合成气、变换气第一热交换器设计说明书.doc

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1、题目：合成气、变换气第一热交换器设计设计（论文）题目合成气、变换气第一热交换器设计主要研究内容1.工艺计算；2.机械设计；3.零部件设计；4.autocad绘图。研究方法调查法、观察法、文献研究法等主要技术指标(或研究目标)通过这次毕业论文的设计，进一步加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握；培养设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、外文应用等基本工作实践能力，加深对autocad绘图软件的使用能力。主要参考文献 1天津大学化工原理教研室，化工原理上册，天津科技出版社，1992年 2 国家技术监督局，钢制管壳式换热器（GB151-99），1999年 3 国家医药

2、管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册（上、下册），化学工业出版社，1987年说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系） 太原科技大学毕业设计（论文）目 录中文摘要IVABSTRACTV第一章 绪 论11.1合成氨的工艺流程11.2 低温甲醇洗工段工艺流程21.3 第一换热器(3w-505A)的设计说明2第二章控制方案的确定32.1 工艺过程及控制参数的选取32.2 控制方案的设计32.3 各仪表的作用方式4第三章工艺计算53.1 原始数据53.2 类型选择53.3 流体流径的选择63.4 工艺参数的计算63.4.1 确定冷热流体的定性温度63.4.2 定性温度下的

3、物性参数63.4.3 计算热负荷73.4.4 平均温度差83.4.5 初选总传热系数83.4.6 初算所需传热面积83.4.7 换热器结构设计83.4.8 核算总传热系数93.5 核算压强降113.5.1管程压强降113.5.2壳程压强降11第四章 机械设计134.1 结构设计134.1.1设计条件134.1.2筒体壁厚134.1.3管箱设计154.1.4管箱法兰164.1.5管箱法兰垫片174.1.6管箱法兰紧固件174.1.7封头的设计194.1.8拉杆设计204.1.9管板设计214.1.10换热管设计224.1.11接管设计234.1.12接管外伸长度234.1.13防冲挡板244.1

4、.14折流板254.1.15吊耳264.1.16焊接结构设计274.1.17设备总质量估算274.1.18支座的设计294.1.19鞍座位置确定314.1.20开孔补强条件324.2 强度校核334.2.1固定管板换热器设计计算334.2.2壳程圆筒计算344.2.3前端管箱封头计算354.2.4后端管箱封头计算354.2.5管箱法兰计算374.2.6开孔补强计算394.2.7延长部分兼作法兰固定式管40第五章 技术条件的编制485.1 技术条件的说明485.1.1 钢材485.1.2 焊接485.1.3 热处理485.1.4 无损探伤485.1.5 质量证明书、标志、油漆、包装、运输485.

5、1.6 换热器的尺寸偏差495.2 设备的技术条件495.2.1 换热器的技术条件495.2.2 折流板或支持板技术条件495.2.3 管板技术要求495.2.4 法兰技术条件505.2.5 支座技术条件50参考文献51致谢52附录53IV摘 要换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。本文以固定管板式管式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。本文主要以循环水和氯乙烷为介质，按实际设计步骤依次进行工艺计算、结构设计和

6、强度校核，并画出换热器的CAD结构图。主要研究内容如下：（1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。（2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对换热器进行设计，具体分为换热器的工艺计算，结构设计和强度校核。（3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器支座的设计。（4）换热器的内部设计包括：它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准，

7、在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出CAD图，对我们了解换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。关键词： 换热器，工艺计算，机械设计，强度校核 Abstract The heat exchanger is the process of heat to the cold fluid, chemical production process of heat exchange and transmission of essential equipment. Based on the fixed tube plate and tube type heat exchanger as the re

8、search object, referring to many domestic and foreign literature on the basis of the heat exchanger, the development, background, classification and application are explored and studied, with gas heat exchanger design process as the main line, structure design as the main body, a comprehensive intro

9、duction to heat exchanger the design of the whole process. This paper mainly in the circulating water and chlorine oxide as the dielectric, according to the actual design steps of process calculation, structure design and strength check, and draw the heat exchanger CAD structure. The main research c

10、ontents are as follows: (1) heat exchanger development, classification, material and applying heat exchanger were introduced, to understand the basic structure and basic principle. (2) by referring to the design of the heat exchanger standards derived data, heat exchangers design, divided into speci

11、fic heat exchanger process calculation, structure design and strength check. (3) heat exchanger exterior design including its cylinder head design, design, tube box and heat exchanger bearing design. (4) heat exchanger internal design includes: the heat transfer tube size, fixed tube plate thickness

12、 and the baffle dimensions. Besides mentioned above, the research of heat exchanger content should also include the pressure vessel flange, pipe flanges, opening and reinforcement, took over the parts, and its attachments, each hole stress checking etc. This article is in pressure vessel design and

