产50万标m3溶解乙炔工艺设计毕业论文（已处理）.doc

学 生 毕 业 设 计论 文课题名称年产50万标m3溶解乙炔工艺设计姓 名学 号院 系化学与环境工程学院专 业化学工程与工艺指导教师7>2013年6月日本科毕业设计论文诚信声明本人郑重声明所呈交的本科毕业设计论文是本人在指导老师的指导下独立进行研究工作所取得的成果成果不存在知识产权争议除文中已经注明引用的内容外本设计论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 本科毕业设计作者签名 二一三年月日摘要1 关键词1 Abstract 1 Key words11 概述211 乙炔的用途212 乙炔生产方法的选择213 新兴乙炔化工生产方法2 com 新兴乙炔化工生产方法与旧法的比较2 com 新兴乙炔化工生产方法与旧法的风险评估314 溶解乙炔的概念与由来15 我国溶解乙炔的发展42 原料及产品规格521 电石5 com 电石的化学性质和物理性质22 丙酮6 com 丙酮的性质6 com 丙酮的质量标准及规格 23 乙炔7 com 乙炔简介7 com 乙炔的化学性质和物理性质7 com 乙炔的化工产出指标3 生产工艺 31 生产工艺流程图 32 流程简述 com 乙炔反应的化学原理8 com 乙炔生产的工序工艺概述4 物料衡算5 溶解乙炔车间设备设计与选型1151 乙炔发生器的选型1152 换热器的选型与设计12 com 确定设计方案13 com 定性温度和物性参数计算13 com 核算换热器的传热面积13 com 工艺结构尺寸15 com 校核总换热系数17 com 换热器的机械设计计算8 com 换热器主要工艺结构参数和计算结果一览表306 主要设备一览表327 定员3271 不同层面职能3272 劳动定员的原则338 工艺控制指标一览表339 车间设备布置3491 车间设备布置原则34 com 车间设备平面布置的原则35 com 车间设立面布置原则3592 车间设备布置及厂址选择35com 车间设备平面布置35com 车间设备立面布置3693 厂址选择3694 图纸710 经济核算711 溶解乙炔各工艺操作规程8 111 电石的入出库操作规程8 112 电石粉末处理操作规程39 113 真空泵操作规程9 com 一般规定9 com 开机前的准备9 com 运转注意事项40 com 操作规定40 114 丙酮补加装置操作规程41 com 新瓶充罐丙酮操作41 com 乙炔瓶补加操作42 com 充气42 com 补加丙酮42115 气瓶充装安全操作规程43116 气瓶充装前后检查操作规程43 com 气瓶充装前检查操作规程43 com 气瓶充装后复检操作规程4412 事故应急处理操作规程44 121 一般性事故44 122 重大事故应急救援处理操作规程4413 环境保护7 131 执行的环境质量标准及排放标准47 132 噪声处理方案47 133 三废处理47 134 绿化47 135 其它环保措施48参考文献9致谢0附录2年产50万标m3溶解乙炔工艺设计赖志强湖南城市学院化学工程与工艺专业2013届学生益阳413000摘 要 本文针对年产50万标m3溶解乙炔生产任务进行整个生产流程的工艺设计设计的内容包括主要反应和后续处理生产工艺流程及设备的设计和选型主要设备包括乙炔发生器换热器净化塔以及计量罐各工序贮罐接收罐压缩机等附加设备关键词换热器溶解乙炔气体乙炔发生器 50 illion Standard m3 Dissolved of Acetylene Process Design per YearLai Zhiqiang 2013 year Student of Chemical Engineering and Technology MajorHunan City