畢業(yè)設計--年產(chǎn)17萬噸丙烯工藝生產(chǎn)中的換熱器

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　換熱器是實現(xiàn)熱量傳遞的一種設備，在工業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用，在各個化工相關領域得到了廣泛的應用。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，人們通過換熱器來將熱量從一溫度較高的物料傳遞到另一溫度較低的物料。例如，在合成丙烯的生產(chǎn)中，通過廢熱鍋爐來降溫以實現(xiàn)控制溫度的目的；在精餾塔結構中設置冷凝器；用換熱器來實

2、現(xiàn)飛機發(fā)動機的散熱等等。這都是換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。</p><p>　　本次設計的是年產(chǎn)17萬噸工藝生產(chǎn)中換熱器，和其他管殼式換熱器一樣，能適應高溫、高壓的工作環(huán)境，同時，還容易清潔，但造價比較貴。在設計的過程中，我根據(jù)設計說明書，翻閱了相關資料，查了相關的國家標準，從工藝計算、結構設計以及強度校核等方面設計出了符合條件的換熱器，并繪制了圖紙。</p><p>　　本次設計是對我大學

3、四年學習成果的檢驗，但因為本人水平有限、知識比較匱乏，設計中難免有錯誤以及不當之處，希望各位老師、同學能給予指正。</p><p><b>　　1. 概述</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　在化工、煉油、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中，絕大部分的工藝過程都有加熱、冷卻和冷凝的過程，這些被總稱為換熱過程，而使這些換熱過程

4、得以實現(xiàn)的設備稱為換熱設備,作為通用工藝設備被廣泛應用于化工、煉油、動力、原子能和其他許多工業(yè)部門。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，在化工廠，換熱設備的投資約占總投資的10%～20%；在石油煉廠中，約占全部工藝設備投資的35%～40%?？梢钥闯鲈谔岣邆鳠嵝实耐瑫r，促進換熱設備的結構緊湊性以及產(chǎn)品的系列化、標準化與專業(yè)化不僅可以對現(xiàn)有生產(chǎn)技術進行提高，還能節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本。</p><p>

5、　　1.2 國內外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢</p><p>　　上個世紀70年代初發(fā)生世界性能源危機，有力地促進了傳熱強化技術的發(fā)展。當今換熱器技術的發(fā)展以CFD（計算流體力學技術）、模型化技術、強化傳熱技術等形成一個高技術體系。最近十幾年，強化傳熱技術受到了工業(yè)界的廣泛重視，得到了十分迅速的發(fā)展，國內外先后推出了板式、螺旋板式、板翅式等高效的傳熱設備。</p><p>　　早期，我國換熱器

6、的制造技術遠遠落后于國外，由于工藝以及技術的限制，當時的換熱器只能采用簡單的結構，不但傳熱面積小，而且體積大、笨重。近年來，借著國內經(jīng)濟迅猛發(fā)展良好機遇，的國內的換熱器制造技術已經(jīng)有了長足的發(fā)展，各種類型和種類的換熱器發(fā)展猛烈，使用新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)，但與國外有不小的差距，特別是在新型高效換熱器領域。</p><p>　　未來，國內市場需求將會有以下特點：產(chǎn)品質量水平應有更高的要求，特別是在環(huán)保與節(jié)能

7、方面，更是發(fā)展的重點方向；產(chǎn)品的性價比應該更高；產(chǎn)品的多樣化與系列化；產(chǎn)品品牌的需求；生產(chǎn)廠家的大型化與集團化。</p><p>　　在國外二十世紀20年代出現(xiàn)了板式換熱器，一出現(xiàn)就應用在了食品行業(yè)。板式換熱器的結構緊湊、傳熱效果好，后來被發(fā)展出了多種結構形式。30年代初，瑞典制成了螺旋板換熱器，接著英國用釬焊法制成了由銅及其合金材料制造的板翅式換熱器，并應用于飛機發(fā)動機散熱。30年代末，瑞典又首次制成了板殼式換

8、熱器，并應用于紙漿工廠。同時，腐蝕問題漸漸被人們重視，越來越多的人注意到了新材料的應用。到了60年代，隨著制造工藝的進一步完善，緊湊型板面式換熱器得到了蓬勃的發(fā)展和廣泛的應用，同時為了滿足在高溫、高壓條件下的工藝要求，典型管殼式換熱器也得到了進一步發(fā)展，增加了強化傳熱。70年代，逐漸向體積減小、重量減小、消耗減少、適應性增強方面發(fā)展。</p><p>　　20世紀60年代以來，我國不斷開發(fā)了丙烯氨氧化技術，并建成

9、多套千噸級規(guī)模裝置。目前，中國石化已開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的丙烯腈成套技術，其中包括MB系列丙烯腈催化劑、空氣分布板和丙烯-氨分布器、旋風分離器、復合萃取分離技術、負壓脫氰塔、導向浮閥和氣液分離器等專利或專有技術。并且利用該成套技術分別將中國石油化工股份有限公司齊魯分公司的原產(chǎn)能2.5萬噸/年丙烯腈生產(chǎn)裝置改造成了具有自主知識產(chǎn)權的4萬噸/年國產(chǎn)化示范裝置；將中國石化上海石油化工股份有限公司(簡稱上海石化)的原產(chǎn)能6.0萬噸/年丙烯裝

10、置改造至13萬噸/年，打破了國外的技術壟斷，為國內現(xiàn)有裝置改擴建提供了技術依據(jù)。這些裝置中少不了存在換熱器的關鍵設計。</p><p>　　1.3本次設計研究的主要內容</p><p>　　本次設計的是年產(chǎn)17萬噸丙烯工藝生產(chǎn)中的換熱器，具有高度的可靠性和廣泛的適應性，在現(xiàn)如今的各種換熱器中占住著主導地位。</p><p>　　該換熱器設計參考的前提是常減壓裝置中的

