乙烯冷却设备设计-固定管板式换热器【含图纸】
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本科毕业设计(论文)任务书题 目乙烯冷却设备设计院系机电工程学院专业年级学号学生姓名题 目来 源科研课题( )题 目类 型设 计工程实际( )请直接在所属项目括号内打“”(单选)实验研究( )教师自拟( )软件开发( )论 文理论研究( )设计(论文)选题目的及工作任务一、选题目的通过对冷却设备的设计,有助于学生掌握一般的化工设备的设计方法,综合运用所学知识,培养学生的自学能力和查阅文献的能力。2、 工作任务设置一固定管板式换热器,已知条件如下已知条件壳程管程工作压力40.45工作温度(进口)9230工作温度(出口)3535操作介质乙烯冷却水换热面积400m2要求收集和学习资料(含指定参考资料) 1秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书.换热器设计.北京:化学工业出版社,20032钱颂文. 换热器设计手册. 北京:化学工业出版社,20023余建祖. 换热器原理与设计. 北京:北京航空航天大学出版社,20064钱颂文. 管式换热器强化传热技术. 北京:化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心,20035 刘巍等著.冷换设备工艺计算手册.北京:中国石化出版社,20036 其它资料及网上资源设计(论文)的进程安排 序 号设计(论文)各阶段内容起止日期1查阅相关资料,确定设计方案和论文结构,准备开题答辩3.103.172进行换热器的设计计算3.184.183进行计算机绘图4.195.294书写设计说明书,打印论文、图纸5.306.105准备毕业论文答辩6.106.146英文资料翻译同时进行,抽空完成设计(论文)的预期结果 1、要求翻译2万印刷字符(或译出5000汉字)以上的有关技术资料或专业文献,内容要尽量结合课题(译文连同原文单独装订成册);2、1.5万以上的说明书和折合2.5张0号图纸工作量; 下达任务日期:2014年X月X日 要求完成日期: 2014年 6月 15日 指导教师(签名): 教研室主任(签名):院系负责人审定(签名): 侯勇俊 备 注:此任务书一式两份,于毕业设计(论文)开始前一周下达:一份发给学生,一份指导教师保存,毕业设计(论文)结束时交教研室备案。 2西南石油大学毕业设计(论文)摘 要固定管板式换热器是管壳式换热器的一种典型结构,也是目前应用比较广泛的一种换热器。这类换热器具有结构简单、紧凑、可靠性高、适应性广的特点,并且生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便。固定管板式换热器能承受较高的操作压力和温度,因此在高温高压和大型换热器中,其占有绝对优势。本次设计的题目是乙二醇塔底进料换热器的设计,课题预期达到的目标为:换热器面积的计算(实际换热面积:92.6mm2),管程壳程压力降的计算(小于等于0.4MPa),工艺结构尺寸的计算:管程数(1管程),换热管的确定(内径:19mm 数量:500根),壳体内径(600mm),壳程数(1壳程)的计算,折流板的选型(形式:弓形折流板,数量:13)等。 换热器的强度计算:对筒体、管箱厚度的计算和校核,对壳体及管箱各处开孔补强,对延长部分兼做法兰的计算及强度核算。经水压试验、压力校核后显示结果全部合格。换热器的结构设计:折流板、法兰(甲型平焊法兰)、换热管、支座(鞍式支座)、垫片(石棉橡胶板垫片)的规格及选型。完善设计图纸及设计说明书。关键词:换热器;工艺;结构;强度 AbstractFixed tube plate heat exchanger is a typical structure of the shell and tube heat exchanger and a wide range of heat exchanger. This type of heat exchanger has the characteristics of a simple structure, compact, high reliability and wide adaptability , and low cost of the production, wide choice of used materials, more convenient of cleaning heat exchanger the surface . Fixed tube plate heat exchanger can withstands the higher operating pressure and temperature, so it has the absolute advantage in the possession of high temperature and high pressure heat exchangers and large,.This design topic is naphtha condenser design, the goal which the topic anticipated achieved:The craft design of heat exchanger:the heat transfer area computation(actual heat transfer area:322.2mm2);tube side pressure drop computation(0.4MPa);the craft structure size computation:number of tube passes(2 tube passes),the number of heat exchange tube(inside diameter:19mm,number:900),the inside diameter of shell(1000mm), number of shell passes(1 shell passes),the lectotype of baffle board(form:segmental baffle,number:13)etcThe strength calculation of heat exchanger:the computation and check of cylinder thinckness and channel thinckness,the shell and the reinforcement for opening supplements the intensity,the extension part concurrently makes the flange the computation and the intensity