30萬噸年乙烯裝置脫甲烷塔進(jìn)料冷卻器設(shè)計--畢業(yè)論文.docx

30萬噸/年乙烯裝置脫甲烷塔進(jìn)料冷卻器設(shè)計xx大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）30萬噸/年乙烯裝置脫甲烷塔進(jìn)料冷卻器設(shè)計Design of demethanizer feed cooler for ethylene plant with 300 thound tons / year學(xué) 院（系）： 化工與環(huán)境生命學(xué)部 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 摘 要乙烯產(chǎn)品是石油化工裝置中的重要產(chǎn)品，乙烯工業(yè)的發(fā)展程度是衡量一個國家石化工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一，揚(yáng)子乙烯裝置就是我國在20世紀(jì)60年代從國外引進(jìn)的代表性乙烯裝置之一。本設(shè)計是30萬噸/年產(chǎn)乙烯裝置中脫甲烷塔進(jìn)料冷卻裝置的設(shè)計。脫甲烷塔分四段進(jìn)料，每段進(jìn)料溫度各不相同，本次設(shè)計是針對其中一股進(jìn)料的冷卻裝置設(shè)計。在進(jìn)料時增加冷卻器，可以有效減少塔底再沸器的負(fù)荷，降低成本。在設(shè)計換熱器時，除了需要考慮換熱器能否滿足工藝需求外，還需充分了解各種換熱器所適用的場合、優(yōu)缺點(diǎn)，以便綜合考慮，選擇出成本最低的方案；本次設(shè)計通過分析，最終選擇單管程、單殼程的固定管板式換熱器；根據(jù)工藝要求，進(jìn)行工藝計算，初算換熱器尺寸大??；根據(jù)國標(biāo)，對換熱器進(jìn)行機(jī)械設(shè)計和校核，同時進(jìn)行附件選擇，完成換熱器裝配圖紙。本次設(shè)計的重點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核。本文設(shè)計內(nèi)容包括：工藝計算、設(shè)備選型、材料選擇、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度校核、附件選擇以及用CAD繪制換熱器裝配圖1張，零件圖4張。關(guān)鍵詞：換熱器；固定管板；應(yīng)力分析；強(qiáng)度校核；附件選擇- II -30萬噸/年乙烯裝置脫甲烷塔進(jìn)料冷卻器設(shè)計Design of demethanizer feed cooler for ethylene plant with 300 thound tons / yearAbstract Ethylene products are important products in petrochemical plants. The development of ethylene industry is one of the important symbols to measure the level of petrochemical industry. One of the representative ethylene plants imported from abroad in China in the 1960s.In this work, the cooler is designed for the 300 thound tons / year ethylene plant in the removal of methane process feed cooler design. Demethylation tower is divided into four feeds, each feed temperature is different, this design is for one of the feed cooling device design. Adding the cooler to the feed can effectively reduce the load on the bottom reboiler and reduce the cost. In the design of heat exchangers, in addition to the need to consider whether the heat exchanger to meet the process requirements, but also need to fully understand the various heat exchanger applications, advantages and disadvantages, in order to consider, choose the lowest cost of the program; through the analysis design, the final choice is single-tube, single-shell fixed tube plate heat exchanger; according to process requirements, making the process calculation, getting the size of the initial heat