毕业设计（论文）产30万吨合成氨厂变换工段列管式换热器E04102设计.doc

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1、毕业论文（设计）题目：年产30万吨合成氨厂变换工段列管式换热器E04102设计 学 院： 化学与化学工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 过控101班 学 号： 1008110071 学生姓名： 指导教师： 目录目录中文摘要英文摘要前言1第一章 工艺计算51.1物料衡算51.2热量衡算51.2.1冷流体的物性参数51.2.2热流体的物性参数91.2.3冷热流体的物性表131.3冷热流体的流程安排131.4管壳程数及流体流型的确定141.5传热平均温差的计算141.6估算传热面积141.7结构设计141.7.1管程设计-确定换热器规格、管数和布管141.7.2确定管程流速151.7.

2、3壳程设计161.7.4核算换热面积A16第二章 强度计算222.1壳体设计222.1.1壳体筒体壁厚计算与校核222.1.2壳体筒体封头计算与校核242.2管箱设计262.2.1管箱壁厚计算与校核272.2.2管箱封头计算与校核292.3法兰设计312.3.1垫片设计322.3.2螺栓设计332.3.3法兰设计352.4管板设计392.5温差应力的计算462.6筒体内部设计482.6.1换热管与管板的连接482.6.2支撑板的设计482.6.3管箱隔板的设计492.6.4防冲板的设计492.6.5起吊附件492.7开孔和开孔补强设计492.7.1管箱开孔补强设计502.7.1壳体开孔补强设计

3、512.8耳座的设计54第三章 U型管式式换热器的制造工艺583.1U型管式换热器的制造583.1.1筒体583.1.2封头和管箱583.1.3换热管583.1.4设备组装583.2换热管管板的连接583.3管板的加工59第四章 换热器的检验、安装与维修604.1安装604.2维修604.3 清洗60结论61参考文献62致谢63摘要本设计着重就E04102U型管换热器的设计，并简要论述了其加工制造过程，就以所给的物性参数和生产量为基础，利用传热原理和传热计算所得换热器面积确定U型管换热器的基本形式。依据GB1502001压力容器和GB1511999管壳式换热器等标准对换热器各零件结构与强度进行

4、了设计，包括筒体、管箱、封头、管板以及开孔补强等。最后还介绍了U型管换热器检验、安装、维修的内容。关键字：传热面积，传热系数，U型管换热器，管壳式换热器AbstractThis design mainly on E04102 U type 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 tr

5、ansfer and heat transfer heat exchanger area determine the basic form of U tube heat exchanger. According to GB150-2001The 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 p

6、late and opening reinforcement, etc. Finally U tube heat exchanger is introduced in the paper 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换热器的概况节约能源是当今世界的一种重要社会意识，是指尽可能的减少能源的消耗、

7、增加能源利用率的一系列行为。加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。目前，在我国石油化工产业换热器受到普遍的重视，而换热器的广泛应用性，决定了换热器换热性能的改善设计理论的不断创新，企业经济的收益和工业的飞速发展都具有一定的积极作用为节约能源和保护环境有显著的贡献。换热器是在工业生产中实现物料之间热量传递过程的一种设备，它是化工，炼油、动力、油田储运集输系统和原子能及其许多工业部门广泛应用的一种通用设备，是保证工艺流程和条件，利用二次能源实现余热回收和节约能源的主要设备。在

8、化工厂换热器约占总投资的10%-20%;在炼油厂换热器约占全部工艺设备投资的35%-40%。由于工艺流程不同，生产中往往进行着加热、冷却、蒸发或冷凝等过程。通过换热器热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺需要。2换热器的分类与结构特点在生产中有时把换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式3类，其中间壁式换热器应用最普遍。其中，从作为换热面的间壁形式看，间壁式换热器主要分为管式和板式两大类。按照有无温度补U形管式换热器的研究与优化设计偿及补偿方法的不同，管壳式换热器主要分为下列几种：(1)

9、固定管板式；壳体与传热管壁温度之差大于50，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。(2)浮头式；两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。(3) U形管式；把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流

