江蘇斯?fàn)柊畲蓟嗦?lián)產(chǎn)項(xiàng)目一期工程丙烯腈（AN）裝置 成品塔冷凝器設(shè)計(jì)

PAGE學(xué)號(hào)：常州大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（20屆）題目江蘇斯?fàn)柊畲蓟嗦?lián)產(chǎn)項(xiàng)目一期工程丙烯腈裝置——成品塔冷凝器設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)院懷德學(xué)院專業(yè)班級(jí)校內(nèi)指導(dǎo)教師專業(yè)技術(shù)職務(wù)校外指導(dǎo)老師專業(yè)技術(shù)職務(wù)PAGEIV江蘇斯?fàn)柊畲蓟嗦?lián)產(chǎn)項(xiàng)目一期工程丙烯腈（AN）裝置成品塔冷凝器設(shè)計(jì)摘要：本文扼要介紹了國內(nèi)外換熱器的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了江蘇斯?fàn)柊畲蓟嗦?lián)產(chǎn)項(xiàng)目26萬噸/年丙烯腈裝置——成品塔冷凝器的工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括本臺(tái)冷凝器的制造、檢測與安裝等其他方面的要求。本設(shè)計(jì)冷凝器屬于換熱器的一種，故結(jié)合GB150-1998、GB151-2011、《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》等相關(guān)規(guī)范以及制造與現(xiàn)場安裝要求去設(shè)計(jì)，根據(jù)給定的換熱流量對(duì)整臺(tái)冷凝器進(jìn)行了工藝計(jì)算，參照換熱器設(shè)計(jì)規(guī)范與工藝計(jì)算的結(jié)果，保證本臺(tái)設(shè)備在換熱效率與各程壓力降滿足要求的前提下，又相繼完成了換熱器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括殼體厚度、封頭壁厚、管箱壁厚、接管壁厚的設(shè)計(jì)，換熱器支座與法蘭的選型；換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括換熱管的尺寸選型、管板兼法蘭的厚度確定、折流板安裝位置設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核方面，包括筒體應(yīng)力校核、管板校核、法蘭的選擇與校核、開孔及補(bǔ)強(qiáng)等。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：固定管板式換熱器具有耐高壓、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在滿足項(xiàng)目工藝需求的情況下，還能節(jié)約資金。關(guān)鍵詞：冷凝器；工藝計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；開孔補(bǔ)強(qiáng)；校核AprojectofacrylonitrilealcoholJiangsusailboatpolygenerationproject(AN)deviceDesignofproducttowercondenserAbstract:Thispaperbrieflyintroducestheathomeandabroadforthedevelopmenthistoryandresearchstatusofheatexchanger,focusesonJiangsualcoholSierbangpolygenerationprojects260000t/yearofacrylonitrileplant,producttowercondensertechnologyandstructuredesign,Includingthemanufacture,testingandinstallationofacondenser,andotherrequirements.Thedesignofthecondenserisaheatexchanger,sothecombinationofGB150-1998,GB151-2011,"heatexchangerdesignmanual"andotherrelatedregulationsbythemanufacturingandinstallationrequirementstodesign,accordingtotheheattransferflowgiventhewholesetsofcondenserwerecalculated,accordingtodesignspecificationsandprocessfortheheatexchangercalculationresults,ensuretheTaiwanequipmentmeettherequirementsandthepressureintheheatexchangeefficiency,andtheexternalheatexchangerstructuredesignhavebeencompleted,thedesignincludingthethicknessoftheshell,thicknessoftheheadwall,thicknessofpipewallandthicknessofpipeboxwall,selectionforbearingwithflangeofheatexchanger;changetheinternalstructuredesignofheatexchanger,includingthesizeselection,tubeplateandflangethicknessdetermination,baffleinstallationpositiondesign;strengthchecking,includingcylinderstresscheck,check,tubeplateflangeselectionandcheck,openingandreinforcement.Designresultsshowthatthefixedtubeplateheatexchangerhashighpressureresistance,simplestructureandhighcostperformancecharacteristics,inthecaseofmeetthedemandofprojectprocess,canalsosavemoney.Keywords:condenser;processdesign;structuredesign;reinforcement;check常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄摘要 