11、工藝條件，根據(jù)裝置工藝條件選擇具體的流量、溫度、壓力等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)我們選擇了浮頭式換熱器作為此次設計的重點，主要優(yōu)點是管束可以抽出，以方便清洗管、殼程；介質間溫差不受限制；可在高溫、高壓下工作，一般溫度小于等于450°，壓力小于等于6.4MPa；可用于結垢比較嚴重的場合；可用于管程易腐蝕場合。但結構復雜，成本高，制造安裝要求高。</p><p>　　浮頭式換熱器是由管箱、筒體、管板、封頭、折流板、

12、換熱管等零部件組成，根據(jù)換熱管材料、密度、液體的粘度、比熱容、導熱系數(shù)、管程數(shù)以及殼體材料、蒸汽冷凝潛熱、溫度等條件下確定管板的厚度、折流板的形狀、尺寸與數(shù)量、折流板的布置情況和確定換熱器的結構尺寸。根據(jù)已知的工作狀況，選定換熱器所在的化工工藝過程，從而根據(jù)工藝條件，以確定換熱器內介質的物性參數(shù)；根據(jù)工藝結構尺寸結合已知條件，進一步計算換熱器結構參數(shù)；最后進行換熱器核算。</p><p>　　2. 換熱器工藝設計

13、</p><p><b>　　2.1設計參數(shù)</b></p><p><b>　　2.2設計方案</b></p><p>　　如下圖所示，循環(huán)冷卻水容易結垢，而且，當流速慢的時候，結垢的速度還會增長，從而導致?lián)Q熱器的流量下降。綜合考慮，水走管程，滑油走殼程，選擇逆流。</p><p>　　圖2.1

14、并、逆流示意圖</p><p>　　2.3物性參數(shù)的確定</p><p>　　通過給出的物物性參數(shù)有：</p><p>　　密度 ＝600 kg/</p><p>　　定壓比熱容 =2.39 kJ/(kg·K)</p><p>　　熱導率 =

15、0.133 W/(m·K)</p><p>　　粘度 =0.19 pa·s </p><p>　　查表得水的進口溫度為45度， 則熱流量為：</p><p>　　=qv△=2.39×50×876×(45-40)=428145kJ/h</p><p><b>

16、;　　即==119 kw</b></p><p>　　其中，qv——體積流量 /h</p><p><b>　　則水的定性溫度為：</b></p><p><b>　　T=34℃</b></p><p>　　查物性表可得水在34℃下的物性參數(shù)為：</p><p>

17、;　　密度 ＝994.3 kg/</p><p>　　定壓比熱容 =4.174 kJ/(kg·K)</p><p>　　熱導率 =0.624 W/(m·K)</p><p>　　粘度 =0.742× Pa·s</p><

18、p>　　由熱流量得冷卻水的溫差：</p><p>　　△=/（qv）=428145/(4.174×54×994.3)=1.9℃</p><p><b>　　故假設比較合理。</b></p><p>　　則總傳熱系數(shù)K取經(jīng)驗值為：</p><p>　　K=510 W/(㎡·K)</

19、p><p><b>　　2.4估算傳熱面積</b></p><p><b>　　按純流體計算，由于</b></p><p>　　=(45-35)/(40-33)=1.4<2</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　△tm==(10

20、+7)/2=8.5 K</p><p><b>　　可求換熱面積為：</b></p><p>　　=/(K·△)=119/(510×8.5)=27.5 ㎡</p><p>　　2.5確定工藝結構尺寸</p><p>　　2.5.1傳熱管的選擇</p><p>　　小管徑的結構緊

21、湊，單位體積傳熱面積大，成本少，故選19×2較高級冷拔換熱管(材質為碳鋼)，取管內流速為u=1.3m/s。</p><p>　　2.5.2傳熱管數(shù)與管程數(shù)</p><p><b>　　單程傳熱管數(shù)為：</b></p><p>　?。絍/(u)=＝65.3根</p><p><b>　　則傳熱管長度為：

22、</b></p><p>　　L＝/＝27.5/（3.14×0.015×65）= 8.98 m</p><p>　　一般按四管程設計會使傳熱管長度適中，則取管長為：</p><p><b>　　L=2.25 m</b></p><p><b>　　則傳熱管總根數(shù)為：</b&

23、gt;</p><p>　　=65×4＝260 根</p><p>　　2.5.3平均傳熱溫差的校正以及殼程數(shù)</p><p>　　換熱器采用的是多殼程，則流體的流動形式不是純粹的并流與逆流，使得平均溫差的計算變得復雜。對于錯流或復雜流動的流體的平均溫差，查設計手冊知，常用圖算法，過程如下：</p><p>　　R= (-)/(-)

24、=(45-40)/(35-33)=2.5</p><p>　　P= (-)/(- )=(35-33)/(45-33)=0.167</p><p>　　其中 R——熱流體的溫降/冷流體的溫升</p><p>　　P——冷流體的升溫/兩流體最初溫差</p><p>　　、——熱流體進、出口溫度 ℃</p><p&g

25、t;　　、——冷流體進、出口溫度 ℃</p><p>　　按單殼程、四管程結構，查圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖有：</p><p>　　圖2.2 單殼程管子參數(shù)圖</p><p>　　圖2.3 四殼程管子參數(shù)圖</p><p>　　則平均傳熱溫差校正系數(shù)為：</p><p>　　＝0.96＞0.8，故單殼程合適<

26、/p><p>　　求得平均傳熱溫差為：</p><p>　　=·Δtm=0.96×8.5=8.16℃ </p><p>　　2.5.4傳熱管的排列以及分程</p><p>　　換熱管排列方式主要有正三角形、正方形和轉角正三角形、轉角正方形。正三角形排列可以在同樣的管板面積上排更多的管子，但是管外不易清理，故采用組合排列法。即管

27、程內按正三角形排列，隔板兩側用正方形排列，如下圖所示。</p><p>　　圖2.4 傳熱管排列方式 </p><p>　　換熱管中心距宜不小于1.25倍的換熱器外徑，根據(jù)常用的換熱器中心距表有：</p><p>　　表2.1 換熱器中心距</p><p><b>　　換熱器中心距為：</b></p>&l

