年產(chǎn)萬噸合成氨廠變換工段列管式換熱器E設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明

1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：年產(chǎn)30萬噸合成氨廠變換工段列管式換熱器E04102設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 班 級(jí)： 過控101班 學(xué) 號(hào)： 1008110071 學(xué)生姓名： 楊明學(xué) 指導(dǎo)教師： 楊雙全 目錄目錄中文摘要英文摘要前言1第一章 工藝計(jì)算51.1物料衡算51.2熱量衡算5冷流體的物性參數(shù)5熱流體的物性參數(shù)9冷熱流體的物性表131.3冷熱流體的流程安排131.4管殼程數(shù)及流體流型的確定141.5傳熱平均溫差的計(jì)算141.6估算傳熱面積141.7結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14管程設(shè)計(jì)-確定換熱器規(guī)格、管數(shù)和布管14確定管程流速15殼程設(shè)計(jì)16核算換熱面積A16第二章 強(qiáng)度

2、計(jì)算222.1殼體設(shè)計(jì)22殼體筒體壁厚計(jì)算與校核22殼體筒體封頭計(jì)算與校核242.2管箱設(shè)計(jì)26管箱壁厚計(jì)算與校核27管箱封頭計(jì)算與校核292.3法蘭設(shè)計(jì)31墊片設(shè)計(jì)32螺栓設(shè)計(jì)33法蘭設(shè)計(jì)352.4管板設(shè)計(jì)392.5溫差應(yīng)力的計(jì)算462.6筒體內(nèi)部設(shè)計(jì)48換熱管與管板的連接48支撐板的設(shè)計(jì)48管箱隔板的設(shè)計(jì)49防沖板的設(shè)計(jì)49起吊附件492.7開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)49管箱開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)50殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)512.8耳座的設(shè)計(jì)54第三章 U型管式式換熱器的制造工藝583.1U型管式換熱器的制造58筒體58封頭和管箱58換熱管58設(shè)備組裝583.2換熱管管板的連接583.3管板的加工59第四章 換熱

3、器的檢驗(yàn)、安裝與維修604.1安裝604.2維修604.3 清洗60結(jié)論61參考文獻(xiàn)62致謝63摘要本設(shè)計(jì)著重就E04102U型管換熱器的設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)要論述了其加工制造過程，就以所給的物性參數(shù)和生產(chǎn)量為基礎(chǔ)，利用傳熱原理和傳熱計(jì)算所得換熱器面積確定U型管換熱器的基本形式。依據(jù)GB1502001壓力容器和GB1511999管殼式換熱器等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)換熱器各零件結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括筒體、管箱、封頭、管板以及開孔補(bǔ)強(qiáng)等。最后還介紹了U型管換熱器檢驗(yàn)、安裝、維修的內(nèi)容。關(guān)鍵字：傳熱面積，傳熱系數(shù)，U型管換熱器，管殼式換熱器AbstractThis design mainly on E04102 U ty

4、pe heat exchanger design，and briefly discusses the processing and manufacturing process, with given physical parameters and production basis, calculated by using the theory of heat transfer and heat transfer heat exchanger area determine the basic form of U tube heat exchanger. According to GB150-20

5、01"The pressure vessel" and GB151-1999 "tube shell heat exchanger" such as the standard for heat exchanger parts structure and strength design , including cylinder, Tube box, Head, Tube plate and opening reinforcement, etc. Finally U tube heat exchanger is introduced in the paper

6、 the contents of the inspection, installation, maintenance.Keywords： Heat transfer area Heat transfer coefficient U tube heat exchanger Tube and shell heat exchanger前言1換熱器的概況節(jié)約能源是當(dāng)今世界的一種重要社會(huì)意識(shí)，是指盡可能的減少能源的消耗、增加能源利用率的一系列行為。加強(qiáng)用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會(huì)可以承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放、制止浪費(fèi)，有效、合理地利用能

7、源。目前，在我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)換熱器受到普遍的重視，而換熱器的廣泛應(yīng)用性，決定了換熱器換熱性能的改善設(shè)計(jì)理論的不斷創(chuàng)新，企業(yè)經(jīng)濟(jì)的收益和工業(yè)的飛速發(fā)展都具有一定的積極作用為節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境有顯著的貢獻(xiàn)。換熱器是在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞過程的一種設(shè)備，它是化工，煉油、動(dòng)力、油田儲(chǔ)運(yùn)集輸系統(tǒng)和原子能及其許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的一種通用設(shè)備，是保證工藝流程和條件，利用二次能源實(shí)現(xiàn)余熱回收和節(jié)約能源的主要設(shè)備。在化工廠換熱器約占總投資的10%-20%;在煉油廠換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35%-40%。由于工藝流程不同，生產(chǎn)中往往進(jìn)行著加熱、冷卻、蒸發(fā)或冷凝等過程。通過換熱器熱量從溫度較高的流體

