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1、第一章 绪论换热器在工、农业的应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见，是不可缺少的工艺设备之一。因此，换热设备的研究受世界个国政府及研究机构的高度重视。在化工厂中传热设备占有极为重要的地位，换热器是化工、炼油和食品等工业部门广泛应用的通用设备，对化工炼油工业尤为重要。物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都要通过传热设备进行热交换，才能到达要求。例如常压减压蒸馏装置中热交换约占总投资的20%，催化重整及加氢脱硫装置中约占15%，通常在化工厂的建设中，热交换器约占总投资的11%。一般地说，热交换器欲占炼油、化工装置设备的40%。合理选用和使用热交换器，可节省投资、降低能耗，由此可见，换热器在
2、化工生产中占很重要的地位。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器等；也可是某一工艺设备的组成局部，如氨合成塔内的热交换器等。近年来随着节能技术的开展，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。管壳式换热器具有可靠性高，适应性广等优点，在各工业领域中得到最为广泛地应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进了其自身的开展。是换热器向高参数、大型化开展的今天，管壳式换热器还是占主导地位。本设计主要介绍管壳式换热器的设计。1.1设计任务1、设计原始数据：表1-1 设计原始数据换热介质软化水蜡油工作压力进/出口工作温度进/出口33/60174/159
3、流 量吨/小时2、设计任务换热器设计参数确实定及构件材料的选择与论证；结构型式的选择与设计及相关论证；工艺计算、强度计算；绘制整台换热器、零件的设计图纸与外文文献翻译不少于5000单词。本设计的参数如下表1-2：表1-2 设计参数指 标管 程壳 程设计压力Mpa设计温度200200程 数41换热介质软化水蜡油流 量1.2设计思想工程设计是一项政策性很强的工作，因而，要求工程设计人员必须严格地遵守国家的有关方针和法律规定以及有关的行业标准，特别是国家的工业经济法规、环境保护法规和平安法规。此外，由于设计本身是一个多目标优化问题，对于同一个问题，常会有多种解决方案，设计者常常要在相互矛盾的因素中进
4、行判断和选择，做出科学合理的决策，为此一般应遵守如下一些根本原那么。一、从满足工艺条件上考虑传热量、流体的热力学参数温度、压力、流量、相态等与物理化学性质密度、粘度、腐蚀性等是工艺过程所规定的条件。根据设计任务书上的设计参数和管壳程进出口温度进行热力学和流体力学的计算，经过反复比拟，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。二、从平安角度上考虑换热器是常见的压力容器，为保证该设备平安可靠地运行，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，严格遵循GB151-1999?管壳式换热器?和GB150-1998?钢制压力容器?等有关规定与标准。三、从经济性考虑在满足强度
5、、塑性、韧性、制造性能和与介质相容性的前提下，以经济性原那么地选择材料。使材料的固定费用设备的购置费、安装费与操作费动力费、清洗费、维修费的总和为最小。四、从结构上考虑本设计结构紧凑，充分利用材料性能，根据工艺条件选用合理的结构。五、从制造、运输、安装上考虑本设计制造简单，由于遵循GB151-1998和GB150-1998所选用的结构为标准结构，所选零部件均为标准零部件，从而防止采用复杂或质量难以保证的制造方法，实现机械化或全自动生产，减小占地面积，缩短制造周期，降低制造本钱。一、满足设计任务书规定的要求。设计任务书中所规定的工艺条件是本设计的根本依据，设计力求做到完成规定的生产任务，又能保证
6、质量稳定，同时具有一定的操作弹性。 二、经济上合理。降低操作费用的关键节能，设备的阻力小，降低生产本钱，使设备的折旧费与操作费用之和最低。三、在同工艺条件下，设备轻巧，结构紧凑。采用浮头式换热器，便于管间和管内的清洗，不会产生热应力。四、保证生产平安。在结构和用材上都符合平安可靠，在设备的强度上还具有一定的平安裕度。欲正确设计管壳式换热器，首先要合理选择两种流体介质中哪一种进管程，哪一种进壳程。一般的原那么是：管程进流体压力高、洁净程度差、介质温度高、流量小，而且是有腐蚀性的流体。从材料耗量看，换热器的壳体和换热管占有的比例最大。选择管程走有腐蚀性的介质，可以防止壳体材料受腐蚀，从而降低造价；
7、同理，高压流体走管程，也可以减少因壳体厚度增加而带来材料过多的消耗。在本设计中，物料是蜡油及软化水，蜡油的粘度大，壳程有折流板，折流板起着改变流体流向的作用，从而使蜡油有更好的换热效果，并且蜡油的被冷却的介质，所以，蜡油宜走壳程。软化水比拟洁净，不易结垢，适合走壳程。根据以上情况，所以本设计选择管程走软化水，壳程走蜡油是适宜的。第二章 对重要设计参数确实定及论证2.1 设计压力 根据GB151-1999?管壳式换热器?，设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。本设计管程的最高工作压力是0.45MPa，壳程的最高工作压力是MPa，
8、考虑一定的平安裕度，综上所述，本设计管程的设计压力为MPa，壳程的设计压力为MPa。管板、换热管同时受到管、壳压力的作用，考虑到可能存在Pa；管箱和浮头法兰封头受到管程压力的作用，根据管程的设计压力，因此管箱的设计压力也是4.0MPa；外头盖受壳程压力的作用，根据壳程的设计压力，故外头盖是设计压力也为4.0MPa。根据GB151-1999?管壳式换热器?，设计温度指换热器在正常情况下，设定的元件的金属温度沿元件金属横截面的温度平均值，设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不得低于元件金属的这状态可能到达的最高温度。本设计中，管程最高工作温度为60，最低工作温度为33，综上所述，本设计