calculation. Examinatation part carried on the hydraulic pressure test, the pressure examination and so on, in which all results has been all qualifiedThe structural design of the heat exchanger:The specification and lectotype of baffle plate、flange(type A manhole weded flange)、heat exchange tube、suppot(saddle support)、gasket(paronite gasket)Consummates the design paper and the design instruction bookletKeywords: heat exchanger; craft;structure; intensity I 目 录摘 要IAbstractII第1章 引言11.1 换热器的用途11.2换热器的分类11.3 换热器的发展趋势1第2章 固定管板式换热器的工艺计算32.1 估算换热面积32.1.1 选择换热器的类型32.1.2 流程安排32.1.3 确定物性数据32.1.4 估算传热面积42.2 工艺结构尺寸52.2.1 管径和管内流速52.2.2 管程数和传热管数52.2.4 传热管排列和分程方法72.2.5 壳体内径82.2.6 折流板82.2.7其他附件92.2.8 接管92.3 换热器核算102.3.1 热流量核算102.3.2 壁温核算132.3.3 换热器内流体的流动阻力152.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果17第3章 强度计算193.1 筒体壁厚计算193.2 管箱短节、封头厚度的计算203.2.1 管箱短节厚度的计算203.2.2 封头厚度的计算203.3 管箱短节开孔补强的校核213.4壳体接管开孔补强校核223.5 管板设计及校核233.5.1 管板计算的有关参数的确定233.5.2 计算法兰力矩273.5.3管板的计算的相关参数273.5.4 确定和293.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算293.5.6 设计条件不同的组合工况30第4章 结构设计364.1折流挡板364.2 法兰364.3 换热管374.4 支座374.5 压力容器选材原则384.6 垫片39第5章 结论40参 考 文 献41致 谢4318 第1章 引言1.1 换热器的用途换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等,都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门1。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度,同时也是提高能源利用率的主要设备之一2。换热器在节能技术改革中具有的作用表现在两个方面:一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器的效率显然可以减少能源的消耗;另一方面,用换热器来回收工业余热,可以显著提高设备的热效率3。1.2换热器的分类换热器的种类划分方法很多,方法也各不相同。按其用途:可将换热器分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器45。按其传热方式和作用原理:可分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器等。其中间壁式换热器为工业应用最为广泛的一种换热器。它按传热面形状可分为管式换热器、板面式换热器、扩展表面换热器等。这其中又以管壳式换热器应用最为广泛,它通过换热管的管壁进行传热。具有结构简单牢固、制造简便、使用材料范围广、可靠程度高等优点,是目前应用最为广泛的一种换热器5。管壳式换热器的形式:管壳式换热器根据其结构的不同,可以分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器、填料函式换热器、釜式重沸器等68。1.3 换热器的发展趋势二十世纪20年代出现板式换热器,并应用于食品工业。以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效果好,因此陆续发展为多种形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器912。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器,用于飞机发动机的散热。30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意13。60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器14。当前换热器发展的基本趋势是:继续提高设备的传热效率,促进设备结构的紧凑性,加强生产制造成本的标准系列化,并在广泛的范围内继续向大型化发展,并CDF(Comptational Fluid Dynamics)模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成一个高技术体系1516。板翅式换热器(冷箱)主要用于乙烯裂解,空气分离和天然气液化等。我国杭州制氧机集团有限公司(杭氧)在引进美国S-W公司技术和关键加工设备大型真空钎焊炉基础上,生产制造出的乙烯冷箱,设计水平和制造能力已基本达到国际先进水平,并在燕山,扬子,上海,天津,广州及齐鲁等乙烯改造项目中得到应用。板翅式换热器流道多达15股,单体外形尺寸达6m1.11.154m,最高设计压力达5.12Mpa。 管壳式换热器具有结构坚固、弹性大和使用范围广等独特优点,一直被广泛应用。尤其在高温高压和大型化的场合下,以及制造工艺上的进一步自动化和机械化,管壳式换热器今后将在广泛的领域内得到继续发展17。第2章 固定管板式换热器的工艺计算2.1 估算换热面积2.1.1 选择换热器的类型两流体温度变化情况:热流体进口温度170,出口温度140;冷流体进口温度70,出口温度90,因此初步确定选用固定管板式换热器。2.1.2 流程安排从两物流的操作压力来看,应使温度低的走管程,温度高的走壳程。2.1.3 确定物性数据定性温度:对于一般气体和水等低粘度流体,其定性温度可取流体进出口温度的平均值。故壳程流体的定性温度为: 管程流体的定性温度为: 根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。