化工機械與設備課程設計報告

1、化學工程學院化工機械與設備課程設計設計說明書專 業(yè) 化學工程與工藝 班 級 化工11-4 姓 名 沈杰 學 號 11402010417 指 導 老 師 楊澤慧 日 期 2014年6月10日 成 績 化學工程學院2013-2014（2）化工機械與設備課程設計任務書一、課程設計題目：管殼式換熱器的機械設計二、課程設計內容1管殼式換熱器的結構設計包括：管子數n，管子排列方式，管間距的確定，殼體尺寸計算，換熱器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管板尺寸確定塔盤結構，人孔數量及位置，儀表接管選擇、工藝接管管徑計算等等。2. 殼體及封頭壁厚計算及其強度、穩(wěn)定性校核（1）根據設計壓力初定壁厚；（2）確定管板結構、尺

2、寸及拉脫力、溫差應力；（3）計算是否安裝膨脹節(jié)；（4）確定殼體的壁厚、封頭的選擇及壁厚，并進行強度和穩(wěn)定性校核。3. 筒體和支座水壓試驗應力校核4. 支座結構設計及強度校核 包括：裙座體（采用裙座）、基礎環(huán)、地腳螺栓5. 換熱器各主要組成部分選材，參數確定6. 編寫設計說明書一份7. auto cad繪3號設備裝配圖一張三、設計條件1氣體工作壓力管程：半水煤氣（0.80+學號最后兩位第一個數字0.02，單位：mpa）殼程：變換氣 （0.75+學號最后一位數字0.01，單位：mpa）2殼、管壁溫差50，ttts 殼程介質溫度為320-450，管程介質溫度為280-420。3由工藝計算求得換熱面積

3、為（130+學號最后一位數字5），單位：m2。4殼體與封頭材料在低合金高強度剛中間選用，并查出其參數，接管及其他數據查表選用。5殼體與支座對接焊接，塔體焊接接頭系數=0.96圖紙：尺寸需根據自己的設計的尺寸標注。四、進度安排 6月9-6月20日五、基本要求1.學生要按照任務書要求，獨立完成設備的機械設計；2.設計說明書一律采用電子版，指導老師指導修改后打印，3號圖紙終稿打?。?.圖紙打印后，將圖紙按照統(tǒng)一要求折疊，同設計說明書統(tǒng)一在6月20日上午9點半前，由各組組長負責統(tǒng)一提交。5.根據設計說明書、圖紙、平時表現綜合評分。六、說明書的內容 任務書1.符號說明2.前言（1）設計條件；（2）設計依

4、據；（3）設備結構形式概述。3.材料選擇（1）選擇材料的原則；（2）確定各零、部件的材質；（3）確定焊接材料。4.繪制結構草圖（1）換熱器裝配圖；（2）確定支座、接管、人孔、控制點接口及附件、內部主要零部件的軸向及環(huán)向位置，以單線圖表示；（3）標注形位尺寸；（4）寫出圖紙上的技術要求、技術特性表、接管表、標題明細表等；5.殼體、封頭壁厚設計（1）筒體、封頭及支座壁厚設計；（2）焊接接頭設計；（3）壓力試驗驗算；6.標準化零、部件選擇及補強計算（1）接管及法蘭選擇：根據結構草圖統(tǒng)一編制表格。內容包括：代號，pn,dn,法蘭密封面形式，法蘭標記，用途）。補強計算；（2）人孔選擇：pn,dn,標記或

5、代號。補強計算；（3）其它標準件選擇。7.結束語：對自己所做的設計進行小結與評價，經驗與收獲。8.主要參考資料?！靖袷揭蟆浚?.計算單位一律采用國際單位； 2.計算過程及說明應清楚；3.所有標準件均要寫明標記或代號； 4.設計說明書目錄要有序號、內容、頁碼；5.設計說明書中與裝配圖中的數據一致。如果裝配圖中有修改，在說明書中要注明變更；6.表達清晰，層次分明； 7.設計說明書要有封面和封底，均采用a4紙，裝訂成冊。七、主要參考資料1 化工設備機械基礎課程設計指導書.化學工業(yè)出版. 2009.12 化工設備機械基礎第五版 刁與瑋 王立業(yè) 編著 2010.6；3 化工單元過程與設備設計匡國柱 史

6、啟才 主編；4 化工制圖華東化工學院制圖教研室編 人民教育出版社 1980；5 化工設備機械基礎參考資料；6 鋼制壓力容器gb150-2011；7 鋼制塔式容器jb/t 4710-2005；8 gb151-1999 管殼式換熱器1999年；9 壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程國家質量技術監(jiān)督局 1999年。目 錄符號說明vi1 前言11.1 設計條件11.2 設計依據11.3 設備結構形式概述12 材料選擇22.1 選擇材料的原則22.2 換熱器各零、部件的材質22.3 焊接材料23 管殼式換熱器的結構設計33.1 管子數n33.2 管子排列方式、管間距33.3 殼體直徑33.4 殼體壁厚33.5 封

