评阅教师实评分设计说明书40%格式规范设计说明书是否符合规定的格式要求5内容完整设计说明书是否包含所有规定的内容5设计方案方案是否合理及符合选定题目的要求10工艺计算过 程工艺计算过程是否正确、完整和规范20设计图纸40%图纸规范图纸是否符合规范5标注清晰标注是否清晰明了5与设计吻合图纸是否与设计计算的结果完全一致10图纸质量

3、设计图纸的整体质量的全面评价20平时成绩10%上课出勤上课出勤考核5制图出勤制图出勤考核5答辩成绩10%内容表述答辩表述是否清楚5回答问题回答问题是否正确5合计100综合成绩 成绩等级 指导教师 评阅教师 答辩小组负责人(签 名) (签 名) (签 名)年 月 日 年 月 日 年 月 日说明: 评定成绩分为优秀(90-100).良好(80-89).中等(70-79).及格（60-69）和不及格(1900mm时.折流板厚度d取12mm。折流板的数目为29块。 表3-3 折流板参数 单位：mm容器公称直径DN折流板直径D0管程d1孔数n1d2孔数n2600597425.8184115厚度dhb折流

4、板间距数量折流板与管板间距L折流板材料12143.620029200A3F 图3-6 折流板标准尺寸图3.4管板结构的设计选材为16Mn锻。依据所选用的管箱法兰.管箱侧法兰的结构尺寸.确定固定端管板最大外径为D=730mm.固定管板最大布管圆直径：DL=Di-2f=600-25=590mm。管板结构尺寸见图3-4和表3-2。 图3-4 管板结构表3-2 管板尺寸表 单位：mmDNDD1D2D3D4D5Cd260073069065560764261012.523螺柱（栓）bfb材料质量/kg规格数量M2040505416Mn锻139.5须用锻件的场合 a. 板厚大于60 mm。当厚度大于60 m

5、m时.钢板质量降低(分层、夹杂无法避免.各顶指标波动大)。 b. 形状复杂的管板。此时若用板材则即费料又费时. c. 以凸肩直接与壳体相焊的管板。此时一般管板过厚且对夹杂、分层要求更高。 在下列条件下可以选用16Mn结构钢板座管板 符合GB 3274-88碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带标准: 按GB 1591-79低合金结构钢技术条件复验化学成分和机械性能; 设计压力.p1.6MPa；设计温度.0-350度。3.5换热管采用JB/T4714、4715-92标准.换热管选用.材料采用20号碳钢 .选择正三角形排列.主要是考虑这种排列布管比较紧凑.传热系数较高.传热效果好.便于管板划线及

6、钻孔。换热管的管心距a=32mm.分程隔板槽两侧相邻管的中心距为37mm；同时.由于换热管管间需要进行机械清洗.故相邻两管间的净空距离（S-d）不宜小于6mm。根据设计压力、设计温度及操作状况选择换热管与管板的连接方式为强度焊。因为强度焊加工简单、焊接结构强度高.抗拉脱力强.在高温高压下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。管子数为196根.管长为6000mm.管中心距32mm。3.6拉杆和定距管设计拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。若对于壳体内径大于或等于400mm的换热器.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4个支承点。拉杆直径取 10. 数量取6根。定距管

7、的规格同换热管.其长度同实际需要确定。本台换热器定距管的布置可以参照部件图。拉杆的尺寸见表3-5.结构简图见图3-7.拉杆与定距管结构见图3-8。 表3-5 拉杆尺寸 单位：mm容器DN拉杆直径d 拉杆螺纹公称直径dnLa LbM600101212.56010管板上拉杆孔深Ld 拉杆数量拉杆重量kg材料1860.617A3结构简图3-7 38拉杆与定距管结构图3.7分程隔板 由于是多管程换热器.故此处需要用到分程隔板。 查GB151-1999可知：分程隔板槽槽深.取4mm.槽宽为12mm.且分程隔板的最小厚度为8mm.取厚度为11mm。选材为A3。3-4 分程隔板参数表槽深槽宽厚度个数材料4m

