設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、北方民族大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告院（部、中心）化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院姓名付明釗 學(xué) 號(hào) 20082916專(zhuān) 業(yè) 過(guò)程裝備與控制工程 班 級(jí) 081同組人員課程名稱(chēng)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目名稱(chēng)煤制甲醇精餾工段精甲醇冷卻器的設(shè)計(jì)起止時(shí)間成績(jī)指導(dǎo)教師簽名北方民族大學(xué)教務(wù)處制課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)前言Foreward課程設(shè)計(jì)是對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是在學(xué)校期間的實(shí)踐鍛煉，是學(xué)習(xí)的其他課程的應(yīng)用， 是對(duì)所學(xué)習(xí)內(nèi)容的一次綜合考察，涉及內(nèi)容多，設(shè)計(jì)方式也多。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，課程 設(shè)計(jì)也是一個(gè)獲得和積累經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)途徑和方式，應(yīng)該好好珍惜這些機(jī)會(huì)。我設(shè)計(jì)的課題的 煤制甲醇精餾工段甲醇冷卻器設(shè)計(jì) ，就是要求設(shè)計(jì)一個(gè)換熱器， 考慮到所給的設(shè)

2、計(jì)條件，確定設(shè)計(jì)一個(gè)固定管板式換熱器，固定管板式換熱器由管箱、 殼體、管板、換熱管、折流板等零部件組成，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，排管比較多，在相同 的換熱器中，換熱器公稱(chēng)直徑相同的情況下傳熱面積比較大，制造簡(jiǎn)單，制造設(shè)備費(fèi) 用相對(duì)較低，生產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于化工，石油等工業(yè)生產(chǎn)中。本設(shè)計(jì)總共包括兩個(gè)部分。第一部分是過(guò)程設(shè)備課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，主要包括課程 設(shè)計(jì)的要求和一些條件參數(shù)；第二部分是過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)部分，主要包括設(shè)計(jì)的所 有內(nèi)容，計(jì)算說(shuō)明都在這部分，內(nèi)容較多，又分為21 個(gè)小模塊，每個(gè)模塊是某個(gè)方面的設(shè)計(jì)及其計(jì)算，部分還附圖，更好的說(shuō)明了情況。該課程設(shè)計(jì)全部的按照相關(guān)國(guó)家 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，理論性

3、較強(qiáng)。根據(jù)課程設(shè)計(jì)的要求對(duì)固定管板式容器進(jìn)行設(shè)計(jì)， 能使我們得到以下得到鍛煉 （ 1）. 整合資料的能力；（ 2）.在較緊的時(shí)間下如何很好的安排時(shí)間能力； （3）.作圖能力；（4）. 設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)意識(shí)。做好課程設(shè)計(jì)一方面是在鍛煉自己，另一方面是為畢業(yè)設(shè)計(jì)打 下良好的基礎(chǔ)。1課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)目錄Contents第一部分過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 3第二部分過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)部分 41. 固定管板換熱器的特點(diǎn)42. 換熱器管程內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì) 43. 換熱管的計(jì)算及選取44. 換熱管排列形式及中心距55. 換熱管跟數(shù)的計(jì)算66. 換熱器筒節(jié)厚度的計(jì)算67. 殼程水壓試驗(yàn)校核計(jì)算78. 封頭厚度設(shè)計(jì)計(jì)算79.

4、封頭校核計(jì)算810. 管板設(shè)計(jì)811. 折流板設(shè)計(jì)計(jì)算912. 拉桿、定距管的設(shè)計(jì)913. 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 1014. 鞍座選取 1015. 容器法蘭的選取 1116. 墊片的選取 1117. 關(guān)于管口表參數(shù)及法蘭的定 1118. 接管安裝位置的確定 1219. 封頭管箱長(zhǎng)度計(jì)算 1220. 設(shè)計(jì)體會(huì) 1321. 參考資料 13課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)第一部分過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一. 設(shè)計(jì)目錄：煤制甲醇精餾工段精甲醇冷卻器的設(shè)計(jì)二. 設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 冷卻器列管數(shù)量確定及排列方式2. 臥式冷卻器的外形尺寸設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇3. 臥式冷卻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4. 臥式冷卻器的強(qiáng)度計(jì)算及校核5. 焊接結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計(jì)6.