I目錄 III1引言 12工藝設(shè)計(jì) 22.1基本設(shè)計(jì)參數(shù) 22.2殼程、管程的物性參數(shù)的確定 22.3計(jì)算熱負(fù)荷 32.4計(jì)算有效平均溫差 32.5初設(shè)總傳熱系數(shù) 32.6估算傳熱面積 42.7估算換熱管根數(shù) 42.8估算筒體內(nèi)徑 42.9初選換熱器規(guī)格 42.9.1核算總傳熱系數(shù) 52.10壁溫校核 62.11折流板設(shè)計(jì) 62.12壓力降計(jì)算 72.13傳熱工藝計(jì)算結(jié)果匯總 83結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 93.1筒體部分結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 93.2換熱器各連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 93.3殼程筒體設(shè)計(jì) 93.4管箱設(shè)計(jì) 113.4.1管箱厚度 113.4.2應(yīng)力校核及壓力試驗(yàn) 113.4.3最大工作壓力及應(yīng)力校核 123.5封頭設(shè)計(jì) 123.6膨脹節(jié)設(shè)計(jì) 143.7管板設(shè)計(jì) 173.8開孔、接管法蘭設(shè)計(jì) 253.8.1開孔設(shè)計(jì) 253.8.2接管法蘭 263.9開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 273.9.1殼程介質(zhì)進(jìn)出口 273.9.2接管位置設(shè)計(jì) 283.10折流板設(shè)計(jì) 303.11拉桿與定距管的確定 313.12定距管設(shè)置 323.13支座設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 323.13.1支座選型 323.13.2鞍座載荷校核 333.13.3彎矩 343.13.4圓筒應(yīng)力計(jì)算及校核 353.13.5各部分應(yīng)力校核 363.13.6圓筒和封頭切應(yīng)力及校核 373.13.7支座截面處圓筒的周向應(yīng)力 373.14吊耳設(shè)計(jì) 384.制造、檢驗(yàn)與安裝 404.1材料要求 404.2零部件制造要求 404.3設(shè)備檢測 404.4設(shè)備安裝 405.結(jié)論 42參考文獻(xiàn) 43致謝 44第44頁共44頁1引言江蘇斯?fàn)柊畲蓟嗦?lián)產(chǎn)項(xiàng)目一期工程26萬噸/年丙烯腈（AN）裝置裝置，設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)丙烯腈26萬噸，年開工按8000小時(shí)計(jì)算。由丙烯腈反應(yīng)單元、壓縮/制冷單元、回收單元、精制單元、四效蒸發(fā)單元、乙腈單元、含腈廢水焚燒單元、尾氣焚燒單元、硫銨濃縮等單元組成回收單元中，在急冷塔內(nèi)，反應(yīng)器出口氣體被急冷，冷卻和除去對(duì)產(chǎn)品回收有不利影響的副產(chǎn)物。通過急冷后冷卻器，急冷塔出口氣體進(jìn)一步被冷卻后進(jìn)入吸收塔。在吸收塔用低溫水將丙烯腈和有機(jī)物副產(chǎn)物從氣體中吸收下來后送至回收塔。通過回收塔，丙烯腈、氫腈酸和乙腈等分離出來，最終丙烯腈經(jīng)過成品塔冷凝器，完成由氣相到液相的轉(zhuǎn)換，通過管道進(jìn)入存儲(chǔ)設(shè)備。通常情況下冷凝器是一種制冷器件，用來將氣體或蒸汽轉(zhuǎn)換為液體，在化工裝置被廣泛使用，是化工行業(yè)不可或缺的重要設(shè)備，高效、新型冷凝器的研發(fā)與設(shè)計(jì)，成為了推動(dòng)國內(nèi)傳熱技術(shù)趕超國外領(lǐng)先水平不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因水冷式冷凝器工作原理與換熱器相似，故本設(shè)計(jì)中大部分工藝與結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)方法參照換熱器的進(jìn)行，但是目前國內(nèi)外對(duì)于冷凝器管內(nèi)冷凝的研究還相對(duì)缺乏，預(yù)算總傳熱系數(shù)時(shí)沒有規(guī)范、統(tǒng)一的計(jì)算公式，只能按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，因此本設(shè)計(jì)誤差必然存在。但是為了滿足實(shí)際換熱需求，預(yù)想通過適當(dāng)放寬換熱面積的辦法去實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)最初考慮到由于管程介質(zhì)質(zhì)量流量較大，本臺(tái)換熱器可能需要較大的換熱面積，決定在設(shè)計(jì)過程中選取較長的換熱管，用以減少換熱管數(shù)量及筒體內(nèi)徑，方便后續(xù)換熱器規(guī)格的選型與減少制造時(shí)插管的工作量。2工藝設(shè)計(jì)2.1基本設(shè)計(jì)參數(shù)按照給定的設(shè)計(jì)任務(wù)書，本設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2.1所示。表2.1基本設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)名稱管程殼程介質(zhì)丙烯腈循環(huán)冷卻水密度kg/m3782.61994.88入口溫度℃4733出口溫度℃4338工作壓力MPa0.0360.54管程流量kg/h300002.2殼程、管程的物性參數(shù)的確定（1）殼程循環(huán)冷卻水定性溫度入口溫度：=33℃。