10、体，适用于高压气体的换热。(4)填料函式：外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高的介质；内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合。3 U型管换热器的概述图1 U型管换热器U型管换热器的结构特点是：只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上。由于受弯管曲率半径的限制，其换热管排布较少，管束最内层管间距较大，管板的利用率较低，壳程流体易形成短路，对传热不利。当管子泄露损坏时，只有管束外围处的U形管才便于更换，内层换热管坏了不能更换，只能堵死，而坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。U型管式换热器结构比较简单，价格便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大

11、或壳程介质结垢需要清洗，又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。总结起来U 型管换热器的特点如下：优点：(1)由于壳体和管子分开，管束可以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制，流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强；(2)只有一块管板且无浮头，所以结构简单、紧凑，在直径相同的情况下换热面积最大，在高压工况下金属耗量比其它换热器小，造价比其它换热器低等；(3)管束可以抽出清洗，可以用于壳程结垢较严重的场合。缺点：(1)U形管束在与换热管垂直方向的中心部位存在较大空隙，易结垢，流体易形成短路，使传热效率降低；(2)管板上排列的换热管较少

12、，管板直径及厚度均较大，管子与管板间的残余焊接应力大；(3)换热管的弯管段无支承件，管束易振动，易在此处形成壳程流体流动死区，易结垢，影响传热效果；(4)当U 形管中有一根坏了，得同时堵死管子的两头，这样会造成二倍管长的换热管损失，比固定管板式的损失更多的换热面积。5 设计U型管换热器的基本要求和目的设计换热器时，其基本的要求是：第一，热量能有效的从一种流体传递的另外的一种流体，即传热效率高，单位传热面上能传递的热量多。在一定的热负荷下，也即每小时要求传递的热量一定时，传热效率（通常用传热系数表示）越高，需要的传热面积越小，当然这是在相同的温差作比较。第二，换热器的结构能适应所规定的工艺操作条

13、件，运转安全可靠，严密不漏。清洗检修方便，流体阻力小。第三，要求价格便宜，维护容易，使用时间长。本次设计的目的：1，了解设计换热器所需要的工艺参数及传热计算，对换热器的设计有一个初步的准备。2，在设计的过程中，学会参照国标以及查阅相关的文献获得设计所需要的物性以及结构参数。3，通过计算机制图，更加熟练使用CAD绘图软件。4，从宏观上把握化工设备的生产过程，为以后的工作打下基础。本次设计的换热器在编制说明书分了六部分：第一部分前言，主要是对U型管换热器的应用、优缺点作了论述。第二部分工艺计算，通过计算传热量，物性参数来算出换热面积。第三部分就U型管换热器进行结构及强度计算。第四部分是U型管式换热

14、器的制造工艺。第五部分是关于U型管式换热器的检验、安装、维修和使用。第六部分个人小结以及致谢，是针对本次设计的总结和设计后的感想。最后是参考文献。第一章 工艺计算1.1物料衡算表1.1介质名称 管程进/出口煤气 壳程进/出口变换气温度 244.8260 391.2376.8压力MPa 4.08 4.08摩尔流量Kmol/h 8540.101 8540.101质量流量Kg/h 174744.4 174744.4组分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热量衡算

15、1.2.1冷流体的物性参数1.2.1.1冷流体的定性温度 1.2.1.2冷流体的比热表1.2 常压下，0t时气体的平均定压热容（kcal/kmol.）温度 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运用内插法，可求得：同理可得其他气体的定压比热容于表1.3表1.3 各气体在常压，时的平均定压热容（kcal/kmol.） CO H2 CO2 N2 H2O H2SCp kcal/kmol. 7.012

16、 6.950 9.848 6.972 8.154 8.046摩尔分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩尔质量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09混合气体的比热：将常压下，252.4时C|pm2校正为该温度，4.08MPa下的Cpm2图1.1 热容校正图表1.4 各气体组分的临界温度、临界压力 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摩尔分