28、t;p><b>　　S=25 mm</b></p><p>　　分程隔板槽兩側相鄰管中心距為：</p><p><b>　　Sn=38 mm </b></p><p><b>　　結構如圖所示：</b></p><p>　　圖2.5 分程隔板槽結構</p>

29、<p><b>　　2.5.5殼體內徑</b></p><p><b>　　殼體內徑為：</b></p><p><b>　　D= 1.05t </b></p><p>　　其中， t —管心距 mm</p><p>　　N —傳熱管的總根數(shù)</p>

30、<p>　　——傳熱管外徑 mm</p><p><b>　　η ——管板利用率</b></p><p>　　換熱器采用多管程結構，取η=0.6，則</p><p>　　D=1.05×25=546.4 mm</p><p>　　圓整可取 D=600 mm</p><p>&

31、lt;b>　　2.6換熱器的核算</b></p><p>　　2.6.1 熱流量的核算</p><p><b>　　當量直徑為：</b></p><p>　　=4[(/2)×-0.785×]/(3.14×0.019)=0.017 m</p><p><b>　　殼

32、程流通截面積為：</b></p><p>　　=BD(1-/t)=0.18×0.6(1-0.019/0.025)=0.0259 ㎡</p><p><b>　　殼程流體流速為：</b></p><p>　　=/=(50/3600)/0.0259=0.54 m/s</p><p><b>　

33、　則雷諾數(shù)為：</b></p><p>　　=/=0.015×0.54×876/0.21=33.79＜2300，層流</p><p><b>　　普蘭特數(shù)為：</b></p><p>　　＝/＝1955×0.21/0.144= 2851</p><p><b>　　又因

34、為</b></p><p>　?。?851×33.79×0.015/2.25=642.2﹥10</p><p>　　努塞特數(shù)公式為 Nu=.d/</p><p>　　其中 ——傳熱系數(shù)</p><p>　　d ——流體特征常數(shù)</p><p><b>　　——熱導率&

35、lt;/b></p><p><b>　　則傳熱系數(shù)為：</b></p><p><b>　　其中，粘度校正≈1</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　=1.86×(2851×33.79×0.015/2.25&

36、#215;=154W/(㎡·K)</p><p>　　對管內，假設冷卻水為湍流流動，則</p><p><b>　　Nu=0.023</b></p><p><b>　　得 =</b></p><p>　　根據(jù)化工原理可知： 自來水被加熱時，n=0.4</p><p

37、>　　所以，管程流體流通截面積為：</p><p>　　=(π/4)·d2·ns=0.785××=0.012㎡</p><p>　　求得管程流體流速為：</p><p>　　==1.25 m/s</p><p><b>　　可得雷諾數(shù)為：</b></p><

38、;p>　　Re= d2/==25125.5＞100000</p><p>　　所以，假設成立，即冷卻水為湍流</p><p><b>　　普蘭特數(shù)為：</b></p><p><b>　?。?==4.96</b></p><p><b>　　代入公式可得：</b><

39、/p><p>　　=0.023××(25125.5×=6013 W/(㎡·K)</p><p>　　查《GB151-1999管殼式換熱器》F7.1表F1有：</p><p>　　管外側污垢熱阻 =0.000176㎡·℃/W</p><p>　　管內側污垢熱阻 =0.0006㎡

40、83;℃/W</p><p><b>　　又查表F3得</b></p><p>　　碳鋼在給定設計條件下的熱導率約為51.8 W/(m·℃)</p><p><b>　　則管壁熱阻為：</b></p><p>　　===0.00004 ㎡·℃/W</p><p

41、>　　其中 b――傳熱管厚度 m；</p><p>　　――管壁熱導率 W/(m·℃)</p><p><b>　　由公式得</b></p><p><b>　　傳熱系數(shù)為：</b></p><p><b>　　K=</b></p><

42、p>　　=514 w/m2·K</p><p><b>　　由公式得：</b></p><p><b>　　=＝28.4㎡</b></p><p>　　又換熱器的實際換熱面積為：</p><p>　　＝＝3.14×0.019×2.25×260=34.9㎡

43、</p><p>　　所以換熱器的面積裕度為：</p><p>　　H===22.9％＞20％</p><p>　　所以傳熱面積裕度合適，能夠完成生產(chǎn)任務。</p><p>　　2.6.2 壁溫的核算</p><p>　　該換熱器的管壁比較薄，而且管壁熱阻非常小，所以管壁溫度公式為：</p><p&

44、gt;　　又因為該換熱器用循環(huán)水冷卻，在冬季工作時，循環(huán)水的進出口溫度會比較低。取循環(huán)冷卻水進口溫度15℃、出口溫度39℃來計算傳熱管壁溫。</p><p>　　同時，由于傳熱管內側污垢熱阻比較大，這會使得傳熱管壁溫升高，從而降低了傳熱管與殼體之間的壁溫差。但是，在操作初期，傳熱管內側污垢熱阻比較小，則傳熱管與殼體之間壁溫差會比較大。計算時，應該按最不利的操作條件來考慮，故，取兩側的污垢熱阻為零來計算傳熱管壁溫。

45、</p><p>　　所以，公式可以寫為：</p><p>　　其中 ――熱流體的平均溫度，℃</p><p>　　——冷流體的平均溫度，℃</p><p>　　——熱流體側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)</p><p>　　——冷流體側的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡·K)</p><

46、p><b>　　液體的平均溫度為：</b></p><p><b>　　==34℃</b></p><p><b>　　=42.5℃</b></p><p>　　其中 ——熱流體進口溫度，℃</p><p>　　——熱流體出口溫度，℃</p><p&g

47、t;　　——冷流體進口溫度，℃</p><p>　　——冷流體出口溫度，℃</p><p>　　所以傳熱管的平均壁溫為：</p><p><b>　　=34.2℃</b></p><p>　　殼體壁溫可以近似的取殼程流體的平均溫度為： T=42.5℃</p><p>　　所以，殼體壁溫與傳熱管壁溫

