毕业设计说明书

贵州大学毕业论文（设计）

题目：年产设计

毕业论文（设计）

30万吨合成氨厂变换工段列管式换热器E04102

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： 杨明学 指导教师： 杨双全

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目录

目录.............................................................................................................................. Ⅰ 中文摘要....................................................................................................................... Ⅲ 英文摘要....................................................................................................................... Ⅳ 前言................................................................................................................................ 1 第一章 工艺计算.......................................................................................................... 5

1.1物料衡算........................................................................................................... 5 1.2热量衡算........................................................................................................... 5

1.2.1冷流体的物性参数................................................................................. 5 1.2.2热流体的物性参数................................................................................. 9 1.2.3冷热流体的物性表............................................................................... 13 1.3冷热流体的流程安排..................................................................................... 13 1.4管壳程数及流体流型的确定......................................................................... 14 1.5传热平均温差的计算..................................................................................... 14 1.6估算传热面积................................................................................................. 14 1.7结构设计......................................................................................................... 14

1.7.1管程设计--确定换热器规格、管数和布管 ........................................ 14 1.7.2确定管程流速....................................................................................... 15 1.7.3壳程设计............................................................................................... 16 1.7.4核算换热面积A ................................................................................... 16

第二章 强度计算........................................................................................................ 22

2.1壳体设计......................................................................................................... 22

2.1.1壳体筒体壁厚计算与校核................................................................... 22 2.1.2壳体筒体封头计算与校核................................................................... 24 2.2管箱设计......................................................................................................... 26

2.2.1管箱壁厚计算与校核........................................................................... 27 2.2.2管箱封头计算与校核........................................................................... 29 2.3法兰设计......................................................................................................... 31

2.3.1垫片设计............................................................................................... 32 2.3.2螺栓设计............................................................................................... 33 2.3.3法兰设计............................................................................................... 35 2.4管板设计......................................................................................................... 39 2.5温差应力的计算............................................................................................. 46 2.6筒体内部设计................................................................................................. 48

2.6.1换热管与管板的连接........................................................................... 48 2.6.2支撑板的设计....................................................................................... 48 2.6.3管箱隔板的设计................................................................................... 49 2.6.4防冲板的设计....................................................................................... 49 2.6.5起吊附件............................................................................................... 49 2.7开孔和开孔补强设计..................................................................................... 49

2.7.1管箱开孔补强设计............................................................................... 50 2.7.1壳体开孔补强设计............................................................................... 51 2.8耳座的设计..................................................................................................... 54

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第三章 U型管式式换热器的制造工艺 .................................................................... 58

3.1U型管式换热器的制造 .................................................................................. 58

3.1.1筒体....................................................................................................... 58 3.1.2封头和管箱........................................................................................... 58 3.1.3换热管................................................................................................... 58 3.1.4设备组装............................................................................................... 58 3.2换热管管板的连接........................................................................................ 58 3.3管板的加工.................................................................................................... 59 第四章 换热器的检验、安装与维修........................................................................ 60

4.1安装................................................................................................................. 60 4.2维修................................................................................................................. 60 4.3 清洗................................................................................................................ 60 结论.............................................................................................................................. 61 参考文献...................................................................................................................... 62 致谢.............................................................................................................................. 63

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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GB150—2001《压力容器》和GB151—1999《管壳式换热器》等标准对换热器各零件结构与强度进行了设计，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

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Abstract

This 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 transfer and heat transfer heat exchanger area determine the basic form of U tube heat exchanger. According to GB150-2001\pressure vessel\and GB151-1999 \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 the contents of the inspection, installation, maintenance.

