毕业设计碳四预热器设计.doc

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1、毕业设计碳四预热器设计 Caborn four preheater design班 级 过程装备092 学生姓名 戴睿 学号 930413007 指导教师 王敏/王月娥 职称 副教授/工程师 导师单位 机电工程学院 论文提交日期 徐州工业职业技术学院 工艺参数工作介质壳程管程名称碳四原料热水特性易燃易爆无毒、非易燃设计压力Mpa工作压力MPA设计温度工作温度2.61.052.320.9515020038/103160/130一选题意义及背景本课题来源于工程实际，为用户企业设计化工设备，真题真做，能够训练学生所学专业知识的能力。二毕业设计（论文）主要内容：针对碳四预热器工艺条件进行设备材料选择、

2、结构选型以及进行设备的机械强度设计计算，并对主要零部件进行设计选型。完成设备装配图纸和零件图的电子图绘制和设计说明书的编写，并进行专题研究。三计划进度：1，课题介绍，安排任务。（第8周）2，强度计算和考虑结构设计（第9周）3，完成施工图一套（第10第11周）4，完成毕业设计说明书编写（第12周）5，完成专题研究工作（第13周）6，设计答辩7.电子稿四毕业设计（论文）结束应提交的材料：1，毕业设计说明书一份2，图纸一套指导教师 教研室主任 年 月 日 年 月 日论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实

3、可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师签名： 日 期： 摘要本文扼要介绍了换热器的特点及在工业中的应用和发展前景，详细的阐述了管壳式式换热器的结构及强度设

4、计计算及制造、检修和维护。参照GB151-1999及换热器设计手册，综合考虑各种因素，结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括换热器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使换热器有足够的腐蚀裕度，从而使设计结果达到最优化组合。主要研究内容：（1） 对换热器的分类、发展、材料和应用进行阐述（2） 换热器外部设计包括壳体、封头、换热器支座的设计（3） 换热器内部设计包括换热管的尺寸、固定管板、折流板的设计（4） 强度校核（5） 法兰的选择、开孔和补强 设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保

5、要求均合格。关键词：换热器、结构设计、强度设计ABSTRACTThis paper briefly introduces the characteristics of the heat exchanger and its application in industry and development foreground, detail of the shell and tube type heat exchanger structure and strength design and manufacture, repair and maintenance.Refer to GB151-199

6、9 and heat exchanger design manual, a comprehensive consideration of various factors, structure design to choose reasonable, economic structure, at the same time to meet the manufacturing, maintenance, assembly, transport and repair requirements; and the strength calculation includes heat exchanger

7、material, determine the main structure dimensions, meets the strength, stiffness and stability requirements according to the design pressure, determine the wall thickness, so that the heat exchanger has sufficient corrosion margin, so that the design results of optimized combination.The main researc

8、h contents:( 1) of the heat exchanger, classification, development and application of materials( 2) heat exchanger including the design of the external shell, head, heat exchanger bearing design( 3) the internal heat exchanger design includes heat exchange tube size, fixed tube plate, baffle design(

9、 4) strength check( 5) flange selection, opening and reinforcementThe design results meet the user requirements, safety and economy and environmental protection requirements are eligible.Key words: heat exchanger, structure design, strength design目录摘要6ABSTRACT7第一章 选题意义及背景9第二章 固定管板式换热器的特点10第三章 结构设计12

10、3.1筒体设计123.2封头设计123.3管箱设计133.4管板设计133.5拉杆和定距管的确定143.6折流板的设计153.7 容器法兰的设计153.8支座15重型（D300-450)120包角鞍式支座其结构形式，见下图，截自过程备16第四章 强度校核174.1壳程筒体计算174.2管程筒体计算184.3开孔补强计算19第五章 换热器的制造、检验、安装与维修245.1 换热器的制造、检验与验收245.1.1筒体245.1.2 换热管245.1.3管板255.1.4 折流板、支持板255.1.5 管束的组装255.1.6换热器的组装255.1.7 压力试验265.2 换热器的安装与维护265.