48、之差為：</p><p>　　t=42.5-34.2=8.3℃</p><p>　　該溫差較小，實際上可以不使用浮頭式，但是按設計要求選用浮頭式。</p><p>　　2.6.3 換熱器內流體流動阻力的核算</p><p><b>　　管程流體總阻力為：</b></p><p>　　其中 ——

49、單程直管阻力；</p><p><b>　　——局部阻力；</b></p><p><b>　　——殼程數(shù)；</b></p><p><b>　　——管程數(shù)</b></p><p>　　——管程結構校正系數(shù)，可近似的取值為1.5</p><p>　　由前

50、面可得 =1 ， =4</p><p>　　又=25125，則傳熱管的相對粗糙度為：</p><p><b>　　==0.013</b></p><p>　　查化工原理摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)以及相對粗糙度的關聯(lián)圖可得：</p><p><b>　　=0.04</b></p>&l

51、t;p>　　又流體速度u=1.25 m/s,=994.3 kg/ ,局部阻力系數(shù)=3.0</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　==4661 Pa</b></p><p><b>　　==2330 Pa</b></p><p>　　=(46

52、61+2330)141.5=41946 Pa</p><p>　　管程流體總阻力在允許范圍內（小于50KPa）。</p><p>　　對殼程，總阻力按公式計算</p><p><b>　　由前面有</b></p><p>　　Ns=1 , Fs=1.15</p><p>　　管束采用正三

53、角形，則</p><p>　　F=0.5 Re=33.79</p><p><b>　　=0.224</b></p><p>　　NT =260（傳熱管的總根數(shù)）</p><p>　　NTC=1.1NT0.5=1.1×2600.5=17.7</p><p>　　=11 （折流板數(shù)

54、） </p><p><b>　?。?.54m/s</b></p><p>　　故流體流經(jīng)管束的阻力為：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=3038 Pa</b></p><p>　　對折流板有 B=0.

55、18 m ， D=0.6 m</p><p>　　則流體流過折流板缺口的阻力為：</p><p><b>　　=4074 Pa</b></p><p><b>　　所以總阻力為：</b></p><p>　　==8178.8 Pa</p><p>　　故殼程流體的總阻力在

56、允許范圍內。</p><p><b>　　小結</b></p><p>　　換熱器主要結構尺寸和計算結果如下表所示：</p><p>　　表2.2 換熱器結構尺寸數(shù)據(jù)</p><p>　　3. 換熱器機械設計</p><p><b>　　3.1結構設計</b></p&g

57、t;<p>　　換熱器的設計壓力為P=0.435MPa ≤1.6MPa，操作時溫度小于350℃，所以封頭材料選用Q235-B，封頭的結構形式采用最常用的橢圓封頭。查標準JB/4737-95有，橢圓封頭厚度與圓筒厚度相等，再查《GB151-1999管殼式換熱器》5.3.2表8有：</p><p><b>　　表3.1 封頭厚度</b></p><p>　　

58、則取厚度為=8 mm</p><p><b>　　封頭結構形式如下：</b></p><p>　　圖3.1 封頭結構圖</p><p><b>　　其尺寸為：</b></p><p>　　表3.2 封頭尺寸1</p><p><b>　　凸形封頭尺寸為：</b

59、></p><p>　　表3.3 封頭尺寸2</p><p><b>　　3.2管箱與圓筒</b></p><p>　　用前面可知，筒體直徑D=600mm,則500mm＜＜800mm,因此選用封頭管箱。</p><p>　　查《GB151-1999管殼式換熱器》可知，管箱圓筒(短節(jié))的最小厚度與圓筒最小厚度相同，即

60、為8mm。</p><p>　　管箱的最小長度為：（按B形管箱的流通面積計算）</p><p>　　其中 －封頭厚度，mm</p><p>　?。忸^直邊段高度，mm</p><p><b>　　－各程平均管數(shù)，根</b></p><p>　　E－各相鄰管程間分程處物料流通的最小寬度，mm <

61、;/p><p>　　查得E=600mm,代入公式有：</p><p><b>　　=52 mm</b></p><p>　　接著按相鄰焊縫間的距離計算最小距離為：</p><p>　　其中 －接管位置尺寸，mm</p><p>　　且(無接管補強時4S，且50)</p><p&g

62、t;　?。庸苤翚んw與封頭連接焊縫距離，mm</p><p><b>　?。忸^高度，mm</b></p><p><b>　?。庸軆葟?，mm</b></p><p><b>　　代入公式得到：</b></p><p><b>　　387 mm</b>&

63、lt;/p><p><b>　　對與之間取較大值</b></p><p>　　則管箱最小長度為=387 mm</p><p><b>　　3.3分程隔板</b></p><p>　　3.3.1分程隔板厚度</p><p>　　對分程隔板厚度，查《GB151-1999管殼式換熱器》

64、有：</p><p>　　表3.4 分程隔板厚度</p><p>　　則，取分程隔板的最小厚度為：=8 mm</p><p>　　3.3.2分程隔板槽</p><p>　　分程隔板槽槽深不小于4mm</p><p>　　又因為所用材料為碳鋼，所以取分程隔板槽的寬度為12mm, 隔板槽拐角處倒角為45°，倒角寬

65、度b可以看作近似等于分程墊片的圓角半徑R，結構圖如下：</p><p><b>　　圖3.2 分程墊片</b></p><p><b>　　3.4換熱管</b></p><p>　　所選換熱管的尺寸及偏差為： </p><p>　　表3.5 換熱管尺寸</p><p><

66、;b>　　3.5接管</b></p><p>　　本次設計中接管的基本要求有：</p><p>　　接管與殼體內表面平齊</p><p>　　接管應該盡量的沿換熱器的徑向或軸向設置</p><p>　　對于接管的尺寸，殼程流體的流速為0.54m/s,則：</p><p><b>　　==18