Keywords： Heat transfer area Heat transfer coefficient

U tube heat exchanger Tube and shell heat exchanger

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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、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)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。

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(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

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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，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

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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。

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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℃ 244.8～260 391.2～376.8 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 0.12 H2 0.103 0.31 CO2 0.028 0.235 N2 0.004 0.004 H2O 0.534 0.327 H2S 0.004 0.004

1.2热量衡算

1.2.1冷流体的物性参数 1.2.1.1冷流体的定性温度

t1?224.8℃1.2.1.2冷流体的比热

t2?260℃t?244.8?260 ?252.4℃2表1.2 常压下，0～t℃时气体的平均定压热容（kcal/kmol.℃）

温度℃ CO H2 CO2 N2 H2O H2S 200 6.97 6.94 9.68 6.93 8.07 7.91 300 7.05 6.96 10.00 7.01 8.23 8.17 400 7.13 6.98 10.30 7.08 8.38 8.51

运用内插法，可求得：

Cp(H2)?6.96?6.94?(252.4?200)?6.94 300?200?6.950kcal/kmol.℃

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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，t?252.4℃时的平均定压热容（kcal/kmol.℃）

? CO H2 CO2 N2 H2O H2S Cp kcal/kmol.℃ 7.012 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：

C'pm??Cpi?yi?7.012?0.326?6.950?0.103?9.848?0.028?6.972?0.004?8.154?0.534?8.046?0.004?7.692kcal/kmol?℃

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 H2S Tc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2 Pc（MPa） 3.496 1.297 7.376 3.394 22.05 8.937 摩尔分率yi（%） 0.326 0.103 0.028 0.004 0.534 0.004

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Tmc??yi?Tci?0.326?132.9?0.103?33.2?0.028?304.2?0.004?126.2?0.534?647.3?0.004?373.2?402.918KPmc??yi?Pci?0.326?3.496?0.103?1.297?0.028?7.376?0.004?3.394?0.534?22.05?0.004?8.937?13.304MPa

TmY?PmYT252.4?273.15?Tmc402.918 ?1.304P4.08??Pmc13.304 ?0.307查通用热容校正图可得：△Cp=0.55 （kcal/kmol.℃） ∴Cpm2?C'pm2?△Cp?7.692?0.55?8.242(kcal/kmol?℃） 1.2.1.3冷流体的黏度

表1.5 各气体在t?252.4℃时的黏度μ

? CO H2 CO2 N2 H2O H2S

μ（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：1Cp?10?3pa?s

当t?252.4℃时，混合煤气黏度?m2?12???yM?yMiiii121212i12

??yMiii?0.0264?0.326?28?0.013?0.103?2.01612?0.0246?0.028?44?0.0265?0.004?28.021212

12?0.0179?0.534?18.02?0.0241?0.004?34.09?0.0938

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?yiMi?0.326?28?0.103?2.016?0.028?44?222121212121110.004?28.02?0.534?18.02?0.004?34.09 ?4.3683则混合煤气黏度：?m2?1.2.1.4冷流体的导热系数

??yM?yMiiii?12i12?0.0938?2.147?10?5pa?s

4.3683表1.6 各气体在t?252.4℃时的导热系数λ

CO H2 CO2 N2 H2O H2S λ（kcal/m·h·℃） 0.0364 0.2463 0.0296 0.0344 0.0411 0.0363 W/（m·k） 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 34.09 1kcal/m·h·℃=1.163 W/（m·k） 计算H2S的λ时，应用公式?T2T?(2)1.786 ?T1T1，T1?273.15K，T2?252.4?273.15?525.55K 其中?T1?0.0113??T2?0.0363kcal/(m?h?0c)

?当t?252.4℃时，混合煤气的导热系数?m2?13??yM?yMiiiii1313

??yMiii13?0.0364?0.326?28?0.2463?0.103?2.01613131313?0.0296?0.028?44?0.0344?0.004?28.0213

?0.0411?0.534?18.02?0.0363?0.004?34.09?0.129313131313?yMii?0.326?28?0.103?2.016?0.028?44?0.004?28.02?0.534?18.02?0.0.004?34.09 ?2.6439131313

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则混合煤气的导热系数?m21.2.1.5冷流体的密度

?yM???yMiiiii1313?0.1293?0.0489(w/m?k)