University Yiyang Hunan 413000 China AbstrsctIn this paper an annual output of 50 million standard m3 dissolved acetylene production tasks process design for the entire production processMajor equipment includes acetylene generator heat exchanger purification tower and the metering tank the receptacle of each step receiving tanks compressors and other additional equipmentKey words Heat exchangerDissolved acetylene gasAcetylene generator1 概述 将生产的气态乙炔压缩充装至填有多孔填料并含溶剂一般采用丙酮的钢瓶内使乙炔气体溶解于丙酮液体中当使用时将乙炔气体从丙酮中放出这样的乙炔称溶解乙炔1溶解乙炔能达到安全贮存运输和使用方便的目的它被广泛的用于照明焊接切割及各种火焰加工能满足科研施工等特殊用户的需要在当今迅猛发展的国民经济中占有及其重要的地位是国家大力发展和推广的一项新工艺11 乙炔的用途 乙炔是一种重要的有机化工原料和优质燃料它的用途很广泛如乙炔在高温下分解为碳和氢由此可制备乙炔炭黑一定条件下乙炔聚合生成苯甲苯二甲苯萘蒽苯乙烯茚等芳烃通过取代反应和加成反应可生成一系列极有价值的产品乙炔还可用以照明焊接及切断金属氧炔焰也是制造乙醛醋酸苯合成橡胶合成纤维等的基本原料乙炔燃烧时能产生高温氧炔焰的温度可以达到3200左右用于切割和焊接金属供给适量空气可以安全燃烧发出亮白光在电灯未普及或没有电力的地方可以用做照明光源乙炔化学性质活泼能与许多试剂发生加成反应在20世纪60年代前乙炔是有机合成的最重要原料现仍为重要原料之一如与氯化氢氢氰酸乙酸加成均可生成生产高聚物的原料12 乙炔生产方法的选择 乙炔的化工生产方法主要有以下几种干法制乙炔2湿法制乙炔天然气部分氧化法煤等离子体法13 新兴乙炔化工生产方法 由于国际能源的紧张当今比较流行新兴的乙炔化工生产方法有天然气部分氧化法和煤等离子体法com 新兴乙炔化工生产方法与旧法的比较 新兴的乙炔生产方法主要是天然气部分氧化法和煤的等离子体法 天然气部分氧化法 1我国的天然气储量比较大便于开采 2天然气相对于其它的能源来说比较经济 3天然气部分氧化法在工艺上存在一定的危险性 4天然气部分氧化法在设备的投资成本上不经济煤等离子体法 1煤在我国的存储量比较大 2煤在相对于石油和其它的新兴能源上有一定的价格优势 3煤在化工生产中产生的污染较为严重 4煤等离子体法是一种高技术的手段其可行性和稳定性值得商榷 5煤等离子体法的设备投资成本不经济干法和湿法制乙炔 1都是传统的生产乙炔的方法 2干法乙炔是用略多与理论的水以雾态喷在电石粉上使之水解 3干法乙炔发生和湿法乙炔发生的化学原理是相同的 4湿法乙炔发生是块状电石投入发生器中发生器中有水使之水解 5干法制乙炔产生的污染物比湿法制乙炔的少 6干法制乙炔的成本略小于湿法制乙炔的成本com 新兴乙炔化工生产方法与旧法的风险评估 通过比较和细致的观察加上对乙炔市场的考察新兴的两种乙炔发生方法既天然气部分氧化法和煤等离子体法都有很大的局限性和经济成本问题其数据就不一一罗列而干法乙炔发生和湿法乙炔发生是传统的制备乙炔的方法其安全性和稳定性都有一定的保障其中如果考虑环保的问题乙炔干法发生会占很大的优势其反应以后得电石粉末具有再利用价值湿法乙炔发生则在环保方面有些欠缺干法乙炔发生是对湿法乙炔发生的改进干法乙炔发生是对湿法乙炔发生的改进通过综合的考虑和出于对其风险的评估我认为干法乙炔发生具有很好的工业化价值所以我选择干法乙炔发生作为我这次的毕业设计的主要内容14 