11、2.1安装265.2.3 维护26参考文献27结束语27第一章 选题意义及背景换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。本课题就是利用相关知识，设计出达到工艺所规定的要求，同时强度、结构可靠，便于制造、安装和检修，以及经济上合理的换热器，满足生产需要。 换热设备是使热量从热流体传递到冷流体的设备，使化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中

12、，换热设备的投资约占总投资的10%20%；在炼油厂中，约占总投资的35%40%。目前国内使用的换热器多为列管换热器和螺旋板换热器。它的主要特点是管内外换热面积相等。这样当交换系数相差较大的交换介质在管内外进行热量交换时，由于其不平恒性而达不到理想的交换目的，换热效率相对较低。管壳式换热器主要由换热管束、壳体、管箱、分程隔板、支座等组成。换热管束包括换热管、管板、折流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、铝材、钛材等。壳体一般为圆筒形，也可为方形。管箱

13、有椭圆封头管箱、球形封头管箱和平盖管箱等。分程隔板可将管程及壳程介质分成多程，以满足工艺需要。新型换热设备结构及材料研究及过程装备CAD/CAE/CAM技术研究方向以工程流体力学、传热学、应用力学为理论基础，集过程、工艺、结构于一系统之中，进行了优化与综合研究，推出了传统挡板管壳式换热器的换代产品。首次系统地研究和论述了“纵流壳程换热器”的流体力学、传热性能及强化机理，组合结构的设计强度分析，强化换热管及管束制造，结构性能的模糊优化，管束的动力和计算机辅助设计及仿真模拟技术。从理论上为新型“纵流壳程换热器”技术的发展与工程应用奠定坚实基础。第二章 固定管板式换热器的特点固定管板式换热器是一种实

14、现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈，（或膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。 第三章 结构设计3.1筒体设计参考固定管板式换热器型号和基本参数，选择的普通级冷拔无缝钢管材质20钢，取管长3000mm由

15、得其中至少安排4根拉杆“根据表16-11（P320）”选择4根拉杆。采用正三角形排列换热管，取换热管中心距为32mm（表16-4，P312）。由表16-3，（P312）查得层数为4层。根据最外一圈管子外壁与壳体内壁间隙为0.25d且不小于10mm，故取壳体内经=301mm。b为正六角线上的管子数（表16-3，P312）所以选择筒体直径325mm所以材料选择20钢GB151-19995.3.1见P193.2封头设计选取标准椭圆形封头，材料20钢 负偏差c=0.50 腐蚀余量c=1.50取 椭圆封头校核采用标准椭圆封头得见GB150-19987.1.2.13.3管箱设计管箱短节a 材料：由于管程走

16、循环水，对管箱来说，要求不高，腐蚀性极低，所以选其材料为20R板材。b 加工：采用20R钢板卷制，使用氩弧打底的单向焊焊接。c 尺寸：根据GB151-1999表8中低合金钢圆筒的最小厚度规定公称直径DN=400700时，固定式管板换热器筒体最小厚度为6即分程隔板a 材料 ：选用Q235-B板材b 尺寸：根据GB151-1999表6中碳素钢及低合金钢分成隔板最小厚度规定：当DN时，取=8。分程隔板长度L同管箱深度。管箱深度取210mm3.4管板设计材料Q345R管板和换热器的连接型式：要求管板和换热器的连接接头严密不漏，管壳程介质不能接触，且有很高的腐蚀危险，同时由于胀接是不连续的，管子和管孔间