在155下的有关物性数据如下:密度 =1.38kg/定压比热容 =1.038kJ/kg热导率 =0.0545W/m粘度 =2.3PasN2在80下的物性数据:密度 =1.14kg/定压比热容 =1.038kJ/kg热导率 =0.051W/m粘度 =2.1Pas2.1.4 估算传热面积1.热流量: (2-1)2.平均传热温差: (2-2)3.传热面积:由于壳程的压力较高,故可以选取较大的K值。假设K=20W/(.K)则估算的面积为: (2-3) 2.2 工艺结构尺寸2.2.1 管径和管内流速换热管的规格包括管径和管长,换热管直径越小,换热器单位体积的换热面积越大。因此,对于洁净的流体管径可取小些,但对于不洁净或易结垢的流体,管径应取得大些,以免堵塞。本设计选用252较高级冷拔传热管(碳钢),取管内流速=10.8m/s2.2.2 管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数19: (2-4)按单程管计算,所需的传热管长度为: (2-5) 按单程管设计传热管过长,宜采用多管程结构。我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m,2m,3m,4.5m,6m和9m,根据选定的管径和流速,现取传热管长。则该换热器的管程数为: (2-6) 传热管总根数: 平均温差校正系数:按单壳程,两管程结构,查得:平均传热温差: () (2-7)由于平均温差校正系数大于0.8,同时壳程流体流量较大,故取单壳程合适。2.2.4 传热管排列和分程方法管子的排列方式有等边三角形,正方形,转角正方形三种。与正方形相比,等边三角形排列比较仅凑,管外流体湍动程度高,表面传热系数大。正方形排列虽然比较松散,传热效果也较差,但管外清洗比较方便,对易结垢流体更为适用。若将正方形排列的管束斜转45安装,可在一定程度上提高对流传热系数12。图2-1 换热管排列方式综合本设计结构和工艺结构考虑采用正三角形排列方法。取管心距 (焊接时),则 (2-8)隔板中心到力气最近一排管中心距离: (2-9)2.2.5 壳体内径采用多管程结构,取管板利用率,则壳体内径为: (2-10)按卷制壳体的进级档,可取mm。2.2.6 折流板安装折流挡板的目的是为了提高管外对流传热系数,为取得良好效果,挡板的形状和间距必须适当,本设计采用弓形折流板,弓形缺口太大或太小都会产生死区,太大不利于传热,太小又增加流体阻力12。取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%,则切去的圆缺高度为:(mm)故可取h=1665(mm)取折流板间距,则:(mm)故可取B=200(mm)折流板数: (2-11)2.2.7其他附件根据本换热器壳体的内径,故按标准取拉杆直径为,拉杆数量4根。壳程入口处应设防冲挡板19。如下表所得:表2-1 拉杆直径表换热管外径d 拉杆直径dn10d14 1014d25 1225d57 162.2.8 接管壳程流体进出口接管:取接管内流速为,则接管内径为: (2-12)圆整后可取内径为360mm。管程流体进出口接管:取接管内液体流速,则接管内径为: (2-13)圆整后取管内径为410mm。2.3 换热器核算2.3.1 热流量核算(1)壳程表面传热系数1819用克恩法计算, (2-14)当量直径: (2-15)壳程流通截面积: (2-16)壳体流体流速及雷诺数分别为: (2-17) (2-18)普朗特数: (2-19)粘度校正:则: (2) 管内表面传热系数: (2-20)管程流体流通截面积: (2-21)管程流体流速: 普朗特数: (2-22) (3)污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻: 管内侧污垢热阻: 碳钢在该条件下的热导率为管壁热阻为:(4) 传热系数 (2-23) (5)传热面积裕度计算的传热面积为: (2-24)该换热器的实际传热面积为: (2-25)该换热器的面积裕度为: (2-26)传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。2.3.2 壁温核算由于换热管内侧污垢热阻较大,会使传热管内侧污垢热阻较大,会使传热管壁温升高,减低了传热管和壳体的壁温之差。但在操作初期,污垢热阻较小,壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中应按最不利的操作条件考虑,因此,取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温19。 (2-27)式中液体的平均温度和为:() (2-28)() (2-29) 传热管平均壁温:壳体壁温可近似取为壳程流体的平均温度,即。壳体壁温和传热管壁温之差为:由于换热器壳程流体的温差不大,壳程压力不高,因此,选用固定管板式换热器较为适宜。2.3.3 换热器内流体的流动阻力(1)管程流体阻力 (2-30) (2-31)传热管对粗糙度,查图得流速, (Pa) (Pa) (2-32) (Pa)管程流体阻力在允许范围之内19。(2)壳程阻力 (2-33) . (2-34) (2-35) m/s (Pa)流体流过折流板缺口的阻力: (2-36)m, m(Pa)总阻力:(Pa)由于该换热器壳程流体的操作压力较高,所以壳程流体的阻力也比较适宜。2.4 换热器的主要结构尺寸和计算结果表2-2 物性参数表 参数 管程 壳程流率/(Kg/h) 148971 347600进/出温度/ 70/90 170/140压力/MPa 0.045 0.009 定性温度/ 80 155密度/(Kg/m) 1.38 1.14定压比热容/KJ/(Kg.K) 1.038 1.038粘度/cp 0.211 0.23热导率/W/(m.) 0.051 0.054普朗特数 4.42 4设备结构参数:壳体内径/mm:800 , 壳程数:1 ,管径/mm:252, 材质:碳钢,管心距/mm :25 , 管数目/根:449,折流板数/个:2 , 传热面积/:176,折流板间距/mm :2000,管程数:1 。表2-3 计算结果表主要计算结果 管程 壳程流速/(m/s) 10.8 20表面传热系数/W/(.) 7637 1565污垢热阻/(.h./Kcal) 0.0002 0.000176阻力/MPa 0.0288 0.025传热温差/K 62.3面积裕度 17.9浙江大学本科生毕业设计(论文)第3章 强度计算3.1 筒体壁厚计算由工艺设计给定的设计温度155,设计压力=1.1=1.10.099=0.0099,选低合金结构钢板16MnR卷制.材料170时的许用应力=170Mpa(假设厚度为616mm时)12取焊缝系数=0.85,腐蚀裕度C2=2mm.则计算厚度 (3-1) 设计厚度 (3-2)对于16MnR,钢板负偏差,因而可取名义厚度。