溶解乙炔的概念与由来 溶解乙炔是将碳化钙与水作用制得粗乙炔气经净化压缩干燥再充装至填有多孔填料4并含溶剂 一般采用丙酮 的钢瓶内使乙炔气体溶解于丙酮液体中当使用时将乙炔气体再从丙酮释放出来乙炔是叁健的不饱和的烃类化合物其化学性质活泼具有爆炸性它虽在1836年就被人们发现但直到1892年利用电炉生产电石的方法被发明以后它才开始被用于照明随着工业的发展1903年法国首先将乙炔用于金属的焊接与切割从而被广泛应用于工业生产乙炔在被工业生产大量应用时它的来源主要依靠使用电石的发生装置来供给但是由于大型的乙炔发生装置搬运不便小型的乙炔发生装置安全性能差易发生爆炸事故使用不方便电石渣又难以集中利用于是人们开始研究用其它方法来贮存运输和使用乙炔气起初人们研究把气态乙炔像其它气体一样压缩到钢瓶中进行了一系列运输和使用试验但是由于高压的气态乙炔给予很小的能量例如当乙炔压缩到15大气压时只需要056×10-3焦耳的能量就会发生分解爆炸试验遭受到失败随后人们又采取像液化气体那样把乙炔液化成液体贮存在容器中使用但液化乙炔更具有爆炸性稍一不慎就发生爆炸事故所以高压的气态乙炔和液化乙炔在工业上都不能得到实际应用为了将这种危险性大的气体稳定地贮存在钢瓶中直到1896年在法国发明了一种特殊的钢瓶在瓶中填满一种多孔物质并在多孔物质上浸润丙酮作为溶剂当乙炔被压缩充入瓶中时由于溶剂吸附在多孔物质的毛细孔中而高压乙炔又被溶解在溶剂中从而达到安全贮存运输和使用的目的这种被称为溶解乙炔气瓶的特殊钢瓶的诞生使溶解乙炔在工业上得到了更广泛的应用因此溶解乙炔的发展离不开乙炔瓶所以溶解乙炔的发展史也可以说是乙炔瓶的发展史15 我国溶解乙炔的发展 溶解乙炔在我国也已经有了多年的历史早在1920年法商在上海芦家湾徐家汇路开设氧气厂引进了法国溶解乙炔的技术和设备及乙炔瓶1932年上海中国炼气厂从德国引进了技术和设备1936年法商又在青岛开设东方修焊公司这就是我国解放以前仅有的三个溶解乙炔厂其规模都较小而且主要用于我国沿海的航标灯解放以后随着我国工业的发展溶解乙炔工业也有了一些发展但由于对推广使用溶解乙炔气瓶的优越性认识不足在较长一段时间内发展缓慢直到1979年全国生产溶解乙炔的厂也仅有十一家而且大多数又是大型企业的附属站规模都较小产品主要供给本厂使用装置总容量仅有300米3时在用的乙炔瓶也仅有约8000多只年产乙炔约1000吨2011年以来随着政府刺激内需政策效应的逐渐显现以及国际经济形势的好转溶解乙炔下游行业进入新一轮景气周期从而带来溶解乙炔市场需求的膨胀溶解乙炔行业的销售回升明显供求关系得到改善行业盈利能力稳步提升同时在国家十二五规划和产业结构调整的大方针下溶解乙炔面临巨大的市场投资机遇行业有望迎来新的发展契机2 原料及产品质量规格21 电石 电石化学名称为碳化钙分子式为CaC2外观为灰色棕黄色黑色或褐色块状固体是有机合成化学工业的基本原料利用电石为原料可以合成一系列的有机化合物为工业农业医药提供原料工业电石的主要成份是碳化钙其余为游离氧化钙碳以及硅镁铁铝的化合物及少量的磷化物硫化物工业用电石纯度约为70-80杂质杂质CaO约占24碳硅铁磷化钙和硫化钙等约占6碳化钙质量应符合表1要求表1 电石质量标准项目 指 标优等品一等品合格品发气量201013KP粒度 mm 80-20030528525550-803052852555-803002802505-50300280250乙炔中磷化氢VV 006008008乙炔中硫化氢VV 010注本设计采用的电石规格为优等品com 电石的化学性质和物理性质 电石的化学性质非常活泼遇水激烈分解产生乙炔气和氢氧化钙并放出大量的热 