5、零部件選型、支座校核、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核等7. 裝配圖和主要零部件圖（冷卻器裝配圖一張A0、零部件圖一張 A1）三 設(shè)計(jì)說(shuō)明要求1. 字?jǐn)?shù)不少于 3500 字。2. 主要內(nèi)容包括： 前言、 固定管板換熱器的特點(diǎn)、 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定； 結(jié)構(gòu)分析； 材料選??；強(qiáng)度計(jì)算及校核；焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)零件的選型；設(shè)計(jì)體會(huì)；參考書(shū)目 等。3. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)封面要求有設(shè)計(jì)題目、班級(jí)、姓名、指導(dǎo)老師姓名、設(shè)計(jì)時(shí)間等內(nèi) 容。四技術(shù)特性及尺寸殼程管程換熱面積 m2推薦材質(zhì)物料名 稱(chēng)操作名 稱(chēng) MPa工作溫度物料 名稱(chēng)操 作壓 力 MPa操作溫度管層殼層冷卻水0.330-38甲醇0.4545-901002016MnR五管口表符

6、號(hào)公稱(chēng)尺寸公稱(chēng)壓力連接標(biāo)準(zhǔn)密封面型 式用途A80自定查標(biāo)準(zhǔn)確定自行設(shè)計(jì)甲醇入口B65自定查標(biāo)準(zhǔn)確定自行設(shè)計(jì)冷卻水出口C80自定查標(biāo)準(zhǔn)確定自行設(shè)計(jì)甲醇出口D65自定查標(biāo)準(zhǔn)確定自行設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口E25自定查標(biāo)準(zhǔn)確定自行設(shè)計(jì)排氣口F50自定查標(biāo)準(zhǔn)確定自行設(shè)計(jì)排液口課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)第二部分過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)部分1 固定管板換熱器的特點(diǎn) 固定管板式換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在 石 油、化工 、石油化工 、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝 設(shè)備。近年來(lái)隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，利用換熱器進(jìn)行高 溫和低溫?zé)崮芑厥諑?lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了滿足工藝流程

7、 的需要，往往進(jìn)行著各種不同的換熱過(guò)程：加熱、冷卻等。固定管板式換熱器的特點(diǎn) :(1)、旁路滲流較小 (2)、鍛件使用較少， 造價(jià)低； (3)、 無(wú)內(nèi)漏； (4)、傳熱面積比浮頭式換熱器大 20% 30%。固定管板式換熱器的缺點(diǎn)： (1)、殼體和管壁的溫差較大，殼體和管子壁溫差t50 ,當(dāng) t50時(shí)必須在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)； ( 2)、易產(chǎn)生溫差力， 管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)力而損壞； (3)、清洗困難；(4)、管子腐蝕后連同殼體報(bào)廢，設(shè)備壽命較低；2. 換熱器管程內(nèi)介質(zhì)的性質(zhì)甲醇，化學(xué)式 CH3OH，相對(duì)分子質(zhì)量 32.04 ，是無(wú)色有酒精氣味易揮 發(fā)的液體，有毒，誤飲5 10 毫升能雙目失

8、明，大量飲用會(huì)導(dǎo)致死亡。燃燒時(shí)無(wú)煙有藍(lán)色火焰，能與水、乙醇、酮類(lèi)和其他有機(jī)溶劑混溶，能溶解 多種 無(wú)機(jī)鹽類(lèi) 。相對(duì)密度 0.7915 ，熔點(diǎn) -97.8 ， 沸點(diǎn) 64.7 ， 折光 率 (n20D)1.3292 ，閃點(diǎn) 12 ，易燃，蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，爆炸 極限 6.0% 36.5%( 體積 ) 。3. 換熱管的計(jì)算及選取換熱管操作壓力 0.45Mpa；操作溫度 45-90 ，取 90為設(shè)計(jì)條件，既有 t=90+20=110( )選用 20 號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管，查 GB150得 t =140Mpa 。并查的鋼管的負(fù)偏差 C1=0.15 ，腐蝕裕度 C2=1，因?yàn)檎f(shuō)選的是無(wú)縫鋼管，因此