67、8 mm</b></p><p>　　管程流體的流速為1.3m/s,則：</p><p><b>　　==117 mm</b></p><p>　　按管高度來確定，查取標準得到=200mm</p><p>　　則殼程接管位置的最小尺寸如下圖所示：</p><p>　　圖3.3 殼程接管

68、位置</p><p>　　且，==185.5 mm</p><p>　　管箱接管位置的最小尺寸如下圖所示：</p><p>　　圖3.4 管箱接管位置</p><p>　　且，==209 mm</p><p>　　上面兩幅圖中 C≥4S，且C≥30mm</p><p>　　DH— 補強圈外徑

69、, mm</p><p>　　dh — 接管外徑 , mm</p><p>　　S — 壁厚 ，mm</p><p>　　b — 管板厚度 , mm</p><p>　　3.6 浮頭管板與鉤圈法蘭的結構設計</p><p>　　因為換熱器的內徑已經(jīng)確定下來，所以浮頭管排列外徑以及結構尺寸均采用標準內徑來決定。查《GB1

70、51-1999管殼式換熱器》表14、表15、圖13有：</p><p>　　圖3.5 浮頭管板結構圖及尺寸</p><p>　　取b=3mm , =3mm , =12mm</p><p><b>　　則其結構尺寸如下：</b></p><p>　　浮頭管板外徑為： =600-23=594 mm</p>&l

71、t;p>　　浮頭管板外徑與殼體內徑間隙為： =3mm</p><p>　　墊片寬度為： =12mm</p><p>　　浮頭管板密封面寬度為： =12+1.5=13.5 mm</p><p>　　浮頭法蘭與鉤圈外直徑為： =680 mm</p><p>　　浮頭法蘭與鉤圈內直徑為： =570 mm</p><p>

72、;　　外頭蓋的內徑為: =700 mm</p><p>　　螺栓中心圓直徑為： ==637 mm</p><p>　　其浮頭管板與鉤圈法蘭結構如下圖：（選擇B型鉤圈）</p><p>　　圖3.6 鉤圈結構圖</p><p><b>　　3.7 管法蘭</b></p><p>　　按照標準GB/T

73、9113.1-2000得到尺寸如下表：</p><p>　　表3.6 管法蘭尺寸</p><p><b>　　其結構圖如下:</b></p><p>　　圖3.7 管法蘭結構圖</p><p><b>　　3.8 布管限定圓</b></p><p>　　其尺寸按《GB151-

74、1999管殼式換熱器》表13有：</p><p>　　表3.7 布管限定圓尺寸</p><p><b>　　則=561 mm</b></p><p><b>　　其結構如下：</b></p><p>　　圖3.9 布管限定圓結構</p><p>　　3.9拉桿的尺寸、數(shù)量以及

75、布置</p><p>　　因為換熱管的直徑為19mm,所以采用的拉桿定距管結構形式如下圖所示：</p><p>　　圖3.10 拉桿結構圖</p><p>　　因為換熱器殼體內徑為600mm,選拉桿直徑為12mm,數(shù)量為4根，選定的拉桿尺寸如下：（螺紋連接）</p><p>　　圖3.11 拉桿尺寸標注圖</p><p&g

76、t;<b>　　表3.8 拉桿尺寸</b></p><p>　　因為是螺紋連接，需求螺紋深度為： =18 mm</p><p><b>　　其結構如下：</b></p><p>　　圖3.12 拉桿孔結構圖</p><p>　　拉桿應該盡可能的均勻布置在管束的外邊緣。而且對于大直徑的換熱器，應該在布

77、管區(qū)內或者靠近折流板缺口處布置適當數(shù)量的拉桿，并且任何折流板均應不少于3個支承點。</p><p>　　3.10 折流板與支承板</p><p><b>　　3.10.1折流板</b></p><p>　　折流板常用形式有弓形和圓盤-圓環(huán)形，弓形又分單弓形、雙弓形與三弓形，該換熱器采用單弓形折流板。折流板的流動方式與結構形式如下：</p&

78、gt;<p>　　圖3.13 折流板流動圖</p><p>　　圖3.14 折流板結構圖</p><p>　　弓形折流板缺口高度應使流體通過缺口時與橫向流過管束的流速相近，缺口大小用切去的弓形弦高占殼體內直徑的百分比來確定。單弓形折流板常用的是0.25倍殼體內直徑，則：</p><p>　　h=0.25600=150 mm</p><

79、;p>　　因為折流板間距B的最小距離為殼體內直徑的—，且不小于50mm,在這里取B=0.3，則：</p><p>　　B=0.3600=180 mm</p><p><b>　　折流板數(shù)為：</b></p><p>　　=-1==11.5≈11塊</p><p>　　因為殼體的公稱直徑=600mm，所以選取換熱管無

80、支撐跨距300mm，查《換熱器設計手冊》表1-6-26有：</p><p>　　折流板或支撐板的最小厚度為4mm，這里取折流板的厚度為6mm。</p><p>　　折流板名義外直徑為：</p><p>　　D=-4.5=595.5 mm，允許偏差為</p><p>　　因換熱器的殼程流體為單相潔凈流體，所以折流板缺口應水平上下布置,折流板圓缺

81、面水平裝配數(shù)量應不少于4個，缺口分布如下所示：</p><p>　　圖3.15 折流板缺口</p><p>　　管束兩端的折流板應該盡可能靠近殼程進、出口接管，而其余折流板應等距布置，其中，靠近管板的折流板與管板的距離為：</p><p><b>　　其中 =</b></p><p>　　—接管外徑 ， mm<

82、;/p><p><b>　　c=4S，且mm</b></p><p>　　S —壁厚 , mm</p><p>　　取c=50mm,當無防沖板時，取防沖板長度==219 mm</p><p><b>　　則代入公式得：</b></p><p>　　+50=191.5 mm<

83、/p><p><b>　　=269 mm</b></p><p><b>　　折流板切口尺寸為：</b></p><p>　　h=0.2600=120 mm</p><p>　　靠近管板的折流板與管板的距離如圖：</p><p>　　圖3.16 折流板與管板間距圖</p&g