exchanger; according to the national standard, doing mechanical design and strength check for the heat exchanger ,as well as chose the annex, complete heat exchanger assembly drawings. The focus of this design is the design of the equipment structure and strength check.The design of this article includes: process calculation, equipment selection, material selection, equipment structure design, strength check, accessories selection and CAD drawing with heat exchanger assembly diagram 1 as well as part 4 sheet.Key Words：Heat exchanger; Fixed pipe plate; Stress analysis; Strength check; Attachment selection- III -30萬噸/年乙烯裝置脫甲烷塔進(jìn)料冷卻器設(shè)計目 錄摘 要IAbstractII1文獻(xiàn)綜述11.1 乙烯裝置簡介11.2換熱器介紹21.2.1板面式換熱器21.2.2熱管換熱器41.2.3管式換熱器41.3換熱器優(yōu)化51.3.1 表面特性及選擇61.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計61.3.3模擬軟件61.4換熱器的設(shè)計方法61.4.1試算并初選設(shè)備規(guī)格71.4.2計算管殼程壓強(qiáng)降71.4.3核算總傳熱系數(shù)71.5設(shè)計方案分析82換熱器工藝設(shè)計92.1物性數(shù)據(jù)92.2估算設(shè)備尺寸102.3 換熱器核算112.3.1熱流量核算112.3.2傳熱管和殼體壁溫核算142.3.3流體阻力核算143換熱器機(jī)械設(shè)計163.1 殼體壁厚計算163.2 管箱壁厚計算163.3 封頭壁厚計算173.4固定管板計算173.5判斷是否需要膨脹節(jié)243.5.1殼體和管子承受的最大應(yīng)力243.5.2管子拉脫力253.5.3比較263.6計算與校核263.7管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核403.8殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核404流體誘發(fā)振動424.1計算橫流速度424.2計算卡門漩渦頻率434.3計算湍流抖振主頻率444.4計算聲頻444.5換熱管的固有頻率444.6臨界橫流速度454.7計算振幅464.8結(jié)論46設(shè) 計 總 結(jié)47參 考 文 獻(xiàn)48附錄A 結(jié)構(gòu)設(shè)計49A.1保溫層49A.2接管49A.2.1接管伸出長度49A.2.2接管安裝位置50A.3管箱50A.3.1管箱最小長度50A.3.2管箱法蘭50A.4防沖板50A.5折流板及拉桿布置51A.6支座51A.7吊耳52附錄B 換熱器數(shù)據(jù)表53致 謝55VI30萬噸/年乙烯裝置脫甲烷塔進(jìn)料冷卻器設(shè)計1 文獻(xiàn)綜述1.1 乙烯裝置簡介乙烯產(chǎn)量占石油化工產(chǎn)品的百分之七十五，在世界經(jīng)濟(jì)中占有很大比重，乙烯工業(yè)更是石油化工產(chǎn)業(yè)的核心工業(yè)。乙烯工業(yè)的發(fā)展程度已經(jīng)成為世界上衡量一個國家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。20世紀(jì)七十年代末期，我國引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬噸規(guī)模的大型乙烯生產(chǎn)裝置，揚(yáng)子乙烯裝置既是其中之一。隨著改革開放的深入和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國石油化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和工藝技術(shù)水平也在迅速地擴(kuò)展和提高，已成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其中，乙烯工藝近十多年來發(fā)展尤為迅速。揚(yáng)子30萬噸/年乙烯裝置是揚(yáng)子石油化工裝置的組成部分，揚(yáng)子乙烯裝置的原料除了石腦油之外，還可以使用本公司生產(chǎn)的直溜石腦油、常壓柴油、加氫裂化尾油、丙烷和丁烷等。揚(yáng)子乙烯裝置主要裂解原料是輕柴油和石腦油。裂解油在裂解爐中經(jīng)過裂解會生成各種碳化合物、氫化物及其他產(chǎn)品。裂解氣體在經(jīng)過廢鍋初步冷卻后，進(jìn)入裂解油回收部分。首先經(jīng)過急冷、汽油分離塔等急冷區(qū)分離出其中的重組分，當(dāng)離開水急冷塔塔頂時，裂解氣的溫度已降至45左右，其中的柴油，以及比柴油更重的組分已基本完全分離。