9、 =1 。換熱管的厚度計(jì)算 有兩種情況，即把它當(dāng)做承受完全外壓和完全內(nèi)壓來(lái)計(jì)算，即只有殼程設(shè)計(jì)的壓力 ps，管程設(shè)計(jì)的壓力 pt=0只有管程設(shè)計(jì)的壓力 pt ，殼程設(shè)計(jì)的壓力 ps=0課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)19 30.32.2 2.060.1656mm105C1 C20.1656 0.151 1.3156mm因此有2mm管道受內(nèi)壓時(shí)：pcDi2tpc0.45192 140 1 0.450.0305 mmC1 C20.0305 0.15 1 1.1805mm因此有n 2mmd0= 19mm 2mm綜合上述， 按照換熱管的標(biāo)準(zhǔn)選取 d0=19mm 2mm是滿足設(shè)計(jì)要求的， 本換 熱器管內(nèi)是走甲醇，是相對(duì)

10、比較清潔的物質(zhì)，腐蝕性弱，操作壓力相對(duì)較小，選 擇相對(duì)較細(xì)的換熱管更有利于傳熱。按照換熱管的標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)度選為 3m的無(wú)縫鋼管。 .s=25mm4. 換熱管排列形式及中心距 正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管束，故而選取正三 角形排列形式。根據(jù)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì) 244 頁(yè)表 6-2 常用的換熱管中心距，查得 d0=19mm 2mm時(shí)，換熱管的中心距為 l=25mm。如圖：換熱管的正三角形排列形式5. 換熱管跟數(shù)的計(jì)算課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)考慮到能很好的保證換熱器的可靠性能，把換熱器的換熱面積稍微放大點(diǎn)，即有個(gè)恰當(dāng)?shù)脑６龋≡６?H=10%。實(shí)際面積 Ac=A(H+1)=100 1.1=110

11、 m2AC n rlAcrl1103.14 19 10 3 3614.6換熱管外徑 d/mm管間距 s/mm換熱管的根數(shù) n管子外表面與殼體內(nèi)徑間的最小距離 b3/mm公稱(chēng)直徑DN/mm192561510700取整得，管子的根數(shù)為： n 615查常用壓力容器手冊(cè) 181 頁(yè)表 2-5-5單程管板最大布管總數(shù)6.換熱器筒節(jié)厚度的計(jì)算有上面已經(jīng)得到筒體的內(nèi)徑為 DN=700m，m 即 Di=700mm。由課程設(shè)計(jì)條件有：殼程操作壓力 pc=0.3Mpa, 殼程操作溫度 t=30-38 。筒體材料選推薦的 Q345R,查過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)附錄表 D-1 壓力容器材料， ReL 345Mpa ， t =18

12、9Mpa ，焊接接頭取 =0.85 ，因?yàn)橥搀w直徑比較小，不適合雙面焊。計(jì)算厚度pcDit2pc0.3 7002 189 0.85 0.30.65mmn 615DN=700mmReL 345Mpa t=189Mpa腐蝕余量取 C2=1mm，材料負(fù)偏差 C1=0.3mm。設(shè)計(jì)厚度C2 0.65 1 1.65mm名義厚度n d C11.65 0.3 2mm當(dāng)殼體元件不包括腐蝕余量的最小厚度低碳鋼Q345R 來(lái)說(shuō)，最小厚度應(yīng)n 6mm.不低于 3mm，在加上 1mm的腐蝕余量， 還有鋼板負(fù)偏差， 名義厚度至少應(yīng)該取 5mm， 但是由于鋼材是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的，所以名義厚度取為6mm，即 n 6mm 。有效厚

13、度計(jì)算e n C1 C2 6 0.3 1 4.7mm課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)7. 殼程水壓試驗(yàn)校核計(jì)算水壓試驗(yàn)壓力1.25PTpct1.25 0.31891890.375Mpa水壓試驗(yàn)校核pT (Die)0.375 （700 4.7） 28.113Mpa2 4.7如果滿足關(guān)系式 T 0.9 ReL 即滿足設(shè)計(jì)的要求。T 28.113Mpa 0.9 0.85 345 263.925Mpa綜合上述，換熱器殼體厚度為 6mm是合理的，能滿足設(shè)計(jì)要求。8. 封頭厚度設(shè)計(jì)計(jì)算 封頭材料和筒體一樣，為 Q345R。選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，即是 a/b=2 的橢圓形 封頭。計(jì)算厚度pcDi2 t0.5pc0.3 700