电石的物理性质是外观呈灰色棕色紫色或黑色的固态物工业品密度222gcm3熔点2300能导电纯度越高导电越容易22 丙酮com 丙酮的化学性质丙酮是脂肪族酮类有代表性的化合物具有酮类典型反应丙酮对氧化剂比较稳定常温下不会被硝酸氧化用高锰酸钾等强氧化剂氧化时生成二氧化碳水乙酸甲酸等丙酮能和水等非极性极性溶剂混合是一种良好的溶剂它沸点低挥发性大对日光和碱不稳定属一级易燃液体故应在阴凉处密闭贮存并勿进火源丙酮对金属不腐蚀可贮于铁铝等容器中丙酮毒性低毒性近于乙醇对中枢神经有麻醉作用吸入蒸汽会引起头痛在空气中嗅觉界限为16PPMcom 丙酮的质量标准及规格丙酮的质量标准工业用GB6026-89 主要性能指标如下表2表2 丙酮质量要求名称级 别 指 标一级品二级品三级品外观透明液体色泽铂-钴号5510密度20gcm3 0789-07910789-07920789-0793沸程在标准状况下01013KPa 温度范围包括561蒸馏量ml 079813982098蒸发后干燥残渣000200030005酸度乙酸计000200030005高锰酸钾褪色时间25min 1006015含醇量020310含水量030040060注乙炔瓶用丙酮应符合一级品要求23 乙炔com 乙炔简介 乙炔又称电石气结构简式HCCH是最简单的炔烃化学式C2H2分子结构C原子以sp杂化轨道成键分子为直线形的非极性分子微溶于水易溶于乙醇苯丙酮等有机溶剂在15和15MPa时乙炔在丙酮中的溶解度为237gL溶液是稳定的工业品乙炔带轻微大蒜臭由碳化钙 电石 制备的乙炔因含磷化氢等杂质而有恶臭 com 乙炔的化学性质和物理性质 乙炔的物理性质纯乙炔为无色无味味的易燃有毒气体熔点118656kPa-808沸点-84相对密度06208 -824 折射率100051折光率100050闪点开杯-1778自燃点305在空气中爆炸极限23-723vol乙炔分comm3 火焰温度 3150热值12800千卡m3纯乙炔在空气中燃烧2100度左右在氧气中燃烧可达3600度 乙炔的化学性质化学性质很活泼能起加成氧化聚合及金属取代等反应com 乙炔的化工产出指标 不同的化工企业对自己产出的乙炔的含量要求不同我所在公司要求产出的乙炔含量必须985清净以后的乙炔含量要9953 生产工艺31 生产工艺流程图32 流程简述com 乙炔反应的化学原理电石水解反应原理 CaC22H2OCa OH 2C2H2130kJmol由于工业电石含有大量杂质CaC2在水解反应的同时还进行一些副反应生成相应的杂质气体其反应式如下CaO2H2OCa OH 2636kJmolCaS2H2OCa OH 2H2SCa3P26H2O3Ca OH 22PH3Ca3N26H2O3Ca OH 22NH3Ca2Si4H2O2Ca OH 2SiH4Ca3As26H2O3Ca OH 22AsH3com 乙炔生产的工序工艺概述 经过计量的电石由电葫芦送到加料斗上方用氮气对一斗二斗进行置换然后在氮气的保护下电石从料斗进入加料斗经一斗二斗和电磁震荡加料器进入乙炔发生器在发生器中电石与水发生反应生成乙炔气和电石渣乙炔气从发生器顶部溢出经洗泥器进入正水封后进入换热器和水洗塔冷却后的乙炔气进入清净系统在进入气柜电石渣浆从发生器溢流管不断排出浓渣浆和矽铁等杂质从发生器底部间隙排出在发生器中电石与水反应主要生成乙炔气和氢氧化钙并放出大量的热因此要不断往发生器中加水或废次氯酸钠液维持恒温为了安全生产系统设有安全水封和逆水封当发生器压力过高时安全水封自动排气以降低发生器的压力当发生器压力过低时为了避免在负压时空气进入发生器和管道形成爆炸性气体气柜的乙炔气经逆水封进入发生器以升高发生器的压力气柜设置高低位报警根据气柜的高低和发生器的压力控制电磁振动下料器调节进入发生器的电石量由冷却塔来的乙炔气经乙炔压缩机加压后依次进入清净1塔清净2塔在清净塔内用次氯酸钠溶液洗涤