17、率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004查通用热容校正图可得：Cp=0.55 （kcal/kmol.） 1.2.1.3冷流体的黏度表1.5 各气体在时的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0264 0.013 0.0246 0.0265 0.0179 0.0241摩尔分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩尔质量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.09注：当时，混合煤气黏度 则混合煤气黏度：1.2.1.4冷流体的导热系数表1.6 各气体在时的

18、导热系数 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kcal/mh） 0.0364 0.2463 0.0296 0.0344 0.0411 0.0363W/（mk） 0.0423 0.2864 0.0344 0.0400 0.0478 0.0422摩尔分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩尔质量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.091kcal/mh=1.163 W/（mk）计算H2S的时，应用公式其中当时，混合煤气的导热系数则混合煤气的导热系数1.2.1.5冷流体的密度表1.7 各气体在，P=4.08M

19、Pa时的密度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kg/m-3） 26.1492 1.8827 41.0916 26.1679 16.8289 31.8367摩尔分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩尔质量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09由计算得到表1.7中各值式中：当时混合煤气的密度1.2.1.6冷流体的吸热量1.2.1.7冷流体的平均摩尔质量1.2.2热流体的物性参数1.2.2.1热流体的定性温度 1.2.2.2热流体的比热表1.8 用内插法求得各气体在时的常压下平均定压热容（kcal/

20、kmol.） CO H2 CO2 N2 H2O H2SCp kcal/kmol. 7.117 6.977 10.252 7.069 8.356 8.456摩尔分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩尔质量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09变换气的比热：将常压下，384时C|pm1校正为该温度，4.08MPa下的Cpm1表1.9 各气体组分的临界温度、临界压力 CO H2 CO2 N2 H2O H2STc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2Pc（MPa） 3.496

21、1.297 7.376 3.394 22.05 8.937摩尔分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004查通用热容校正图可得：Cp=0.225 （kcal/kmol.） 1.2.2.3热流体的黏度表1.10 各气体在时的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0296 0.0152 0.0296 0.0306 0.0241 0.0358摩尔分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩尔质量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09注：当时，混合煤气黏度 则混

22、合煤气黏度：1.2.2.4热流体的导热系数表1.11 各气体在时的导热系数 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kcal/mh） 0.0408 0.2994 0.0387 0.0404 0.0475 0.0542W/（mk） 0.0475 0.3482 0.0450 0.0470 0.0552 0.0630摩尔分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩尔质量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.091kcal/mh=1.163 W/（mk）计算H2S的时，应用公式其中当时，混合煤气的导热系数则混合煤气的导热系数

23、1.2.2.5热流体的密度表1.12 各气体在，P=4.08MPa时的密度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（kg/m-3） 20.9132 1.5058 32.8636 20.9281 13.4591 25.4618摩尔分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004摩尔质量M（kg/kmol） 28 2.016 44 28.02 18.02 34.09由计算得到表1.7中各值式中：当时混合煤气的密度1.2.2.6热流体的平均摩尔质量1.2.3冷热流体的物性表表1.13冷热流体的物性表 摩尔流率 导热系数 黏度 比热Cp 平均摩尔质量 平均密度K

24、mol/h W/（mk） pas kcal/lmol kg/kmol kg/m3冷流体 8540.101 0.0489 2.14710-5 8.242 20.1388 19.0877热流体 8540.101 0.0835 2.6210-5 7.6939 20.4659 15.28591.3冷热流体的流程安排换热器内流体流程安排依据： (1) 粘性大的流体应走壳程，流体在有折流板的壳程流动时，在较低的雷诺数下，即可达湍流，有利于提高传热系数。 (2) 压力高的流体走管程，因为管子直径小，承受压力的能力好，还避免了采用高压壳体和高压密封。 (3) 具有腐蚀性的流体走管程，这样可以用普通材料制造壳体