出口溫度：=38℃。所以，殼程定性溫度為：…(2.1)（2）管程定性溫度進(jìn)料溫度：。出料溫度：。所以，管程的定性溫度為：…….…….…...…….….(2.2)根據(jù)定性溫度，分別查取管程與殼程流體的物性參數(shù)，具體如表2.2所示：表2.2物性參數(shù)物性參數(shù)管程（丙烯腈）殼程（循環(huán)冷卻水）密度777.968993.7定壓比熱容0.020954.08導(dǎo)熱系數(shù)0.15590.626動(dòng)力黏度μ/mPa·s0.340.7252.3計(jì)算熱負(fù)荷根據(jù)熱力學(xué)原理，可用傳熱方程按式（2.3）進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算：...………..(2.3)丙烯腈在45℃時(shí)汽化焓值：丙烯腈摩爾質(zhì)量：丙烯腈45℃時(shí)的凝結(jié)潛熱為：…………...(2.4)管程溫差：殼程溫差：管程流量：總熱量：………….………(2.5)根據(jù)熱平衡關(guān)系，殼程流量可按式（2.4）得出：…………….……..…..…………...……..(2.6)2.4計(jì)算有效平均溫差根據(jù)《化工原理課程設(shè)計(jì)》對(duì)數(shù)平均溫差[1]可由式（2.7）得出：最大溫差：最小溫差：………….(2.7)2.5初設(shè)總傳熱系數(shù)丙烯腈作為聚合物的一種傳熱系數(shù)約水蒸氣（1600~4000）的十分之一[2]，這里初選總傳熱系數(shù)K=249。2.6估算傳熱面積估算所需傳熱面積A:………..……………….(2.8)2.7估算換熱管根數(shù)..……(2.9)圓整，取3391根。采用正三角形排管方式，查《換熱器》[3]知：管心距：=0.025m2.8估算筒體內(nèi)徑按公式（2.10）估算筒體內(nèi)徑：…..…….（2.10）圓整，取1800mm。2.9初選換熱器規(guī)格冷凝器作為換熱器的一種，在選型時(shí)要考慮眾多因素，包括介質(zhì)性質(zhì)、工作環(huán)境、壓力、工作溫度以及制造成本等。本設(shè)計(jì)為了結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約成本，在滿足工藝要求的情況下選取固定管板式換熱器，具體選型參考《換熱器》[3]如表2.3所示：表2.3換熱器參考規(guī)格公稱直徑D1800mm公稱換熱面積A2256管程數(shù)Np1管數(shù)n4247管長L9m管子直徑Φ19mm×2.0mm管子排列方式正三角形換熱器實(shí)際換熱面積：=……………….（2.11）所選換熱器所要求總傳熱系數(shù)：…………..（2.12）2.9.1核算總傳熱系數(shù)(1)管程傳熱膜系數(shù)計(jì)算因?yàn)楸九P式冷凝器采用管內(nèi)冷凝，故參考文獻(xiàn)《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]，按公式計(jì)算管程傳熱膜系數(shù)：………………...（2.13）……….（2.14）其中，為管程傳熱膜系數(shù)、為管程流體導(dǎo)熱系數(shù)、、分別為管程流體液態(tài)、氣態(tài)密度、g為重力加速度、為管程流體飽和態(tài)溫度，取47℃、為管壁溫度，假設(shè)為40℃、D為換熱管外徑。本式中，因?yàn)橄啾扔谶^小，計(jì)算時(shí)可忽略，帶入數(shù)據(jù)可得：=615.14=466(2)殼程傳熱膜系數(shù)計(jì)算參照《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]，采用Kern計(jì)算方法，按公式計(jì)算殼程傳熱系數(shù)………………….（2.15）………（2.16）其中，m為殼程流量，L為管長，為殼程流體， 為殼程流體密度，為殼程流體粘度，帶入數(shù)據(jù)可得：==(3)確定污垢系數(shù)丙烯腈取=0.000172（有機(jī)液體），循環(huán)冷卻水取=0.00034，為管壁熱阻取0.000052[1]。(4)總傳熱系數(shù)………..（2.17）==0.0036則=272==14.5%20%（2.18）根據(jù)《化工原理課程設(shè)計(jì)》[1]符合工程設(shè)計(jì)要求，故合格。2.10壁溫校核………..（2.19）與假設(shè)值比較接近，故滿足要求。2.11折流板設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)中折流板本分多種，包括弓形（單弓、雙弓、三弓）、環(huán)形等，設(shè)計(jì)采用單弓形折流板設(shè)計(jì)，要求弓形折流板圓缺高度不小于殼體內(nèi)徑的20%，不大于殼體內(nèi)徑的35%[3]，按設(shè)計(jì)取20%。則切去的圓缺高度為：0.201800=360mm橫過管束中心線的管數(shù)==71（根）。取折流板間距B=0.4D，則B=0.41800=720mm,圓整之后取800mm。折流板數(shù)：（塊），圓整取11塊，但是為了避免殼程短路，定為10塊，折流板圓缺面水平裝配。2.12壓力降計(jì)算（1）殼程壓力降校核[4]殼程流通截面積：……（2.20）殼程流速：………（2.21）…………………（2.22）其中，==19990＞1000…（2.23）則，=0.088………………（2.24）=8.87…….（2.25）...（2.26）殼程壓降：=8.87+6.79=15.66＜100……..….（2.27）滿足要求（2）管程壓力降…………….（2.28）其中Ft為結(jié)構(gòu)校正系數(shù)去1.5，Np管程數(shù)，Ns殼程數(shù)?！?.29）=385……………..（2.30）…………（2.31）式（2.31）中粗糙度取值為0.1mm。管內(nèi)截面積：………（2.32）管內(nèi)流速：………（2.33）…………（2.34）………...（2.35）管程總壓降：=＜50，故滿足要求。