2.6439表1.7 各气体在t?252.4℃，P=4.08MPa时的密度

? CO H2 CO2 N2 H2O H2S ρ（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??MPT0MP???0.1203?(kg?m?3)计算得到表1.7中各值 22.4P0TT式中：P?4.08MPa,T?525.55K

当t?252.4℃,P=4.08MPa时混合煤气的密度

??m2???i?yi?26.1492?0.326?1.8827?0.103?41.0916?0.028?26.1679?0.004?16.8289?0.534?31.8367?0.004?19.0877kg/m31.2.1.6冷流体的吸热量

Q吸?nS2Cpm2(t2?t1)?nS2Cpm2?t2?8540.10?8.242?(260?244.8)?1069890.189kcal/h1.2.1.7冷流体的平均摩尔质量

Mm2??yi?mi?0.326?28?0.103?2.016?0.028?44?0.004?28.02?0.534?18.02?0.004?34.09?20.1388kg?kmol?11.2.2热流体的物性参数 1.2.2.1热流体的定性温度

T1?391.20℃1.2.2.2热流体的比热

T2?376.8℃T??391.20?376.8?384℃ 2

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表1.8 用内插法求得各气体在T?384℃时的常压下平均定压热容（kcal/kmol.℃）

? CO H2 CO2 N2 H2O H2S Cp 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：

C'pm??Cyi?pi?0.12?7.117?0.31?6.977?0.235?10.253?0.004?7.069?0.237?8.356?0.004?8.456?7.4689kcal/kmol?℃

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 H2S Tc（K） 132.9 33.2 304.2 126.2 647.3 373.2 Pc（MPa） 3.496 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

Tmc??yi?Tci?0.12?132.9?0.31?33.2?0.235?304.2?0.004?126.2?0.237?647.3?0.004?373.2?311.392KPmc??yi?Pci?0.12?3.496?0.31?1.297?0.235?7.376?0.004?3.394?0.327?22.05?0.004?8.937?9.815MPa

TmY?PmYT384?273.15?Tmc311.392 ?2.110P4.08???0.416 Pmc9.815查通用热容校正图可得：△Cp=0.225 （kcal/kmol.℃） ∴Cpm1?C'pm1?△Cp?7.4689?0.225?7.6939 (kcal/kmol?℃）Q放?nS1Cpm1(T1?T2)?8540.101?7.6939?(391.20?376.8) ?946176.2364kcal/h1.2.2.3热流体的黏度

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表1.10 各气体在T?384℃时的黏度μ

? CO H2 CO2 N2 H2O H2S

μ（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：1Cp?10?3pa?s

当T?384℃时，混合煤气黏度?m11212??yM???yMiiii1212i12

12?yiMi?0.12?28?0.31?2.016?0.235?44?1212120.004?28.02?0.327?18.02?0.004?34.09 ?4.0667??yMii12i?0.0296?0.12?28?0.0152?0.31?2.016121212?0.0296?0.235?44?0.0306?0.004?28.021212

12?0.0241?0.327?18.02?0.0358?0.004?34.09?0.106512则混合煤气黏度：?m1?yM???yMiiiii12?0..1065?2.62?10?5pa?s

4.06671.2.2.4热流体的导热系数

表1.11 各气体在T?384℃时的导热系数λ

? CO H2 CO2 N2 H2O H2S λ（kcal/m·h·℃） 0.0408 0.2994 0.0387 0.0404 0.0475 0.0542 W/（m·k） 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 34.09 1kcal/m·h·℃=1.163 W/（m·k）

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计算H2S的λ时，应用公式?T2T?(2)1.786 ?T1T1其中?T1?0.0113，T1?273.15K，T2?384?273.15?657.15K

??T2?0.0542kcal/(m?h?0c)

?当T?384℃时，混合煤气的导热系数?m113?yM???yMiiiii1313

??yMiii13?0.0408?0.12?28?0.2994?0.31?2.01613131313?0.0387?0.235?44?0.0404?0.004?28.0213

?0.0475?0.327?18.02?0.0524?0.004?34.09?0.206113131313?yMii?0.12?28?0.31?2.016?0.235?441313?0.004?28.02?0.327?18.02?0.0.004?34.09 ?2.46813则混合煤气的导热系数?m1?1.2.2.5热流体的密度

??yM?yMiiii?i1313?0.2061?0.0835(w/m?k)

2.468表1.12 各气体在T?384℃，P=4.08MPa时的密度

CO H2 CO2 N2 H2O H2S ρ（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??MPT0MP???0.1203?(kg?m?3)计算得到表1.7中各值 22.4P0TT式中：P?4.08MPa,T?657.15K

℃,P=4.08MPa当T?384时混合煤气的密度

?