13、application of classification method based on the design of heat exchangers, consult the relevant standards, which are studied and analyzed the design data of the heat exchanger, make CAD picture, on our understanding of heat exchanger design process and function will have a more profound understand

14、ing of.Key words: heat exchanger, process design, mechanical design, strength check70第一章 绪 论在不同温度的流体之间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃

15、，一些新型高效换热器相继问世。1.1 合成氨的工艺流程合成氨生产工艺过程示意图：造气粗煤气低温甲醇洗及冷冻系统液氨洗系统氨合成氨库造气即原煤经处理系统产生煤与空气中分离的氮气在加压气化流中反应。氨由H和N两种元素组成。合成氨是以H2和N2在一定条件下全盛的。H2是从煤中获得的，而N2是从空气中分离得到的。原煤经过筛选，粉碎等过程后，在200#工段加压气化系统的燃烧炉内与高温水蒸气反应得到水煤气，反应的一系列方和如下：燃烧层： C+O2CO2+Q C+O2CO+Q CO+O2CO2+Q 气化层： C+ H2OCO2+H2 Q C+ H2OCO+ H2Q C+ H2CH4+Q CO+ H2OCO2

16、+ H2+Q粗煤气继续在200# 经过洗涤降温，分离等程序最后进入300#，粗煤气变换系统的主要成分有CO2、CO、H2、H2S、CH4等。到300#的粗煤气洗涤变换后进入400#，在300#的变换炉内发生的主要反应有：C+ H2OCO2+ H2 +Q。进入400#变换气冷却系统的变换气主要成分是CO2、H2，还有少量的CO、N2、H2S、CH4等。400#2段的主要作用是冷却变换气，气体的成分基本没有变化。CO2、H2S等有害物质和各种杂质的作用会影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损坏等，因此，在合成氨之前必须将这些有害物质和杂质去除。500#低温甲醇洗涤系统和600#液氮洗系统是用物理

17、方法吸收，沉淀这些物质。500#主要吸收CO2 和H2S，从500#流出的净化气还有少量的CO、N2、CH4等。600#主要吸收CO，从1800#、5800#空气分离得到的N2 也进入600#，并和H2混合，得到比例大约为1：3的N2和H2混合气体。此混合气体进入900#氨全盛系统合成，反应方程式如下： N2+3 H22NH3 经氨合成系统合成的氨经处理后进入氨库。1.2 低温甲醇洗工段工艺流程冷却工段即为气氨的液化。气氨的液化包括气氨的压缩和冷凝，气氨在常压常温下冷凝温度为33.35。因此，在常压常温下，气氨不能用常温水使其冷却成液氨。氨的冷凝温度随压力的提高而升高，当压力提高1.6MPa时

18、，冷凝温度为40，高于一般冷却水温度，因此可以用2535的常温水冷却，使之液化。工艺流程：气氨冷凝为液氨，是靠冷冻循环来完成的，冷冻循环主要由压缩、冷却、冷凝、节流膨胀、蒸发五个过程组成的。气氨冰机压缩提压后，进入氨冷却器，冷却后的气氨进入冷凝器，由冷却水把气氨冷凝为液氨，由冷却水将气氨放出的热量带走，冷凝后的液氨通过节流阀由冷凝压力降至蒸发压力。节流膨胀后的氨在氨冷器中蒸发吸收被冷却水的热量，此时液氨又变为气氨送入冰机进口，如此构成一个循环，这个循环周而复始的进行，被冷却物质的温度便于降低达到工艺要求。1.3 第一换热器(3w-505A)的设计说明第一换热器的主要作用是实现两种不同温度、不同

19、压力之间的热量交换，从而满足工艺要求。第二章 控制方案的确定2.1 工艺过程及控制参数的选取1被控变量的选择：本过程主要是冷却变换气，使变换气出口温度达到一定值来达到下道工段的要求。因而选择其出口温度为被控变量。2操纵变量：变换气进口流量。被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后 时间越小越好。3干扰因素：（1）变换气进口温度,压力及流量的变化； （2）变换气进口温度,压力及流量的变化； （3）周围环境的影响。最终确定参数如下：被控变量：变换气出口温度。给定值：变换气出口给定温度。测量值：由检测元件测得的变换气的实际出口温度值。被控对象：变换气出口管。操纵变量：变换气进口流量。2.