2.13傳熱工藝計(jì)算結(jié)果匯總項(xiàng)目管程殼程物性數(shù)據(jù)流體介質(zhì)丙烯腈循環(huán)冷卻水進(jìn)/出口溫度47/4333/38工作壓力0.0360.54換熱系數(shù)4662964壓力降4.9338.85傳熱面積2256傳熱系數(shù)2723結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核3.1筒體部分結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)換熱管的選?。汗庖?guī)格管Ф192、材料為10號(hào)鋼、管長9000mm。換熱管的布置：采用正三角形布管方式。管板：E型固定管板延長兼做法蘭。折流板：厚度為12mm，間距為800mm，選用單弓形，缺口高度360mm。容器法蘭：采用長頸對(duì)焊法蘭。支座：鞍式支座定距管選取：Ф192，材料為10號(hào)鋼。管箱的設(shè)計(jì)：采用單管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，A型管箱。封頭設(shè)計(jì)：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。墊片：按標(biāo)準(zhǔn)選取墊片結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3.1：管程進(jìn)口殼程出口殼程入口管程出口圖3.1結(jié)構(gòu)簡圖3.2換熱器各連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)筒體與管板的連接結(jié)構(gòu)：管板與筒體連為整體，其延長部分兼作法蘭，與管箱用螺柱墊片連接。封頭與管箱短節(jié)的連接：對(duì)接焊管箱短節(jié)與法蘭的連接：對(duì)接焊接管與殼體的連接：焊接換熱管與管板的連接方式：根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及操作狀況選擇換熱管與管板的連接方式為強(qiáng)度焊加貼脹。3.3殼程筒體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)壓力：Pc=0.6MPa，筒體內(nèi)徑：Di=1800，設(shè)計(jì)溫度：t=1000C，材料：Q345R熱軋鋼板焊接接頭系數(shù)：Ф=0.85，腐蝕裕量：C2=3[5]，鋼板負(fù)偏差：C1=0.3mm，試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力：[σ]t=189MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力：[σ]t=189MPa設(shè)計(jì)溫度下筒體的計(jì)算厚度按下列公式計(jì)算，公式適用范圍Pc<0.4[σ]tФ.…………….（3.1）帶入數(shù)據(jù)，得計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：根據(jù)《鋼制列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，最小厚度原則[6]，名義厚度取14mm。有效厚度：設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力：…………（3.2）水壓試驗(yàn)下壓力：……………（3.3）經(jīng)校核合格。3.4管箱設(shè)計(jì)3.4.1管箱厚度工作壓力為：0.036MPa，因?yàn)閴毫^小，按常壓進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。設(shè)計(jì)壓力：Pc=0.11MPa，筒體內(nèi)徑：Di=1800設(shè)計(jì)溫度：t=1000C，材料：Q345R焊接接頭系數(shù)：Ф=0.85，鋼板負(fù)偏差：C1=0.3mm，腐蝕裕量：C2=3，試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力：[σ]=189MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力：[σ]t=189MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)：σs=315MPa管箱選型：A型設(shè)計(jì)溫度下管箱的計(jì)算厚度按下列公式計(jì)算，公式適用范圍Pc<0.4[σ]tФ，帶入數(shù)據(jù)，得計(jì)算厚度：名義厚度：有效厚度：3.4.2應(yīng)力校核及壓力試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)：試驗(yàn)壓力：..…(3.4)氣壓試驗(yàn)下允許通過的最大應(yīng)力：…………………（3.5）試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力：………..（3.6），故合格。水壓試驗(yàn)：試驗(yàn)壓力：………………..（3.7）水壓試驗(yàn)下允許通過的最大應(yīng)力：……………….（3.8）試驗(yàn)壓力下圓筒應(yīng)力：………..（3.9），故合格。3.4.3最大工作壓力及應(yīng)力校核最大允許工作壓力：…………（3.10）設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力：…………...（3.11），故合格。結(jié)論：管箱圓筒名義厚度為14mm，經(jīng)校核各方面應(yīng)力滿足。3.5封頭設(shè)計(jì)選型：選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，如下圖3.2所示。圖3.2封頭結(jié)構(gòu)示意圖工作壓力：P=0.036MPa，設(shè)計(jì)壓力：Pc=0.11MPa，筒體內(nèi)徑：Di=1800。設(shè)計(jì)溫度：t=1000C，材料：Q345R熱軋板材焊接接頭系數(shù)：Ф=0.85，腐蝕裕量C2=3，鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm。