蜡油换热器设计过程装备与控制工程设计-毕设论文.doc

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1、22蜡油换热器设计1 前言 1.1 课题意义换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明，虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍占主导地位约64%1。 1.2 管壳式换热器基本类型：固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式。 U形管式换热器图1-2 U形管换热器U形管式换热器的典型结构如图。这种换热器的结构特点是，只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当壳

2、体与U形换热管有温差时，不会产生热应力。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U形管式换热器结构比较简单、价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料2。2 蜡油换热器设计 2.1 蜡油换热器设计条件表一 设备设计主要技术指标壳体管程换热管排列转角正方形设计压力/MPa4

3、.04.0换热面积/m2260设计温度/295355换热管直径/mm25工作压力/MPa1.31.6换热管间/mm32工作温度/227355折流板间距/mm300介质名称原料油蜡油换热管长度/m6介质性质易燃易燃管程数14主要材质16MnR16MnR表二 管口表符号公称压力公称尺寸法兰形式密封面形式用途伸出长度N1PN6.3DN250WNMFM蜡油出口见图N2PN6.3DN250WNMFM蜡油出口见图N3PN6.3DN250WNMFM原油进口200N4PN6.3DN250WNMFM原油进口200N5PN6.3DN50WNMFM放空口150N6PN6.3DN65WNMFM排污口1502.2 布管

4、按要求换热管的直径为25mm，间距为32mm，管长为6m，换热面积为260m2，换热管排列方式为转角正方形。如图2-1、图2-2 。 图2-1 换热管排列方式 图2-2 布管图换热管的数目为600根，计算得换热面积为282.6 m2，符合要求。同时均匀的布置了8根拉杆。2.3 管箱选择由设计任务书选择封头管箱，管程，如图2-3。图2-3 封头管箱2.4 设备法兰选择换热器设计压力4MP，温度壳程295oC、管程355oC，法兰选择长颈对焊法兰2。图2-4 设备法兰由筒体公称直径1000mm和PN=4.0MP，选得法兰的参数：D=1215mm， D1=1155mm，D2=1110mm，D3=11

5、00mm，D4=1097mm，=100mm，H=175mm，h=42mm，a=26mm，a1=23mm，1=24mm，2=36mm，R=15mm，d=33mm 。螺柱：规格M36 数量 40法兰垫片:选择非金属软垫片4图2-5 法兰垫片由DN1000和公称压力4MP，得到垫片参数：D=1099mm，d=1039mm2.5 接管及接管法兰选择按任务书要求，选择长颈对焊法兰，如图；图2-6 接管法兰N1N4管：由DN250，法兰形式WN，密封面形式MFM；选择2739的钢管。法兰为带颈对焊法兰，凹凸面密封。法兰外径D:470mm，螺栓孔中心圆直径K:400mm,螺栓孔直径L:36mm,螺栓孔数量n

6、:12,螺纹Th:M332,法兰厚度C:46mm,法兰颈A:316mm,B:316mm,S:13.5mm,H1:18mm,R:10mm,法兰高度H:125mm,法兰理论重量:48.9Kg.N5:由DN50，法兰形式WN，密封面形式MFM；选择573.5的钢管。法兰为带颈对焊法兰，凹凸面密封。法兰外径D:180mm，螺栓孔中心圆直径K:135mm,螺栓孔直径L:22mm,螺栓孔数量n:4,螺纹Th:M20,法兰厚度C:26mm,法兰颈A:82mm,B:82mm,S:5mm,H1:10mm,R:5mm,法兰高度H:62mm,法兰理论重量:4.86KgN6：由DN65，密封面形式MFM；选择764的

7、钢管。法兰为带颈对焊法兰，凹凸面密封。法兰外径D:205mm，螺栓孔中心圆直径K:160mm,螺栓孔直径L:22mm,螺栓孔数量n:8,螺纹Th:M20,法兰厚度C:26mm,法兰颈A:98mm,B:98mm,S:6mm，H1:16mm,R:6mm,法兰高度H：68mm,法兰理论重量:5.92Kg52.6 支座选择2.6.1 支座类型由换热器的尺寸及重量，选择重型、120包角的支座6。 图2-7 鞍式支座2.6.2 参数允许载荷Q：305 kn，鞍座高度h：200 mm，底板l1：760 mm，b1：170 mm，1：12 mm，腹板2：8 mm，筋板l2：170 mm，b2：140 mm，b