8、m12mm11mm3A33.8接管设计选材20号碳钢。在换热器的设计中.为了使传热面积得以充分利用.壳程流体进、出口接管应尽量靠近两端管板.而管箱进、出口接管应尽量靠近管箱法兰.可缩短管箱壳体长度.减轻设备重量。然而.为了保证设备的制造、安装.管口距管板或管箱法兰的距离也不能靠得太近.它受到最小位置的限制。图3-9壳程接管位置3.8.1壳程接管位置 壳程接管位置的最小尺寸.见图3-5.可按下式进行计算：带补强圈接管 mm不带补强圈接管 mm以上两式中取C4S（S为管箱壳体厚度.mm）.且30mm。我们采用的是不加补强圈接管.所以我们用的公式是mm。壳程接管DN=74mm,。壳程接管位置.其最小

9、尺寸为：mm取。 3.8.2管箱接管位置 图3-68 管箱接管位置管箱接管位置的最小尺寸.见图3-6.可按下式进行计算：带补强圈接管 mm不带补强圈接管 mm以上两式中取C4S（S为管箱壳体厚度.mm）.且30mm。以上四式中b.hf管板厚度.mm； L1/L2壳程/管箱接管位置最小尺寸.mm； C补强圈外缘（无补强圈时.为管外壁）至管板（或法兰）与壳体连接焊缝之间的距离.mm； DH补强圈外圆直径.mm； dH接管外径.mm。通过计算我们选用的不用加补强圈故我们的公式选用。管箱接管DN=128mm.。管箱接管位置.其最小尺寸为：mm。取。 3.8.3接管最小高度 表3-48 PN2230kg

10、/ms2；（2）其它各种液体.其v2740kg/ms2。防冲板的形式防冲板的形式.推荐以下四种喇叭管.D273mm的换热器。图中a15=15mm.a2d4.d42di.=6mm。防冲板焊在壳体上.用于D325mm左、右缺边折流板和D600mm上、下缺边折流板的换热器。防冲板焊在定距管上.用于D700mm上、下缺边折流板的换热器。防冲板焊在定距管上.用于D1200mm上、下缺边折流板的换热器。防冲板选矩形防冲板.其与壳体内壁的高度为H1=（1/41/3）接管外径.取H1=25mm；防冲板边长L大于接管外径20mm.取为120mm；厚度取B=4.5mm；选材为A3F。图3-11 防冲板安装形式3.

11、10接管法兰的选取查HG20602-97中表 PN1.6MPa.选取接管法兰为不锈钢衬里法兰.选取各管口公称直径.查得各法兰的尺寸。根据标准中规定.法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。 将查得的各参数整理见表。选材16Mn锻。表3-6 凸面平焊钢制管法兰 PN1.6MPa(16bar) 单位：mm公称通径DN80125连接尺寸法兰外径D200250螺孔分布直径K160210螺孔直径L1818螺孔数量n88螺纹ThM16M16法兰厚度C2022密封面尺寸d132184d175110X120175W106155f244.5衬里厚度凸面t32t122凸面榫度t1010理论重量kg7.3410.8

12、4 图3-13 接管法兰 3.11垫片 查BS EN 1514-1-1997 -中文版-法兰及其连接件法兰用垫片尺寸(米制).根据设计压力.选取的法兰结构和尺寸.选择各管口的密封垫片见（图3-14）.各垫片的尺寸见表3-7。 垫片类型如下：A) FF型垫片.适用于A型（平面）或B型（凸面）法兰密封面B) IBC型垫片.适用于A型（平面）或B型（凸面）法兰密封面C) TG型垫片.适用于C/D型（榫或槽）法兰密封面D) SR型垫片.适用于E/F型（凸或凹）法兰密封面 图3-14（2）使用IBC型垫片的B型法兰密封面表3-7 垫片尺寸表 （BS EN 1514-1-1997）管口名称公称直径/mm内