試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力：[σ]=189MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力：[σ]t=189MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)：σs=315MPa形狀系數(shù)：設(shè)計(jì)溫度下管箱的計(jì)算厚度按下列公式計(jì)算，公式適用范圍Pc<0.4[σ]tФ，…………….（3.12）帶入數(shù)據(jù)，得計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)厚度：名義厚度：根據(jù)《鋼制管列管式固定管板換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，最小厚度原則，名義厚度取14mm。有效厚度：最小厚度最大允許工作壓力：…….（3.13）結(jié)論：,,壓力與穩(wěn)定性都滿足。查JB4706-2002[7]，表B.1、B.2封頭參數(shù)如下表3.1：表3.1EHA橢圓形標(biāo)準(zhǔn)封頭參數(shù)公稱直徑DN/mm深度內(nèi)表面積A/容積封頭名義厚度質(zhì)量H1(mm)H2(mm)1800450403.65350.82714395.83.6膨脹節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)于固定管板式換熱器在設(shè)計(jì)膨脹節(jié)的時(shí)候首先考慮圓筒與管子產(chǎn)生的應(yīng)力和，是否超過了許用值。……………...（3.14）………………..（3.15）圓筒截面積：……（3.16）管壁的總截面積：…………..（3.17）圓筒與管子的膨脹變形差：…………（3.18）式中：、為殼壁與管壁下的溫度：根據(jù)GB151-1999[8]公式F4估算，、、為圓筒與管材在、時(shí)線膨脹系數(shù)：、為圓筒與管材的彈性模量：為管長：9000mm。帶入數(shù)據(jù)：為圓筒與管子之間的膨脹變形差所產(chǎn)生的力：…………………..（3.19）為殼程與管程的壓力作用在圓筒上的力，N：、分別為殼程與管程的設(shè)計(jì)壓力，MPa：0.6、0.11為筒體內(nèi)徑，mm:1800分別為管子外徑與內(nèi)徑,mm：19、15n為管子數(shù)目：4247為殼程與管程的壓力作用在管子上的力(1)管間流體作用在管板上的力：…（3.20）(2)管內(nèi)流體作用在管板與頂蓋上的力：……...（3.22）….…………….（3.23）內(nèi)壓產(chǎn)生的總軸向載荷：….（3.24）根據(jù)殼體與管子縱向變形協(xié)調(diào)：………（3.25）………（3.26）壓力作用下：………….（3.27）…………（3.28）溫差作用下：因?yàn)?，所以管子受壓，筒體受拉，為正，為負(fù)?！?.29）……...….（3.30）應(yīng)力合成：…………………（3.31）…………………（3.32）校核：（），很明顯滿足條件，無需設(shè)置膨脹節(jié)。管子拉脫應(yīng)力校核：……………….（3.33）W為管子承受的總拉脫力：………（3.34）H為管子脹接長度，取40mm。為管子與管板連接許用拉脫應(yīng)力，根據(jù)GB16749，取4MPa。帶入數(shù)據(jù)：,管子拉脫力滿足。綜上所述，各要求滿足，無需設(shè)置膨脹節(jié)。3.7管板設(shè)計(jì)管板作為換熱器的重要零部件，工程設(shè)計(jì)中一般用管板與法蘭配合，用來排布換熱管并且將管程與殼程分開，本設(shè)計(jì)中管板與法蘭采用E型連接方式，選用管板延長兼做法蘭形式的整體管板，假設(shè)管板厚度為80mm。根據(jù)筒體公稱直徑DN1800，具體尺寸查考《鋼制固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[7]圖4-30與表4-25，尺寸數(shù)據(jù)如下表3.2。表3.2管板尺寸表18001960191518761797185318007000（續(xù)）表3.2管板尺寸表螺栓規(guī)格數(shù)量18.527M2452本設(shè)計(jì)的延長兼做法蘭管板，根據(jù)GB151-1999[8]的標(biāo)準(zhǔn)釋義，具體計(jì)算與校核如下：（1）殼程圓筒：內(nèi)徑：Di=1800mm厚度：內(nèi)徑面積：………...…………（3.35）橫截面積：………..……（3.36）（2）管箱：圓筒厚度：（3）管子：外徑：壁厚：管數(shù)：管心距：管截面積：.（3.37）孔面積：……………（3.38）管有效長度：管束模數(shù)：………………（3.39）管回轉(zhuǎn)半徑：……………..（3.40）系數(shù)：……（3.41）查GB151-89圖32可知。管子穩(wěn)定許用應(yīng)力：當(dāng)時(shí)，.……（3.42）（4）系數(shù)計(jì)算：開孔后面積：…………（3.43）采用三角形排列時(shí)，管板布管面積，因?yàn)槭菃喂艹?，?，管心距為25mm，、分別代表設(shè)計(jì)溫度下，換熱管材料和殼程圓筒材料彈性模量，根據(jù)GB150.2-2011表B.13均為。帶入數(shù)據(jù)，布管區(qū)當(dāng)量直徑：………………（3.44）系數(shù)：，，…………（3.45）（5）管板：管板選材：16MnⅣ彈性模量：管子選材：10號(hào)鋼彈性模量：假定管板厚度為：帶入數(shù)據(jù)，管子加強(qiáng)系數(shù)：，，根據(jù)GB150-1998，，式中筒體內(nèi)徑：，，帶入數(shù)據(jù)，,。（6）設(shè)備法蘭：根據(jù)筒體內(nèi)徑，查JB/4703-2000[9]，選取與之配套長頸對(duì)焊法蘭，采用凹面密封，如下表3.3：表3.3DN1800長頸對(duì)焊法蘭規(guī)格法蘭公稱1800196019151876185618537015040（續(xù)）表3.3DN1800長頸對(duì)焊法蘭規(guī)格法蘭公稱螺栓規(guī)格數(shù)量1800211816261227M2452長頸對(duì)焊法蘭凹凸面密封結(jié)構(gòu)圖3.3如下：圖3.3凹凸面密封結(jié)構(gòu)示意圖法蘭選材：16MnⅣ法蘭外徑：法蘭寬度：…..