8、3：200 mm，3：8 mm，垫板 弧长：1180 mm，b4：350 mm，4：8 mm，e：70 mm，螺栓间距l2：600 mm，鞍座质量：63 kg，增加100mm高度增加的质量：9 kg 。2.6.3 支座位置图2-8 支座位置鞍式支座在换热器上的位置应按下列原则确定：当L3000mm时，取LB=（0.40.6）L；当L3000mm时，取LB=（0.50.7）L；尽量使Lc和Lc相近。本设计LB=4500 mm，Lc=800 mm，Lc=700 mm。2.7 焊接结构选择2.7.1 筒体纵环焊缝7图2-9 筒体纵环焊缝2.7.2 接管与筒体焊接7图2-10 接管与筒体连接2.7.3

9、 设备法兰与筒体连接7图2-11 设备法兰与筒体连接2.7.4 管子与管板连接7图2-12 管子与管板连接强度焊与贴胀。2.8 材料选择材料选择是蜡油换热器设计中的一个重要环节，它直接影响设计的安全性、合理性、经济性，.选用材料主要有以下几种类型：1. 压力容器用钢板。 2. 压力管道用钢管。3. 压力容器用锻件。4. 压力容器用螺柱、螺栓、垫片。筒体、封头、补强圈等选用Q345R钢；法兰选用16Mn钢，各种接管选用20号钢，螺母、螺栓分别选用30CrMo和30CrMoA。 2.9 壳程壁厚计算 2.9.1 筒体壁厚计算 圆筒壁厚计算公式：T= (2-1)式中 T计算厚度，mm; Pc设计压力

10、，MP； Di筒体内径，mm； 焊接接头系数 设计温度下材料的材料的允用应力，MP；按设计任务书Pc为4MP，Di为1000mm，取0.85，设计温度为295oC，由表8查得=144MP。算得T=16.6mm Tn=T+C1+C2+圆整值 (2-2)式中 Tn名义厚度，mm； C1钢材厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm2.9.2 壳程圆筒水压试验 (2-3) 式中 PT内压容器的试验压力，MP； 试验温度下材料的材料的允用应力，MP； 设计温度下材料的材料的允用应力，MP；查表8得=170MP，计算得PT

11、=5.90MP，= (2-4) 式中 圆筒校核应力，MP；计算得=189.1MP，而该试验温度下材料屈服强度=345MP，0.9=310.5，故0.9，所求厚度符合要求。2.9.3 壳程封头壁厚计算计算公式：T= (2-5)式中 T计算厚度，mm; Pc设计压力，MP； Di筒体内径，mm； 焊接接头系数 设计温度下材料的材料的允用应力，MP；按设计任务书Pc为4MP，Di为1000mm，取0.85，设计温度为295oC，由表8查得=144MP。算得T=16.7mm Tn=T+C1+C2+圆整值 (2-2) 式中 Tn名义厚度，mm； C1钢材厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm；C1取0.

12、3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm2.10 管程圆筒壁厚2.10.1圆筒壁厚计算 计算公式：T= (2-1)式中 T计算厚度，mm; Pc设计压力，MP； Di筒体内径，mm； 焊接接头系数 设计温度下材料的材料的允用应力，MP；按设计任务书Pc为4MP，Di为1000mm，取0.85，设计温度为355oC，由表8查得=134MP。算得T=17.9mm Tn=T+C1+C2+圆整值 (2-2)式中 Tn名义厚度，mm； C1钢材厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm2.

13、10.2 管程圆筒水压试验 (2-3)式中 PT内压容器的试验压力，MP； 试验温度下材料的材料的允用应力，MP； 设计温度下材料的材料的允用应力，MP；查表8得=170MP，计算得PT=6.3MP，= (2-4)式中 圆筒校核应力，MP；计算得=203.3MP，而该试验温度下材料屈服强度=345MP，0.9=310.5，故0.9，所求厚度符合要求。2.10.3 管程封头壁厚计算计算公式：T= (2-5)式中 T计算厚度，mm; Pc设计压力，MP； Di筒体内径，mm； 焊接接头系数 设计温度下材料的材料的允用应力，MP；按设计任务书Pc为4MP，Di为1000mm，取0.85，设计温度为3