有效厚度 (3-3)水压试验压力 (3-4)所选材料的屈服应力 水压试验应力校核 (3-5) 水压强度满足要求.气密试验压力 3.2 管箱短节、封头厚度的计算3.2.1 管箱短节厚度的计算由工艺设计给定设计参数为:设计温度60,设计压力=1.1=1.10.4=0.44,选用16MnR钢板,材料许用应力=170Mpa,屈服强度,取焊缝系数12计算厚度 (3-6)设计厚度 (3-7)名义厚度 (3-8)综合考虑结构,补强,焊接的需要,取有效厚度 (3-9)3.2.2 封头厚度的计算壳体封头选用标准椭圆封头计算厚度 (3-10)名义厚度 (3-11)为了便于选材壳体封头厚度取与短节厚度相同.有效厚度 压力试验应力校核 水压试验压力 (3-12) (3-13)3.3 管箱短节开孔补强的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号热轧碳素钢管, ,腐蚀裕度 (3-14) 接管计算壁厚 (3-15)接管有效壁厚 (3-16)开孔直径 (3-17)接管有效补强宽度 (3-18)接管外侧有效补强高度 (3-19)需要补强面积 (3-20)可以作为补强的面积为 (3-21) (3-22) (3-23)该接管补强的强度足够,不需另设补强结构。3.4壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强。选取20号热轧碳素钢管,钢管的许用应力,接管计算壁厚 (3-24)接管有效壁厚 (3-25)开孔直径 (3-26)接管有效补强宽度 (3-27)接管外侧有效补强高度 (3-28)需要补强面积 (3-29)可以作为补强的面积为 (3-30) (3-31) (3-32)无需另设补强结构。3.5 管板设计及校核3.5.1 管板计算的有关参数的确定计算壳程圆筒内直径横截面积 (3-33) 圆筒壳壁金属的横截面积 (3-34) 一根换热管管壁金属的横截面积 (3-35) (3-36) 两管板间换热管有效长度(估计管板厚度为) (3-37) 管束模数根据查得(换热管材料为) (3-38) 管子回转半径 (3-39) 管子受压失稳当量长度由,确定 (3-40) 取 (3-41)管子稳定许用压应力根据查得4 (3-42) ,由公式得为 (3-43) 管板开孔后面积 (3-44) 管板布管区面积 (3-45) 管板布管区的当量直径 (3-36) 系数为 (3-37) 壳体不带波形膨胀节时,换热管束与圆筒刚度比 (3-38) 系数、 (3-39) (3-40) (3-41) 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 (3-42) 3.5.2 计算法兰力矩根据,壳程直径,选用甲型平焊法兰,直径螺柱选用,数量,材料为20。预紧状态下需要的最小螺栓面积 垫片选用石棉橡胶板垫片,公称直径,公称压力P=1.0Mpa垫片型号:1400-1.0JB/T4701-2000,D=1155mm,d=20mm.根据表查得系数,比压力21。 3.5.3管板的计算的相关参数确定假定管板的计算厚度,则换热管的加强系数为 (3-43) 刚度参数计算及某些系数的确定确定(根据) (3-44) (3-45) (3-46) 3.5.4 确定和由和根据查得 (3-47) 3.5.5 对于其延长部分兼作法兰的管板计算计算 (3-48) 由和根据查得计算 (3-49) (3-50) (3-51) 3.5.6 设计条件不同的组合工况壳程压力作用下的危险组合壳程压力 管程压力 不计膨胀 由和根据查得 则取与中较大的值 (3-5255)(1)管板应力 (3-56) (3-57) (3-58) (2)壳体法兰应力 (3-59) 按 (3-60) (3)管子应力 (3-61) (4)壳程圆筒轴向应力 (3-62) (5)拉脱应力连接形式选用焊接 (3-63)管程压力作用下的危险组合壳程压力 管程压 不计膨胀差 (3-6467)由和根据查得 则 (3-6871) (1)管板应力 (3-72) (3-73) (3-74) (3-75) (2)壳体法兰应力 (3-76) 按 (3-77) (3)管子应力 (3-78) (4)壳程圆筒轴向应力 (3-79) (5)拉脱应力连接形式选用焊接 (3-80)计算结果表明进行的管板设计合格。第4章 结构设计 4.1折流挡板安装折流挡板的目的是为提高管外对流传热系数,为取得良好效果,挡板的形状和间距必须适当。对常用的圆缺型挡板,弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生“死区”,太大不利于传热,太小又增加流体阻力。挡板的间距对壳程的流动亦有重要的影响。间距太大,不能保证流体垂直流过管束,使管外对流传热系数下降;间距太小,不便于制造和检修,不便于制造和检修,阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。我国系列标准中采用的挡板间距为:固定管板式有 100mm、150mm、200mm、300mm、450mm、600mm、700mm、7种;浮头式有100mm、150mm、250mm、300mm、350mm、450mm、(或480mm)、600mm 8种18。4.2 法兰换热器设备常用的法兰分为设备法兰和管法兰两类。设备法兰标准有:JB 4710甲型平焊法兰 选用压力范围为0.251.6 Mpa JB 4702 乙形平焊法兰 选用压力范围为0.254.0 Mpa JB 4703 长颈对焊法兰 选用压力范围为 0.66.4 Mpa本设计选用JB 4701甲型平焊法兰 选用压力范围为0.251.6 Mpa。甲型平焊法兰只有法兰环。一般采用钢板制作,必要时也可以采用锻件轧制,与圆筒体或封头角焊连接。由于法兰环与筒体或封头连接的整体性差,即该法兰的连接强度和刚度较小,因此只适用于温度、压力较低的场合。在现行的行业标准中,甲型平焊法兰只有四个压力等级(PN0.25、0.6、1.0、1.6MPa),公称直径的适用范围也较小(DN3002000mm),所用工作温度范围为-2030022。4.3 换热管换热管的规格包括管径和管长。换热管的直径越小,换热器单位体积的传热面积越大。因此,对于洁净的流体管径可取小些,但对于不洁净或亦结垢的流体,管径应该取得大些,以免堵塞。目前我国试行的系列标准规定采用252和192两种规格,对于一般流体是适用的。此外还有382.5,572.5的无缝钢管。本设计选用252规格的换热管。我国生产的钢管系列标准中管长有1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m,按选定的管径和流速确定管子数目,再根据所需传热面积,求得管长合理截取。同时管长又应与壳径相适应,一般管长与壳径之比,即L/D为34.5。本设计选用3m的管长。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。