13、径D1/mm外径D2/mm厚度材料管程进料口1251411821.5mmA3管程出料口125141182壳程进料口8089132壳程出料口8089132容器法兰垫片600610679注：填充材料为石棉橡胶板。3.12螺柱（螺栓） 查HG/T 20592-2009.得螺柱的长度和平垫圈尺寸见表3-8。表3-8螺栓及垫片尺寸HG/T 20592-2009 单位：mm 法兰/DN螺栓规格（直径长度）每千个螺栓重量（带螺母）kg数量材料平垫圈规格内径d1外径d2公称厚度h壳程进口法兰/75M16701388A317303壳程出口法兰/75M1670138817303管程进口法兰/125M1670138

14、817303管程出口法兰/125M1670138817303容器法兰/600M2012035940213733.13鞍座3.13.1鞍座选用设备上的支座是支撑设备质量和固定设备位置用的一种不可缺少的部件.支座的结构形式和尺寸往往决定于设备的形式、载荷情况及构造材料。由于本次设计的换热器为卧式设备.所以本次设计选用鞍式支座。目前常用的鞍式支座标准为JB/T4712-200713。鞍式支座材料一般为Q235B.加强垫板的材料则应与筒体一致。按照JB/T 4712-92标准.选择鞍座的型号为：DN600、120包角BI重型带垫板鞍式支座；选材为16Mn。具体尺寸见表3-9。 JB/T 4712-92

15、 公称直径mmDN600腹板mm8垫板mm200636底板mm550筋板mm120螺栓间距mm4001508鞍座质量（带垫片）Kg2410垫板mm弧长710每增加100mm高度增加的质量Kg5允许载荷Q/KN165鞍座高度h200垫片数量23.13.2鞍座的安装位置鞍座的安装结构见图3-10和3-1113；由于换热管束长度L3000mm.所以选取：LB=（0.50.7）L=；并且。需满足壳程接管焊缝与支座焊缝间的距离要求.即：=105mm 查表得,;式中：取.且。B为补强圈的外径.S为筒体壁厚。 鞍座安装位置图 鞍式支座结构图第四章、强度校核4.1筒体壁厚计算 由工艺设计给定设计温度150 ,

16、 设计压力 1.6MPa , 选16MnR钢板卷制.材料150时.616mm时的16许用应力为.取焊缝系数=0.7.腐蚀裕度C2=1.5mm.则：计算厚 设计厚度 取C1=0.675mm名义厚度 .经查阅文献.取；有效厚度 水压试验压力 所选材料的屈服应力 水压试验应力校核 由于 故水压强度满足要求。4.2前端管箱短节和封头厚度的计算 由工艺设计给定设计参数为：设计温度150.设计压力1.60MPa,选用碳钢-20钢板.材料许用应力=130MPa,屈服强度.取焊缝系数0.70.腐蚀裕度 。计算厚度 设计厚度 名义厚度 结合考虑开孔补强及结构需要取；有效厚度 压力试验在这种情况下一定满足。管箱封

17、头厚度与短节相同.取.封头尺寸17见表4-1.结构见图4-1。 表4-1 封头尺寸表公称直径DN（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）碳钢厚度（mm）内表面积 A 容积 V600150408046400396图 4-1 标准椭圆形封头结构简图4.3后端管箱短节和封头厚度的计算由工艺设计给定设计参数为：设计温度150.设计压力1.60MPa,选用碳钢-20钢板.材料许用应力=170MPa,屈服强度.取焊缝系数0.70.腐蚀裕度 。后端管箱内径为.其余条件、参数同筒体。短节计算壁厚 短节设计壁厚 短节名义壁厚 有效厚度 水压试验应力校核 由于 故水压强度满足要求。管箱封头也选用标准椭圆封头：封头