25、，而管束、管板和封头要采用耐蚀材料。 (4) 蒸汽一般通入壳程，因为这样便于排除冷凝液，而且蒸汽教清洁，其给热系数又与流速关系小。 (5) 需要提高流速以增大其给热系数的流体应当走管内，因为管内截面积小，而且易于采用多管程以增大流速。 (6) 被冷却的流体应走壳程，便于散热。 分析粗合成气和变换气的物理化学性质：本次设计任务中，粗合成气的压力等于变换气的压力；而且粗合成气中水汽处于饱和状态，H2S造成的腐蚀性大，而变换气中水汽处于不饱和状态，故H2S造成的腐蚀性较小；而且变换气是被冷却的流体。根据上述流程安排依据，综合考虑：冷热流体流程设计为粗合成气走管程，变换气走壳程。1.4管壳程数及流体流

26、型的确定权衡传热和流体输送两方面的得失后，确定为双管程双壳程。 根据冷热流体的流程安排和所设计的管、壳程数（双管程双壳程）确定两流体呈逆流。 设计该换热器逆流操作有两方面原因：在冷热流体进出口温度相同的情况下，逆流的对数 平均传热温差恒大于并流，所需的传热面积比并流时的少，则设备费较低；逆流还可以节省冷却剂或加热剂的用量。1.5传热平均温差的计算已知 t1=244.8oC t2=260oC T1=291.2 oC T2=376.8oC 因为该换热器是逆流操作，则 t1=T1-t2=391.2 oC - 260oC =131.2oC t2=T2-T1= 376.8oC-244.8oC=132oC

27、 则对数平均传热温差1.6估算传热面积根据化工原理列管式换热器中K值的大致范围，取K=46kcal/h,由传热基本方程式，得：1.7结构设计1.7.1管程设计-确定换热器规格、管数和布管初选管程流速选用322.5冷拔无缝钢管 对于在时的体积流率： 粗算列管根数：确定U型管在管板上的排列方法为正三角形排列，因为正三角形排列比较紧凑，管外流体湍动程度高，对流传热系数大。当管子排列大于六层（管数超过127根），管束外缘与壳壁之间弓形区域应增排管子。这样既可以充分利用设备空间，又可以防止壳程流体短路旁流，有利于传热。表1.14 换热器中心距换热管外径d0(mm)换热管中心距t(mm)分程隔板槽两侧相邻

28、管中心距tn(mm)324052根据正三角形排列布管图确定管数确定布管限定圆的直径 式中，为列管束最外层换热管外壁到壳体内壁的最小距离mm，,且不小于10mm。取圆整相应调整，1.7.2确定管程流速1.7.3壳程设计1.7.3.1确定换热管长度前面估算的传热面积 U型管的参考长度： 选取标准化L=2000mm 长径比 因为换热器竖放时长径小于6之间，因此所设计换热器为立式。1.7.3.2管外传热面积的设计值A0换热器的换热面积：取弓形高度 hd=25%，取 一般取板间距h=0.21D， 取h=600mm1.7.4核算换热面积A1.7.4.1管程对流传热膜系数 在管程定性温度下，物性数据前面已经

29、求得： m2=2.14710-5Pas M=20.1388 kgkmol-1 m2=4.8910-2wm-1k-1 m2=19.0877kgm-3 普兰特准数： 雷诺数： 根据公式：，当流体被加热时，n=0.4 则管内传热系数： 1.7.4.2壳程对流传热膜系数在壳程定性温度下，物性数据前面已经求得： m1=2.6210-5Pas M=20.4659 kgkmol-1 m1=0.0835wm-1K-1 m1=15.2859kgm-3 假设壁温 管子按正三角形排列时，当量直径 流体流过的最大截面积S 在定性温度时则流速： 普兰特准数：雷诺数： 当壳程设置有25%的圆缺形挡板： 壁温：当，查得各组

30、分的黏度如下：表1.17 各气体在的黏度 CO H2 CO2 N2 H2O H2S（Cp） 0.0308 0.0158 0.0302 0.0312 0.0247 0.0370摩尔分率yi（%） 0.12 0.31 0.235 0.004 0.327 0.004摩尔质量M（kg/kmol）28 2.016 44 28.02 18.02 34.09在此温度下，变换气的黏度 则变换气的黏度 则 则相对偏差 因此假设成立，璧温1.7.4.3热阻R的确定 参考GB1511999，取合成气污垢热阻，变换气组成大致相同，近似取 管壁热阻 ，换热管采用322.5冷拔无缝钢管，查GB1502000得，钢的导热系