20、2 控制方案的设计采用单回路控制系统。图2.1热交换器温度简单控制方框图图2.2氨冷却器温度控制方案流程图2.3 各仪表的作用方式对于系统而言，当发生故障时，应保证气氨出口温度不要太高，即在考虑安全及节能方面，应选用气开阀。各仪表的作用方式为：1.气开阀：正作用“+”；2.变送器：正作用“+”；3.当阀关小时，气氨出口温度升高，“-” “-”=“+”，取反，故调节器为反作用“-”。验证： 阀开大 第三章 工艺计算3.1 原始数据物 料温度（进口/出口）操作压力(MPa)体积流量 (/h)变换气12.5/-312.61850合成气-66/-261.3 气体管程壳程体积分数%质量分数%体积分数%质

21、量分数%40.0185.880.120.21.451.9849.794.8674.9517.467.035.490.921.2624.1882.290.150.293.2 类型选择因此不需考虑热补偿。3.3 流体流径的选择考虑逆流时换热效率高，故选择逆流传热。壳程：变换气（操作压力：1.3 MPa）管程：变换气（操作压力：2.6 MPa） 3.4 工艺参数的计算3.4.1 确定冷热流体的定性温度 工程上对于低黏度流体大多以其平均温度作为定性温度。 , 热流体进出口温度, , 冷流体进出口温度, 3.4.2 定性温度下的物性参数 成分管程-9.25下的物性参数密度比热容导热系数粘度1.9760.

22、930.140.0131.5391.050.140.01121.2501.10.220.01640.089915.40.210.00760.7172.270.340.011.2511.20.250.0161.78220.80.170.02成分壳程-46下的物性参数密度比热容导热系数粘度0.085015.50.020.00671.2301.250.0210.0142物性参数的计算1管程密度=1.97685.88%+1.5390.2%+1.2501.98%+0.08994.86%+0.7175.49%+1.2511.26%+1.7810.29%=1.8比热容=0.9385.88%+1.050.2%

23、+1.11.98%+15.44.86%+2.275.49%+1.21.26%+20.80.29%=1.77粘度=85.880.013+0.20.0112+1.980.0164+4.860.0076+5.49 0.01+1.260.016+0.290.02=0.016410-3导热系数=85.880.14+0.20.14+1.980.22+4.860.2+5.49 0.34+1.260.25+0.290.17=0.1572壳程密度=0.85017.46%+1.23082.29%=1.045比热容=15.517.46%+1.2582.29%=3.74粘度=0.006717.46%+0.014282

24、.29%=0.012910-3导热系数=0.0217.46%+0.02182.29%=0.0208类别密度比热容黏度导热系数管程1.81.770.01630.0129壳程1.0453.740.1570.0208 3.4.3 计算热负荷 计算平均温度（采用逆流操作） 管程变换气 12.5-31壳程合成气 -26-66 =38.5 =35 3，223 初步假定换热器为单管程单壳程，即平均温度差取。3.4.4 平均温度差 根据P.R查图4-25（C）得：=13.4.5 初选总传热系数 =403.4.6 初算所需传热面积 3，223 3.4.7 换热器结构设计1.换热管的选取选定规格的管子，材料为碳钢

25、。 所以 = 25 =20换热管总长在标准管长系列中选取换热管长度为=3m。管心距t=32mm，根据传热面求管根数n 换热管根数外加4根拉杆横过管束中心线的管数管子按正三角形排列时=16根 2.壳体内径的确定 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，取 ,按壳体标准系列取为600。 3.折流板形式的选择最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10%40%，一般取20%25 %，过高或过低都不利于传热。本次设计取=20%600 mm =120 mm。两相邻挡板的距离为壳体内径的（0.21）倍。系列标准中采用的值为：固定管板式的有150，300和600三种，单位mm。本次设计取0.5

26、=0.5600mm=300mm，可取为300mm。 3，277 折流板数（块）。3.4.8 核算总传热系数 1.管程对流传热系数管程流速管程雷诺数10888普朗特数=当液体被加热时=0.4，当液体被冷却时=0.3；由于管内流体被冷却故取=0.4。312.壳程对流传热系数换热管正三角行排列时壳程当量直径流体通过管间最大截面积 流体管间流速m/s= ，对于气体不论加热还是冷却，可忽略此项不计，取=1.0，则 6.33.污垢热阻两流体介质组分相同，故查表可取 4.总传热系数的计算 =46）,在1.151.25的范围内,则初选合理。 3.5 核算压强降3.5.1管程压强降 ,分别为直管和弯管中因摩擦阻

27、力引起的压强降,；结垢校正系数 ,对的管子取为1.4；壳程数管程数 设管壁粗糙度，由关系图查得 上式适用范围为 =33。 papa3.5.2壳程压强降=（+）流体横过管束的压强降，流体通过折流缺口的压强降，壳程压强降的结垢校正系数，无量纲，气体可取1.0壳程数 管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列=0.5壳程流体的摩擦系数，当500时，一般来说，气体流经换热器的压强降为110kPa，以上计算表面管程和壳程压降都符合要求。第四章 机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分。参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。4.1 结构设计4.1.1设计条件1设计压力 设计压力