然后經(jīng)過壓縮和常溫冷凝以及醇胺洗滌、堿洗和分子篩干燥后，將其中的H2S、CO2和裂解汽油以及大部分水蒸氣分離出來，硫化物會影響聚合級烯烴產(chǎn)品的質(zhì)量，在低溫時會凝結(jié)為固體，在低溫設(shè)備中發(fā)生堵塞。隨后將裂解氣通入堿洗塔，可以進(jìn)一步除去酸性氣體。分離乙烯及其聯(lián)產(chǎn)物的主要設(shè)備精餾塔，是根據(jù)化合物沸點(diǎn)的差別，將乙烯、丙烯、和等逐步分離出來。揚(yáng)子乙烯裝置脫甲烷系統(tǒng)采用裂解氣在高溫下?lián)Q冷降溫，在低壓下脫除甲烷、順序分離的流程。脫甲烷塔是乙烯裝置冷區(qū)部分的核心設(shè)備；其中裂解氣分離裝置中耗能最大，投資最大的兩個的環(huán)節(jié)分別是裂解其中甲烷和氫的脫除。其中，氫和甲烷的脫除需要在-90以下低溫條件的深冷分離裝置中進(jìn)行，其冷凍功耗大約占整個裝置冷凍功耗的50%左右。目前，世界乙烯年產(chǎn)量已大幅上升，2015年，乙烯產(chǎn)量最高的三個地區(qū)的產(chǎn)量分別為：亞太地區(qū)5300萬噸/年，北美地區(qū)3640萬噸/年，中東地區(qū)2918萬噸/年。2015年，占世界乙烯總產(chǎn)能的14.7%的世界前10大乙烯聯(lián)合裝置的總參能為2256.6萬噸/年1。當(dāng)前，世界排名前三的乙烯聯(lián)合裝置，分別為美國的埃克森美孚化學(xué)公司、中國臺塑集團(tuán)和加拿大諾瓦化學(xué)公司的乙烯生產(chǎn)裝置，其產(chǎn)能分別為350萬噸/年、293.5萬噸/年、281.2萬噸/年。我國于2013年在陜西榆林建成150萬噸/年催化裂解制乙烯裝置反應(yīng)器。741.2換熱器介紹換熱器是工業(yè)生產(chǎn)過程中冷熱物流之間進(jìn)行熱量交換的一類設(shè)備。尤其是在發(fā)展迅速的的化工、石油等工業(yè)生產(chǎn)中，換熱器的應(yīng)用更是十分廣泛。通常的建設(shè)中，換熱設(shè)備的投資約整個生產(chǎn)裝置工藝投資的20% 30%左右。在化工生產(chǎn)中的工藝流程中，進(jìn)行著各種不同形式的流體之間的熱量交換。這些熱量之間的傳遞就是通過換熱器來實(shí)現(xiàn)的，在工業(yè)生產(chǎn)中，為了滿足工藝需求，有時需要在冷熱物流之間進(jìn)行熱量傳遞，換熱器便是傳遞熱量的媒介。換熱器可以依據(jù)使用目的將其分為：等；依據(jù)冷、熱流體的流動方向可分為：；依據(jù)熱量的傳遞形式可分為： 2；其中兩股流體被固體表面分開，熱量交換是通過避免進(jìn)行的，因此，又被稱為，是應(yīng)用最為廣泛的一類熱交換設(shè)備。1.2.1板面式換熱器（1） 板式換熱器板式換熱器一般可分為焊接板式和可拆式?？刹鹗綋Q熱器由于可以進(jìn)行拆卸清洗，可靈活增加板塊依次增加換熱面積，在供熱工程中使用較多。且橡膠墊密封用焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行代替的焊接板式換熱器，可消除由于墊片材料因溫度、壓力和腐蝕性等帶來的限制。焊接板式換熱器適用于不易結(jié)垢的流體之間的換熱，且焊板片內(nèi)部的清洗方法不能選擇機(jī)械方式2?？偟膩碚f，板式熱交換器具有以下的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：a. 換熱效率高； b. 針對性強(qiáng)，有多種波紋形式和材料可供不同工況條件、介質(zhì)選擇；c. 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；d. 適應(yīng)性強(qiáng)，絕大多數(shù)的換熱工藝可用；e. 熱損失小，板式換熱器為全封閉的設(shè)備，不會與空氣發(fā)生熱量損失，熱能完全被加以轉(zhuǎn)移和利用；f. 拆裝維修方便，拆卸時不需要額外空間，板片可以卸下清洗，密封墊更換容易。缺點(diǎn)：a. 承壓性能較低，且設(shè)備越大，承壓性能越差；b. 工作溫度較低；c. 不適用于雜質(zhì)較多的介質(zhì)，當(dāng)雜質(zhì)較多時，易堵塞留道，降低換熱效果，且雜質(zhì)容易損壞板片；d. 操作不當(dāng)易造成泄露。（2） 螺旋板式換熱器在回收廢液、廢氣中的能量等場合國內(nèi)外較早使用的是，螺旋板式換熱器主要由螺旋形和連接管等基本部件構(gòu)成。流體在流道內(nèi)流動時因結(jié)構(gòu)形狀的原因產(chǎn)生離心力，在流道內(nèi)外側(cè)之間形成二次流，可以很大程度上增強(qiáng)流體擾動，強(qiáng)化傳熱 2。 優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、制造簡單、成本低，單位面積提供的傳熱面很大。流體在螺旋板內(nèi)允許流速較高，并沿螺旋方向流動，邊界層薄，故傳熱系數(shù)大，傳熱效率高。此外還因流速大，臟物不易滯留。缺點(diǎn)：要求焊接質(zhì)量高，檢修比較困難，重量大，剛性差。（3） 板翅式換熱器板翅式換熱器被認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的新型換熱設(shè)備之一3。優(yōu)點(diǎn)：a. 