84、t;<p><b>　　3.10.2支撐板</b></p><p>　　對支撐板，當換熱器無支撐跨距小于最大跨距時，無需設置支撐板，但是浮頭式換熱器需要設置支承板，可選用加厚的環(huán)板來作為支承板。</p><p>　　3.11 防沖板與導流筒</p><p>　　管程內水的流速小于3.0m/s,而對滑油有：</p>&

85、lt;p>　　=255.4＜2230 kg/(m·)</p><p>　　所以，管程和殼程都不需要設防沖板與導流筒。</p><p><b>　　3.12支座</b></p><p>　　鞍座所用材料是Q235-B，查標準JB/T4712-2007，選取B型鞍式支座，支座結構如下圖：</p><p>　　

86、圖3.17 支座結構圖1</p><p>　　圖3.18支座結構圖2</p><p><b>　　具體尺寸如下表：</b></p><p>　　表3.9 支座的尺寸</p><p>　　3.13 外頭蓋側法蘭</p><p>　　公稱直徑為=700mm,參照工藝條件、殼側壓力以及操作溫度，按照JB

87、4703-92長頸法蘭標準來選取，選定法蘭結構尺寸如下：</p><p>　　圖3.19 法蘭結構圖</p><p>　　表3.10 法蘭尺寸</p><p><b>　　mm</b></p><p>　　3.14 管箱法蘭以及管箱側殼體法蘭</p><p>　　公稱直徑為=600mm,參照工藝條

88、件、管側壓力、操作溫度以及殼側壓力的最大值，按照JB4703-92長頸法蘭標準來選取，其各部分尺寸與結構如下：</p><p>　　表3.11 管箱法蘭尺寸</p><p><b>　　mm </b></p><p>　　圖3.20 管箱法蘭位置</p><p>　　3.15 固定端管板</p><p

89、>　　根據(jù)上面所選用的管法蘭以及管箱側法蘭的結構尺寸，確定了固定端最大外徑為：D=638mm。</p><p>　　3.16 排氣管與排液管</p><p>　　排氣口與排液口直徑應該不小于15mm,位置應該分別設置在殼體中的最高點和最低點。</p><p>　　由于換熱器采用了四管程結構，則設置的位置應該有一定的偏離，但排氣（液）管的端部必須與殼體或者接管內

90、壁平齊。</p><p>　　圖3.21 排氣（液）口</p><p><b>　　3.17防短路結構</b></p><p>　　3.17.1旁路擋板</p><p>　　在浮頭式換熱器中，為了防止殼程流體流動在某些區(qū)域時發(fā)生短路，從而降低傳熱效率，需要使用防短路結構。常用的防短路結構有旁路擋板和擋管。</p&g

91、t;<p>　　對旁路擋板，當殼體公稱直徑為500mm＜＜1000mm時，需要增設兩對擋板，擋板厚度與折流板的厚度相等，其結構如下：</p><p>　　圖3.22 旁路擋板示意圖</p><p><b>　　3.17.2擋管</b></p><p>　　對擋管，擋管就是兩端被堵死的換熱管，與換熱管的規(guī)格相同，但布置在分程隔板槽背

92、面的兩管板之間，可與折流板點焊固定，也可以用拉桿(帶定距管或不帶定距管)來代替。</p><p>　　擋管應每隔3-4排換熱管就設置一根，但不設置在折流板缺口處，如圖所示。</p><p>　　擋管伸出第一塊和最后一塊折流板或者支持板的長度應不大于50mm，且應與任意一塊折流板焊接固定。</p><p>　　圖3.23 擋管示意圖</p><p&

93、gt;<b>　　3.18 連接</b></p><p>　　對于換熱管與管板之間的連接，因為沒有較大的振動以及間隙腐蝕，所以可采用強度焊接，且焊接時，管板的最小厚度應在滿足結構設計和制造的要求下，不小于12mm。如圖所示:</p><p>　　表3.12 換熱管的連接</p><p>　　圖3.24 焊接示意圖</p><

94、p>　　對于管板與殼體、管箱之間的連接如下圖所示：</p><p>　　圖3.25 管板與殼體、管箱之間的連接示意圖</p><p><b>　　其中，=28mm</b></p><p>　　4. 換熱器的強度校核</p><p>　　4.1筒體的壁厚校核</p><p>　　取設計溫度為5

95、5℃，設計壓力為0.435MPa,取壓力為0.5MPa，筒體選用低合金鋼板Q235-B卷制。材料在55℃下的允許應力=113MPa，取焊接系數(shù)φ=1.0，腐蝕裕量=2mm，鋼材的厚度負偏差=0.3mm,則有：</p><p>　　計算厚度為 ==1.33 mm</p><p>　　設計厚度為 ==1.33+2=3.33 mm</p><p>　　名義厚度為 =

96、=3.33+0.3=3.63 mm,因為低合金鋼不包括腐蝕裕量的最小厚度應不小于3mm,加上2mm的腐蝕裕量，名義厚度至少應該取5mm,由鋼材標準規(guī)格，取名義厚度為6mm。</p><p>　　有效厚度為 ==6-0.3-2=3.7 mm</p><p><b>　　水壓實驗應力為：</b></p><p>　　==0.625 MPa<

97、/p><p>　　所選材料的屈服應力=235MPa</p><p><b>　　水壓實驗校核：</b></p><p><b>　　==51 MPa</b></p><p>　　因為0.9=0.93251=292.5MPa ,又=51MPa＜292.5MPa</p><p>　　

98、所以水壓強度滿足要求。</p><p>　　又因為換熱器介質為非易燃物，毒性程度為非極度且允許微量泄露，所以不需要進行氣密性實驗。</p><p>　　4.2外頭蓋短節(jié)與封頭厚度校核</p><p>　　外蓋頭內徑為=700mm，其余條件、參數(shù)與筒體同。</p><p>　　短節(jié)壁計算厚度為 ＝=1.32 mm</p>&l