28、根据最高工作压力确定。设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.051.10倍。本设计取1.1倍。 壳程设计压力管程设计压力2. 设计温度 管程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为12.5，故取设计温度为30。壳程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为-26，故取设计温度为10。 3. 计算压力 壳程液柱静压力 pa显然液柱静压力小于，故忽略液柱静压力，即壳程计算压力 同理可得管程计算压力 管程液柱静压力pa 则可忽略液柱压力， 计算压力，4.1.2筒体壁厚1. 筒体选材 由于筒体设计温度为10，设计压力为1.43，参考GB150-1998，由钢制压力容器GB150-1998,表4-1，

29、4-2选16MnR，2. 筒体壁厚的计算选取壳体材料为Q345R,查GB150得设计温度下的许用应力试验温度下的许用应力试验温度下的屈服点钢板负偏差腐蚀裕量焊接接头系数：初选1 式中 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数。=mm设计厚度mm名义厚度mm根据GB-1999的5.3.2表8得： 3. 筒体的强度校核压力试验类型：液压试验试验压力值压力试验时允许通过的应力水平试验压力下圆筒的应力 式中 有效厚度， =-C， ； 名义厚度， ； 设计温度下圆筒的计算应力， ； C 厚度附加量， 。 校核条件故满足强度要求。圆筒的最大工作压力为 设计温度下计算应力校核条件，故合格。4.1.3管箱设计

30、1. 管箱选材选材同设备筒体为Q345R，查GB150可得，在相应设计条件下其、同设备筒体，、的取值参照设备筒体。2. 管箱筒体厚度计算计算厚度 =设计厚度mm名义厚度mm根据GB-1999的5.3.2表8得：有效厚度3. 筒体的强度校核压力试验类型：液压试验试验压力值试验压力下圆筒的应力 校核条件故满足强度要求。圆筒的最大工作压力为设计温度下计算应力校核条件，故合格。4.1.4管箱法兰1. 材料选择 管程设计压力为2.86MPa，温度为30，选16Mn II。 2. 法兰型式及尺寸依据JB/T 4703-2000选取长颈对焊法兰，DN=600，PN=4.0MPa，密封面为凹面，密封面结构形式

31、及法兰些列尺寸如下图标所示 ：图4.1带颈对焊法兰密封面型式 表4.1带颈对焊法兰 表4.2带颈对焊法兰质量4.1.5管箱法兰垫片依据HG/T 20627-2009选择增强性柔性石墨垫,垫片尺寸如下表公称尺寸垫片内径垫片外径垫片厚度DNNPST600246106923表4.3垫片尺寸4.1.6管箱法兰紧固件1螺柱对于4.0的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。依据JB/T4707-2000， 本次选用等长双头螺柱，A型。 图4.2等长双头螺柱结构图 , 162024273036,405060657080,22.53445,56666,162024273036,极限偏差单件质量, 公称尺寸6

32、000.6250.9001.1601.422 表4.4等长双头螺柱的型式与尺寸 2螺母根据机械设计课程设计手册第三版，表319螺纹规格DM24damax25.9dwmin33.3emin39.55smax36cmax0.8m六角螺母21.5max薄螺母12技术条件材料公差产品等级钢A级用于DM163弹簧垫圈,规格为16,材料为65Mn,表面氧化的标准型弹簧垫圈的标记垫圈GB/T9316规格(螺纹大径)M24S(b)公称6.0m3Hmin12max15 图4.3 可供选择的型式4.1.7封头的设计 选用标准椭圆形封头，材料为Q345R。1. 封头的壁厚计算形状系数式中曲面高度，mm，即计算厚度

33、最小成型厚度,根据GB/T25198-2010压力容器封头可查得相应的名义厚度为有效厚度2. 封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下： JB4746-2002公称直径总深度内表面积容积6001750.43740.0353 表4.5 EHA椭圆形封头内表面积，容积公称直径封头名义厚度 ，mmDN3456810121416182060010.113.517.020.427.534.641.849.256.764.271.9表4.6 EHA椭圆形封头质量 图4.4EHA椭圆型封头结构 3. 封头的强度校核 对于标准椭圆形封头，=1.0椭圆形封头的最大工作压力为4.1.8拉杆设计1. 拉杆结构形式换热管外径大于19mm，故选择拉杆定距管结构。2. 拉杆选材根据化工设备设计手册上卷，。单位：mm拉杆的直径 换热管外径拉杆直径16拉杆数量公称直径DN，拉杆直径 ，164 拉杆尺寸 拉杆直径拉杆螺纹公称直径161620602.0 图4.5拉杆结构图 拉杆应尽量布置在管束的外边缘，本设计采用四根拉杆。4.1.9管板设计1材料选择 选择管板材料为16MnR。2管板结构 选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法兰与管箱法兰用螺柱连接。管板的尺寸参照与设备法兰相配的凸面法兰的尺寸，管板外径760，厚度36，具体结构见管板零件图。