8、傳遞給溫度較低的流體，以滿足工藝需要。2換熱器的分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在生產(chǎn)中有時(shí)把換熱器作為一個(gè)單獨(dú)的化工設(shè)備，有時(shí)則把它作為某一工藝設(shè)備中的組成部分，按傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、混合式及蓄熱式3類，其中間壁式換熱器應(yīng)用最普遍。其中，從作為換熱面的間壁形式看，間壁式換熱器主要分為管式和板式兩大類。按照有無溫度補(bǔ)U形管式換熱器的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)償及補(bǔ)償方法的不同，管殼式換熱器主要分為下列幾種：(1)固定管板式；殼體與傳熱管壁溫度之差大于50，加補(bǔ)償圈，也稱膨脹節(jié)，當(dāng)殼體和管束之間有溫差時(shí)，依靠補(bǔ)償圈的彈性變形來適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，殼程檢修

9、和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。(2)浮頭式；兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長(zhǎng)方向浮動(dòng)。當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時(shí)，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。      特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。(3) U形管式；把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補(bǔ)償問題。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。(4)填料函式：外填料函：管間容易漏泄，不宜處理易揮發(fā)、易爆易燃

10、及壓力較高的介質(zhì)；內(nèi)填料函：密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合。 3 U型管換熱器的概述圖1 U型管換熱器U型管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只有一塊管板，管束由多根U形管組成，管的兩端固定在同一塊管板上。由于受彎管曲率半徑的限制，其換熱管排布較少，管束最內(nèi)層管間距較大，管板的利用率較低，殼程流體易形成短路，對(duì)傳熱不利。當(dāng)管子泄露損壞時(shí)，只有管束外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管壞了不能更換，只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率較高。 U型管式換熱器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，承壓能力強(qiáng)，適用于管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)結(jié)垢需要清洗，又不適宜采用浮頭式和固定管板式的場(chǎng)合。特別

11、適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料?？偨Y(jié)起來U 型管換熱器的特點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)：(1)由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，殼體和管壁不受溫差限制，流程較長(zhǎng)，流速較高，管側(cè)傳熱性能好，承壓能力強(qiáng)；(2)只有一塊管板且無浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，在直徑相同的情況下?lián)Q熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其它換熱器小，造價(jià)比其它換熱器低等；(3)管束可以抽出清洗，可以用于殼程結(jié)垢較嚴(yán)重的場(chǎng)合。缺點(diǎn)：(1)U形管束在與換熱管垂直方向的中心部位存在較大空隙，易結(jié)垢，流體易形成短路，使傳熱效率降低；(2)管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板間的殘余焊接應(yīng)力大；(3)換熱管

12、的彎管段無支承件，管束易振動(dòng)，易在此處形成殼程流體流動(dòng)死區(qū)，易結(jié)垢，影響傳熱效果；(4)當(dāng)U 形管中有一根壞了，得同時(shí)堵死管子的兩頭，這樣會(huì)造成二倍管長(zhǎng)的換熱管損失，比固定管板式的損失更多的換熱面積。5 設(shè)計(jì)U型管換熱器的基本要求和目的設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，其基本的要求是： 第一，熱量能有效的從一種流體傳遞的另外的一種流體，即傳熱效率高，單位傳熱面上能傳遞的熱量多。在一定的熱負(fù)荷下，也即每小時(shí)要求傳遞的熱量一定時(shí)，傳熱效率（通常用傳熱系數(shù)表示）越高，需要的傳熱面積越小，當(dāng)然這是在相同的溫差作比較。 第二，換熱器的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)所規(guī)定的工藝操作條件，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，嚴(yán)密不漏。清洗檢修方便，

13、流體阻力小。 第三，要求價(jià)格便宜，維護(hù)容易，使用時(shí)間長(zhǎng)。 本次設(shè)計(jì)的目的：1，了解設(shè)計(jì)換熱器所需要的工藝參數(shù)及傳熱計(jì)算，對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的準(zhǔn)備。2，在設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)會(huì)參照國(guó)標(biāo)以及查閱相關(guān)的文獻(xiàn)獲得設(shè)計(jì)所需要的物性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)。3，通過計(jì)算機(jī)制圖，更加熟練使用CAD繪圖軟件。4，從宏觀上把握化工設(shè)備的生產(chǎn)過程，為以后的工作打下基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)的換熱器在編制說明書分了六部分：第一部分前言，主要是對(duì)U型管換熱器的應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)作了論述。第二部分工藝計(jì)算，通過計(jì)算傳熱量，物性參數(shù)來算出換熱面積。第三部分就U型管換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算。第四部分是U型管式換熱器的制造工藝。第五