17、的间隙会成为腐蚀的起点，则管板和换热器采用焊接形式。本设计选取57根管子采用转角正三角形排列管孔：由GB151-1999表17得换热管和管孔直径允许偏差为：换热管：管孔 布管限定圆见换热器设计手册P163其中规定且不小于8所以3.5拉杆和定距管的确定a 拉杆拉杆的结构形式：拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束。 拉杆的直径和数量由GB151-1999表43选取拉杆直径d=25mm，筒体内径为325时，拉杆数目n=4。拉杆的布置拉杆应尽量均匀的布置在管束的边缘外侧，这样可减少轻流体冲击带来的振动，防止管束损坏。b 定距管定距管采用换热器切向间距和折流板间距相同的管段套在拉杆上

18、，一端固定在管板上，另一端用螺母拧紧国定，用来固定折流板，防止移动。尺寸：同换热器尺寸相同，材料选用20。3.6折流板的设计折流板的结构设计主要根据工艺过程和要求来确定，其设置的主要目的是为了增加管间流速，提高传热效果。折流板主要形式：弓形、圆盘-圆环形、圆缺形等，本设计采用圆缺形单缺边折流板。材料：为保持物料清洁，选用Q235-A板材制作折流板。折流板尺寸：折流板缺边位置尺寸：切去部分的高度一般取折流板的间距：最小板间距：取壳体内径的或50中的较大值。本设计取65。最大板间距：折流板最大间距应保持换热管的无支承长度。用作折流时，其值应不大于壳体内径。本设计取1850。折流板的厚度：折流板厚度

19、与壳体直径换热管无支承长度有关。本设计取43.7 容器法兰的设计a 法兰的形式：根据本设计使用的介质、设计压力、设计温度、公称直径确定。法兰的结构形式为对焊法兰，法兰的密封面形式为凹凸面，材料选取Q345Rb 法兰的选取：管法兰：HG50015028-58设备法兰：JB11571164-82拉管法兰：HG50015028-58管箱上的设备法兰：本设计选取JB1158-82甲型平焊法兰3.8支座 卧式换热器选用鞍式支座（JB/T4712-1992）按照壳体公称直径DN=325选BI型（重型）。如下表3-3：表3-3重型鞍式支座型号代号适用公称直径D结构特征重型BI300-450120包角，焊制，

20、单筋，带垫板 带加强垫板的鞍座一对（其中F型和S型各一个），支座高度H=200mm，标记为： JB/T4712-1992鞍座BI500-FJB/T4712-1992鞍座BI500-S表3-4 重型120（D300-450)包角鞍式支座D允许载荷/KN鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓间距l32559200L1b112b33弧长b44e21030012088968390160628重型（D300-450)120包角鞍式支座其结构形式，见下图，截自过程备第四章 强度校核工艺参数工作介质壳程管程名称碳四原料热水特性易燃易爆无毒、非易燃设计压力Mpa工作压力MPA设计温度工作温度2.61.052.320.

21、9515020038/103160/1304.1壳程筒体计算计算条件：计算压力：Pc=2.6Mpa设计温度：t=150内径Di=325mm材料20钢待添加的隐藏文字内容1试验温度下的许用应力=130Mpa设计温度下的许用应力=130Mpa试验温度下的屈服点=245Mpa钢板负偏差=0.5mm腐蚀裕量=1.5mm焊接接头系数=0.9 厚度计算计算厚度：有效厚度：=-=6mm名义厚度：=8mm(圆整得） 压力实验时应力校核压力实验类型：液压实验试验压力值：压力试验允许通过的应力水平：试验压力下圆筒的应力：因为 所以校核结果合格4.2管程筒体计算计算条件：计算压力：Pc=1.05Mpa设计温度：t=

22、200内径Di=325mm材料20钢试验温度下的许用应力:=130Mpa设计温度下的许用应力：=123Mpa试验温度下的屈服点：=245Mpa钢板负偏差=0.5mm腐蚀裕量=1.5mm焊接接头系数=0.9 厚度计算计算厚度：有效厚度：=3mm名义厚度：=5mm（圆整得） 压力实验时应力校核压力实验类型：液压试验试验压力值：压力试验允许通过的应力水平： 因为 所以校核结果合格。4.3开孔补强计算接管d.e一. 计算因靠空被削弱的金属截面积A见化工设备P101是设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当时，取（）二 确定有效补强范围 1.有效补强宽度B 因为所以B=168mm2外侧有效高度三.