次氯酸钠液自次氯酸钠配制槽先经次氯酸钠泵打入清净2塔顶部从清净2塔底部流出然后一部分自身循环一部分经清净泵打入清净1塔顶部清净1塔底部流出的次氯酸钠液自身循环从第二清净塔顶部出来的乙炔气进入中和塔用氢氧化钠液洗涤中和掉从电石中带入的二氧化碳和清净时产生的酸性物质从中和塔出来的乙炔进入干燥工序乙炔气先通过换热器和除雾器脱除大部分水再进入分子筛干燥器进行吸附脱水干燥系统一般有两台以上的干燥器一台吸附一台再生轮换使用乙炔气干燥后送入氯乙烯装置发生器溢流及由人工间隙排出的渣浆经渣浆罐除去硅铁后流至沉降池4 物料衡算 本设计是设计年生产50万标m3溶解乙炔以年工作日300天计则可知日生产溶解乙炔1821吨可得出原料消耗量为电石4575吨天丙酮充装量13832瓶充灌乙炔气体量72瓶年生产乙炔瓶75900瓶 1 标3101325KPa20 空气一标准立方米 1204 2 年产50万标3换算成质量及546480785 3以年工作日300天计算平均每日生产乙炔18216226 4以日生产24小时计算平均每小时生产乙炔759009 5消耗电石的计算CaC2 2H2O Ca OH 2 C2H2 每小时消耗电石1906459 每日消耗电石45755016kg 每年消耗电石13726504992kg 6丙酮充装量按溶解乙炔气瓶安全监察规程的规定丙酮充装量按下式计算W 038V式中W-丙酮充装量 -填料孔隙率 V-钢瓶实际容积 L 由溶解乙炔气瓶安全监察规程可知 91 V 412L由此可得W 13832 7丙酮补加量丙酮补加量 乙炔瓶始重剩余乙炔量-实重 剩余乙炔量的确定 在充装乙炔前要先测定瓶内剩余的乙炔压力以便确定剩余乙炔量有多少计算公式如下 Gs 048VPa PS1 ×10-3式中Gs-乙炔在瓶中剩余的乙炔量 -填料孔隙率 V-钢瓶实际容积 L -乙炔在丙酮中溶解度 Pa-乙炔密度 m3 PS-乙炔瓶中余压 MPa其中 91 V 412L 237gL Pa P0 P0 11709m3据此可计算出乙炔在瓶中的剩余量以及丙酮补加量充罐乙炔气体量 充罐乙炔量 充罐后瓶中-充罐前瓶中乙炔最大充罐量可按下式计算式中 -填料孔隙率 V-钢瓶实际容积 L G-乙炔限定充装量 由上式可得 G 72生产乙炔瓶总数 年生产乙炔瓶总数75900瓶 日生产乙炔瓶数 253瓶 10发生器的物料衡算 电石投入量M1 1906459kg 热量的散失Q累积产生的乙炔V1 电石渣M2 产生的废气V2 总物料m入 m出则F WPM1 M2V1V2 11发生器的热量衡算 由于电石与水在发生器里是根据化学反应自发所产生的热量所以我们在这里就只能够看其本身的热量衡算了 本身所散失的热量Q1 随产生的乙炔和废气所带走的热量Q3随电石渣所散失的热量Q2对此连续稳定的过程Q总 Q出即Q总 Q1Q2Q3Q4 由于公司的保密要求只能对主要设备做简单的物料和热量的衡算不能够详细的列举数据由此所产生的毕业设计的不规范希望指导老师理解和谅解5 溶解乙炔车间设备设计与选型51 乙炔发生器的选型 乙炔发生器是用水分解电石制取气态乙炔的设备是溶解乙炔生产装置中的重要设备之一乙炔发生器的性能好坏将直接影响到成套设备的安全性能和企业的经济效益根据工艺设计要求本设计采用全密封低压乙炔发生器作为反应设备全密封低压乙炔发生器全密封低压乙炔发生器是用电石桶把已破碎好的规格电石加入到发生器上部的电石贮料斗中由于它采用的是全密封加料所以在加料过程中没有任何电石粉尘产生操作环境相当好全密封发生器采用电磁振荡器把电石从贮料斗中均匀地振落到发生器内电磁振荡器与贮气柜连锁控制当发生器的发气量过大时电磁振荡器会自动停止工作在安全性能方面该发生器有超压超液位两种保护装置一旦发生器超压乙炔就会从安全装置中放空非常安全表3为各种型号溶解乙炔设备的技术参数表型号NRY-20NRY-40NRY-60NRY-80NRY-100NRY-120NRY-140NRY-160乙炔产量m3h 