99、t;p>　　短節(jié)壁設計厚度為 ＝1.32+2=3.32 mm</p><p>　　短節(jié)壁名義厚度為 =3.32+0.3=3.52 mm,同上，應該取名義厚度為6mm。</p><p>　　短節(jié)壁有效厚度為 =6-0.3-2=3.7 mm</p><p><b>　　壓力實驗壓力為： </b></p><p&

100、gt;　　==0.625 MPa </p><p>　　壓力實驗的應力校核：</p><p>　　==59.4 MPa</p><p>　　因為0.9=0.93251=292.5MPa，又=59.4MPa＜292.5MPa</p><p>　　所以，壓力實驗滿足強度要求。</p><p>　　由前面可知:外頭蓋封頭用的

101、是標準橢圓封頭</p><p>　　封頭計算厚度為 S=＝=1.55mm</p><p>　　封頭設計厚度為 ＝1.55+2=3.55 mm</p><p>　　封頭名義厚度為 =3.55+0.3=3.85 mm,由前面知，取名義厚度為=8mm，符合計算結果。</p><p>　　則封頭有效厚度為 =8-2-0.3=5.7 mm<

102、;/p><p>　　壓力實驗的應力校核：</p><p>　　==38.7 MPa＜292.5MPa</p><p>　　故，壓力實驗滿足強度要求。</p><p>　　4.3管箱短節(jié)與封頭厚度校核</p><p>　　取工藝設計溫度為45℃，設計壓力取0.5MPa,選用Q235-B鋼板，材料的許用應力為=113 MPa，

103、屈服強度為=235 MPa,取焊縫系數(shù)=0.85，鋼材的負偏差=0.3mm,腐蝕裕度=2mm。</p><p>　　計算厚度為 ==1.55 mm</p><p>　　設計厚度為 =1.55+2=3.55 mm</p><p>　　名義厚度為 =3.55+0.3=3.85 mm，綜合考慮開孔補強、國家標準規(guī)定以及結構需要，取名義厚度為=8mm</p&g

104、t;<p>　　則有效厚度為 =8-0.3-2=5.7 mm</p><p>　　計算過程同上，則壓力實驗在該條件下一定能滿足強度條件。</p><p>　　4.4管箱短節(jié)開孔補強的校核</p><p>　　開孔補強采用等面積補強法，因為接管規(guī)格為φ108 ×5mm，同時考慮到實際情況，選用20號熱軋?zhí)妓劁摴?，其材料許用應力=130MPa,

105、腐蝕裕量=1mm，鋼材負偏差=0.3mm。</p><p>　　接管計算厚度為 ＝=0.21 mm</p><p>　　接管設計厚度為 =0.21+1=1.21 mm</p><p>　　接管有效厚度為 ＝5-1-0.3=3.7 mm</p><p>　　接管的開孔直徑為 d==108-2×5+2×2=102 mm

106、</p><p>　　則，接管的有效補強寬度為：</p><p>　　B=2d=2×102=204 mm</p><p>　　接管外側的有效補強高度為：</p><p><b>　　==22.6 mm</b></p><p><b>　　需要補強面積為：</b>&l

107、t;/p><p>　　A=d·S=102×1.55=158.1 </p><p><b>　　其中，S為管箱厚度</b></p><p>　　可以作為補強的面積的大小為：</p><p>　　=(B-d)·（)=(204-102)×(5-1.55)=351.9 mm2</p>

108、;<p>　　=2×22.6×(3.7-0.21)×=120.6 mm2</p><p>　　其中，A1—殼體多余金屬面積</p><p>　　A2—接管多余金屬面積</p><p>　　則，+=351.9+120.6=472.5 mm2＞A</p><p>　　所以，該接管補強的強度足夠，不需要設

109、置補強圈。</p><p>　　4.5殼體接管開孔補強校核</p><p>　　開孔補強采用等面積補強法，因為接管規(guī)格為φ219×10mm，考慮實際情況，選取20號熱軋鋼管，材許用應力=137MPa,腐蝕裕量=1mm，取鋼材負偏差C1=1.5mm。</p><p>　　接管計算壁厚為 ==0.4 mm</p><p>　　接管有效

110、厚度為 ==10-1-1.5=7.5 mm</p><p><b>　　接管的開孔直徑為:</b></p><p>　　d=+2C=219-10×2+2(1+1.5)=204 mm </p><p>　　接管的有效補強寬度為：</p><p>　　B=2d=2×204=408mm</p>

111、<p>　　接管外側的有效補強高度為：</p><p><b>　　==45.1mm</b></p><p><b>　　需要的補強面積為：</b></p><p>　　A=d·S=204×1.33=271.32</p><p><b>　　其中，S為殼體

112、厚度</b></p><p>　　可以作為補強的面積大小為：</p><p>　　=(B-d)·( )=(408-204)×(2-1.33)=136.7mm2</p><p>　　=2×45.1×(7.5-0.4)×=489.7mm2</p><p>　　其中，A1—殼體多余的金屬

113、面積</p><p>　　A2—接管多余的金屬面積</p><p>　　則+=136.7+489.7=626.4 mm2＞A</p><p>　　所以，該接管補強的強度足夠，不需要設置補強圈。</p><p>　　4.6固定管板的校核</p><p>　　使用BS法來對固定管板的厚度進行計算：</p>&

114、lt;p>　　假設管板厚度為 b=30mm</p><p>　　總換熱管數(shù)量為 n=260根</p><p>　　任意一根管壁金屬部分的截面積為：</p><p>　　0.785×=106.76 </p><p>　　換熱器是四管程結構，則開孔強度消弱系數(shù)為 μ=0.5</p><p&

115、gt;　　兩管板之間換熱管的有效長度(去掉兩管板厚度)為： </p><p><b>　　L=2158 mm</b></p><p><b>　　計算系數(shù)K：</b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　其中，b――管板厚度（不包括厚度的附加量）