14、部分是關(guān)于U型管式換熱器的檢驗(yàn)、安裝、維修和使用。第六部分個(gè)人小結(jié)以及致謝，是針對(duì)本次設(shè)計(jì)的總結(jié)和設(shè)計(jì)后的感想。最后是參考文獻(xiàn)。第一章 工藝計(jì)算1.1物料衡算表1.1介質(zhì)名稱 管程進(jìn)/出口煤氣 殼程進(jìn)/出口變換氣溫度 244.8260 391.2376.8壓力MPa 4.08 4.08摩爾流量Kmol/h 8540.101 8540.101質(zhì)量流量Kg/h 174744.4 174744.4組分CO 0.326 0.12H2 0.103 0.31CO2 0.028 0.235N2 0.004 0.004H2O 0.534 0.327H2S 0.004 0.0041.2熱量衡算冷流體的物性參數(shù)冷

15、流體的定性溫度冷流體的比熱表1.2 常壓下，0t時(shí)氣體的平均定壓熱容（kcal/kmol.）溫度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S200 6.97 6.94 9.68 6.93 8.07 7.91300 7.05 6.96 10.00 7.01 8.23 8.17400 7.13 6.98 10.30 7.08 8.38 8.51運(yùn)用內(nèi)插法，可求得：同理可得其他氣體的定壓比熱容于表1.3表1.3 各氣體在常壓，時(shí)的平均定壓熱容（kcal/kmol.） CO H2 CO2 N2 H2O H2SCp kcal/kmol. 7.012 6.950 9.848 6.972 8.154 8.04

16、6摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09混合氣體的比熱：將常壓下，252.4時(shí)C|pm2校正為該溫度，4.08MPa下的Cpm2圖1.1 熱容校正圖表1.4 各氣體組分的臨界溫度、臨界壓力 CO H2 CO2 N2 H2O H2STc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2Pc（MPa） 3.496 1.297 7.376 3.394 22.05 8.937摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.00

17、4 0.534 0.004查通用熱容校正圖可得：Cp=0.55 （kcal/kmol.） 冷流體的黏度表1.5 各氣體在時(shí)的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0264 0.013 0.0246 0.0265 0.0179 0.0241摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.09注：當(dāng)時(shí)，混合煤氣黏度則混合煤氣黏度：冷流體的導(dǎo)熱系數(shù)表1.6 各氣體在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù) CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kcal/m·h·

18、;） 0.0364 0.2463 0.0296 0.0344 0.0411 0.0363W/（m·k） 0.0423 0.2864 0.0344 0.0400 0.0478 0.0422摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.091kcal/m·h·=1.163 W/（m·k）計(jì)算H2S的時(shí)，應(yīng)用公式其中當(dāng)時(shí)，混合煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)則混合煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)冷流體的密度表1.7 各氣體在，P=4.08MPa時(shí)的密度 CO H2 CO

19、2 N2 H2O H2S（kg/m-3） 26.1492 1.8827 41.0916 26.1679 16.8289 31.8367摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09由計(jì)算得到表1.7中各值式中：當(dāng)時(shí)混合煤氣的密度冷流體的吸熱量冷流體的平均摩爾質(zhì)量熱流體的物性參數(shù).1熱流體的定性溫度.2熱流體的比熱表1.8 用內(nèi)插法求得各氣體在時(shí)的常壓下平均定壓熱容（kcal/kmol.） CO H2 CO2 N2 H2O H2SCp kcal/kmol. 7.11

20、7 6.977 10.252 7.069 8.356 8.456摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09變換氣的比熱：將常壓下，384時(shí)C|pm1校正為該溫度，4.08MPa下的Cpm1表1.9 各氣體組分的臨界溫度、臨界壓力 CO H2 CO2 N2 H2O H2STc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2Pc（MPa） 3.496 1.297 7.376 3.394 22.05 8.937摩爾分率yi（%） 0.12 0

21、.31 0.235 0.004 0.327 0.004查通用熱容校正圖可得：Cp=0.225 （kcal/kmol.） 熱流體的黏度表1.10 各氣體在時(shí)的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0296 0.0152 0.0296 0.0306 0.0241 0.0358摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09注：當(dāng)時(shí)，混合煤氣黏度則混合煤氣黏度：熱流體的導(dǎo)熱系數(shù)表1.11 各氣體在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù) CO H2 CO2 N2 H2O H2S（k