20406080100120140160乙炔纯度 C2H2 98C2H298C2H2 98C2H2 98C2H2 98C2H2 98C2H2 98C2H2 98发生器出口压力MPa 0007 0007 0007 0007 0007 0007 0007 0007 发生器水温 70 70 70 70 70 70 70 70电石粒度mm 10-20010-20010-200 10-200 10-200 10-200 10-200 10-200 电石耗量kgh 95190285380475570665760乙炔压缩机型M2V2-2025M2V2-2025M2V2-2025M2V2-2025M2V2-2025M2V2-2025M2V2-2025M2V2-2025配用电机KW 5555×255×355×455×555×655×755×8充瓶压力MPa 245 245 245245245245245245表3 各种型号溶解乙炔设备技术参数表根据物料衡算可知平均每小时生产乙炔69449m3所以选择型号为NRY-80的乙炔发生器52 换热器的选型与设计本设计从生产实际出发根据生产环境及生产能力的需求选择合适的换热器类型然后根据具体生产工况按相关设计规范进行基于整体结构的工艺设计再对相关辅助部件进行机械设计最终设计出一台满足要求的换热器浮头式换热器是管壳式换热器系列中的一种它的特点是两端管板只有一端与外壳固定死另一端可相对壳体滑移称为浮头浮头式换热器由于管束的膨胀不受壳体的约束因此不会因管束之间的差胀而产生温差热应力另外浮头式换热器的优点还在于拆卸方便易清洗com 确定设计方案 两流体温度变化情况热流体是乙炔进口温度1167 oC出口温度40oC冷流体循环水进口温度30 oC出口温度385oCcom 定性温度和物性参数计算水的定性温度水的密度2 9957kgm3水的比热Cp2 4174kJkg水的导热系数k2 0686Wm 水的粘度2 8015×10-6·s水的朗特数Pr2 542乙炔的定性温度乙炔密度1 1261 kgm3乙炔比热Cp1 1222 kJkg乙炔导热系数k1 125 Wm乙炔粘度1 985×10-4·s乙炔朗特数Pr1 0963com 核算换热器传热面积com1 有效平均温差计算 由于逆流的传热效果比并流好故在此选用逆流操作 逆流平均温差参数R 参数P 查GB151图F2b可得温差校正系数 则有效平均温差在此温度下水的密度为水的比热容Cp2 4174kJkg由于温差校正系数 08同时壳程流体流量亦较大故取单壳程较合适 查相关资料取总传热系数 com2 计算热负荷 乙炔气计算即式中m1乙炔的流量m3h CP1乙炔的比热kJkg T1乙炔进口温度 T2乙炔出口温度com3 计算冷却用水量 忽略热损失则水的用量为kgs kgh式中m2水的质量流量kgh CP2水的比热kJkg T1水进口温度 T2水出口温度com4 估算传热面积m2式中K总传热系数 m2· tm有效平均温差 Q热负荷kw考虑15的面积裕度 m2com 工艺结构尺寸com1 管径和管内流速 对一定的传热面积而言传热管径越小换热器单位体积的传热面积越大对清洁的流体管径可取小些而对黏度较大或易结垢的流体考虑管束的清洗方便或避免管子堵塞管径可取大些由已知设计条件知冷却水走管程乙炔走壳程故可取较小的管径在此选取的无缝钢管19×2mm作为换热管取管内水的流速u 1mscom2 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ns式中V水的体积流量m3h di换热管的内径mm ui水在换热管中的流速ms按单程计算所需换热管的长度Lm式中S换热管传热面积m2 ns单程传热管数 