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1、白土塔进出料换热器的机械设计摘 要 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，通过这种设备使物料能达到指定的温度以满足工艺的要求。目前，大型化工及石油化工装置中，采用各种换热的组合，就能充分合理地利用各种等级的能量，使产品的单位能耗降低，从而降低产品的成本以获得好的经济效益。在某些化工建设中，换热设备占全部工艺设备的40%左右。管壳式换热器是最通用的、应用最广泛的换热器。U形管换热器是管壳式换热器的一种，在U形管换热器设计过程中，严格按照GB1501998钢制压力容器和GB1511999管壳式换热器及换热器设计手册等标准进行设计和计算。本设计说明书是关于U形管换热器的设计，主要进行了换热器
2、的工艺计算，换热器的结构和强度设计。并且阐述了换热器的特点、换热器设备及其发展现状、国内发展趋势和研究热点以及换热器的分类，同时说明了U形管换热器的优点，介绍了换热器的结构设计，换热器主要零部件结构的设计及压力容器常用材料等。计算部分主要对形管换热器的筒体、封头和法兰进行了详细的计算，并对其进行了水压试验的校核；还对换热管、管板、折流板和鞍座等各个受压元件按照GB-150和GB-151的标准进行简单的结构设计，使其屈服应力在许用应力范围内。除此之外，还参阅相关的设计手册及大量的文献，完成了各个零件图的绘制，还对一篇外文进行了翻译等工作。 关键词：U形管换热器；厚度计算；强度校核；水压试验 He
3、at exchanger is the equipment that transfers a part of heat from the hot fluid to the cold. In some chemical plant construction, heat exchanger is about 40 of the total process equipment. The most versatile and widely used exchangers are the shell-and-tube types.U shape tube heat exchanger is one ty
4、pe of shell-and-tube heat exchanger, U shape tubeThe design manual is about U shape tube heat exchanger, which included technology, calculation of heat exchanger, the structure and intensity of heat exchanger. And Keyword: thickness calculation; strength check; pressure teat目录1.前言11.1 换热器的简介11.1.1 换
5、热器的总体介绍11.1.2换热器的特点11.1.3换热器的主要制造工艺21.1.4换热器的应用31.2 换热器的分类及其优缺点41.3 换热器的发展现状及研究热点51.3.1 换热器的发展现状51.3.2 换热器的发展趋势61.3.3 换热器的研究热点71.4 新型材料换热器82.U形管式换热器102.1 U形管式换热器介绍102.1.1 管壳式换热器结构102.1.2 U形管式换热器的特点112.1.3 U形管式换热器的应用范围112.2设备材料的选择122.3 设计参数的确定132.3.1 设计压力132.3.2 计算压力132.3.3 设计温度132.3.4 厚度及厚度附加量132.3.
6、5焊接接头系数142.3.6 许用应力142.4 管程结构152.4.1 换热管152.4.2 管板162.4.3 换热管与管板连接162.5 壳程结构182.5.1 壳体182.5.2 折流杆182.6开孔和开孔补强设计192.6.1 补强结构192.6.2 开孔补强设计准则202.6.3 允许不另行补强的最大开孔直径212.7焊接接头结构212.8.1 焊接接头形式212.8.3 压力容器焊接接头分类223换热器结构设计计算233.1上下换热器的筒体计算233.1.1计算条件233.1.2厚度的计算233.1.3压力校核243.1.4强度校核243.1.5水压试验243.2 上下换热器的前
7、后封头计算243.2.1 计算条件243.2.2 厚度的计算253.2.3 压力校核253.3上下换热器的管箱计算263.3.1 计算条件263.3.2 厚度的计算263.3.3 压力校核273.3.4 强度校核273.3.5 水压试验273.4 上下换热器的管板设计计算273.4.1 结构尺寸及材料选取273.4.2 管板厚度计算283.5上下换热器的换热管应力计算303.5.1 换热管轴向应力计算303.5.2 换热管与管板的拉脱力313.6上下换热器的接管壁厚计算313.6.1 筒体上接管的壁厚计算313.7补强计算323.7.1 型号为1087mm的接管补强324.零件设计354.1