18、计算壁厚： 封头名义壁厚： .取名义壁厚与短节等厚 .封头尺寸见表4-2.封头结构见图4-2。 表4-2 封头尺寸表公称直径DN（mm）曲面高度（mm）直边高度（mm）碳钢厚度（mm）内表面积 A 容积 V 60015025804360.0352图 4-2 标准椭圆形封头结构简图4.4固定管板强度计算 固定管板厚度设计采用BS法。假定管板厚度 b=54总换热管数量 n=196一根管壁金属的横截面积为： 开孔强度削弱系数（四程） 两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚）L 取5892；计算系数K： 故K=2.50；按管板简支考虑.依K值查图得G1=0.70.G2=1.65.G3=0.052筒体内径

19、截面积 管板上管孔所占的总截面积： 系数 系数 管板选材为16Mn锻。换热管选材为20号碳钢.在20300范围.膨胀系数大约为13.09 。 系数 筒体壳壁的横截面积: 20号碳钢弹性模量E=206Gpa系数 壳程压力 .管程压力 当量压差 最大压差 管板最大应力： 管子最大应力： 或管板和管子的强度校核管板计算厚度满足强度要求。考虑管板双面腐蚀取C2=3mm.隔板槽深取 4mm.实际管板厚为46mm。4.5管箱短节开孔补强校核 开孔补强采用等面积补强法.由工艺设计给定的接管尺寸为考虑实际情况选20号碳钢钢管=130 MPa, , C2=1.5mm。接管计算壁厚 接管有效壁厚 开孔直径 接管有

20、效补强宽度B=2d=2132.8=265.6mm 接管外侧有效补强高度 需要补强面积 可以作为补强的面积为 该接管补强的强度足够.不需要另设补强结构。4.6壳体接管开孔补强校核 选取20号碳钢管 .钢管许用应力。接管计算壁厚 接管有效壁厚 开孔直径 接管有效补强宽度 接管外侧有效补强高度 需要补强面积 可以作为补强的面积为 （4-30） (4-31) (4-32)故该开孔补强的强度足够.不需另行补强。第五章、制造安装清洗与维修5.1 换热器的制造5.1.1 筒体换热器筒体的圆度要求较高.必须保证壳体与折流板之间有合适的间隙。如太大就要影响换热效果.太小就要增加装配的难度。切割好的钢板应根据钢板

21、厚度、操作压力高低选定破口形式进行边缘加工。用钢板卷制时.内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制.其外周长允许上偏差10mm；下偏差为0。5.1.2 封头和管箱 封头和管箱的厚度一般不小于壳体的厚度。分程隔板两侧全长均应焊接.并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大.故管箱和封头法兰等焊接后.须进行消除应力的热处理.最后进行机械加工。5.1.3 换热管 直管一律采用整根管子而不允许有接缝。管子应该进行校直.管子两端须用磨管机清除氧化皮、铁锈、及污垢等杂质直至露出金属光泽。除锈长度不小于两倍管板厚度。当管子与管板的连接采用胀接工艺时.管端硬度应低于管板硬度。同一根换热管的对接焊缝.直管不得超过一条；

22、U型管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段范围内不得有拼接焊缝。管端破口应采用机械方法加工.焊前应清洗干净。 换热管组装要求两管板相互平行.允许误差不得大于1mm.两管板间长度误差为2mm；管子与管板应垂直；拉感应牢靠固定；定距管两端面要整齐；穿管时管子头不能用铁器直接敲打。5.1.4 折流板由于折流板很薄.钻孔时钻头的推力使管板中心变形.故可将下料或圆整的折流板去掉毛刺并校平.重叠、压紧后沿周边点焊、然后一起钻孔。 为了保证顺利穿管.必须是折流板的管孔与管板中心在同一直线上.可以将管板当作钻模放在折流板上.压紧后进行引孔.即以管板危机出现在折流板上钻出和管板孔距一