………………(3.46)管箱法蘭厚度：根據(jù),查GB151-1998圖26，旋轉(zhuǎn)剛度:管箱法蘭選材：16MnⅣ彈性模量：…………………...(3.47)確定殼程法蘭厚度：根據(jù),,查GB151-1998圖26，旋轉(zhuǎn)剛度：殼程法蘭選材：16MnⅣ彈性模量：…………………...(3.48)旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)：………(3.49)殼體法蘭應(yīng)力參數(shù)Y：按查GB150-1998第9章圖9-8或表9-5，由K，查GB151-1999圖27得，………...(3.50)由K，查GB151-1999圖29得，………...(3.51)由K,查GB151-1999圖30得，………………….(3.52),……………(3.53)由K、Q查GB151-1999圖28得，法蘭力矩：根據(jù)GB151-1999按照GB150-2011[10]求基本法蘭力矩。由所選管箱法蘭配套墊片得：外徑D=1855mm，內(nèi)徑d=1805mm，，厚度為3mm。根據(jù)GB150-1998表9-1得，。根據(jù)GB150-1998，已知，則墊片有效寬度：，墊片中心圓直徑：………….(3.54)根據(jù)GB150-1998表9-2得，，由GB150-1998表4-1查得法蘭材料的，為常溫下法蘭材料的許用壓力，為設(shè)計(jì)溫度下法蘭材料的許用壓力n為螺栓數(shù)為預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：………(3.55)為操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：………………...(3.56)為預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：………………(3.57)為操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積：…………………(3.58)—需要的螺栓面積：…………(3.59)—實(shí)際螺栓面積：……(3.60)預(yù)緊狀態(tài)的法蘭力矩:…………………...(3.61)…..(3.62)操作狀態(tài)的法蘭力矩：根據(jù)GB150-1998第九章式9-11計(jì)算如下，………………….(3.63)為法蘭頸部小端的有效厚度，為法蘭頸部大端的有效厚度，，，根據(jù)GB150-1998表9-3得：…...(3.64)………..(3.65)………………(3.66)…………(3.67)…………...(3.68)………….(3.69)………..(3.70)………(3.71)帶入數(shù)據(jù)，法蘭設(shè)計(jì)力矩：……………..(3.72)表3.4各組合情況下應(yīng)力校核情況殼程壓力作用下的危險(xiǎn)組合殼程設(shè)計(jì)壓力管程壓力不計(jì)膨脹差0MPa0MPa4.81140.00290.00370.18830.669>0（按GB151-1989查圖5.7.3.1得）0.120.003150.005570.0260.00024MPa10.08<1.5MPa4.516<1.5MPa3.518<0.5MPa1.425<1.5MPa4.37<MPa8.48<MPa0.00088<續(xù)表3.4各組合情況下應(yīng)力校核情況管程壓力作用下的危險(xiǎn)組合殼程壓力=0管程設(shè)計(jì)壓力，不計(jì)膨脹差0MPa0MPa1.37170.0048010.004810.24680.4338（按GB151-1999得）0.160.010680.002290.01660.0036432MPa9.75<1.5MPa0.493<1.5MPa0.64<0.5MPa23.69<1.5MPa3.85>0,<MPa1.96<MPa0.00076<因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)沒有設(shè)置膨脹節(jié)，所以計(jì)入膨脹差的危險(xiǎn)組合校核省略。經(jīng)校驗(yàn)，合格。3.8開孔、接管法蘭設(shè)計(jì)3.8.1開孔設(shè)計(jì)本冷凝器共設(shè)置8個(gè)接管（殼程介質(zhì)進(jìn)出口、管程介質(zhì)進(jìn)出口、管程與殼程分別增設(shè)1個(gè)排氣口和排凝口），因此共需開8個(gè)孔，其中排凝口統(tǒng)一設(shè)置為DN25，管程排氣口設(shè)置為DN100，殼程排氣口設(shè)置直徑為DN25，其他口根據(jù)流量要求設(shè)計(jì)。管程進(jìn)口介質(zhì)：丙烯腈蒸汽蒸汽密度：質(zhì)量流量：流通截面積：管程進(jìn)口流速：…………...(3.73)根據(jù)《化工原理》[11]第229頁，管程流速，取。…………...(3.74)圓整后取500mm.。根據(jù)HG20581-1998[12]表5-6與HG25092-2009[13]表1.0.3，DN500，選用Q345R，的無縫鋼管，作為管程介質(zhì)進(jìn)口接管。管程出口介質(zhì)：丙烯腈液體密度：管程出口流速：，取0.1m/s。，圓整后取400mm。根據(jù)HG20581-1998表5-6與HG25092-2009表1.0.3，，DN400，選用Q345R，的無縫鋼管，作為管程介質(zhì)出口接管。殼程進(jìn)出口介質(zhì)：循環(huán)冷卻水密度：質(zhì)量流量：流通截面積：殼程流速：，取1.5m/s。，圓整后取500mm。根據(jù)HG20581-1998表5-6與HG25092-2009表1.0.3，DN500，選用Q345R，的無縫鋼管，作為管程介質(zhì)出口接管。3.8.2接管法蘭根據(jù)GH20592的8.2.1參照各接管大小，與現(xiàn)場安裝要求選取接管法蘭為板式平焊鋼制鋼制管法蘭，如下圖3.4：圖3.4板式平焊鋼制鋼制管法蘭各法蘭具體參數(shù)如下表：表3.5PN2.5板式平焊鋼制鋼制管法蘭(mm)公稱尺寸DN鋼管外徑連接尺寸法蘭厚度法蘭內(nèi)徑ABDKLnThCAB2533.73210075114M101434.533100114.3108210170184M1618116110400406.44265404952216M20284114305005085306456002220M20305135353.9開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.9.1殼程介質(zhì)進(jìn)出口開孔內(nèi)徑：接管厚度：筒體壁厚：厚度附加量：接管計(jì)算厚度：（與筒體一致）強(qiáng)度削弱系數(shù)：開孔直徑：………(3.75)根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》[5]第161頁，可以采用等面積法補(bǔ)強(qiáng)。