8、法兰的选择354.2 折流板364.3 拉杆364.4 防冲板384.5 支座38谢 辞40参考文献411前言1.1换热器的简介 1.1.1 换热器的总体介绍换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，石油化工装置不断向大型化发展，要求换热器也相应大型化，而新产品的开发、原料的深度加工和精细化工的发展等则要求换热器型式多样化。另外，又对换热器提出了新的节能要求，如炼油工业中,为了提高换热系统有效能的利用，要求降低换热器的平均温差，这就需要开发新型换热器。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。 1.1.2换热器的特点一般换热器都用金属材
9、料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。石化装置中的换热器有以下特点：(1)大型，如3
10、0万t/a乙烯装置中丙烯冷冻冷凝器，单台传热面积为2880，单重达75t；(2)承受苛刻的操作条件，如乙烯装置中的裂解气急冷器，要承受800左右的高温，11.76MPa的高压，在高压聚乙烯装置中，换热器要承受294MPa的高压，在加氢制苯装置中，进出料换热器的操作温度为637.8，压力约为6.17MPa，介质中含有氢气，操作条件极为苛刻；在乙烯分离装置中，最低温度达到-168.9；(3)耐腐蚀，如异丁烯装置中的酸再生塔再沸器需耐温度为130的50%稀硫酸腐蚀；(4)多样化，在石油化工生产中，除了管壳式换热器外，还有板翅式、板旋板式、空气冷却器等各种型式的换热器。 1.1.3换热器的主要制造工艺
11、管壳式换热器的结构已基本定型。最近几年来，除对高温高压换热器的某些零部件结构进行了研究改进外，其他未有重大进展。因此，目前各国已将着眼点转向于改进制造工艺、提高劳动生产率、选用新型材料、降低成产成本。 管壳式换热器的制造，目前趋向于“多轴制”和 “NC”化（数字控制化）。如管板孔加工和管子与管板的链接方面，已采用了数字程序控制的多头钻床,多头胀管设备等。此外，管子的切断，清锈，弯曲和选择等过程也都已机械化，但穿管作业目前仍处于笨重的人工操作。 由于化工，石油和新兴的石油化工工业的迅速发展，对换热设备提出了很多的特殊要求，例入耐高温，高压和耐腐蚀等。这常常要求采用新的材料和新的制造工艺。复合钢板
12、和双层管制造，各种新的衬里技术和成型方法，材料的表面处理工艺及特殊的链接技术等，已得到普遍重视。因为这些新工艺，新技术的应用，不仅能保证产品质量，满足设计要求，而且能提高生产效率，节约贵重材料，降低制造成本，故在生产实践中易于推广。 管子除根据需要可采用双金属管外，还可以进行各种表面处理。在日本比较盛行采用渗铬，渗铝，喷涂金属或树脂保护层等方法。低合金钢管的内外表面均可以作渗铬，渗铝的处理。经过渗铬，渗铝处理的管子，对于抗硫，硫化物和其他一些腐蚀介质以及耐热等方面，效果很好。但渗铬，渗铝后，金属ASAA机械性能有所降低，而且引其表面硬度增加，使胀管比较困难，喷涂法是将保护材料如不锈钢，铝或合成
13、树脂等喷涂在管子表面，在有应力腐蚀裂纹的场合，短时间内保护效果非常好。 管壳式换热器大都已标准系列化，虽然目前还没有一个被公认是完善的统一的规范，但比较起来，美国TEMA标准在国内通行，并为较多的国家采用或借鉴。换热器的壳体，管箱，封头，法兰等，对其技术要求在标准中都有严格的规定，但他们在制造上与化工容器相比，并无特别之处。唯管子与管板的连接和管板的制造，属换热器制造中的特有部分。尤其是管子与管板的连接工艺，在国外被认为是换热器制造中的最重要的一环，因而各国都很注意，并作了大量的研究工作。 1.1.4换热器的应用换热器的作用可以是以热量交换为目的，即在确定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的
14、热量；也可以是以回收热量为目的，用于余热利用；也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。1.2换热器的分类及其优缺点按作用原理或传热方式分类 (1) 直接接触式换热器这类换热器又称混合式换热器，它是利用冷，热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔，冷却冷凝器等。直接接触式换热器具有传热效率高、单位面积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。 (2) 蓄热式换热器这类换热器又称回热式换热器，它是借助于固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体
15、传递给冷流体的换热器。在换热器内首先由热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后由冷流体通过，由蓄热体把热量释放给冷流体。由于两种流体交替与蓄热体接触，因此不可避免地会使两种流体少量混合。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适合用于气气热交换的场合。 (3) 间壁式换热器这类换热器又称表面式换热器。它是利用间壁将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。间壁式换热器是工业生产中应用最为广泛的换热器，其形式多种多样，如常见的管壳式换热器和板式换热器都属于间壁式换热器。其中，管壳式换热器按照结构特点又可分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。 (4) 中间载流体式换热器这类换热器是把两个间壁式换热器由在其中循环的载流体连接起来