23、计算有效补强范围内补强面积 没有内伸A所以需要补强接管c.f二. 计算因靠空被削弱的金属截面积A见化工设备P101是设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当时，取（）三 确定有效补强范围 1.有效补强宽度B 因为所以B=138mm2外侧有效高度四. 计算有效补强范围内补强面积 没有内伸A所以需要补强接管a.b三. 计算因靠空被削弱的金属截面积A见化工设备P101是设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当时，取（）四 确定有效补强范围 1.有效补强宽度B 因为所以B=59mm2外侧有效高度五. 计算有效补强范围内补强面积 没有内伸所以不需要补强接管的计算 接管的最小位置壳程接管位置的最小

24、尺寸c、f带补强圈的接管c.f： L = =156mm带补强圈的接管d.e：L = =150mm管箱接管位置的最小尺寸：无补强圈接管：a、b =72.5mm接管与筒体、管箱壳体的连接结构形式 接管与壳体、管箱壳体（包括封头）连接的结构形式，采用插入式焊接结构。一般接管不得凸出壳体的内表面。不另行补强的接管最大直径和壳体内径允许开孔直径范围，分别按GB150-1998钢制压力容器中有关规定。第五章 换热器的制造、检验、安装与维修5.1 换热器的制造、检验与验收换热器的制造、检验与验收，应遵守GB151-1999和GB150-1998的有关规定。5.1.1筒体a 圆筒内直径允许偏差：用板材卷制时，

25、内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许上偏差为10mm，下偏差为0。b 圆筒同一断面上，最大直径与最小直径之差为e0.5%DN，DN=0.5%1100=5.5mmc 圆筒直线度偏差为L/1000，且当L6000mm时，其值不大于4.5mm。L=6000mm 所以直线度允许偏差4.5mm。进行检查时，应通过中心线和垂直面即沿圆周0、90、180、270四个部位测量。d 壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平。e 插入式接管不应伸出管箱、壳体和头盖的内表面。5.1.2 换热管a 换热管管端外表面应除锈，用于焊接时，管端清理长度应不小于管外径，且不小于25mm。b

26、 管端坡口应采用机械方法加工，焊前应清洗干净。5.1.3管板a 管板由低合金钢锻件16MnR制成，加工前表面不平度不得大于2mm，如超过此值，应先进行校平，然后进行加工。b 拼接管板的对接接头应进行100%射线或超声检测，按JB4730-94进行表面检测，检测结果不低于级，或超声检测中的级为合格。c 换热管与管板的连接：二者采用焊接的形式连接，连接部位的换热管和管板孔表面，应清理干净，不得有毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊渣及凸出于换热器内壁的焊瘤均应清除。 d 管板与换热管焊接时，管孔表面粗糙度Ra值25m。5.1.4 折流板、支持板a 折流板、支持板的管孔直径及允许误差按GB151-1999中

27、5.9.3的规定为：19.6，但允许超差0.1mm的管孔数不得超过4%。b 折流板、支持板外圆表面粗糙度Ra值不得大于25m，外圆面两侧的尖角应倒钝。还应取出折流板、支持板上的任何毛刺。5.1.5 管束的组装a 拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管。b 穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤。 c 除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。d 管箱应在补焊后作消除应力的热处理，设备法兰应在热处理后加工。e 换热器的密封面应予以保护，不得因磕碰划伤、电弧损伤、焊瘤、飞溅等二损坏密封面。5.1.6换热器的组装a 换热器零、部件在组装前应