所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積：………(3.76)已有的加強(qiáng)面積計(jì)算筒節(jié)上多余金屬面積：有效寬度：B……………(3.77)………(3.78)有效寬度，取兩值大者為1033.2。有效外側(cè)高度：………(3.79)有效外側(cè)高度，取小值為71.8mm。有效內(nèi)側(cè)高度：。有效寬度，取兩值小者為0。有效補(bǔ)強(qiáng)面積筒體有效厚度：筒體多余金屬面積：………(3.80)接管多余金屬面積:…(3.81)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積（焊腳?。?根據(jù)已有的加強(qiáng)總面積（）判斷是否需要補(bǔ)強(qiáng)，但是，則無需考慮、大小，不需要補(bǔ)強(qiáng)，因?yàn)樽畲蠼庸軣o需補(bǔ)強(qiáng)，所以其他接管無需補(bǔ)強(qiáng)。3.9.2接管位置設(shè)計(jì)(1)殼程接管位置設(shè)計(jì)圖3.5殼程接管位置示意圖參考《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一章1.4.1[14]，因?yàn)榻庸軣o補(bǔ)強(qiáng)圈，根據(jù)公式(3.88)。管板厚度：接管外徑：帶入數(shù)據(jù)，圓整取400mm。(2)管箱進(jìn)出口位置及管箱長度設(shè)計(jì)圖3.6管箱接管位置示意圖參考《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》1.4.2[14]，因?yàn)榻庸軣o補(bǔ)強(qiáng)圈，根據(jù)公式：。法蘭密封面到法蘭焊接點(diǎn)的距離：接管外徑：帶入數(shù)據(jù)，圓整取500mm。(3)入口管箱長度計(jì)算:本設(shè)計(jì)選用A型管箱，如下圖3.7：圖3.7A型管箱接管位置示意圖入口管箱長度：………………(3.82)管箱出口位置：圓整取450mm。出口管箱長度：3.10折流板設(shè)計(jì)根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》4.2.5規(guī)定，折流板的布置，一般情況下第一塊折流板要盡量接近兩端的進(jìn)、出口接管，其余的按等間距規(guī)則布置[14]。具體排布位置如下圖3.8：圖3.8首塊折流板布置按下列公式：……….(3.83)防沖擋板寬度為，當(dāng)沒有防沖擋板時(shí)取接管內(nèi)徑。帶入數(shù)據(jù)得：綜合考慮，接管內(nèi)徑與大小,則最終確定：圓整取700mm。根據(jù)實(shí)際情況，為防止殼程出口處發(fā)生短路，最后一塊折流板取消，采用10塊折流板，則最后一塊折流板距離另一端的管板距離為：結(jié)論：殼程進(jìn)口端第一塊折流板距離管板為700mm,出口端最后一塊折流板距離管板為1020mm，其余的按800mm等間距排布，查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-6-26，折流板厚度為12mm。3.11拉桿與定距管的確定根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》4.4.2可知，拉桿盡可能布置在管束邊緣，等距離布置，對(duì)于大直徑換熱器折流板缺口也需要布置適當(dāng)量的拉桿，總之任何一塊折流板不得少于3個(gè)支撐點(diǎn)[14]，考慮本冷凝器的內(nèi)徑，所選換熱器布管圖如下圖3.9：圖3.9CAD布管圖根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1-6-36、1-6-37、1-6-38可知，拉桿的直徑，18根，、、b=2.0，拉桿連接尺寸如下圖3.10：圖3.10拉桿連接尺寸圖拉桿對(duì)應(yīng)長度的數(shù)量：換熱管伸出長度：，取16根。，2根。3.12定距管設(shè)置選材：10號(hào)鋼規(guī)格：數(shù)量與長度：928mm，16根；1728mm，2根；788mm，126根；1588mm,16根。3.13支座設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核3.13.1支座選型根據(jù)JB-T/4712-2007[15]第四章4.2.4，選擇重型帶墊板鞍式支座：JB/T4712-2007鞍座BIDN1800-S，具體尺寸如下表3.6：表3.6鞍座結(jié)構(gòu)尺寸公稱直徑DN允許載荷Q/KN鞍座高度底板腹板筋板180085525012802201612295190（續(xù)）表3.6鞍座結(jié)構(gòu)尺寸筋板墊板螺栓間距鞍座質(zhì)量增加100高度增加的質(zhì)量延長2601221004601090112020422結(jié)構(gòu)圖如下：圖3.11鞍座結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)GB151-1999第五章5.20.1規(guī)定，當(dāng)L>3000mm，取，盡可能的相等，具體設(shè)置位置如圖3.12所示：圖3.12鞍座安裝位置取………………….(3.84)3.13.2鞍座載荷校核筒體質(zhì)量：管箱質(zhì)量：接管質(zhì)量：管板質(zhì)量：換熱管質(zhì)量：法蘭質(zhì)量：折流板質(zhì)量：封頭質(zhì)量：假設(shè)鞍座質(zhì)量：總質(zhì)量：水壓試驗(yàn)總質(zhì)量：根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》[5]第五章5.3.2.3，支座鞍座校核方式，具體如下：3.13.3彎矩(1)支座跨中截面處的彎矩：………………(3.85)支座反力：………(3.86)…………(3.87)(2)支座截面處的彎矩：…………(3.88)……(3.89)…(3.90)3.13.4圓筒應(yīng)力計(jì)算及校核（1）兩支座跨中截面處圓筒軸向應(yīng)力截面最高點(diǎn)（壓應(yīng)力）…….