22、cal/m·h·） 0.0408 0.2994 0.0387 0.0404 0.0475 0.0542W/（m·k） 0.0475 0.3482 0.0450 0.0470 0.0552 0.0630摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.091kcal/m·h·=1.163 W/（m·k）計(jì)算H2S的時(shí)，應(yīng)用公式其中當(dāng)時(shí)，混合煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)則混合煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)熱流體的密度表1.12 各氣體在，P=4.08M

23、Pa時(shí)的密度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kg/m-3） 20.9132 1.5058 32.8636 20.9281 13.4591 25.4618摩爾分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09由計(jì)算得到表1.7中各值式中：當(dāng)時(shí)混合煤氣的密度熱流體的平均摩爾質(zhì)量冷熱流體的物性表表1.13冷熱流體的物性表 摩爾流率 導(dǎo)熱系數(shù) 黏度 比熱Cp 平均摩爾質(zhì)量 平均密度Kmol/h W/（m·k） pa·s kcal/lmol·

24、; kg/kmol kg/m3冷流體 8540.101 0.0489 2.147×10-5 8.242 20.1388 19.0877熱流體 8540.101 0.0835 2.62×10-5 7.6939 20.4659 15.28591.3冷熱流體的流程安排換熱器內(nèi)流體流程安排依據(jù)： (1) 粘性大的流體應(yīng)走殼程，流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，在較低的雷諾數(shù)下，即可達(dá)湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。 (2) 壓力高的流體走管程，因?yàn)楣茏又睆叫?，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。 (3) 具有腐蝕性的流體走管程，這樣可以用普通材料制造殼體，而管束、管板和封頭要采用

25、耐蝕材料。 (4) 蒸汽一般通入殼程，因?yàn)檫@樣便于排除冷凝液，而且蒸汽教清潔，其給熱系數(shù)又與流速關(guān)系小。 (5) 需要提高流速以增大其給熱系數(shù)的流體應(yīng)當(dāng)走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)截面積小，而且易于采用多管程以增大流速。 (6) 被冷卻的流體應(yīng)走殼程，便于散熱。 分析粗合成氣和變換氣的物理化學(xué)性質(zhì)：本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，粗合成氣的壓力等于變換氣的壓力；而且粗合成氣中水汽處于飽和狀態(tài)，H2S造成的腐蝕性大，而變換氣中水汽處于不飽和狀態(tài)，故H2S造成的腐蝕性較??；而且變換氣是被冷卻的流體。根據(jù)上述流程安排依據(jù)，綜合考慮：冷熱流體流程設(shè)計(jì)為粗合成氣走管程，變換氣走殼程。1.4管殼程數(shù)及流體流型的確定權(quán)衡傳熱和流體輸送

26、兩方面的得失后，確定為雙管程雙殼程。 根據(jù)冷熱流體的流程安排和所設(shè)計(jì)的管、殼程數(shù)（雙管程雙殼程）確定兩流體呈逆流。 設(shè)計(jì)該換熱器逆流操作有兩方面原因：在冷熱流體進(jìn)出口溫度相同的情況下，逆流的對(duì)數(shù) 平均傳熱溫差恒大于并流，所需的傳熱面積比并流時(shí)的少，則設(shè)備費(fèi)較低；逆流還可以節(jié)省冷卻劑或加熱劑的用量。1.5傳熱平均溫差的計(jì)算已知 t1=244.8oC t2=260oC T1=291.2 oC T2=376.8oC 因?yàn)樵摀Q熱器是逆流操作，則 t1=T1-t2=391.2 oC - 260oC =131.2oC t2=T2-T1= 376.8oC-244.8oC=132oC 則對(duì)數(shù)平均傳熱溫差1.6

27、估算傳熱面積根據(jù)化工原理列管式換熱器中K值的大致范圍，取K=46kcal/h,由傳熱基本方程式，得：1.7結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管程設(shè)計(jì)-確定換熱器規(guī)格、管數(shù)和布管初選管程流速選用32×2.5冷拔無縫鋼管對(duì)于在時(shí)的體積流率：粗算列管根數(shù)：確定U型管在管板上的排列方法為正三角形排列，因?yàn)檎切闻帕斜容^緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系數(shù)大。當(dāng)管子排列大于六層（管數(shù)超過127根），管束外緣與殼壁之間弓形區(qū)域應(yīng)增排管子。這樣既可以充分利用設(shè)備空間，又可以防止殼程流體短路旁流，有利于傳熱。表1.14 換熱器中心距換熱管外徑d0(mm)換熱管中心距t(mm)分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距tn(mm)3240