与正方形相比,等边三角形排列比较紧凑管外流体湍流程度高,表面传热系数大。正方形排列虽比较松散,传热效果也较差,但管外清洗方便,对亦结垢流体更为适用。本设计选用等边三角形的排列方式18。4.4 支座化工压力容器及设备都是通过支座固定在工艺流程中的某一位置上的。支座的形式主要分三大类:立式容器支座、卧式容器支座、球式容器支座。卧式容器支座又可分为鞍式支座、圈式支座和支腿式支座,尤以鞍式支座使用最为广泛。鞍式支座的结构特征:1鞍式支座标准分轻型(代号A)和重型(代号B)两种。轻型用于满足一般卧式容器使用要求;重型用以满足卧式换热器、盛装液体重度大和L/D大的卧式容器使用要求。2根据安装形式,鞍式支座分固定式(代号F)和滑动式(代号S)两种。3鞍式支座适用于卧式容器直径DN159426(用无缝管件筒体)、3004000(用卷制筒体)的范围内22。本设计选用鞍式支座23 图4-1 鞍式支座4.5 压力容器选材原则1.选用压力容器材料时,必须考虑容器的工作条件,如温度、压力和介质特征;材料的使用性能,如机械性能、物理性能和化学性能;加工性能,如材料的焊接性能和冷热加工性能;经济合理性能,如材料的价格、制造费用和使用寿命。2.刚制压力容器用钢材应按照国家标准钢制压力容器中所列材料选用,标准中规定设计压力不大于35Mpa,对于超出规定的,应进行具体分析,并进行试验,经过研究以后决定。3.钢材的使用温度不超过各钢号许用应力中所对应的上限温度。但要注意的是,碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用时,应考虑钢中碳化物的石墨化倾向。奥氏体刚的使用温度高于525时,钢中的含碳量不应小于0.04,对于-20的低温容器材料用钢,还应进行夏比“V”型缺口冲击试验。4.压力容器非受压元件用钢必须有良好的可焊性。5.在考虑压力容器受压元件有足够强度的情况下,必须考虑他的韧性,以防止外加载荷作用下发生脆性破坏22。4.6 垫片设备垫片标准主要有:JB4704 非金属软垫片JB4705 缠绕垫片JB4706 金属包垫片一般情况下,非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。非金属软垫片厚度一般根据容器直径选取:容器直径DN450mm时,厚度=2mm;容器直径DN4500mm时,厚度=3mm。金属平垫片厚度一般为36mm。垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封的程度;对垫片本身要考虑垫片性能,压紧用的次数。对高温高压的情况一般多采用金属垫片;中温中压可采用金属和非金属组合式或非金属垫片;中低压情况多采用非金属垫片;高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。根据本设计要求选用石棉橡胶板垫片,确定垫片系数m=2.5,比压力y=20MPa,垫片尺寸D=944,d =90421。第5章 结论半学期的毕业设计即将结束,我完成了石脑油冷凝器的工艺设计、结构设计、强度设计的计算,确定了设备结构,完善了设计图纸。通过这次的毕业设计,使我系统全面地了解了化工设备的设计过程,对化工设备有了更深刻、全面地认识,拓宽了知识领域,为今后的工作打下了坚实的基础。本设计主要进行了换热面积估算,实际换热面积为 92.6 m2,面积裕度为17.9%,工艺结构尺寸的确定,壳体内径为800,换热管规格为252;流动阻力计算;零部件选型,选用甲型平焊法兰,垫片选用石棉橡胶板垫片,鞍式支座,折流板选用弓形折流板,螺栓规格M1260;设备强度计算,经计算及校核后,所得的数据均符合要求。参 考 文 献1 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计M.化工工业出版社 2005.72 罗光华,冯莉.超限型换热器的制造.J石油化工设备,2004,33(7):32-353 秦叔经,叶文邦,等。化工设备设计全书M.北京:化学工业出版社,19974 压力容器标准化技术委员会编.GB15098 钢制压力容器汇编,第一版S.北京:学苑出版社,19985 G.,Industrial Heat Exchangers (a basic guide) A,Hemisphere Publishing Co.New York,19826 张康答,洪起超等.压力容器手册M.北京:劳动人事出版社,1987 7 M.and London、A.L.,Compact Heat Exchangers,2nd edJ.,MacGraw-Hill Book Company,New York,1984 8 钱颂文主编.换热器设计手册M,北京: 化学工业出版社,20029 化工设备设计全书编辑委员会换热器设计M上海科学技术出版社10 化工基本过程与设备M化学工业出版社11 谭天恩麦本熙丁惠华化工原理M上册北京:化学工业出版社198412 中华人民共和国国家标准GB151-1999管壳式换热器S13 陈匡民过程装备腐蚀与防护M化学工业出版社 14 楼宇新.化工机械制造工艺与安装修理M.北京:化学工业出版社,1981 15 郑品森.化工机械制造工艺M.北京:化学工业出版社,1981 16 ZHANG Qing-lin, YOU Li-ming(Dalian RefrigeratorCo., LtdJ., Dalian 116033, China) The Common HeatExchangers For IndustrialRefrigeration System 17 E.U.Schlun,Editor-in-chief,Heat Exchanger Design Handbook, Hemisphere Publishing Corporation,198318 李凤华,于士君. 化工原理M. 大连:大连理工大学出版. 2004.19 匡国柱,史起才.化工单元过程及设备课程设计M.北京:化学工业出版社. 2002.20 JB/T470047072000. 压力容器法兰S. 云南:云南科技出版社出版. 2000. 21 钢制管法兰,垫片,紧固件S.中华人民共和国化学工业部.1991. 22 李勤,李福宝.压力容器过程设备M.2006.23 中华人民共和国行业标准.容器支座S.中华人民共和国机械电子工业部,中华人民共和国化学工业部,中华人民共和国劳动部,中国石油化工总公司发布.1992. 致 谢47- 本科毕业设计(论文)开题报告题目:乙烯冷却设备设计学生姓名彭泽桃学号0903020426教学院系机电工程学院专业年级过程装备与控制工程指导教师职称单位西南石油大学选题的依据及意义: 乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,乙烯工业是石油化工产业的核心,乙烯产品占石化产品的70%以上,在国民经济中占有重要的地位.