傳熱效率高，流體在流道中產(chǎn)生的二次流形成的擾動，有效降低熱阻，提高了傳熱效率；b. 結(jié)構(gòu)緊湊； c. 輕巧、牢固； d. 適應(yīng)性大，可適用多種介質(zhì)熱交換，亦可用作冷凝或蒸發(fā)；e. 經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)：流道狹小，易堵塞，發(fā)生堵塞或腐蝕易造成串漏，維修困難。（4） 板殼式換熱器板殼式換熱器最早由歐美發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80年代開發(fā)研制，其基本結(jié)構(gòu)類似板式換熱器的結(jié)構(gòu)，但板間距較板殼式換熱器較大，各板之間采用焊接法連接，取消了墊片，適用于介質(zhì)清潔、壓降小、換熱面積大的場合。（5） 傘板式換熱器傘板式換熱器的傳熱元件是帶波紋的傘板，其結(jié)構(gòu)基本上與板式換熱器相同。20世紀(jì)60年代初期，由我國和瑞典各自獨(dú)立創(chuàng)制。傘板換熱器適用于高粘度、小流量、小溫差的流體之間的換熱4。優(yōu)點(diǎn)：a. 板片制作簡單，成本低；b.板片增減自如，拆卸、清洗方便，能適應(yīng)傳熱面積的變化。缺點(diǎn)：a. ；b. ，不能用于高溫、高壓場合；c. 流動阻力大。1.2.2熱管換熱器熱管換熱器最早被應(yīng)用于，70年代國外開始在、石油、化工等方面有所應(yīng)用。元件組成，熱管是其中的關(guān)鍵元件。熱管是容器，熱流體的熱量在蒸發(fā)段傳給換熱管中的介質(zhì)，介質(zhì)蒸發(fā)成氣態(tài)，流向冷凝段，在冷凝段冷凝，釋放出汽化潛熱，熱量傳給冷流體，介質(zhì)冷凝成液體，然后在毛細(xì)力或者重力的作用下重新返回蒸發(fā)段，如此，利用介質(zhì)的相變反復(fù)進(jìn)行冷、熱流體之間的熱量交換。經(jīng)過20多年的努力，我國先后開發(fā)成功了多種熱管換熱器，并在多種行業(yè)的應(yīng)用中取得了重大突破。當(dāng)前熱管技術(shù)已趨于成熟，應(yīng)用在面逐步擴(kuò)大3。優(yōu)點(diǎn)：a. 較大的傳熱能力和導(dǎo)熱性；b. 優(yōu)良的等溫性；c. 熱流密度可變。缺點(diǎn)：具有傳熱極限，管內(nèi)蒸汽流通截面的大小、流體截面、蒸汽壓力、流動速度和毛細(xì)抽力等都會限制熱管的傳熱能力。1.2.3管式換熱器（1）套管式換熱器套管式熱交換器的元件是兩根不同直徑的管子套成的同心套管，然后把多個元件加以連接而成的一種換熱器，流動方式為純逆流或純順流的方式3。優(yōu)點(diǎn)：a. 結(jié)構(gòu)簡單、適用于高溫、高壓的流體；b. 內(nèi)管做成可抽出的套管形式可方便除污。缺點(diǎn)：a. 阻力大；b. 消耗金屬多；c. 管間接頭多，易發(fā)生泄漏；d. 體積較大，占地面積大。（2）管殼式換熱器目前管殼式換熱器是國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中最主要的換熱設(shè)備，雖然其在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性和金屬材料消耗等方面并不是最佳的，但其具有適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠、彈性大、對材料性能要求低、可承受高溫高壓等特點(diǎn)，使得其在工程中仍然有廣泛應(yīng)用3。按結(jié)構(gòu)常見的有三種： 和浮頭式換熱器，三種形式的換熱器各有特點(diǎn)，適用于不同的場合。三者相比， 的優(yōu)點(diǎn)是：殼體與管束的，管束便于更換，同時殼程的，可以用機(jī)械方法進(jìn)行清掃；的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，造價低；U形管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是：殼程清洗方便，造價較低。因此從經(jīng)濟(jì)性上分析，在工藝條件允許時，選用固定管板式換熱器最為合理5。三種管殼式換熱器系列特征和適用范圍見表1.2。表1.2 管殼式換熱器系列特征和適用范圍類型公稱直/（mm）管程數(shù)管長/（m）管子（外徑厚度）/（mmmm）排列方式特性適用范圍固定管板式15918001,2,4,61.5,2,3,4.5,6,9192252.5熱膨脹補(bǔ)償式：剛性，溫差50；加膨脹節(jié)，溫差90120；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，長管時造價最低，管束不可抽取溫差較??；殼程壓力低；殼程流體清潔不易結(jié)垢；可立式或臥式U形 管式32512002,43,6192252.5U形端自由伸縮補(bǔ)償性好；結(jié)構(gòu)簡單，管束抽出容易；管子排列不緊湊，管長分布不均勻溫差較大；管內(nèi)流體較干凈；管內(nèi)可承受高壓浮頭式32519002,4,63,4.5, 6,9192252.5浮頭可伸縮，補(bǔ)償性好，管束可抽出；造價較高適用面廣；管內(nèi)外均可承受高溫高壓注：1）表中為碳鋼和低合金鋼的尺寸，不銹鋼材質(zhì)的管子為192mm及252mm，換熱管為光滑管和螺紋管。 