116、</p><p><b>　　D――筒體內徑</b></p><p>　　將數(shù)代入公式有 =＝22.6 </p><p>　　則 K=4.7</p><p>　　按管板簡支考慮，根據(jù)K值查系數(shù)得到：</p><p>　　=3.3， ＝－0.68， =3.5</p

117、><p><b>　　筒體內徑截面積為：</b></p><p>　　A= 0.785×6002=282743 </p><p>　　管板上管孔所占的總截面積為：</p><p>　　C=n/4=×260×19×19/4=73680 </p><p>　　則有，

118、系數(shù) ==</p><p>　　系數(shù) ===0.132</p><p>　　又殼程壓力為=0.5MPa，管程壓力為＝0.5MPa</p><p><b>　　則當量壓差為： </b></p><p>　　pa=ps－pt(1+β)=0.5－0.5(1+0.132)= －0.66 MPa</p&

119、gt;<p><b>　　管板最大應力為：</b></p><p>　　==13.09 MPa</p><p>　　管子的最大應力為： </p><p>　　=＝－17.35 MPa</p><p>　　管板采用16Mn鍛 ，則=150MPa</p><p>　　換熱管采用2

120、0號碳素鋼，則＝130MPa</p><p><b>　　所以有：</b></p><p>　　=13.09 MPa<1.5=1.5×150=225 MPa</p><p>　　=-17.35 MPa<1.5=1.5×130=195 MPa</p><p>　　所以，管板的設計厚度能夠滿足

121、強度要求。</p><p>　　因為管板雙面腐蝕，所以取腐蝕裕量=4mm,又由前面知，分程隔板槽深度為4mm,故實際管板厚度為：</p><p>　　=b+4=38 mm</p><p>　　4.7浮頭管板以及鉤圈的校核</p><p>　　換熱管所用材料為碳素鋼，鋼號20，查《GB150-1998 鋼制壓力容器》表4-3、表F2、表F5可得

122、：</p><p>　　設計溫度下鋼的許用應力為 ＝130MPa</p><p>　　屈服點為 ＝220MPa </p><p>　　彈性模量為 ＝190800MPa</p><p>　　管板材料為16Mn鍛件，查《GB150-1998 鋼制壓力容器》表4-3、表F2、表F5可

123、得：</p><p>　　設計溫度下鋼的許用應力為 ＝163MPa</p><p>　　屈服點為 ＝245MPa</p><p>　　彈性模量為 ＝202700MPa</p><p>　　許用拉脫力查表1-9-5有：</p><p><b>　

124、　KN</b></p><p>　　＝0.5×130=65 MPa</p><p>　　浮頭式換熱器浮頭管板的厚度不由強度來決定，查《GB151-1999 管殼式換熱器》得：</p><p>　　管板厚度為 </p><p><b>　　其中，</b></p><

125、p>　　對于管板設計壓力，因為不能保證和在任何情況下都同時作用，所以MAX(,)=0.5MPa；=0.5</p><p>　　所以， ==0.009</p><p>　　管板布管區(qū)的當量直徑為 =584mm</p><p><b>　　= </b></p><p>　　其中，L為換熱管的

126、有效長度，因為管板厚度尚未計算出，所以暫時用管子長來代替進行計算，等管板厚度計算出來了，再用有效長度進行核算。</p><p>　　L= ×(管端外伸出長度)</p><p><b>　?。剑?030MPa</b></p><p><b>　　＝=0.039</b></p><p><

127、;b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　=1.078 </b></p><p>　　利用上述參數(shù)，查圖可得：</p><p><b>　　系數(shù)C=0.325</b></p><p><b>　　所以，管板厚度為：</b></p><

128、;p><b>　　==17.9 mm</b></p><p>　　因為管板的名義厚度不應小于下列三部分之和，即</p><p>　　=[MAX(,)+]</p><p>　　其中，――殼程腐蝕裕量，且=2mm</p><p>　　――管程腐蝕裕量，且=2mm</p><p>　　――殼程側隔

129、板槽深，且=0 mm</p><p>　　――管程側隔板槽深，且=4 mm</p><p>　　所以，=17.9+4+2=23.9 mm，綜合考慮并圓整后得：</p><p><b>　　=28mm</b></p><p>　　由前面知：鉤圈選擇B型，所用材料與浮頭管板相同，但設計厚度比浮頭管板的厚度大16mm,即：&l

130、t;/p><p>　　=38+16=54mm</p><p>　　4.8無折邊球形封頭的計算</p><p>　　浮頭蓋上的無折邊球形封頭的計算按內壓球殼計算。材料選擇16Mn鍛，查表得：</p><p>　　在給定設計溫度下的許用應力為＝150 MPa</p><p>　　查《GB151-1999 管殼式換熱器》表46有

131、：</p><p>　　封頭內徑為=500mm</p><p><b>　　則厚度為:</b></p><p><b>　　= =3.26mm</b></p><p>　　腐蝕狀況為雙面腐蝕，則取腐蝕裕量=3mm</p><p><b>　　則名義厚度=8mm<

132、;/b></p><p><b>　　4.9浮頭法蘭計算</b></p><p>　　根據(jù)《GB151-1999 管殼式換熱器》，計算方式與符號如下所示:</p><p>　　表4.1 浮頭法蘭尺寸及計算方法</p><p><b>　　=</b></p><p>　　

133、圖4.1 浮頭法蘭尺寸標注圖</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計. [M].化工工業(yè)出版社.2010</p><p>　　[2] GB150-1998.鋼制壓力容器. [S].中國標準出版社.2003</p><p>　　[3] GB151-19

134、99.管殼式換熱器. [S].中國標準出版社.2004</p><p>　　[4] 錢頌文.換熱器設計手冊. [M].化工工業(yè)出版社.2002</p><p>　　[5] 朱有庭.化工設備設計手冊（上、下卷）. [M].化工工業(yè)出版社.2005</p><p>　　[6] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設備設計全書—換熱器. [M].化工工業(yè)出版社.2005</p>