14、55oC，由表8查得=134MP。算得T=17.7mm Tn=T+C1+C2+圆整值 (2-2) 式中 Tn名义厚度，mm； C1钢材厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm；C1取0.3mm，C2取1mm，算得Tn=20mm，有效厚度=-，算得=18.7mm2.11 开孔补强计算2.11.1 N1接管2739开孔削弱的截面积A0A0=dT+2T(tn-C)(1-fr) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管内径加上壁厚附加量C以后的直径，d=di+2C; T壳体计算厚度； fr材料强度削弱系数；di=255mm，d=257.6mmfr=0.69，A0=4696.5 mm2有效补强

15、范围补强区宽度B=2d，B=d+2Tn+2tn；两者中取大者；B=515.2mm，B=315.6，则B=515.2mm补强区外侧高度 h1=，h1=接管实际外伸长度；两者中取小者；h1=48.1mm，h1=267mm，则h1=48.1mm补强区内侧高度 =，=接管实际内伸长度；两者中取小者； h2=0式中 tn接管的名义厚度； Tn壳体的名义厚度；补强区内补强金属面积A在有效补强区内可计作为有效补强金属的面积有以下几种。A1承受内压或外压时容器壳体设计计算厚度之外的多余金属截面积。A1=（B-d)(Tn-T-C)-2(tn-C)(Tn-T-C)(1-fr) (2-7)A1=202.3mm2A2

16、接管承受内压或外压计算所需的厚度之外的多余金属截面积。A2= (2-8)A2=48.1A3在有效补强区内焊缝金属的截面积。A3=50A4在有效补强区内另外在增加的补强元件的金属截面积。 A=A1+A2+A3=300.4 mm2 A0A4=A0-A，A4=4396.12.11.2 N3接管2739开孔削弱的截面积A0A0=dT+2T(tn-C)(1-fr) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管内径加上壁厚附加量C以后的直径，d=di+2C; T壳体计算厚度； fr材料强度削弱系数；di=255mm，d=257.6mm=0.70，=4352.8有效补强范围补强区宽度 B=2d，B=

17、d+2Tn+2tn；两者中取大者；B=515.2mm，B=315.6，则B=515.2mm补强区外侧高度 =，=接管实际外伸长度；两者中取小者；h1=48.1mm，h1=200mm，则h1=48.1mm补强区内侧高度 =，=接管实际内伸长度；两者中取小者；h2=0式中 tn接管的名义厚度； Tn壳体的名义厚度；补强区内补强金属面积A在有效补强区内可计作为有效补强金属的面积有以下几种。A1承受内压或外压时容器壳体设计计算厚度之外的多余金属截面积。=（B-d)(-T-C)-2(-C)(-T-C)(1-) (2-7)A1=531.3A2接管承受内压或外压计算所需的厚度之外的多余金属截面积。 =2 (

18、2-8)A2=80.8A3在有效补强区内焊缝金属的截面积。A3=50A4在有效补强区内另外在增加的补强元件的金属截面积。 A=A1+A2+A3=662.1 mm2 A0 A4=A0-A，A4=3690.62.11.3 N5接管573.5开孔削弱的截面积A0=dT+2T(-C)(1-) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管内径加上壁厚附加量C以后的直径，d=di+2C; T壳体计算厚度； fr材料强度削弱系数；di=50mm，d=52.6mm=0.70，=895.1有效补强范围补强区宽度 B=2d，B=d+2Tn+ 2tn ；两者中取大者；B=105.2mm，B=99.6，则B=

19、105.2mm补强区外侧高度 =，=接管实际外伸长度；两者中取小者；h1=13.6mm，h1=150mm，则h1=13.6mm补强区内侧高度 =，=接管实际内伸长度；两者中取小者；h2=0式中 tn 接管的名义厚度； T 壳体的名义厚度；补强区内补强金属面积A在有效补强区内可计作为有效补强金属的面积有以下几种。A1承受内压或外压时容器壳体设计计算厚度之外的多余金属截面积。=（B-d)(-T-C)-2(-C)(-T-C)(1-) (2-7)A1=107.7mm2A2接管承受内压或外压计算所需的厚度之外的多余金属截面积。=2 (2-8)A2=21.8mm2A3在有效补强区内焊缝金属的截面积。A3=