贵州大学毕业论文（设计） 第13页

?m1???i?yi?20.9132?0.12?1.5058?0.31?32.8636?0.235?20.9281?0.004?13.4591?0.327?25.4618?0.004?15.2859kg/m31.2.2.6热流体的平均摩尔质量

Mm1??yi?mi?0.12?28?0.31?2.016?0.235?44?0.004?28.02?0.327?18.02?0.004?34.09 ?20.4659kg?kmol?11.2.3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μ 比热Cp 平均摩尔质量 平均密度 Kmol/h W/（m·k） pa·s kcal/lmol·℃ kg/kmol kg/m3

冷流体 8540.101 0.0489 2.147×10-5 8.242 20.1388 19.0877 热流体 8540.101 0.0835 2.62×10-5 7.6939 20.4659 15.2859

1.3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，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。

贵州大学毕业论文（设计） 第14页

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

则对数平均传热温差?tm??t2??t1132?131.2o?C?131.601oC ?t132ln()ln(2)131.2?t11.6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Q?KA?tm，得：

A??Q放K?tm?946176.2364?156.299m2

46?131.6011.7结构设计

1.7.1管程设计--确定换热器规格、管数和布管

??5.6m/s 初选管程流速u2选用Φ32×2.5冷拔无缝钢管

d0?32mm ??2.5mm di?32?2.5?2?27mm

贵州大学毕业论文（设计） 第15页

?? S2?4di?2?4?27?10?6?5.73?10?4m2

对于在t?252.4℃时的体积流率： Vs?粗算列管根数n?：

ms总?m2?174744.4?2.543m3/s

19.0877?3600n??VS2.543??397根 ??S2?2?5.6?5.73?10?42u2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) 32

换热管中心距

t(mm) 40

分程隔板槽两侧相邻管中心距

tn(mm) 52

根据正三角形排列布管图确定管数n??408根，确定布管限定圆的直径

DL?1272mm

Di?DL?2?b3

式中，b3为列管束最外层换热管外壁到壳体内壁的最小距离mm，

b3?0.25d0~1d0,且不小于10mm。

取b3?0.5d0?16mm ∴Di?1272?2?16?1304mm 圆整Di?1400mm

相应调整t?41mm，b3?27.52mm?(0.25d0~1d0) 1.7.2确定管程流速u2

贵州大学毕业论文（设计） 第16页

u2??Vs?2n?S22.5432?408?5.73?10?4 ?5.51m/s?5.6m/s1.7.3壳程设计 1.7.3.1确定换热管长度

前面估算的传热面积A??156.299m2 U型管的参考长度：

A?L??2?nd0156.299mm?32??408?32?10 ?1925.261mm? 选取标准化L=2000mm 长径比

L2000??1.43 Di1400 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：

Ao?2?ndL?(2?3.14?408?32?2000?10?6)m2 ?162.0559m2取弓形高度 hd=25%，取hd?(0.25?1400)mm?350mm 一般取板间距h=0.2~1D， 取h=600mm 1.7.4核算换热面积A

1.7.4.1管程对流传热膜系数?2

在管程定性温度t?252.4℃下，物性数据前面已经求得： μm2=2.147×10-5Pa?s M=20.1388 kg?kmol-1 λm2=4.89×10-2w?m-1?k-1 ρm2=19.0877kg?m-3

?

贵州大学毕业论文（设计） 第17页

Cpm2=（8.242×4.187）KJ kmol-1 K-1

?8.242?4.187?1.609?103J?kg?1?K?1

20.1388普兰特准数：

Pr?