d0换热管外径mm按单管程设计传热管过长根据本设计实际情况取传热管长m则该换热器的管程数为传热管的总根数com3 管排列方式 换热管在管板上的排列有正三角形排列正方形排列和正方形错列三种排列方式各种排列方式都有其各自的特点正三角形排列排列紧凑管外流体湍流程度高正方形排列易清洗但给热效果较差正方形错列可以提高给热系数 各种排管方式简图见图1图1 排管方式简图 在此选择正方形排列主要是考虑这种排列便于进行机械清洗换热管中心距宜不小于125倍的换热管外径根据换热管外径查管壳式换热器设计手册GB151表12可得换热管中心距S 25mm分程隔板槽两侧相邻管中心距com4 壳体内径 采用二管程结构取管板利用率则壳体内径mm 圆整取D 1000mmcom5 折流板的选择常用的折流板和支撑板有弓形和圆盘两种弓形折流板又可以分为单弓形双弓形三弓形这里选用单弓形折流板的作用是可以提高壳程流体的流速增加湍动程度并使壳程流体垂直冲刷管束以改善传热增大壳程流体的传热系数同时减少结垢常用的折流板形式有弓形和圆盘-圆环形两种在这里选用弓形折流板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h 025×1000 250mm取h 250mm在这里取折流板间距mm则折流板数量com 校核总换热系数 1管程对流传热系数式中管子的内径m管程雷诺数管程普朗特准数故管程对流传热系数2壳程对流传热系数壳程流通截面积m2式中h折流挡板间距m t管中心距mm管子正方形排列时当量直径式中t相邻两管中心距m 管外径m所以 乙炔被冷却取 095 3总传热热阻 式中计算得 4传热面积 即传热面积有12649的裕量com 换热器的机械设计计算com1 换热流程设计采用1壳程2管程的换热器由于换热器尺寸较大可以用一台未考虑采用多台组合使用管程分程隔板采用十字型结构其主要优点是布管紧密壳体分程采用纵向隔板com2 管子和传热面积换热管除要求具有足够的强度外当采用胀管法固定时还要求管子有良好的塑性避免因胀接而产生裂缝焊接固定时要求管子可焊性好一般采用优质碳钢以保证管子质量一般对于无腐蚀性或腐蚀性不大的流体可采用10号钢和20号钢管在强腐蚀性流体的情况下可采用不锈钢189钢铝等无缝管石墨管聚四氟乙炔管等由于水油腐蚀性不大故可采用碳钢现选择20号钢的无缝钢管根据设计要求采用的无缝钢管管子总数为630根其传热面积为m2com3 壳体壳体材料除要满足一定的强度外由于制造过程中经过卷板冲压和焊接故要求材料有一定的塑性和可焊性一般采用含碳量较低的Q345R等现选用钢壳体内径Ds 1000mm 壳体壁厚为壳体工作温度下的许用应力已知壳程设计温度为415根据碳钢板许用应力查表得 994为焊缝系数取 1p1为工作压力p1 346MPac 3mmD为壳体内径mmmm液压试验对于内压容器耐压试验的的目的是在超设计压力下考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏检验密封结构的密封性能水压试验压力MPa式中 耐压试验压力MPa压力容器的设计压力MPa 耐压试验压力系数对于钢和有色金属液压试验时压力试验允许通过的应力水平 T 090 s 27454MPa试验压力下圆筒的应力 T 14832MPa由于 T T所以所设计壳体满足条件com4 前端管箱筒体计算1由给定条件知管程的设计压力MPa焊接接头系数设计温度腐蚀裕量在此筒体的材料选择Q345R设计温度需用应力MPa钢板负偏差腐蚀余量筒体简图如下图2 筒体简图计算厚度可知筒体内径mm查化工压力容器设计方法问题和要点时浮头式换热器筒体的名义厚度mm所以有效厚度2液压实验对于内压容器耐压试验的的目的是在超设计压力下考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏检验密封结构的密封性能实验压力值MPa压力试验下允许通过的应力水平MPa 