28、52根據(jù)正三角形排列布管圖確定管數(shù)確定布管限定圓的直徑 式中，為列管束最外層換熱管外壁到殼體內(nèi)壁的最小距離mm，,且不小于10mm。取圓整相應(yīng)調(diào)整，確定管程流速1.7.3殼程設(shè)計(jì)1.7.3.1確定換熱管長(zhǎng)度前面估算的傳熱面積 U型管的參考長(zhǎng)度： 選取標(biāo)準(zhǔn)化L=2000mm 長(zhǎng)徑比 因?yàn)閾Q熱器豎放時(shí)長(zhǎng)徑小于6之間，因此所設(shè)計(jì)換熱器為立式。1.7.3.2管外傳熱面積的設(shè)計(jì)值A(chǔ)0換熱器的換熱面積：取弓形高度 hd=25%，取 一般取板間距h=0.21D， 取h=600mm1.7.4核算換熱面積A1.7.4.1管程對(duì)流傳熱膜系數(shù) 在管程定性溫度下，物性數(shù)據(jù)前面已經(jīng)求得： m2=2.147×1

29、0-5Pas M=20.1388 kgkmol-1 m2=4.89×10-2wm-1k-1 m2=19.0877kgm-3普蘭特準(zhǔn)數(shù)：雷諾數(shù)：根據(jù)公式：，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4 則管內(nèi)傳熱系數(shù)：1.7.4.2殼程對(duì)流傳熱膜系數(shù)在殼程定性溫度下，物性數(shù)據(jù)前面已經(jīng)求得： m1=2.62×10-5Pas M=20.4659 kgkmol-1 m1=0.0835wm-1K-1 m1=15.2859kgm-3 假設(shè)壁溫 管子按正三角形排列時(shí)，當(dāng)量直徑 流體流過的最大截面積S在定性溫度時(shí)則流速：普蘭特準(zhǔn)數(shù)：雷諾數(shù)： 當(dāng)殼程設(shè)置有25%的圓缺形擋板： 壁溫：當(dāng)，查得各組分的黏度如下：

30、表1.17 各氣體在的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0308 0.0158 0.0302 0.0312 0.0247 0.0370摩爾分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩爾質(zhì)量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.09在此溫度下，變換氣的黏度 則變換氣的黏度 則 則相對(duì)偏差 因此假設(shè)成立，璧溫1.7.4.3熱阻R的確定 參考GB1511999，取合成氣污垢熱阻，變換氣組成大致相同，近似取 管壁熱阻 ，換熱管采用32×2.5冷拔無縫鋼管，查GB1502000得，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)

31、。則管壁熱阻1.7.4.4傳熱系數(shù)K0傳熱系數(shù)Ko按下式計(jì)算式中：1.7.4.5核算傳熱面積A0按傳熱基本方程式計(jì)算需要的管外傳熱面積則裕度假設(shè)成立。第二章 強(qiáng)度計(jì)算表2.1設(shè)計(jì)參數(shù) 殼程 管程設(shè)計(jì)壓力/MPa 4.08 4.08操作壓力/MPa 3.6 3.67設(shè)計(jì)溫度/ 420 330操作溫度/ 391.2376.8 244.8260流量/kg·h-1 174744.4 物料 變換氣 煤氣程數(shù) 2 2換熱面積/m2 162.05592.1殼體設(shè)計(jì)殼體筒體壁厚計(jì)算與校核筒體材料為16MnR+0Cr18Ni10Ti，設(shè)計(jì)壓力PC=4.08MPa，設(shè)計(jì)溫度T=420，內(nèi)徑Di=1400

32、mm。查GB1511999，當(dāng)介質(zhì)為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時(shí)，腐蝕余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查過程設(shè)備設(shè)計(jì)與選型基礎(chǔ)得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設(shè)計(jì)溫度下16MnR的許用應(yīng)力，屈服極限，0Cr18Ni10Ti的許用應(yīng)力。計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999，復(fù)合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復(fù)合板的許用應(yīng)力：則復(fù)合板的有效厚度校核操作溫度下復(fù)合板的許用應(yīng)力：試驗(yàn)壓力值：壓力試驗(yàn)前圓筒的薄膜應(yīng)力：因?yàn)?，所以選材合格壓力及應(yīng)力計(jì)算 圓筒的最大允許工作壓力因?yàn)椋詽M足條件。計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力因?yàn)椋詽M足強(qiáng)度校核條件。 殼體筒體封頭計(jì)算與校核