14、2 189 0.85 0.5 0.30.65mm腐蝕余量取 C2=1mm，材料負(fù)偏差 C1=0.3mm。設(shè)計(jì)厚度 dC2 0.65 1 1.65mm名義厚度n d C11.65 0.3 2mm不包括腐蝕余量的最小厚度低碳鋼Q345R來(lái)說(shuō)， 最小厚度應(yīng)不低于 3mm，在加上 1mm的腐蝕余量，還有鋼板負(fù)偏差，名義厚度至少應(yīng)該取5mm，但是由于鋼材是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的，所以名義厚度取為6mm，即 n 6mm 。有效厚度計(jì)算4.7n 6mm課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)n C1 C2 6 0.3 1 4.7mm9. 封頭校核計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 K=1 。 橢圓形封頭允許的最大工作壓力為KDi0.5e 4.72 189

15、0.85 4.72.15 Mpa1 700 0.5 4.7pc 0.3Mpa p 2.15Mpa因此，所設(shè)計(jì)的封頭厚度是合理的，即 n 6mm。16MnRt179Mpa10. 管板設(shè)計(jì) 管板的材料選用 16MnR ，查過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)附錄 表 D-1 得知， t 179Mpa 。使用 TEMA 設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)管板，管板的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：1) .必需的彎曲強(qiáng)度說(shuō)明下式中的 K 為結(jié)構(gòu)系數(shù)，查化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第二版第 133頁(yè)，表 4-29 得，固定管板 K=1。Dtb K p/ t27001 0.3/178 14.37mm22) .必需的剪切強(qiáng)度0.309D0P bt0 t (1 d/s)其中，

16、D0 為最外圈管子當(dāng)量中心圓直徑。D0D 2d32700 2 102340mm0.t309D0P 0.309 0.3 340 0.738mmt (1 d/ s) 178 (1 19/ 25)3) .對(duì)于 d 25mm的換熱管，管板的最小厚度為： b 3d/ 4 3 19/4 14.25mm腐蝕裕度雙面各取 1mm，即取 C2=2mm 按照管板厚度標(biāo)準(zhǔn)取 b=14.25+2+ =18mm。b=36mm但是根據(jù) JB/T4701-2000 ，標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選取要求， b 在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的條件下 應(yīng)該和標(biāo)準(zhǔn)法蘭的厚度相等，即 b=36mm=。11. 折流板設(shè)計(jì)計(jì)算課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)折流板的材料選 16Mn

17、，178Mpa 。取折流板缺口 h1為弦高的 0.2 倍，即h1 0.2 700 140mm折流板高度 h2 為h2 Di h1 700 140 560mm折流板的造型折流板間距 B 取 300mm折流板厚度選取， 查化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 第二版第 99頁(yè)，表 4-2、 表 4-3 、表 4-5 得折流板厚度 B 1=5mm折流板孔徑 d 孔 =d+0.6=19+0.6=19.6mm折流板外徑 D 折=Di-7-693mm 折流板的數(shù)目N l 3000 / 300 10B塊12. 拉桿、定距管的設(shè)計(jì)材料選取 16Mn，查化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第二版第101 頁(yè)，表4-7 、表 4-8

18、 得拉桿直徑為 d 拉 =12mm拉桿數(shù)目為 6 跟，均勻幾何布置，一端用螺紋連接在管板上，另外一端用雙 螺母連接在折流板上，確保良好的機(jī)械連接效果。定距管材料選用 16Mn制的無(wú)縫鋼管 ,DN=20mmx2m。m13.開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)為了安裝接管等，需要在筒體上開(kāi)安裝接管法蘭等的孔，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開(kāi) 的最大孔直徑均小于 89mm。GB150 規(guī)定，當(dāng)在設(shè)計(jì)壓力小于或等于 2.5Mpa 的殼體上開(kāi)孔，兩相鄰的開(kāi)孔 中心距（對(duì)于曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱(chēng)直徑 小于或等于 89mm時(shí)，只要求接管的最小厚度滿足下表即可。接管公稱(chēng)外徑253238454857657689最小厚度