2）管心距：19mm2mm為25mm；252.5mm為32mm1.3換熱器優(yōu)化換熱器在生產(chǎn)中的投資占有很大的比例，然而由于各種原因，換熱器的效率卻一直很低，因此，對換熱器的優(yōu)化設(shè)計就顯得十分有必要。早期人們對于換熱器傳熱效果的優(yōu)化思想主要集中在換熱器的翅片形狀上上，通過對這些形狀各異的翅片的傳熱系數(shù)、摩擦因子與雷諾數(shù)之間關(guān)系的研究，來優(yōu)化換熱器傳熱6。目前，對于換熱器優(yōu)化的研究主要集中在一下幾個方面：1.3.1 表面特性及選擇一般可從定性和定量兩個方面來分析考慮表面選擇，定量分析法又分為性能比較法和篩法兩種，兩種方法又分別適用于不同類型的換熱器7。美國斯坦福大學(xué)的Kays和London等人通過對緊湊表面的實(shí)驗(yàn)研究8，針對40多種不同翅片形式的板翅式換熱器總結(jié)出了他們之間的傳熱和阻力關(guān)聯(lián)式。計算流體力學(xué)、流動可視化技術(shù)和模擬測試是最基本和最主要的方法，基于這些方法的研究主要有以下幾個方面：a. 傳熱、壓降系數(shù)及有關(guān)關(guān)聯(lián)式b. 傳熱機(jī)理和各種傳熱表面的數(shù)值解c. 伴有相變及兩相流的傳熱及流動1.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計換熱器的結(jié)構(gòu)對換熱器的性能研究有很大的影響，目前有以下方法可使換熱器的結(jié)構(gòu)更加緊湊9： a. 用具有；b. 改善換熱器換熱表面的幾何形狀；c. 流道布置，適當(dāng)?shù)母淖兞鞯溃淖兞黧w流動方式，增加擾動，可以強(qiáng)化傳熱10；d. 由于緊湊式換熱器流道短、換熱表面積大，所以介質(zhì)流動的均勻分配對緊湊式熱交換器導(dǎo)流器的設(shè)計十分重要；e. 根據(jù)不同的換熱工質(zhì)，根據(jù)情況在流體中添加換熱強(qiáng)化劑，也可以增加臨界熱流密度，提高換熱系數(shù)11 。1.3.3模擬軟件近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種計算軟件開始大量出現(xiàn)，且其算法更加準(zhǔn)確、可靠，利用計算機(jī)軟件模擬的方法，可以對換熱器尺寸、傳熱效率進(jìn)行優(yōu)化，還可以對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析，快速找出最有路徑12。1.4換熱器的設(shè)計方法常規(guī)的換熱器按照GB151-2014 熱交換器和GB150-2011進(jìn)行選型及分析設(shè)計，主要步驟如圖1.2：1.4.1試算并初選設(shè)備規(guī)格根據(jù)順流或逆流的傳熱方式，計算熱負(fù)荷，根據(jù)物性數(shù)據(jù)表查相關(guān)的物性數(shù)據(jù)，假設(shè)傳熱系數(shù)，初步得到的換熱器規(guī)格。1.4.2計算管殼程壓強(qiáng)降。驗(yàn)算結(jié)果是否合理。若不符合工藝要求，則需調(diào)整流速，重新計算直至滿足要求。1.4.3核算總傳熱系數(shù)計算管程、殼程對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，再計算總傳熱系數(shù)K，計算出實(shí)際的換熱面積，換熱裕度需要大于15%，否則設(shè)計不合理，需重新假設(shè)K值，重復(fù)以上計算步驟13。圖1.2 換熱器計算流程1.5設(shè)計方案分析根據(jù)揚(yáng)子乙烯脫甲烷工藝條件，脫甲烷塔進(jìn)料分4股不同溫度的進(jìn)料入口，本次設(shè)計進(jìn)料冷卻器為的數(shù)據(jù)依照其2號進(jìn)料冷卻器數(shù)據(jù)，制冷溫度為，采用從丙烯精餾塔采出的丙烯作為冷卻器的制冷劑，可以減小能耗，丙烯的制冷溫度為，冷熱兩股流體的溫差較小，需冷卻物料的壓力約為，故優(yōu)先選擇固定管板式換熱器，其結(jié)構(gòu)簡單，處理量大，且造價便宜，經(jīng)濟(jì)合理。由于乙烯產(chǎn)品的產(chǎn)量大，故換熱器的體積較大，為減小占地面積，可設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)；因冷卻流體為混合物，沸點(diǎn)差異較大，壓力大，且可能會因?yàn)闇囟冉档陀辛黧w冷凝結(jié)晶，附著在換熱管內(nèi)表面，故混合氣體走管程，便于管內(nèi)污垢清洗。換熱器采用逆流的方式，有利于強(qiáng)化傳熱，充分利用冷卻劑，由于殼程流體發(fā)生相變，有氣體生成，故丙烯從換熱器殼層下側(cè)進(jìn)入換熱器，有利于流體排除換熱器，熱流股從換熱器上端進(jìn)入換熱器。換熱器可選用單管程的E型殼體，熱效率高，經(jīng)濟(jì)上便宜，該冷卻器為低溫壓力容器，換熱器材料需滿足低溫壓力容器的要求；殼體材料選擇15MnNiNbDR，管板材料選擇15MnNiNbDR，可滿足換熱器的設(shè)計要求；本換熱器的設(shè)計溫度為-40，遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，需考慮換熱器與周圍環(huán)境的熱損失，故需加設(shè)一定厚度的保溫層，減少熱損失；因?yàn)閾Q熱管內(nèi)走的是混合氣體，故換熱管選擇19mm2mm的16MnDG無縫鋼管，且小管徑的換熱管相對換熱面積較大，可較小換熱器尺寸，降低成本，換熱管采用正三角形排列，三角形排列有利于殼程流體形成湍流流動狀態(tài)，強(qiáng)化傳熱。