23、致的定位孔.然后取下管板.将折流板压紧.并换上合适的钻头。5.1.5 管板 管板由低合金钢锻件Q345（16Mn）制成.加工前表面不平度不得大于2mm.如超过此值.应先进行校平.然后进行加工。 拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测.按JB4730-94进行表面检测.检测结果不低于级.或超声检测中的级为合格20。换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接.连接部位的换热管和管板孔表面.应清理干净.不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。 管板与换热管焊接时.管孔表面粗糙度Ra值25m。5.1.6根据换热器的结构形式.应在换热器的两端留有足够的空间来满足操作

24、、清洗、维 修的需要.固定管板式换热器的 两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。5.2 换热器的安装5.2.1安装安装位置：根据该换热器的结构形式.在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。安装换热器的基础：必须足以使换热器不发生下沉.或使管道把过大的变形传到换 热器的接管上。5.2.2 地脚螺栓和垫铁（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母.螺母与底板间应留有13mm的间隙。（2）地脚螺栓两侧均有垫铁.但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。5.3 换热器的焊接5.3.1 壳体焊接工艺焊接壳体时.应先焊筒节纵缝.焊好后校圆.再组装焊接环缝。要

25、注意的是必须先焊纵缝后焊环缝.因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的限制.其结果会引起过大的应力.甚至产生裂纹21。每条焊缝的焊接次序是先焊筒体里面.焊完后从外面用碳弧气刨清理焊根.将容易产生裂纹和气孔的第一层焊缝基本刨掉.经磁粉或着色探伤确信没有缺陷存在后再焊外侧。壳体的材料为20号碳钢.其可焊性较好。焊前不需要进行预热.采用埋弧自动焊.开V型坡口.采用H08Mn2焊丝和HJ431焊剂.焊完后需将其加热到600650.要进行焊后热处理以消除残余应力.而且也可软化淬硬部位.提高韧性。5.3.2 换热管与管板的焊接工艺换热管与管板的焊接一般采用手工电弧焊.也广泛采用惰性气体保

26、护焊.在此选择其焊接方式为手工电弧焊。管子的材料为10号钢.而管板的材料为锻件16Mn.两者的焊接性能都较好.由于管板厚度较大.此时应进行焊前预热.预热温度为100200.选用焊条J506.焊后热处理温度为600650.以消除残余应力。管子与管板焊接最主要的问题是焊接缺陷.缺陷一般为气孔或裂纹。它们直接关系到工程的质量。产生气孔的主要是附在管子和管板孔上的油脂、铁锈、空气和堆焊管板时复层中夹有的焊渣在受热时分解而造成。因此在焊接前.要特别注意焊接部位的脱脂和除锈。另一个可能产生的缺陷是裂纹.如果接头的化学成分控制不当.热影响区过度硬化.结点处有油污及管子与管板孔配合间隙过大等.都易在焊缝处引起

27、裂纹。5.3.3 法兰与筒体的焊接工艺法兰与筒体的焊接属于C类接头。法兰的材料为锻件20MnMo.筒体的材料为20号碳钢.两者都具有良好的综合机械性能和焊接性能.此时可以采用埋弧自动焊.焊丝为H10MnSiA.焊剂为HJ250.焊后需要进行消除应力热处理.需要将热处理温度控制在550650。5.4换热器结垢的清洗 5.4.1、 清洗剂的选择 清洗剂的选择.目前采用的是酸洗.它包括有机酸和无机酸。有机酸主要有：草酸、甲酸等。无机酸 主要有：盐酸、硝酸等。根据换热器结垢和工艺、材质和水垢成分分析得出： 1)换热器流通面积小.内部结构复杂.清洗液若产生沉淀不易排放。 2)换热器材质为镍钛合金.使用盐酸为清洗液容易对板片产生强腐蚀.缩短换热器的使用寿命。 通过反复试验发现.选择甲酸作为清洗液效果最佳。在甲酸清洗液中加入缓冲剂和表面活性剂.清洗 效果更好.并可降低清洗液对板片的腐蚀。通过对水垢样本的化学试验研究表明.甲酸能够有效地清除水 垢。通过酸液