Cpm2?m2?m21.609?2.147?10?2 ?0.0489?0.7064雷诺数：

Re?diu2?m2?m227?10?3?5.51?3.0942?19.0877

2.17?10?5?1.322?105根据公式：Nu?0.023(Re)0.8(Pr)0.4，当流体被加热时，n=0.4 则Nu?0.023?(1.322?105)0.8?(0.7064)0.4?250.3212 管内传热系数：

?2?

?d0.0489??250.3212 ?332?10?382.5220w?m?2?K?1Nu1.7.4.2壳程对流传热膜系数?1

在壳程定性温度T?384℃下，物性数据前面已经求得： μm1=2.62×10-5Pa?s M=20.4659 kg?kmol-1 λm1=0.0835w?m-1?K-1 ρm1=15.2859kg?m-3

?Cpm1=7.6939×4.187）KJ kmol-1 K-17.6939?4.187 =15.2859

?2.1071?103J?kg?1?K?1 假设壁温TW?390oC

贵州大学毕业论文（设计） 第18页

管子按正三角形排列时，当量直径

de?43?2(t2?d0)?d024

43?（?412??322）m2

3.14?3224?25.9533mm? 流体流过的最大截面积S

S?hDi(1?

dO)t32)?10?6 41?600?1400?(1??0.1844m2在定性温度T?384oC时

Vs??174744.415.2859?3600 ?3.1755m3?s?1则流速：

u?

Vs?S3.1755? 0.1844?17.2207m?s?1普兰特准数：

Pr?Cpm1?m1?m12.1074?2.62?10?2 ?0.0835?0.5588雷诺数：

Ｒe??deum1??m125.9533?17.2267?15.28590.0262?3.0239?105

贵州大学毕业论文（设计） 第19页

1?1?de?0.55 当壳程设置有25%的圆缺形挡板： ?0.36RePr3()0.14

??w壁温：Tw?T?Q ?1Ao当TW?390oC，查得各组分的黏度如下：

表1.17 各气体在TW?390oC的黏度

CO H2 CO2 N2 H2O H2S

μ（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 ??w??yM?yMwiiii1212i1212

??yMii12i?0.038?0.12?28?0.0158?0.31?2.01612?0.0302?0.235?44?0.0312?0.004?28.021212

12?0.0247?0.327?18.02?0.0370?0.004?34.09?0.124112121212?yiMi?0.12?28?0.31?2.016?0.235?44?1212120.004?28.02?0.327?18.02?0.004?34.09 ?4.0667则变换气的黏度 ?w?0.1241?3.05?10?5Pa?s

4.066750.55?1??0.36?(3.0239?10)de?956.4332w?m?1?k?1?2.62?10?50.14?0.5588?()3.05?10?513

??384?则Tw946176.2364?1.163?376.9005oC

956.4332?162.9559

贵州大学毕业论文（设计） 第20页

则相对偏差

w??390?376.9005Tw?Tw??100%?3.59%?5% Tw390 因此假设成立，璧温TW?390oC

1.7.4.3热阻R的确定

参考GB151—1999，取合成气污垢热阻Ra?0.00176m2?℃/w，变换气组成大致相同，近似取Rai?0.00176m2?℃/w

管壁热阻R?b?(m?0C/kw) ，换热管采用Φ32×2.5冷拔无缝钢管，查GB150

—2000得，钢的导热系数??45.3?103kw/m?0C。

32?10-3?7.06?10?5m?0C/w 则管壁热阻R??3?45.3?10b1.7.4.4传热系数K0

传热系数Ko按下式计算

Ra11RRai1??0??? K0A0?1A0A0AmAi?2Ai

式中：

A0?162.0559m2Ai?2n?dil?2?408?3.14?(32?2.5?2)?2000?10?6?136.6653m2Am?2n?dml?2?408?3.14?(32?2.5)?2000?10?6?149.3195m2?AAA11??Ra0?R?0?Rai?o?0 K0?1AmAi?2Ai?1?956.4332?2?382.5220R?7.06?10?8Ra0?Rai?0.00176