設(shè)計時主要以GB 150-2011壓力容器、GB 151-2014熱交換器為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計。2換熱器工藝設(shè)計2.1物性數(shù)據(jù)（1）換熱器殼程選擇丙烯作為制冷劑：進(jìn)/出口溫度：-40 進(jìn)料壓力： 冷劑用量：液相相對密度：，氣相相對密度：液相粘度： ，氣相粘度： 液相熱導(dǎo)率： ，氣相熱導(dǎo)率： 定壓比熱容：，氣化潛熱： （2）管程物料：管程流體組分、流量及摩爾含量見表2.1：表2.1 管程物料組分表組分流量kmol/l摩爾分率%氫氣 717.6817.76一氧化碳 4.45 0.11甲烷1129.4627.95乙炔 23.03 0.57乙烯1375.5634.04乙烷 173.36 4.29丙炔、丙二烯 18.99 0.47丙烯 446.9411.06丙烷 10.91 0.27丁二烯/C4炔烴 49.70 1.23丁烯 73.55 1.82丁烷 4.85 0.12C5炔類 12.120.3由Aspen及網(wǎng)頁版AP1700計算得混合物的摩爾質(zhì)量為 管程流體壓力為3.5MPa，流量為 進(jìn)口溫度：，出口溫度： 管程物料在下的物性數(shù)據(jù)為：熱導(dǎo)率： 運(yùn)動粘度： 定壓比熱容： 密度：2.2估算設(shè)備尺寸（1）熱流量（2）平均傳熱溫差 （3）傳熱面積 假設(shè) （4）冷劑實(shí)際用量 冷劑汽化率（5）管徑 選用的16MnDG無縫鋼管傳熱管（6）傳熱管數(shù)總數(shù)（7）殼體內(nèi)徑正六邊形對角線上傳熱管數(shù)目：傳熱管采用脹接，正三角形排列，取管心距 （8）折流板 則切去折流板的圓缺高度為： ，取 折流板數(shù)（9）接管 管程流體進(jìn)、出口管：取接管內(nèi)流體流速 ，則接管內(nèi)徑為可取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 。殼程流體進(jìn)出口管：取流體流速，則接管內(nèi)徑為可取標(biāo)準(zhǔn)管徑為。2.3 換熱器核算2.3.1熱流量核算（1）殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) (2.1) (2.2)傳熱管三角形排列，其當(dāng)量直徑為殼程流體流通面積殼程流體最小流速及雷諾數(shù)雷諾數(shù) 普朗特數(shù) 粘度校正系數(shù) 殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（2） 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) (2.3)管內(nèi)流體流通截面積管程流體最小流速雷諾數(shù) 普朗特數(shù) 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（3） 污垢熱阻和管壁熱阻取管內(nèi)外側(cè)污垢熱阻 換熱管材料的熱導(dǎo)率取 管壁熱阻（4） 總傳熱系數(shù)（5）傳熱面積裕度換熱器的實(shí)際傳熱面積面積裕度2.3.2傳熱管和殼體壁溫核算按最不利的操作條件考慮，取兩側(cè)污垢熱阻為零計算傳熱壁溫則傳熱管平均壁溫為殼體壁溫可近似取殼程流體的平均溫度，即 殼體壁溫和傳熱管的壁溫之差 因此選用固定管板式換熱器較為合適。2.3.3流體阻力核算（1）管程流體阻力 (2.4)式中， 取傳熱管粗糙度為0.2，則傳熱管的相對粗糙度為 ，由 ，查莫狄圖得 ，流速 管程流體阻力在允許范圍內(nèi)。（2）殼程阻力 (2.5)式中Ns=1，F(xiàn)s=1.1流體流經(jīng)管束的阻力 (2.6)正三角形排列F=0.5，f0=5.0，Re0-0.228=5.06141-0.228=0.684，NTC=1.1，NT0.5=1.114560.5=42，NB=12，u0=0.0828m/s，則流體流過折流板缺口的阻力 殼程流體阻力也在允許范圍內(nèi)。3換熱器機(jī)械設(shè)計3.1 殼體壁厚計算依據(jù)GB 150-2011壓力容器計算。根據(jù)工藝條件，殼程設(shè)計壓力為 ，設(shè)計溫度 ，焊接采用單面焊對接局部無損檢測，焊接接頭系數(shù)，材料選用低合金鋼15MnNiNbDR，材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，取鋼板厚度負(fù)偏差，腐蝕余量 則則計算厚度： 設(shè)計厚度： 名義厚度： 由于殼體上要安裝支座以及連接接管，且最小厚度為10mm，為此適當(dāng)增加殼體厚度，取 有效厚度： 水壓試驗(yàn)壓力水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核，滿足水壓試驗(yàn)強(qiáng)度要求3.2 管箱壁厚計算依據(jù)GB 150-2011壓力容器計算。