33、封頭設(shè)計(jì)原則上應(yīng)根據(jù)封頭在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分析以及與之相連的筒體的邊緣應(yīng)力分析進(jìn)行強(qiáng)度校核。但實(shí)際上由于按應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，所以規(guī)定中對(duì)于僅受靜載荷的一般封頭，僅以遠(yuǎn)離封頭地區(qū)的薄膜應(yīng)力或彎曲應(yīng)力進(jìn)行分析加以限制。對(duì)于由于各種原因所引起的邊緣應(yīng)力，僅在結(jié)構(gòu)形式上定性的加以限制，或在計(jì)算中直接引用某個(gè)參數(shù)，把按薄膜應(yīng)力或彎曲應(yīng)力求出的壁厚適當(dāng)放大。壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和球冠形封頭。由于橢圓形封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，應(yīng)力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，

34、是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多之一，所以，選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。則形狀系數(shù)K=1。此時(shí)，則曲面高度，根據(jù)JB/T4746-2002得，當(dāng)封頭公稱直徑DN<2000mm時(shí)，直邊高度h=25mm則H=375mm。圖2.1 殼程筒體封頭根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等條件，選取筒體封頭材料為復(fù)合材料16MnR+0Cr18Ni10Ti。設(shè)計(jì)壓力PC=4.08MPa，設(shè)計(jì)溫度T=420，內(nèi)徑Di=1400mm。查GB1511999，當(dāng)介質(zhì)為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時(shí)，腐蝕余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查過程設(shè)備設(shè)計(jì)與選型基礎(chǔ)得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設(shè)計(jì)溫度下16MnR的許用應(yīng)力

35、，0Cr18Ni10Ti的許用應(yīng)力。計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999，復(fù)合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復(fù)合板的許用應(yīng)力：則復(fù)合板的有效厚度校核根據(jù)GB1502011，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度不應(yīng)小于封頭內(nèi)直徑的0.15%： 由于封頭 所以，滿足最小厚度要求。壓力及應(yīng)力計(jì)算 圓筒的最大允許工作壓力：因?yàn)?，所以滿足條件。2.2管箱設(shè)計(jì)2.2.1管箱壁厚計(jì)算與校核筒體管箱材料為16MnR+0Cr18Ni10Ti，設(shè)計(jì)壓力PC=4.08MPa，設(shè)計(jì)溫度T=330，內(nèi)徑Di=1400mm。查GB1511999，當(dāng)介質(zhì)為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時(shí)，腐蝕余量不小于1mm

36、，在此取C2=2mm，查過程設(shè)備設(shè)計(jì)與選型基礎(chǔ)得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設(shè)計(jì)溫度下16MnR的許用應(yīng)力，屈服極限，0Cr18Ni10Ti的許用應(yīng)力。計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999，復(fù)合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復(fù)合板的許用應(yīng)力：則復(fù)合板的有效厚度校核操作溫度下復(fù)合板的許用應(yīng)力：試驗(yàn)壓力值：壓力試驗(yàn)前圓筒的薄膜應(yīng)力：因?yàn)?，所以選材合格壓力及應(yīng)力計(jì)算 圓筒的最大允許工作壓力：因?yàn)?，所以滿足條件。計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力因?yàn)?，所以滿足強(qiáng)度校核條件。管箱封頭計(jì)算與校核封頭設(shè)計(jì)原則上應(yīng)根據(jù)封頭在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分析以及與之相連的筒體的邊緣應(yīng)力分析進(jìn)行強(qiáng)度校核。

37、但實(shí)際上由于按應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，所以規(guī)定中對(duì)于僅受靜載荷的一般封頭，僅以遠(yuǎn)離封頭地區(qū)的薄膜應(yīng)力或彎曲應(yīng)力進(jìn)行分析加以限制。對(duì)于由于各種原因所引起的邊緣應(yīng)力，僅在結(jié)構(gòu)形式上定性的加以限制，或在計(jì)算中直接引用某個(gè)參數(shù)，把按薄膜應(yīng)力或彎曲應(yīng)力求出的壁厚適當(dāng)放大。壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等，其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和球冠形封頭。由于橢圓形封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，應(yīng)力分布比較均勻，且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多之一，所以，選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。則形狀系數(shù)K=1。此時(shí)，則曲面高