31、数。则管壁热阻1.7.4.4传热系数K0传热系数Ko按下式计算 式中： 1.7.4.5核算传热面积A0按传热基本方程式计算需要的管外传热面积则裕度假设成立。第二章 强度计算表2.1设计参数 壳程 管程设计压力/MPa 4.08 4.08操作压力/MPa 3.6 3.67设计温度/ 420 330操作温度/ 391.2376.8 244.8260流量/kgh-1 174744.4 物料 变换气 煤气程数 2 2换热面积/m2 162.05592.1壳体设计2.1.1壳体筒体壁厚计算与校核筒体材料为16MnR+0Cr18Ni10Ti，设计压力PC=4.08MPa，设计温度T=420，内径Di=14

32、00mm。查GB1511999，当介质为压缩腐蚀气体的碳素钢制换热器时，腐蚀余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查过程设备设计与选型基础得C1=0mm，焊接系数=1.0，设计温度下16MnR的许用应力，屈服极限，0Cr18Ni10Ti的许用应力。计算厚度： 设计厚度：名义厚度： 有效厚度：查GB1511999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即，则复合板的许用应力：则复合板的有效厚度校核操作温度下复合板的许用应力：试验压力值：压力试验前圆筒的薄膜应力：因为，所以选材合格压力及应力计算 圆筒的最大允许工作压力 因为，所以满足条件。计温度下圆筒的计算应力 因为，所以满足强度校核条件。 2.1.2

33、壳体筒体封头计算与校核封头设计原则上应根据封头在内压作用下的应力分析以及与之相连的筒体的边缘应力分析进行强度校核。但实际上由于按应力分析进行设计十分复杂，所以规定中对于仅受静载荷的一般封头，仅以远离封头地区的薄膜应力或弯曲应力进行分析加以限制。对于由于各种原因所引起的边缘应力，仅在结构形式上定性的加以限制，或在计算中直接引用某个参数，把按薄膜应力或弯曲应力求出的壁厚适当放大。压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和球冠形封头。由于椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头

34、小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多之一，所以，选用标准椭圆形封头。则形状系数K=1。此时，则曲面高度，根据JB/T4746-2002得，当封头公称直径DN2000mm时，直边高度h=25mm则H=375mm。图2.1 壳程筒体封头根据操作介质、设计压力、设计温度等条件，选取筒体封头材料为复合材料16MnR+0Cr18Ni10Ti。设计压力PC=4.08MPa，设计温度T=420，内径Di=1400mm。查GB1511999，当介质为压缩腐蚀气体的碳素钢制换热器时，腐蚀余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查过程设备设计与选型基础得C1=0mm，焊接系数=1.0，设计温度下16M

35、nR的许用应力，0Cr18Ni10Ti的许用应力。计算厚度：设计厚度：名义厚度：有效厚度：查GB1511999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即，则复合板的许用应力： 则复合板的有效厚度校核根据GB1502011，标准椭圆形封头的有效厚度不应小于封头内直径的0.15%： 由于封头 所以，满足最小厚度要求。压力及应力计算 圆筒的最大允许工作压力： 因为，所以满足条件。2.2管箱设计2.2.1管箱壁厚计算与校核筒体管箱材料为16MnR+0Cr18Ni10Ti，设计压力PC=4.08MPa，设计温度T=330，内径Di=1400mm。查GB1511999，当介质为压缩腐蚀气体的碳素钢制换热器时，腐蚀余量不小于1mm，在此取C2=2mm，查过程设备设计与选型基础得C1=0mm，焊接系数=1.0，设计温度下16MnR的许用应力，屈服极限，0Cr18Ni10Ti的许用应力。计算厚度：设计厚度：名义厚度： 有效厚度：查GB1511999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即，则复合板的许用应力：