管箱設(shè)計壓力為Pt=4.02MPa，設(shè)計溫度tc=-45，焊接采用單面焊對接局部無損檢測，焊接接頭系數(shù)=0.80，材料選用低合金鋼15MnNiNbDR，材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力t=196MPa，ReL=370MPa，取鋼板厚度負(fù)偏差，腐蝕余量則計算厚度設(shè)計厚度： 名義厚度： 取 有效厚度： 水壓試驗(yàn)壓力水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 ，滿足水壓試驗(yàn)強(qiáng)度要求3.3 封頭壁厚計算依據(jù)GB 150-2011壓力容器計算。采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料采用15MnNiNbDR，則取管箱與封頭厚度一致，方便焊接工藝，故取封頭厚度=管箱厚度=20mm水壓試驗(yàn)可滿足工藝要求。3.4固定管板計算固定管板計算為本次設(shè)計的重點(diǎn)部分。管板按照GBT 151-2014熱交換器e型連接兼作法蘭計算管箱法蘭按照NBT-47023-2012選用長頸對焊法蘭。 管箱法蘭頸部對接筒體最小厚度 管箱法蘭厚度 螺柱數(shù)量 螺柱規(guī)格M36，法蘭螺柱孔徑： 螺柱采用35CrMoA， 管箱墊片采用非金屬石棉橡膠平面軟墊片JB/T4704-2000，1208/1148，=3mm（1）換熱管參數(shù)計算換熱管材料16MnD，規(guī)格， 計算a、A、A1、AS、Kt、Q、s、t、crt、At、Dt、t單個換熱管管壁橫截面積：殼程圓筒內(nèi)徑橫截面積：管板開孔后的面積：圓筒殼體金屬橫截面積： ，換熱管伸出管板長度為3mm換熱管有效長度（兩管板內(nèi)側(cè)間距） ：管束模數(shù)：換熱管束與圓筒剛度比：換熱管受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度按GB/T 151-2014圖7-2確定，本次設(shè)計取 系數(shù)： 系數(shù) 因?yàn)镃r6.4mm，墊片的有效密封寬度 按GB 150.3-2011中7.5.1.3 b規(guī)定，墊片壓緊作用圓直徑：按GB 150.3-2011表7-4：墊片壓緊的力臂 查GB 150.3-2011表7-2，墊片系數(shù)，比壓力 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力力：操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺柱載荷：內(nèi)壓引起的總軸向力：內(nèi)壓引起的作用于法蘭內(nèi)徑截面上的軸向力：操作狀態(tài)下需要的最小螺柱載荷：預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺柱面積：操作狀態(tài)下需要的最小螺柱面積：需要的螺柱面積：基本法蘭力矩：螺柱中心作用處的徑向距離：管程壓力操作工況下的法蘭力矩：系數(shù)Y按GB 150.3-2011， ，查表7-9， （3）假設(shè)厚度計算計算f、bf、K、k、ks、kh、Kf、Kf、Kf和Kf殼程側(cè)板結(jié)構(gòu)開槽深度3mm根據(jù)前述假設(shè)管板名義厚度： 管板的計算厚度：管板延長部分兼做法蘭寬度： 管板延長部分兼作法蘭厚度： 管板剛度削弱系數(shù)： 換熱管加強(qiáng)系數(shù)：管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度： k1.0，且t0.8殼程圓筒殼常數(shù)： 取頸部大小端厚度平均值：管箱圓筒殼常數(shù) ：系數(shù)：系數(shù)：殼體法蘭與殼程圓筒的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：管箱圓筒與管箱法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)： 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)： （4）計算系數(shù)按K和Kf查管板第一彎矩系數(shù) 、系數(shù)，計算系數(shù) 查GB/T 151-2014圖7-12得 查GB/T 151-2014圖7-13得 （5）管板第二彎矩系數(shù)m2 按K和Q查GB/T 151-2014圖7-14 a) 得 （6）計算計算由GB/T 151-2014圖7-15按K和Q查。 查GB/T 151-2014圖7-15(b) 得 法蘭力矩折減系數(shù)： 管板邊緣力矩變化系數(shù)： （7）計算換熱管與殼程圓筒的熱膨脹變形差和系數(shù)設(shè)定熱交換器制造環(huán)境溫度 ， 系數(shù)： 系數(shù)： 系數(shù)： 系數(shù)：系數(shù)： 系數(shù)： 3.5判斷是否需要膨脹節(jié)3.5.1殼體和管子承受的最大應(yīng)力管子和殼體間溫差所產(chǎn)生的軸向力殼程與管程壓差所產(chǎn)生的力殼程和管程壓力作用于殼體上的軸向力殼程和管程壓力作用在管子上的軸向力則殼體最大應(yīng)力換熱管最大應(yīng)力3.5.2管子拉脫力管子中的溫差應(yīng)力在溫差應(yīng)力下受到的拉脫力由介質(zhì)壓力引起的拉脫力3.5.3比較因?yàn)閟2st，qq 故不用設(shè)置膨脹節(jié)3.6計算與校核管板壓力校核按照GB 151-2014熱交換器7.4部分計算校核。