(3.91)截面最低點(diǎn)（拉應(yīng)力）………….(3.92)（2）支座截面處圓筒的軸向應(yīng)力根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表5-1，當(dāng)鞍座采用120度包角時(shí)，，。支座截面最高點(diǎn)（拉應(yīng)力）………………...(3.93)支座截面最低點(diǎn)（壓應(yīng)力）…………………(3.94)3.13.5各部分應(yīng)力校核焊接接頭系數(shù)：材料設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力：設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力：設(shè)圓筒軸向臨界許用壓應(yīng)力：則，，帶入數(shù)據(jù)，系數(shù)…………….……...(3.95)查GB151-2011表B.13筒體材料Q345R在100℃時(shí)的彈性模量：則…….(3.96)所以查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》表D-1，材料許用應(yīng)力：根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第五章介紹，在操作工況下，軸向拉應(yīng)力不應(yīng)大于材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力：，則。壓應(yīng)力不應(yīng)大于軸向許用臨界應(yīng)力和材料的，則。在水壓試驗(yàn)條件下：軸向拉應(yīng)力不應(yīng)大于，則，壓應(yīng)力不應(yīng)大于，，則，綜上所述，兩種工況下都滿足要求。3.13.6圓筒和封頭切應(yīng)力及校核根據(jù)《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》5.3.2.4.2介紹，支座截面處無加強(qiáng)圈且的未被封頭加強(qiáng)的圓筒，切應(yīng)力的計(jì)算按照下列公式計(jì)算：……(3.97)其中系數(shù)：因?yàn)閳A筒的切應(yīng)力不大于設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力的0.8倍，所以，經(jīng)比較滿足要求。本設(shè)計(jì)，筒體、封頭材料相同，封頭有效厚度不小于筒體的有效厚度，所以封頭處的切向應(yīng)力不會(huì)比筒體大，故不必再對(duì)封頭切應(yīng)力進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算與校核。3.13.7支座截面處圓筒的周向應(yīng)力，(1)圓筒截面最低點(diǎn)處的周向壓應(yīng)力…………...……….(3.98)……….(3.99)(2)無加強(qiáng)圈圓筒鞍座處最大周向應(yīng)力因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中，墊板不起加強(qiáng)作用，所以最大周向應(yīng)力按下列公式計(jì)算：……..(3.100)(3)鞍座墊板邊緣處圓筒中的周向應(yīng)力值為鞍座包角（），則….……(3.101)、是周向壓縮力與周向彎矩產(chǎn)生的合成壓應(yīng)力，是局部應(yīng)力，不可以大于材料許用應(yīng)力的1.25倍，而。綜上，、，故滿足要求。結(jié)論：經(jīng)校核本鞍座載荷、強(qiáng)度均合格。3.14吊耳設(shè)計(jì)根據(jù)前文計(jì)算管箱質(zhì)量，左管箱280.4kg、右管箱311.6kg，均超過30kg，因此都要配置吊耳。查閱HG/T21574-2008，選用臥式容器板式吊耳（HP型），具體尺寸數(shù)據(jù)如下表3.7和圖3.13所示：表3.7吊耳尺寸參數(shù)吊耳系列號(hào)單個(gè)吊重適用設(shè)備直徑（mm）S（mm）D（mm）L（mm）11~3DN300~21001650140（續(xù)）表3.7吊耳尺寸參數(shù)R（mm）L（mm）H（mm）δ（mm）S1（mm）單個(gè)吊耳質(zhì)量單個(gè)耳板重墊板重5022014018222.70.242S13.13吊耳結(jié)構(gòu)示意圖4.制造、檢驗(yàn)與安裝4.1材料要求從TGS0004-2009可以得知，在制造壓力容器選材時(shí)，必須考慮材料的力學(xué)性能、工藝性能、化學(xué)性能等要求，與此同時(shí)提供相應(yīng)材料的廠商必須具有特種設(shè)備制造許可證，對(duì)與鋼板一類的板材，通常每塊板都應(yīng)出具質(zhì)量證明書，確保每一塊鋼板合格。4.2零部件制造要求本設(shè)計(jì)換熱器筒體為直徑1800mm的大直徑圓筒，一般采用三錕卷板機(jī)將固定大小的鋼板卷制，通過焊接將幾個(gè)圓筒對(duì)接，以達(dá)到換熱器筒體所需長度，所以下料時(shí)必須小心，防止產(chǎn)生較大誤差，各個(gè)圓筒對(duì)接時(shí)產(chǎn)生軸向偏差或者不滿足長度要求。在設(shè)置筒體接管時(shí)，因?yàn)榻庸軆?nèi)伸長度為0mm，所以接管必須保證與筒體內(nèi)徑齊平，注意接管位置不能開設(shè)在筒體焊縫處。在封頭與管箱的制造中，焊縫方向必須沿設(shè)備軸向或者徑向排布，同時(shí)由于設(shè)備接管往往采用整體加強(qiáng)的方法，在焊縫處具有較大應(yīng)力，所以封頭與管箱在焊接完成后，必須進(jìn)行熱處理，以消除應(yīng)力。換熱管方面，一般不允許存在對(duì)接焊縫，因此換熱管長度通常采用，國內(nèi)外換熱管廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)件長度，本設(shè)