则

11162.0559??0.00176?7.06?10?5?K0956.433149.3195162.0559162.0559 ?1136.6653382.5220?136.3195?0.0158(m2?0C)/w?0.00176? ?K0?63.2911w/(m2?0C)?54.4206kcal/(m2?h?0C)

贵州大学毕业论文（设计） 第21页

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A0??A0946176.2364?132.1142m2

54.4206?131.601Q K0?tm则裕度w??162.0559?132.1142A0?A0??100%?18.47%?20% ?A0162.0559∴假设成立。

贵州大学毕业论文（设计） 第22页

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/℃ 391.2～376.8 244.8～260 流量/kg·h-1 174744.4 物料 变换气 煤气 程数 2 2 换热面积/m2 162.0559

2.1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=1400mm。查GB151—1999，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Φ=1.0，设计温度下16MnR的许用应力[?]1t?93MPa，屈服极限?S?325MPa，0Cr18Ni10Ti的许用应力[?]2t?79MPa。

计算厚度：

??

2?????pctpcDi4.08?1400

2?93?1?4.08?30.39mm?设计厚度：

?d???C2?30.39?2?32.39mm

名义厚度：

贵州大学毕业论文（设计） 第23页

?n??d?C1??

有效厚度：

?32.39?0?向上圆整 ?33mm?e1??n?C??n?(C1?C2)?33?(0?2)?31mm

查GB151—1999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即?2?4mm，则复合板的许用应力：

[?]1?e1?[?]2?2[?]??e1??2ttt93?31?79?431?4?91.4MPa?

则复合板的有效厚度?e??e1??2?(31?4)mm 校核

操作温度下复合板的许用应力：

[?]??[?]1?e1?[?]2?2?e1??2119?31?80?431?4?114.5MPa

试验压力值PT：

PT?1.25P??????t114.591.4

?1.25?4.08??6.39MPa压力试验前圆筒的薄膜应力?T：

贵州大学毕业论文（设计） 第24页

?T??PT?Di??e?2?e6.39?(1400?35)2?35

?130.995MPa因为?T?0.9??s?0.9?1?235?292.5MPa，所以选材合格 压力及应力计算

圆筒的最大允许工作压力?Pw?

?Pw??2?e????Di??et

2?35?91.4?11400?35 ?4.46MPa?因为?Pw??PC，所以满足条件。 计温度下圆筒的计算应力?t

?t??Pc?Di??e?2?e

4.08?(1400?35)2?35

?83.64MPa因为?t????t??91.6?1?91.6Mpa，所以满足强度校核条件。 2.1.2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

贵州大学毕业论文（设计） 第25页

度较半球形封头小得多，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，Di2(H?h)?2，则曲面高度(H?h)?350mm，根据JB/T4746-2002得，当封头公称直径DN<2000mm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GB151—1999，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Φ=1.0，设计温度下16MnR的许用应力[?]1t?93MPa，0Cr18Ni10Ti的许用应力[?]2t?79MPa。

计算厚度：

???2?????0.5pctpcDi4.08?1400 2?93?1?0.5?4.08?30.05mm设计厚度：

?d???C2?30.05?2?32.05mm

名义厚度：

?n??d?C1???32.05?0?向上圆整 ?33mm

贵州大学毕业论文（设计） 第26页

有效厚度：

?e1??n?C??n?(C1?C2)?33?(0?2)?31mm

查GB151—1999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即?2?4mm，则复合板的许用应力：

[?]1?e1?[?]2?2[?]??e1??2ttt

93?31?79?431?4?91.4MPa?