20、50mm2A4在有效补强区内另外在增加的补强元件的金属截面积。A=A1+A2+A3=179.5 mm2 A0A4=A0 - A，A4=715.6mm22.11.4 N6接管764开孔削弱的截面积A0=dT+2T(-C)(1-) (2-6)式中 C厚度附加量，C=C1+C2 d接管内径加上壁厚附加量C以后的直径，d=di+2C; T壳体计算厚度； fr 材料强度削弱系数；di=68mm，d=70.6mm=0.70，=1198.9有效补强范围补强区宽度 B=2d，B=d+2Tn+ 2tn ；两者中取大者；B=141.2mm，B=118.6，则B=141.2mm补强区外侧高度 =，=接管实际外伸长度

21、；两者中取小者；h1=16.8mm，h1=150mm，则h1=16.8mm补强区内侧高度 =，=接管实际内伸长度；两者中取小者；h2=0式中 tn 接管的名义厚度； Tn壳体的名义厚度；补强区内补强金属面积A在有效补强区内可计作为有效补强金属的面积有以下几种。A1承受内压或外压时容器壳体设计计算厚度之外的多余金属截面积。A1=（B-d)(Tn -T-C)-2(tn -C)(Tn-T-C)(1-fn) (2-7)A1=144.9mm2A2接管承受内压或外压计算所需的厚度之外的多余金属截面积。=2 (2-8)A2=21.2mm2A3在有效补强区内焊缝金属的截面积。A3=50mm2A4在有效补强区内

22、另外在增加的补强元件的金属截面积。 A=A1+A2+A3=216.1 mm2 A0A4=A0-A，A4=982.8mm22.12 管板计算2.12.1 管板厚度计算 Ad(mm2)布管区范围内未能被换热管支承德面积 正方形排列 Ad=nS(Sn-S) (2-9)式中 S换热管中心距，mm； Sn隔板槽两侧相邻管中心距，mm； n沿隔板槽一侧的排管根数；Ad1=932（45.2-32），Ad2=2032（100-32）计算得Ad=47321.6 At( mm2 )管板布管区面积 正方形排列 At=2 n S2+Ad (2-10)式中 nU形管根数，管板开孔数为2n计算得At=671961.6 D

23、t（mm）管板布管区当量直径Dt=，计算得Dt=925.2mm；DG（mm）垫片压紧作用中心圆直径查的DG=1069mm；布管当量直径Dt与直径2R之比 =Dt / 2R R=DG / 2， (2-11)计算得t=0.865 1 / t=1.15查的Cc=0.2487确定管板设计压力Ps与Pt同时作用或Ps或Pt之一为负值，则Pd =|Ps-Pt| （MP）或 Pd = |Ps| 或 (2-12)Pd = |Pt|Ps 壳程设计压力Pt 管程设计压力Pd=4 MP （mm） (2-13)式中 设计温度下，管板材料的许用应力MPa 管板强度削弱系数，一般可取 = 0.04 计算得 =127.8

24、mm 考虑管程一侧的开槽和壳程侧的腐蚀裕量等，经圆整后得=136 mm2.12.2 换热管轴向应力的校核 （MP） (2-14) a一根换热管壁金属的横截面积，mm2轴向应力计算按以下三种情况计算出最大值A. 只有壳程设计压力Ps 管程设计压力Pt = 0B. 只有管程设计压力 Pt 壳程设计压力 Ps = 0C. 壳程设计压力Ps和管程设计压力Pt同时作用计算结果应满足 设计温度下，换热管材料的许用应力MP=11.1 MP =83 MP满足要求2.12.3 换热管与管板连接拉脱力校核 （MP） (2-15) a一根换热管管壁金属的横截面积 mm2d换热管外径l换热管与管板胀接长度或焊脚高度

25、mm图2-13 换热管与管板连接q=0.5 MPa，而q=2，qq满足要求。3 制造、检验、试车和维护3.1 制造 圆筒内直径允许偏差：用板材卷制时，内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差为零。 圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e1200mm时，其值不大于7mm。 圆筒直线度允许偏差为L/10000（L为圆筒总长），且：当L6000mm时，其值不大于8mm。 直线度检查，应通过中心线的水平和垂直面，即沿圆周0、90、180、270四个部位测量。 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面平齐。 在壳体上设置接管或其他附件而导致壳体变形