28、认真检查和清扫，不应留有焊疤、焊接飞溅物、浮锈及其他杂物等。b 吊装管束时，应防止管束变形和损伤换热管。c 螺栓的紧固至少应分三遍进行，每遍的起点应相互错开120角。5.1.7 压力试验压力试验的方法及要求应符合GB150-1998钢制压力容器第十章10.9的规定。U型管换热气的压力试验的顺序：先用试验压环进行壳程试验，同时检查接头，水压试验压力1Mpa（表压）在进行壳程试验，合格后，再以0.105（表压）进行气密性试验。5.2 换热器的安装与维护5.2.1安装1.安装位置：根据该换热器的结构形式，在换热器的两端留有足够的空间来满足拆装、维修的需要。2.基础：必须使换热器不发生下沉。在活动支座

29、的一端应予埋滑板。3.地脚螺栓和垫铁（1）活动支座的地脚螺栓应装有两个紧锁的螺母，螺母与底板间应留有13mm的间隙。（2）地脚螺栓两侧均有垫铁。设备找平后，斜垫铁，可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。（3）垫铁的安装不应妨碍换热器的热膨胀。5.2.3 维护换热器不得在超过铭牌规定的条件下进行。要经常对管壳程介质的温度和压降进行监督，分析换热器的泄漏和结构情况。在压降增大和传热系数降低超过一定数值时，应根据介质和换热器的结构，选择有效的方法进行清洗。应经常监视管束的振动情况。 参考文献1 马秉, 王绍良. 化工设备M. 北京: 北京化学出版社, 2009.2 钱颂文. 换热器设

30、计手册M. 北京: 化工出版社, 2002.3 冷士良, 陆清,宋志轩等.化工单元操作及设备M. 北京: 化学工业出版社, 2008.4 化学化工物性数据手册+有机卷（02年5月第一版）M. 北京: 化学工业出版社5 黄振仁, 巍新利. 过程装备成套技术设计指南M. 北京: 化学工业出版社, 2003, 50.6 王菲, 林英.过程设备用钢M. 北京: 化学工业出版社, 2004, 431.7 董其伍，张垚.换热器M. 北京: 化学工业出版社, 2009, 1.8 王敏. 化工设备概论. 9 JB4702-2000乙型平焊法兰S. 200010 化工设备设计全书M. 换热器设计11 JB470

31、9-2000 钢制压力容器焊接规程S.2000.12 JB4746-2002 钢制压力容器用封头S. 2002.13 JIS B8272-1993压力容器的开孔补强S. 199314 化学化工物性数据手册无机卷M. 15 GB 151-1999. 管壳式换热器S. 1999. 16 GB 150-1998. 钢制压力容器S. 1998.结束语这次设计是在大学完成四年全部课程的基础上，通过实习对102、104厂的实地考察，参观了一系列的换热设备，查阅了相关资料的基础上进行的。是一次理论与实践相结合的综合性训练。两个多星期以来，我们在指导教师的热心指导下，经过个人的努力，顺利完成了本次设计任务。本

32、次设计大致分四个步骤，首先进行的是工艺部分的计算，确定出换热面积、换热管数、管长、管程及壳程流体的流速、换热器筒体的内径等：然后就开始换热器的结构设计，通过已知条件及工艺计算部分的结果选定U型管换热器，其中涉及到了一系列零部件的设计和选择，这步工作需要参照GB151，GB150等国家标准进行设计；接着进行各零部件的强度校核，用以保证各零部件的强度和刚度，这也是设计的难点和重点。这三步工作完成以后，最后就是绘图和论文的编排与打印。设计是一个从无到有的过程，其中有很多因素都必须考虑到，因此需要一定的耐心和细心才能够完得成。在这次的课程设计过程中，使我学到了很多知识，把以前的理论知识联系到实际当中，但是，由于时间和自己掌握的知识有限，在设计的过程中难免有错误，衷心希望老师指正 致谢 感谢两位老师的这几周以来的辛勤指导，你们辛苦了跟着老师感觉到知识的永无止尽，哪里有不懂的问题老师一定回答给我们，是我见过的最好的老师 最后再次感谢给与我帮助的老师朋友们 ，谢谢 2011.11