则复合板的有效厚度?e??e1??2?(31?4)mm 校核

根据GB150—2011，标准椭圆形封头的有效厚度不应小于封头内直径的0.15%：

?min?0.15%Di

?0.15%?1400 ?2.1mm 由于封头 ?e?35mm??min

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?Pw?：

?Pw??2?e????KDi?0.5?et

2?35?91.4?11?1400?0.5?35 ?4.51MPa?因为?Pw??PC，所以满足条件。

2.2管箱设计

贵州大学毕业论文（设计） 第27页

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GB151—1999，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Φ=1.0，设计温度下16MnR的许用应力

t屈服极限?S?325MPa，0Cr18Ni10Ti的许用应力[?]2t?82MPa。 [?]1?134MPa，

计算厚度：

???2?????pctpcDi4.08?1400

2?134?1?4.08?21.64mm设计厚度：

?d???C2?21.64?2?23.64mm

名义厚度：

?n??d?C1??

有效厚度：

?23.64?0?向上圆整 ?24mm?e1??n?C??n?(C1?C2)?24?(0?2)?22mm

查GB151—1999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即?2?4mm，则复合板的许用应力：

[?]1?e1?[?]2?2[?]??e1??2ttt

134?22?82?422?4 ?126MPa?

贵州大学毕业论文（设计） 第28页

则复合板的有效厚度?e??e1??2?(22?4)mm 校核

操作温度下复合板的许用应力：

[?]??[?]1?e1?[?]2?2?e1??2147?22?85?422?4?137.46MPa

试验压力值PT：

PT?1.25P??????t137.46126

?1.25?4.08??5.56MPa压力试验前圆筒的薄膜应力?T：

?T??PT?Di??e?2?e5.57?(1400?26)2?26

?152.47MPa因为?T?0.9??s?0.9?1?235?292.5MPa，所以选材合格 压力及应力计算

圆筒的最大允许工作压力?Pw?：

?Pw??2?e????Di??et

2?26?126?11400?24 ?4.59MPa?因为?Pw??PC，所以满足条件。 计温度下圆筒的计算应力?t

贵州大学毕业论文（设计） 第29页

?t??Pc?Di??e?2?e

4.08?(1400?26)2?26

?111.89MPa因为?t????t??126.83?1?126.83Mpa，所以满足强度校核条件。 2.2.2管箱封头计算与校核

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，Di2(H?h)?2，则曲面高度(H?h)?350mm，根据JB/T4746-2002得，当封头公称直径DN<2000mm时，直边高度h=25mm则H=375mm。

图2.2 管箱封头

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=330℃，内径Di=1400mm。查GB151—1999，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

贵州大学毕业论文（设计） 第30页

C1=0mm，焊接系数Φ=1.0，设计温度下16MnR的许用应力[?]1t?134MPa，0Cr18Ni10Ti的许用应力[?]2t?82MPa。

计算厚度：

???2?????0.5pctpcDi4.08?1400 2?134?1?0.5?4.08?21.48mm设计厚度：

?d???C2?21.48?2?23.48mm

名义厚度：

?n??d?C1???23.48?0?向上圆整 ?24mm有效厚度：

?e1??n?C??n?(C1?C2)?24?(0?2)?22mm

查GB151—1999，复合层金属板的厚度不小于3mm，即?2?4mm，则复合板的许用应力：

[?]1?e1?[?]2?2[?]t??e1??2134?22?82?422?4 ?126MPa?tt

则复合板的有效厚度?e??e1??2?(22?4)mm 校核

根据GB150—2011，标准椭圆形封头的有效厚度不应小于封头内直径的

贵州大学毕业论文（设计） 第31页

0.15%：

?min?0.15%Di 封头 ?e?26mm??min

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?Pw?：

?0.15%?1600 ?2.1mm?Pw??2?e????KDi?0.5?et

2?26?126?11?1400?0.5?26 ?4.64MPa?因为?Pw??PC，所以满足条件。

2.3法兰设计

参考JB4703-2000，长颈对焊法兰也壳体之间为对接焊缝，连接强度很好，且可以 采用各种方法进行焊缝质量检查，加之有颈部支撑，使其具有较好的刚性，不易变形而发生泄露，本设计采用此种法兰（如图2.1）。

图2.3 对焊衬环法兰

贵州大学毕业论文（设计） 第32页

表2.2法兰参数

DN D D1 D2 D3 D4 ? H h a a1 ?1 ?2 R d 1400 1650 1580 1529 1509 1506 130 235 64 26 23 28 42 18 39

2.3.1垫片设计

根据JB/T 4719-92选择垫片材料：内填石棉缠绕式不锈钢，厚度??4.5mm、

mm，查GB150—2011表7—2 垫片系数D?1508mm、d?1458mm、di?1454m?3.00，比压力y?69Mpa。

垫片接触宽度N：

N?D?d21508?1458?2 ?25mm 垫片密封宽度b0：

b0?