9、中管程最高工作温度不低于60，考虑到壳程的温度比拟高，工艺计算时核算的壁温也比拟高，因而管程的设计温度为200。壳程最高工作温度为174，最低出口温度为159，综上所述，本设计中壳程设计温度取200。管板、换热管同时受到管、壳温度的作用，考虑金属元件的外表温度不得超过材料的允许使用温度，因而管板和换热管的设计温度为200。对于管箱封头、外头盖封头受壳程的温度影响大，所以其设计温度取壳程的设计温度为200；管箱和浮头法兰受管程的温度作用大，故其设计温度根据管程的设计温度为200。2.3厚度附加量C容器厚度附加量主要考虑介质的腐蚀裕度和钢板的负偏差。即：。腐蚀裕度 腐蚀裕度主要是防止容器受压元件由
10、于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。腐蚀裕度内介质对材料的均匀腐蚀速度与容器的设计寿命决定。，Ks为腐蚀速率mm/a,查材料腐蚀手册或由试验确定。B为容器的设计寿命，通常为1015年。当材料的腐蚀速率为0.05/a时，考虑单面腐蚀取=12mm；双面腐蚀取=24；当材料的Ks/a时，考虑单面腐蚀取=1mm；双面腐蚀取=2mm。对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时取=0。钢板负偏差钢板厚度的负偏差见表2-1。表2-1钢板厚度的负偏差钢板厚度67负偏差0.2钢板厚度82526303234364042505260负偏差1.3所以在计算过程中根据所计算的厚度来选择钢板的负偏差。2.4焊缝系数根据GB151
11、1998?钢制压力容器?10.8规定和图样要求执行。各焊接接头型式的焊缝系数如下表2-2。本设计管箱筒体与封头连接的接头属B类焊接接头，采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头，采用无损检测取0.85。表2-2 焊接接头系数焊接接头型式焊接接头系数全部无损检测局部无损检测双面焊对接接头和和相当于双面焊的全焊透对接接头单面焊对接接头沿焊接接头根部全长有紧贴根本金属的垫板第三章 主要构件材料的选择及论证压力容器材料费用占总本钱的比例很大，一般超过30%材料性能对压力容器运行的平安性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总本钱，而且有可能导致压力容器破坏事故。因此，合理选材是压力容器设计的关键之
12、一。 压力容器用材料多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等。选择材料应考虑使用条件，焊接性能，制造工艺以及经济合理性符合相应的标准。化工设备材料选用的一般原那么：材料的使用性能原那么 不同的物件所要求的使用性能是不同的。油的要求高强度，有的要求耐腐蚀高温或耐低温。有的要求高硬度耐磨损。因此，选材时，首先必须准确地判断构件所需的使用性能。分析构件的工作条件。构件的受力情况，构件的工作环境。构件的特殊要求如传热快，防振，重量轻等。通过失效分析，确定构件的主要使用性能。从构件性能要求提出对材料使用性能的要求。材质加工工艺性能原那么 选材时必须考虑材料加工性能的好坏，好的加工工艺性能不仅要求工艺
13、简单，容易加工，能源消耗少，材料利用率高，加工质量好。材料经济性能原那么 在满足构件使用性能，加工性能要求的前提下，经济性能也是必须考虑的主要因素。一般的机械产品注重“成批，化工设备强调“成套。考虑到工艺流程的需要，化工设备设计开始前往往统一规定，在压力等级，温度，材质，防腐等方面提出同一的规定。换热管换热管属于压力管道，压力管道对材料性能有以下要求：1足够的强度，良好的塑性和韧性；2良好的冷加工成形性能；3与环境条件协调，有适当的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等。换热管常用的材料是：10号钢，20号钢。10号钢为含碳量较低的优质碳素结构钢，具有适当的强度、较好的塑性和良好的焊接性能。它的拉伸强度和
14、屈服强度较低，强度也较低，但塑性和韧性很好，在冷态下，有很好的塑性，容易模压成形。它的切削性能优异，无回火脆性倾向，焊接性能很好，可用来弯曲、锻粗、热冲、冷冲或拉丝等方法制造各种零件。为提高外表强度可进行渗碳和氰化处理。用这种钢扎制的无缝钢管可用于压力容器和锅炉中。法兰连接用的齿形组合密封垫片和金属环垫片也常用这种钢。此外还可用来制造垫圈和心部强度要求不高的渗碳零件。 20号钢的强度较10号钢高，其塑性、韧性和焊接等工艺性能都很好，在化工设备和压力容器中应用很广泛。钢材的品种有钢板、钢管和锻件。20号钢的焊接性能优良。本设计管程设计压力为4.0Mpa，管程介质为软话水，腐蚀性不大，故换热管选取
15、10号钢无缝钢管。10号钢的强度和硬度较低，但有良好的塑性和韧性，易模压或挤压成形，无回火脆性倾向，焊接性能优良。再考虑经济性，可焊性，选用10号无缝钢管。管板锻件的常用材料是16Mn。16Mn钢是345MPa级的低合金结构钢。它具有良好的综合机械性能。焊接性能，工艺性能及低温冲击韧性，中温450及低温-45以上机械性能均优于Q234-A，12，20等碳钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定。可使用在-40400场合。在石油、化工设备、锅炉，压力容器中16Mn钢的板材，钢管及锻件均有广乏应用。根据GB150-1998第四章材料和GB151-1999第四章材料规定，根据壳程设计压力，初步估算管板厚度大于60，应采用锻件pa，16Mn已满足力学性能要求，且具有良好的焊接性能和成熟的使用经验，又因换热管选用10号钢管，所以本设计管板选用16Mn锻件。16Mn锻件强度较10号钢高，它具有良好的综合机械性能、焊接性