世界上已将乙烯产品已成为衡量一个国家化学工业水平的重要标志乙烯生产的规模、成本、生产稳定性、产品质量等都会对整个石油化工联合企业起到支配作用,因此乙烯装置就成为关系全局的核心生产装置之一,世界各国自1960年以来在其节能、降耗、减少投资、方便操作管理、降低生产成本以提高乙烯企业整体经济效益方面开展了广泛的研究并取得了卓有成效的进展 换热器的基建投资在一般化工、石化企业中约占设备总投资的20%,其中固定管板式换热器约占换热器的70%。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体,当两流体的温度差较大时,在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈,(或膨胀节)。当壳体和管束热膨胀不同时,补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。特点:结构简单,造价低廉,壳程清洗和检修困难,壳程必须是洁净不易结垢的物料。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板换热器的结构特点是在壳体中设置有管束,管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上,两端管板直接和壳体焊接在一起,壳程的进出口管直接焊在壳体上,管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固,管程的进出口管直接和封头焊在一起,管束内根据换热器的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。固定管板式换热器结构简单,制造成本低,管程清洗方便,管程可以分成多程,壳程也可以分成双程,规格范围广,故在工程上广泛应用。壳程清洗困难,对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时,可在壳体上设置膨胀节,以减少因管、壳程温差而产生的热应力。本课题所设计的冷却器属于固定管板换热器,是针对给定的设计参数,按照相关规定的要求,通过壁厚计算和强度校核等,设计固定管板式换热器产品。熟悉压力容器设计的基本要求,掌握固定管板式换热器的常规设计方法,把所学的知识应用到实际的工程设计中区,为以后的工作和学习打下扎实的基础。二、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述): 2.1换热器的概念及意义 在化工生产中为了实现物料之间能量传递过程在、需要一种传热设备。这种设备统称为换热器。在化工生产中,为了工艺流程的需要,往往进行着各种不同的换热过程:如加热、冷却、蒸发和冷凝。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备,通过这种设备,以便使热量从温度较高流体传递到温度较低的流体,以满足工艺上的需要。它是化工炼油,动力,原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备,对于迅速发展的化工炼油等工业生产来说,换热器尤为重要。换热器在化工生产中,有时作为一个单独的化工设备,有时作为某一工艺设备的组成部分,因此换热器在化工生产中应用是十分广泛的,任何化工生产中,无论是国内还是国外,它在生产中都占有主导地位。2.2管壳式换热器结构由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程流体;另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大;正方形排列的管壳式换热器则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。 流体每通过管束一次称为一个管程;每通过壳体一次称为一个壳程。图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板,将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程。同样,为提高管外流速,也可在壳体内安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。由于管内外流体的温度不同,因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大,换热器内将产生很大热应力,导致管子弯曲、断裂,或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50时,需采取适当补偿措施,以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施,管壳式换热器可分为以下几种主要类型:(1)固定管板式换热器 管束两端的管板与壳体联成一体,结构简单,但只适用 于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时,可在壳体上安装有弹性的补偿圈,以减小热应力。(2)浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动,完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广,但结构比较复杂,造价较高。(3) U型管换热器 每根换热管皆弯成U形,两端分别固定在同一管板上下两区,借助于管箱内的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力,结构比浮头式简单,但管程不易清洗。 (4)非金属材料换热器 化工生产中强腐蚀性流体的换热,需采用陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。其中以碳化硅为主要材质的陶瓷换热器具有以下特点:陶瓷换热器的生产工艺与窑具的生产工艺基本相同,导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近,温度较高的地方,不需要掺冷风及高温保护,当窑炉温度1250-1450时,烟道出口的温度应是1000-1300,陶瓷换热器回收余热可达到450-750,将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧,可节约能源25%45%,这样直接降低生产成本,增加经济效益。 陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展,因为它较好地解决了耐腐蚀,耐高温等课题,成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践,表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是:导热性能好,高温强度高,抗氧化、抗热震性能好。