（1）只有殼程壓力，不計入膨脹變形差殼程設(shè)計壓力： 當(dāng)量組合壓力： 有效組合壓力：基本法蘭力矩系數(shù)：管板邊緣剪切系數(shù) ：管板周邊總彎矩系數(shù)： 管板邊緣彎矩折減系數(shù)： 因?yàn)閙0.9， ： 管板最大徑向應(yīng)力系數(shù)： 殼體法蘭力矩系數(shù)：管板徑向應(yīng)力系數(shù)：管板最大徑向應(yīng)力： 合格管板布管區(qū)周邊剪應(yīng)力： 合格殼程圓筒軸向應(yīng)力： 合格： 合格換熱管軸向應(yīng)力： 合格換熱管與管板的連接方式：脹接換熱管與管板的最小脹接長度： ： 合格（2）只有殼程壓力，計入膨脹變性差只有殼程設(shè)計壓力，而管程設(shè)計壓力，計入膨脹變形差當(dāng)量組合壓力：有效組合應(yīng)力：基本法蘭力矩系數(shù)：管板邊緣力矩系數(shù)：管板邊緣剪切系數(shù)： 管板周邊總彎矩系數(shù)：管板布管區(qū)周邊的徑向彎矩系數(shù)：因?yàn)椋馨鍙较驈澗叵禂?shù)：管板最大徑向應(yīng)力系數(shù)： ：管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)：管板最大徑向應(yīng)力： 合格管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力： 合格殼體圓筒軸向應(yīng)力： 合格殼體法蘭應(yīng)力： 合格換熱管軸向應(yīng)力 ： 合格換熱管與管板的連接形式：脹接換熱管與管板的最小脹接長度： 合格（3）只有管程壓力，不計膨脹變性差只有管程設(shè)計壓力，而殼程設(shè)計壓力，不計入膨脹變形差管程設(shè)計壓力： ：管程壓力操作工況下的法蘭力矩系數(shù)：管板邊緣力矩系數(shù)： 管板邊緣剪切系數(shù)：管板周邊總彎矩系數(shù)：1K6，查圖7-16 (a)、7-16 (b)得到管板布管區(qū)內(nèi)部的最大徑向彎矩系數(shù)： 當(dāng)-3m0.3時， 管板徑向彎矩系數(shù)： 管板最大徑向應(yīng)力系數(shù)：管板最大徑向應(yīng)力： 合格管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力： 合格殼程圓筒軸向應(yīng)力： 合格殼體法蘭應(yīng)力： 合格換熱管軸向應(yīng)力： 合格換熱管與管板的連接形式：脹接換熱管與管板的最下脹接長度: 換熱管與管板連接的拉脫力： 合格（4）只有管程壓力，計入膨脹變性差只有管程設(shè)計壓力，而殼程設(shè)計壓力，計入膨脹變形差，當(dāng)量組合壓力： 有效組合壓力：管程操作工況下的法蘭力矩系數(shù)：，查圖7-16 (a)、7-16(b) 得到管板布管區(qū)內(nèi)部的最大徑向彎矩系數(shù)： 當(dāng)-3mA封頭處的接管強(qiáng)度足夠，不需要另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 。3.8殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核工藝設(shè)計給定的殼程流體進(jìn)出口管內(nèi)徑為105mm，實(shí)際選用 的16MnD無縫鋼管，材料的許用應(yīng)力，取。采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法校核。接管計算壁厚 ：接管有效壁厚 ：開孔直徑 ：開孔有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 ：接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 ：開孔處的補(bǔ)強(qiáng)計算壁厚 ：需要補(bǔ)強(qiáng)面積 ： 可作為補(bǔ)強(qiáng)的面積 ：A1+A2A殼體接管處的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)不強(qiáng)結(jié)構(gòu)。4流體誘發(fā)振動4.1計算橫流速度如圖4.1，知流動角為，各列換熱管之間的間隙總和按下式計算： 計算結(jié)果列于表4.1.表4.1 各列換熱管之間的間隙總和bi列數(shù)i12345678管數(shù)4140394039403938總間隙bi/m0.3200.3370.3510.3260.3370.3090.3160.322列數(shù)i910111213141516管數(shù)3736373635343130總間隙bi/m0.3460.3270.2880.2850.2790.2710.2970.283列數(shù)i1718192021222324管數(shù)292825222116134總間隙bi/m0.2640.2420.2520.2570.2300.2410.2140.276由表4.1看出，第23列總間隙最小，該處的橫流速度最大。按氣相計算熱交換器進(jìn)、出口處的橫流速度：折流板間的橫流速度 ：圖4.1 布管圖圖4.2 折流板布置圖4.2計算卡門漩渦頻率節(jié)徑比；排列角為30；由GB151-2014圖C.1查的。進(jìn)、出口處的卡門漩渦頻率為：折流板間的卡門漩渦頻率為：4.3計算湍流抖振主頻率，進(jìn)出口處的湍流抖振主頻率為：折流板間的湍流抖振主頻率為：4.4計算聲頻丙烯的定壓比熱容