N225?2 ?12.5mm 根据GB150—2011，当b0?6.4mm时，垫片有效密封宽度： b?2.53b0 =2.53?12.5 =8.94mm

垫片压紧力作用中心圆直径：

DG?垫片接触面外径?2b 垫片压紧力

?1508?2?8.94?1490.12mm

预紧状态下需要的最小垫片压紧力按下式计算：

贵州大学毕业论文（设计） 第33页

Fa?3.14DGby?3.14?1490.12?8.94?69?2886273.629N

操作状态下需要的最小垫片压紧力按下式计算：

Fp?6.28DGbmp?6.28?1490.12?8.94?3?4.08 ?1023999.687N2.3.2螺栓设计

螺栓材料35CrMoA、垫片系数m?3.00、比压力y?69Mpa设计压力PC=4.08MPa、???b?228Mpa、???bt?162Mpa、垫片有效密封宽度b?8.94mm、螺栓中心圆直径Db?1580mm。

螺栓载荷

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：

Wa?Fa?2886273.629N

操作状态下需要的最小螺栓载荷：

Wp?F?Fp2?0.785DGPc?Fp?0.785?1490.122?4.08?1023999.687 螺栓面积

?8135681.334N

预紧状态下需要的最小螺栓载荷：

Aa?????bWa2886373.629228?12659.09mm2

操作状态下需要的最小螺栓面积：

贵州大学毕业论文（设计） 第34页

Ap??Wp???tb8135681.334162?50220.26mm2

.26mm2 所以Am?max?Aa,Ap??Ap?50220查JB/T4703—2000《压力容器法兰》，取螺栓规格M36，数量是60个，则实际螺栓的面积：

Ab???4nd02?60?362?4 2?61041.6mm实际间距：

L??Dbn??1580?60 ?82.68mm校核

垫片最小宽度：

Nmin??Ab???b6.28yDG

所以满足要求

查GB150—2011表7—3得：

61041.6?2286.28?69?1490.12?21.55mm?N?25mm

螺栓最小间距L?80mm 螺栓最大间距Lmax?2db?6?fm?0.5?2?36?6?126?288mm

3?0.5因为L?L?Lmax， 所以，螺栓选择合格。 螺栓设计载荷

贵州大学毕业论文（设计） 第35页

预紧状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：

W?Am?Ab[?]b250220.26?61641.6??2282

?12752252.04N操作状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：

W?Wp?8135681.334N

2.3.3法兰设计

根据操作介质、设计压力、设计温度等条件，选用整体对焊衬环法兰、材料20MnMoⅢ，操作温度下的许用应力???f?163Mpa、设计温度下的许用应力

???tf.26mm2、实际螺栓面积?156Mpa、需要的螺栓面积Am?50220Ab?610.46mm12、设计压力Pc?4.08Mpa、内径Di?1400mm、 垫片压紧中心

圆直径DG?1490.12mm、法兰颈部高度h?64mm、法兰颈部小端有效厚度

?0?28mm、法兰颈部大端有效厚度?1?42mm。

载荷

作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力：

FD?0.785Di2Pc?0.785?14002?4.08

流体压力引起的总轴向力与作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力之差：

?6277488NFT?F?FD2?0.785DGPc?0.785Di2Pc

窄面法兰垫片压紧力：

?0.785?4.08?(1490.122?14002)?834193.65N

FG?6.28DGmbcP?6.28?1490.12?3?8.94?4.08

力臂

?1023999.69N

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