38、度，根據(jù)JB/T4746-2002得，當(dāng)封頭公稱直徑DN<2000mm時(shí)，直邊高度h=25mm則H=375mm。圖2.2 管箱封頭根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等條件，選取筒體封頭材料為復(fù)合材料16MnR+0Cr18Ni10Ti。設(shè)計(jì)壓力PC=4.08MPa，設(shè)計(jì)溫度T=330，內(nèi)徑Di=1400mm。查GB1511999，當(dāng)介質(zhì)為壓縮腐蝕氣體的碳素鋼制換熱器時(shí)，腐蝕余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查過程設(shè)備設(shè)計(jì)與選型基礎(chǔ)得C1=0mm，焊接系數(shù)=1.0，設(shè)計(jì)溫度下16MnR的許用應(yīng)力，0Cr18Ni10Ti的許用應(yīng)力。計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：有效厚度：查GB1511999

39、，復(fù)合層金屬板的厚度不小于3mm，即，則復(fù)合板的許用應(yīng)力：則復(fù)合板的有效厚度校核根據(jù)GB1502011，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度不應(yīng)小于封頭內(nèi)直徑的0.15%： 封頭 所以，滿足最小厚度要求。壓力及應(yīng)力計(jì)算 圓筒的最大允許工作壓力：因?yàn)?，所以滿足條件。2.3法蘭設(shè)計(jì)參考JB4703-2000，長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭也殼體之間為對(duì)接焊縫，連接強(qiáng)度很好，且可以 采用各種方法進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢查，加之有頸部支撐，使其具有較好的剛性，不易變形而發(fā)生泄露，本設(shè)計(jì)采用此種法蘭（如圖2.1）。圖2.3 對(duì)焊襯環(huán)法蘭表2.2法蘭參數(shù)DN D D1 D2 D3 D4 H h a R d1400 1650 1580 1529

40、1509 1506 130 235 64 26 23 28 42 18 392.3.1墊片設(shè)計(jì)根據(jù)JB/T 4719-92選擇墊片材料：內(nèi)填石棉纏繞式不銹鋼，厚度、，查GB1502011表72 墊片系數(shù)，比壓力。墊片接觸寬度N： 墊片密封寬度： 根據(jù)GB1502011，當(dāng)時(shí)，墊片有效密封寬度： = =墊片壓緊力作用中心圓直徑：墊片壓緊力預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按下式計(jì)算：操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力按下式計(jì)算：2.3.2螺栓設(shè)計(jì)螺栓材料35CrMoA、墊片系數(shù)、比壓力設(shè)計(jì)壓力PC=4.08MPa、墊片有效密封寬度、螺栓中心圓直徑。螺栓載荷預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：操作狀態(tài)下需要的最

41、小螺栓載荷：螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：所以查JB/T47032000壓力容器法蘭，取螺栓規(guī)格M36，數(shù)量是60個(gè)，則實(shí)際螺栓的面積：實(shí)際間距：校核墊片最小寬度：所以滿足要求查GB1502011表73得：螺栓最小間距螺栓最大間距因?yàn)椋?所以，螺栓選擇合格。螺栓設(shè)計(jì)載荷預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算：操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷按下式計(jì)算：法蘭設(shè)計(jì)根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等條件，選用整體對(duì)焊襯環(huán)法蘭、材料20MnMo，操作溫度下的許用應(yīng)力、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力、需要的螺栓面積、實(shí)際螺栓面積、設(shè)計(jì)壓力、內(nèi)徑、 墊片壓緊中心圓直徑、法蘭頸部高度

42、、法蘭頸部小端有效厚度、法蘭頸部大端有效厚度。載荷作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力：流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力之差：窄面法蘭墊片壓緊力：力臂力矩預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩：操作狀態(tài)下的法蘭力矩：法蘭設(shè)計(jì)力矩：根據(jù)形態(tài)常數(shù)：，。查GB1502011圖77得法蘭頸部應(yīng)力校正系數(shù)，圖7-3得整體法蘭系數(shù)，則查GB1502011表7-9及圖7-4可得T=1.85 Z=6.13 Y=11.87 U=13.05整體法蘭系數(shù)。假設(shè)法蘭有效厚度：軸向應(yīng)力：徑向應(yīng)力： 環(huán)向應(yīng)力：應(yīng)力校核 軸向應(yīng)力： 因?yàn)椋?所以，合格。 徑向應(yīng)力： 所以，合格。 環(huán)向應(yīng)力： 所以，合