26、较大，影响管束顺利安装时，应采取防止变形措施。 换热管拼接时，应符合以下要求：a）对接接头应作焊接工艺评定。试件的数量、尺寸、试验方法按JB4708的规定；b）同一根换热管的对接焊缝，直管不得超过一条；U形管不得超过二条；最短管长不应小于300mm；包括至少50mm直管段的U形弯管段范围内不得有拼接焊缝；c）管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净；d）对口错边量应不超过换热管壁厚的15%，且不大于0.5mm；直线度偏差以不影响顺利穿管为限；e）对接接头应进行射线检测，抽查数量应吧少于接头总数的10%，且不少于一条，以JB4730的III级为合格；如有一条不合格时，应加倍抽查，再出现不合格时

27、，应100%检查；f）对接后的换热管，应逐根进行液压试验，试验压力为设计压力的2倍。3.2 检验 无损检测，焊接接头无损检测的检查要求和评定标准，应根据换热器管、壳程不同的设计条件，按GB150-1998中10.8的规定和图样要求执行。U形管式换热器压力试验顺序：a）用试验压环进行壳程试验，同时检查接头；b）管程试压。 换热器应装有标明如下内容的铭牌：a）制造单位名称及制造许可证号码；b）制造单位出厂编号；c）产品名称；d）产品图号或设备位号；e）产品型号；f）折流板间距；g）设计温度（分管程和壳程）；h）设计压力（分管程和壳程）；i）试验压力（分管程和壳程）；j）类别；k）重量；l）制造日期

28、；m）监检标记。3.3 试车试车前应查阅图纸有无特殊要求和说明，铭牌有无特殊标志，如管板是否按压差设计，对试压、试车程序有无特殊要求等。试车前应清洗整个系统，并在入口接管处设置过滤网。系统中如无旁路，试车时应增设临时旁路。当介质为蒸汽时，开车前应排空残液，以免形成水击；有腐蚀性的介质，停车后应将残存介质排净。开车或停车过程中，应缓慢升温和降温，避免造成压差过大和热冲击。3.4 维护换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督，分析换热器的泄露和结垢情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应经常监视管束的振

29、动情况9。4 结论本文主要关于由给定条件设计一台蜡油换热器。首先为布管，该蜡油换热器为转角正方形排列，根据换热面积、内径和管径，确定管子数目为600，在换热管外围均匀布置8个拉杆，用以折流板定距和支撑。再结构选择，该换热器采用U形换热管，管箱采用封头管箱，并为四管程结构；设备法兰和接管法兰选择长颈对焊，密封形式为凹凸面密封；支座选用了重型支座；对筒体纵环焊缝、接管与筒体焊接等焊缝做了初步选择；接着选择各部件用钢。之后是设备强度计算，本文做了壳程筒体壁厚计算，管程筒体和封头壁厚计算，进行了开孔补强计算,对计算出的壁厚做了水压试验校核；以及管板的计算与校核。介绍了换热器制造、试车和维护的注意点。用

30、AUTOCAD完成了一张A1号图纸的装配图，一张A2号图纸的管束图，一张A3号图纸的管板图，一张A3号图纸的管箱图。通过这次毕业小设计，我对换热器的类型、各部分功能有了更多的了解，并能初步进行U形管换热器的设计；提高了我绘制工程图纸的能力，特别是处理图纸上的一些细节；此外，这次设计也提高了我查标准等资料的能力。参考文献1 冯国红，曹艳芝。郝红，管壳式换热器的研究进展J，化工技术与开发，2009，Vol：38 No：6，4045。2 郑津洋，董其伍桑芝富。过程设备设计M，第二版，化学工业出版社，2005；3 JB/T 4703-2000，长颈对焊法兰S，北京：中国标准出版社，2000.4 JB/T 4704-2000,非金属软垫片S，北京：中国标准出版社，2000.5 HG20595，带颈对焊钢制管法兰S，北京：中国标准出版社，1997.6 JB/T 4712.1-2007，鞍式支座S，北京：中国标准出版社，2007.7 GB150-1998，钢制压力容器S，北京：中国标准出版社，1998.8 王志文，蔡仁良。化工容器设计M，第三版，化学工业出版社，2005.9 GB151-1999，管壳式换热器S，北京：中国标准出版社，1999.