实验压力下圆筒的应力MPa校核 所以3压力和应力计算筒体的最大允许工作压力MPa 筒体设计温度下的计算应力MPa MPa 校核所以满足要求com5 前端管箱封头的设计计算前端封头采用标准椭圆封头原因如下根据工艺条件的要求和制作的难易程度和材料的消耗情况采用标准椭圆封头最合理椭圆封头简图如下图3 椭圆封头简图 椭圆形封头是由半个椭球面和短圆筒组成直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变以改善焊缝的受力状况由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续故应力分布比较均匀且椭圆形封头深度较半球形封头小的多易于冲压成型是目前中低压容器中应用较多的封头之一在此选择标准椭圆形封头已知条件计算压力MPa内径1000毫米板材Q345R设计温度许用应力163MPa焊接接头系数085标准椭圆形封头的形状系数公式K 求封头的曲面高度mm 则封头的计算厚度mm 封头的有效厚度mm 允许最大工作压力MPa 比较可知合格com6 浮头设计计算根据GB151-1999管壳式换热器选用钩圈式浮头浮头端盖选用球冠形封头根据换热器筒体内径mm查GB151-1999管壳式换热器表468可得封头球面内半径mm浮头简图如下图4 浮头简图布管限定圆直径mm 浮头法兰和钩圈的内直径 浮头法兰和钩圈的外直径 外头盖内直径 浮动管板外径 选择所用参数绘制如下表格表4 布管限定圆参数表序号项目单位数值序号项目单位数值1mm85布管限定圆直径931mm2mm56封头球面内半径Rt800mm3mm2074mm2158com7 管板的设计计算管板是管壳式换热器的主要部件管板的设计是否合理对确保换热器的安全运行节约金属材料降低制造成本是至关重要的由于管板受力情况复杂影响管板强度因素很多有管内外压力温度产生的力法兰力矩和换热管的支撑力等影响因此正确地进行管板分析是比较复杂的在不同的假定下可得到各种不同计算方法各计算结果在此采用GB151标准中管板计算方法来设计计算管板结构如图所示图5 管板简图对于正方形排列布管简图如图6图6 布管简图本设计选择不带法兰的管板管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接结构如GB151-1999图18 a型管板所示在布管区内因设置隔板槽和拉杆结构的需要而未能被换热管支承的面积对于正方形排列 式中换热管中心距mm 隔板槽两侧相邻管中心距mm 沿隔板槽一侧的排管根数取则 换热管正方形排列的浮头式换热器管板布管区的面积为 换热管根数根管板布管区内开孔后的面积为 一根换热管管壁金属横截面积为 式中换热管壁厚mm管板布管区当量直径 换热管的有效长度为 式中换热管长mm管板的名义厚度mm换热管与管板胀接长度或焊脚高度mm根据换热管外径查管壳式热交换器设计手册GB151知管板最小厚度在这里取在这里换热管和管板的连接方式选择焊接参考管壳式热交换器设计手册GB151表33取则com8 接管计算由于各种工艺和结构上的要求不可避免地要在容器上开孔并安装接管开孔以后除削弱器壁的强度外在壳体和接管的连接处因结构的连续性被破坏会产生很高的局部应力给容器的安全操作带来隐患因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题接管宜与壳体内表面平齐对于不能利用接管或接口进行放气和排液的换热器就在管程和壳程的最高点设置放气口最低点设置排液口其最小公称直径为20mm立式换热器可设置溢流口 接管直径计算壳程流体进出口接管取接管内变换气流速为u 10ms则接管内径为查GBT17395-2008取管子管程流体进出口接管取接管内循环水流速u 10 ms则接管