19、3.54.06不另行補(bǔ)強(qiáng)的接管最小厚度h140mmh2560mmN 10 塊d 拉 =12mm課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的開(kāi)孔需求滿足 GB150規(guī)定的要求，因此不用設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)措施，也可以 滿足設(shè)計(jì)的要求。JB/T4712.114. 鞍座選取 本臥換熱器選取支座形式為鞍座，根據(jù) JB/T4712.1 ，選取標(biāo)準(zhǔn)鞍座。本換熱 器相對(duì)較小，載荷也較小，選取B型鞍座 (因 A型公稱(chēng)直徑 DN在 1000 以上)，其中一個(gè)為 F 型，一個(gè)為 S型，F(xiàn) 型和 S型配對(duì)使用。罐體包角大小取 120，公稱(chēng) 直徑 DN=700，鞍座材料為 Q345R，墊板材料為 Q345R。JB/T4712標(biāo)記： JB/T4712

20、.1 ，鞍座 B700F；材料 Q345R JB/T4712.1 ，鞍座 B700S；材料 Q345R根據(jù) JB/T4712 標(biāo)準(zhǔn)，選擇帶墊板的鞍座，其結(jié)構(gòu)圖如下：JB/T4701-2000鞍座的結(jié)構(gòu)圖鞍座的尺寸表( JB/T4712-92 )公稱(chēng) 直徑DN允許 載荷 Q/kg鞍座 高度 h底板腹板肋板墊板螺栓 間距 l2鞍座質(zhì)量 /kgl1b112l3b33弧長(zhǎng)b44e70017020064015010835012088302006364602815.容器法蘭的選取法蘭的種類(lèi)繁多，本設(shè)計(jì)操作溫度相對(duì)較低，操作壓強(qiáng)也不太高，根據(jù)設(shè)計(jì)10的需要， 本設(shè)計(jì)選取平焊法蘭， 根據(jù) JB/T4701-2

21、000 ，平焊法蘭的結(jié)構(gòu)圖如下所示：平焊法蘭結(jié)構(gòu)圖平焊法蘭的尺寸表( JB/T4701-2000 )公稱(chēng)直徑DN/mm法蘭/mm螺柱DD1D2D3D4d規(guī)格數(shù)量PN=0.6Mpa7008307907557457423626M202416. 墊片的選取課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)JB/T4701-2000選用非金屬墊片， 根據(jù) JB/T4704-2000 規(guī)定，平焊法蘭的墊片用 JB/T4701-2000 標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下圖所示：平焊法蘭的墊片的結(jié)構(gòu)平焊法蘭的墊片參數(shù)( JB/T4704-2000 )公稱(chēng)壓力 PN/pa0.6公稱(chēng)直徑 DN/mmDd70074470417. 關(guān)于管口表參數(shù)及法蘭的確定管

22、口表符號(hào)公稱(chēng)尺寸公稱(chēng)壓力連接標(biāo)準(zhǔn)密封面型式用途A800.45PL( 平焊法蘭 )RF(突面)甲醇入口B650.45PLRF冷卻水出口C800.45PLRF甲醇出口D650.45PLRF冷卻水進(jìn)口E250.45PLRF排氣口F500.45PLRF排液口1118. 接管安裝位置的確定課程設(shè)計(jì)設(shè)備設(shè)計(jì)C 3 倍的殼體厚度且不小于C 3 6管箱接管安裝位置50-100mm，即80mml h h115(mm) 100mm上面的計(jì)算式只是大體估算一下高度，按照表準(zhǔn)常見(jiàn)法蘭的高度為150mm、200mm、 300mm等，本設(shè)計(jì)取 l=150mm。L1 d0/2 hf C 80/ 2 36 80 154mmL1 最小值是 154mm，為了更為方便安裝與檢修， L 1取 200mm。L1 200mm管程接管安裝位置C 和 l 的尺寸同管箱接管安裝位置的， C=80mm,l=150mm。L1 d0 /2 (b 4