43、格。 組合應(yīng)力： 所以，滿足校核條件。剛度校核當(dāng)法蘭在相同的操作條件下有成功的使用經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可以避免剛度校核。否則：對(duì)整體法蘭和按整體法蘭計(jì)算的任意法蘭，剛度指數(shù)計(jì)算如下：式中：K1剛度系數(shù)，取0.3； E法蘭材料的彈性模量，MPa；當(dāng)法蘭設(shè)計(jì)力矩M0為預(yù)緊控制時(shí)，E取常溫下的彈性模量，當(dāng)法蘭設(shè)計(jì)力矩M0為操作控制時(shí)，E取設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，所以.校核條件：。所以剛度校核滿足條件2.4管板設(shè)計(jì)管板是管殼式換熱器的一個(gè)重要元件，它除了與管子和殼體連接外，還是換熱器中的一個(gè)主要受壓元件。它或者與筒體直接相焊（固定管板式換熱器），或者被夾持在兩法蘭之間，起著管、殼程之間隔板和固定管板換熱的雙重作用。

44、對(duì)管板的設(shè)計(jì)，除了滿足強(qiáng)度要求外，同時(shí)應(yīng)合理的考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。管板與殼程圓筒、管箱圓筒之間可以有不同的連接方式，本U型管換熱器采用e型：管板與殼程圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分兼做法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接。兼作法蘭的固定管板與管箱法蘭連接，多用于低中壓場(chǎng)合。圖2.4 e型連接方式e型連接方式管板的計(jì)算材料選用16MnR，MPa ，殼程筒體，管箱筒體，換熱管管長(zhǎng)，沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)，換熱管外徑，三角形排列。在布管區(qū)范圍內(nèi)，因設(shè)置隔板槽和拉桿結(jié)構(gòu)的需要，而未能被換熱管支承的面積：管板布管區(qū)面積：,管板布管區(qū)當(dāng)量直徑：假設(shè)管板的厚度，管箱法蘭，內(nèi)徑，管板 延長(zhǎng)部分形成的凸緣或法蘭的寬度。管板開孔前

45、的抗彎剛度：管箱筒體與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，。，由GB1511999查圖26得，殼程圓筒與法蘭（或凸緣）的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)，由GB1511999查圖26得，管板邊緣旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù)：旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)；無量綱參數(shù)：由 ，根據(jù)GB1511999查圖19，圖20，圖21得：，僅殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：僅殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：由 ，根據(jù)GB1511999圖22得： 法蘭預(yù)緊力矩僅殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)： 僅管程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)： 管程殼程同時(shí)作用時(shí)：法蘭預(yù)緊力矩的在管板中心處，布管區(qū)周邊處和邊緣處的徑向應(yīng)力殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：管程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：分別以不同工況計(jì)算法蘭設(shè)計(jì)力矩和管板延長(zhǎng)部分的法蘭應(yīng)力，殼程設(shè)計(jì)壓

46、力作用時(shí)：管程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：應(yīng)力校核管板應(yīng)力 取壓力較大的管程計(jì)算：僅殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：所以滿足要求。僅管程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：所以滿足要求。換熱管軸向應(yīng)力一根換熱管的橫截面積：換熱管材料采用0Cr18Ni10Ti，。殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：殼程設(shè)計(jì)壓力作用時(shí)：殼程管程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用時(shí)：所以滿足要求。換熱管與管板連接脫力 取較大所以滿足條件。又查GB1511999，所以滿足要求。2.5溫差應(yīng)力的計(jì)算管子或殼體中的溫差軸向力：管子及殼體中的溫差應(yīng)力：式中：Et,Es分別為管子和殼體材料的彈性模量，MPa； 分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/； to安裝時(shí)的溫度，； tt ,ts分別是為操作狀

47、態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，。 管子所選材料16MnR，殼體材料為16MnR+0Cr18Ni10Ti。 ， ， ， ， 其中：為列管式換熱器外壁的厚度，mm。已知換熱器壁溫：熱流體側(cè)的壁溫， 溫差：，所以，不需要采用熱補(bǔ)償裝置。2.6筒體內(nèi)部設(shè)計(jì)換熱管與管板的連接根據(jù)操作介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等條件，參照GB1511999，換熱管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹圖2.5 強(qiáng)度焊加貼脹2.6.2支撐板的設(shè)計(jì) 參照GB1511999，當(dāng)換熱器不需設(shè)置折流板，但換熱管無支撐跨距超過表 42規(guī)定時(shí)，則應(yīng)設(shè)置支持板，用來支撐換熱管，以防止換熱管產(chǎn)生過大的撓度。圖2.6所示，結(jié)構(gòu)尺寸A+B+C之和應(yīng)不大于表42（參照GB151