寿命长,维修量小,性能可靠稳定,操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。目前,陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉,正在为世界的节能减排事业作出了巨大的贡献。 流道的选择:进行换热的冷热两流体,按以下原则选择流道:不洁净和易结垢流体宜走管程,因管内清洗较方便;腐蚀性流体宜走管程,以免管束与壳体同时受腐蚀;压力高的流体宜走管程,以免壳体承受压力;饱和蒸汽宜走壳程,因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出;若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时,宜使传热分系数大的流体走壳程,以减小热应力。 操作强化:当管壁两侧传热分系数相差很大时(如粘度小的液体与气体间的换热),应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小,可采用外螺纹管(低翅片管),以增大管外一侧的传热面积和流体湍动,减小热阻。如果管内传热分系数小,可在管内设置麻花铁,螺旋圈等添加物,以增强管内扰动,强化换热,当然这时流体的流动阻力也将增大。1、主要控制参数 管壳式换热器的主要控制参数为加热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。2、选用要点 1)、根据已知冷、热流体的流量,初、终温度及流体的比热容决定所需的换热面积。初步估计换热面积,一般先假定传热系数,确定换热器构造,再校核传热系数K值。 2)、选用换热器时应注意压力等级,使用温度,接口的连接条件。在压力降,安装条件允许的前提下,管壳式换热器以选用直径小的加长型,有利于提高换热量。 3)、换热器的压力降不宜过大,一般控制在0.010.05MPa之间; 4)、流速大小应考虑流体黏度,黏度大的流速应小于0.51.0m/s;一般流体管内的流速宜取0.41.0m/s;易结垢的流体宜取0.81.2m/s。 5)、高温水进入换热器前宜设过滤器。 6)、热交换站中热交换器的单台处理和配置台数组合结果应满足热交换站的总供热负荷及调节的要求。在满足用户热负荷调节要求的前提下,同一个供热系数中的换热器台数不宜少于2台,不宜多于5台。2.3换热器的发展历史二十世纪20年代出现板式换热器,并应用于食品工业。以板式管制成的换热器,结构紧凑,传热效果好,因此陆续发展为各种形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翘式换热器,用于飞机发动机的散热。30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压,钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。从此,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器,又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离,这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如,化工厂和发电厂所用的凉水塔中,热水由上往下喷淋,而冷空气自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面,热水和冷空气相互接触进行换热,热水被冷却,冷空气被加热,然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。蓄热式换热器是利用冷、热流体交替经蓄热室中的蓄热体(填料)表面,从而进行热量交换的换热器,如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器,多用于空气分离装置中。间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开,并通过间壁进行热量交换的换热器,因此又称表面式换热器,这类换热器应用最广。间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面,包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等:板面式换热器以板面作为传热面,包括板式换热器、螺旋板换热器、板翘式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等;其他型式换热器是为满足某些特殊要求面设计的换热器,如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时,入口处两流体的温差最大,并沿传热表面逐渐减小,至出口处温差为最小。逆流时,沿传热表面两流体的温度分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下,当两种流体都无相变时,以逆流的平均温差最大顺流最小。在完成同样传热量的条件下,采用逆流可使平均温差增大,换热器的传热面积减小;若传热面积不变,采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费,后者可节省操作费,故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时,由于相变时只放出或吸收气化潜热,流体本身的温度并无变化,因此流体的进出口温度相等,这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外,还有错流和折流等流向。在传热过程中,降低间壁式换热器中的热阻,以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层),和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层,金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性,可减薄边界层,降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加,故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻,可设法延缓污垢的形成,并定期清洗传热面。一般换热器都有金属材料制成,其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器;不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外,奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料;铜、铝及其合金多用于制造低温换热器;镍合金则用于高温条件下;非金属材料除制作换热器等。2.4国内外研究现状及发展趋势2.4.1国内外的状况管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品,由于国防工业技术的不断发展,换热器操作条件日趋苛刻,迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来,我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展,其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力,如再强化传热,效果将更好,目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂,我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性,价格比钛材便宜,应予注意5。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能,提高传热效率,减少传热面积降低压降,提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率,使企业成本降低,效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要,“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业,将继续保持快速发展的势头,预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元,化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来,国内市场需求将呈现以下特点:对产品质量水平提出了更高的要求,如环保、节能型产品将是今后发展的重点;要求产品性价比提高;对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈;逐渐注意品牌产品的选用;大工程项目青睐大企业或企业集团产品。据统计,在一般石油化工企业中,换热器的投资占全部投资的40-50;在现代石油化工企业中约占30-40;在热电厂中,如果把锅炉也作为换热设备,换热器的投资约占整个电厂总投资的70;在制冷机中,蒸发器的质量要占制冷机总质量的30-40,其动力消耗约占总值的20-30。由此可见,换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减小其体积,在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。对国外换热器市场的调查表明,管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展,其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB 公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少30 %-40 %的传热面积节省材料20 %-30 %。相对于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在相同流速时壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下(Re 1 000) 的传热螺旋折流板效果更为突出。2.4.2生产需求状况 换热器广泛地应用在工农业各个领域,在炼油、化工装置中换热器占总设备量和设备投资的40%左右。在换热器设备中,因管壳式换热器具有结构坚固、可靠性高、适应性大、材料范围广等优。市场供需关系是影响市场变化的主要因素,在激烈地市场竞争中,企业及投资人能否全面准确地了解自己以及所处的环境,做出适时有效的市场决策是制胜的关键。市场供需情况就是为了解行情、分析环境提供依据,是企业了解市场和把握发展方向的重要手段,是辅助企业决策的重要工具。除了一些新材料新型换热设备外管壳式换热器需求量依然很大,如果能更近一步发展管壳式换热器前途远大。3、 研究内容及实验方案: 毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:设置一固定管板式换热器,已知条件如下已知条件壳程管程工作压力40.45工作温度(进口)9230工作温度(出口)3535操作介质乙烯冷却水换热面积400m22.要求英文资料翻译忠实原文;3. 要求设计合理的换热器结构;4. 要求绘制所设计换热器的结构图。5. 要求毕业论文叙述条理清楚,设计计算正确,论文格式规范。4、 目标、主要特色及工作进度主要特色 完善的换热器在设计或选型时应满足如下基本条件:(1) 合理的实现所规定的工艺条件;(2) 结构安全可靠;(3) 便于制造、安装、操作和维修;(4) 具有较好的经济性。本文在设计固定管壳式换热器的时候,根据各方面的条件和资料仔细、合理的进行设计,满足给出数据要求,并力求合理、经济。同时。在数据完成后,经过热量、温度、阻力、强度的核算,使换热器安全可靠,并便于操作和安装,以人为本。管壳式换热器追求的目标是:综合传热系数K值高;两侧流体的压力损失P值低;体积的紧凑度a值高;低廉的成本和价格;性能持久和使用寿命长;制造容易和操作方便。工作进度五、参考文献1史美中等主编.热交换器原理与设计M. 南京:东南大学出版社,19952. W.M.罗森诺主编. 传热学应用手册(上册)M. 北京:科学出版社,19923. 杨世铭等主编. 传热学(第3版)M. 北京:高等教育出版社,19984钱颂文等主编. 换热器设计手册M. 北京:化学工业出版社,20025尾花英朗著,徐中权译. 换热器设计手册M. 北京:烃加工出版社,19876余建祖主编. 换热器原理与设计M. 北京:北京航空航天大学出版社,20067Bent Sunden. Enhancement of Convective Heat Transfer in Rib-roaghenedRectangular DuctsJ. Enhanced Heat Transfer,1999,6:89-1038. 沈维道等主编.工程热力学(第3版)M. 北京:高等教育出版社,2001.6 10
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