7、頭的選擇43.6 法蘭的選擇43.7 管板尺寸53.8 管子拉脫力53.9 是否安裝膨脹節(jié)73.10 折流板83.11 開孔補強83.12 支座104 管殼式換熱器的強度計算134.1 筒體134.2 封頭145 數據表155.1 結構參數155.2 設計值15結束語16參考資料17符號說明tt操作狀態(tài)下管壁溫度，f換熱面積，m2；ts操作狀態(tài)下殼壁溫度，a管間距，mm焊接接頭系數，無量綱；di殼體內徑，mm；b正六邊形對角線上的管子數，個；do殼體外徑，mm；ln換熱管長度，mm；pc計算壓力，mpa;d均管子的平均直徑，mm；pw工作壓力，mpa;pw最大允許工作壓力，mpa；p設計壓力，

8、mpa;pt水壓試驗壓力，mpa;計算壁厚，mm；dn直徑（公稱），mm；d設計壁厚，mm；pn公稱壓力，mpa；n名義壁厚，mm；pt管子的工作壓力，mpa；e有效壁厚，mm；ps殼體的工作壓力，mpa；c厚度附加量，mm；t管殼壁溫度，；c1鋼板的負偏差，mm；q許用拉脫力，mpa；c2腐蝕欲量，mm；a線膨脹系數，1/c；s屈服點，mpa；f每四根管子之間的面積，mm2；h1曲面高度，mm；at換熱管截面面積，mm2；ho短圓筒長度，mm；as殼壁橫截面面積，mm2；h2直邊長度，mm；f1管、殼壁溫差所產生的軸向力，n；e彈性模量，mpa；f2壓力作用于殼體上的軸向力，n；qt溫差應力

9、，mpa；f3 壓力作用于管子上的軸向力，n；qp在操作壓力下，每平方米脹接周邊受到的力，mpa；脹接長度，mm ；最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，mm；1 前言1.1 設計條件(1) 氣體工作壓力管程：半水煤氣 0.82mpa殼程：變換氣 0.82mpa(2) 殼、管壁溫差50，ttts殼程介質溫度為320-450，管程介質溫度為280-420。(3) 由工藝計算求得換熱面積為165m2。(4) 殼體與支座對接焊接，塔體焊接接頭系數=0.91.2 設計依據換熱器的設計涉及因素很多，如介質的腐蝕性及其他特性、操作溫度與壓力、換熱器的熱負荷、管程與殼程的溫差、檢修與清洗的要求等。具體設計時應綜

10、合考慮各方面因素。對每種特定的傳熱工況，通過優(yōu)化選型都會得到一種最適合的設備型號；如果將這個型號的設備應用到其他工況，則傳熱效果可能會改變很大。因此，針對具體工況選擇換熱器類型，是很重要和復雜的工作。1.3 設備結構形式概述管殼式換熱器是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結構堅固，可選用的結構材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在

11、殼體內安裝一定數目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50以上）時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。2 材料選擇2.1 選擇材料的原則管殼式換熱器的材料應根據操作壓力、溫度及流體的腐蝕性等選用。在高溫下一般材料的力學性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少有的。目前常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金

12、屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。不銹鋼和有色金屬雖抗腐蝕性能好，但價格高且較稀缺，應盡量少用。 (1) 換熱介質條件。主要是指操作壓力、溫度和介質的腐蝕性。要考慮導熱性、耐磨性等其他物化性能。(2) 換熱器的類型。不是每一種材料都能制造各種形式的換熱器。(3) 經濟合理性。在滿足使用和制造要求的前提下，應選用原材料來源廣泛、價格相宜的非金屬材料制造換熱器，盡量節(jié)約成本及投資。2.2 換熱器各零、部件的材質管殼式換熱器各部件的常用材料可參考表2-1。表2-1 管殼式換熱器部件常用材料部件或零件名稱材料牌號碳素鋼不銹鋼殼體、法蘭a3f、a3r、16mnr16mn+0cr18ni9ti法蘭、法蘭蓋

13、16mn、a3（法蘭蓋）1cr18ni9ti管板a41cr18ni9ti膨脹節(jié)a3r、16mnr1cr18ni9ti擋板和支撐板a3f1cr18ni9ti螺栓16mn、40mn、40mnb換熱管10號1cr18ni9ti螺母a3、40mn墊片石棉橡膠板支座a3f2.3 焊接材料見換熱器裝配圖。3 管殼式換熱器的結構設計3.1 管子數n計算：n=779實際：n=773選的無縫鋼管，材質20號鋼，管長3m。因為所以其中，因安排拉桿需減少6根，實際管數773根(3-1)參考：化工設備機械基礎p2273.2 管子排列方式、管間距采用正三角形排列，由化工設備機械基礎表7-4查得層數為15。查化工設備機械

14、基礎表7-5，取管間距a=32mm。3.3 殼體直徑di=1m式中di換熱器內徑，mm；b正六角形對角線上的管子數，查化工設備機械基礎表7-4，取b=31；l最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取l=2d。故圓整后取殼體內徑。(3-2)參考：化工原理上冊p2893.4 殼體壁厚材料選用q245r鋼板，計算壁厚為式中 pc計算壓力，取pc=1.0mpa；(設殼壁溫度為400)；故 取 c2=1.2mm，則c1=0.3mm。圓整后取。(3-3)參考：化工設備機械基礎p2883.5 封頭的選擇上下封頭均選用標準橢圓形封頭，根據gb/t25198壓力容器封頭，封頭為dn10008，曲面高度h1=250m

15、m，直邊高度h2=40mm，如圖3-1所示，材料選用q245r。下封頭與裙座焊接，直邊高度取40mm。圖3-1 橢圓形封頭3.6 法蘭的選擇材料選用q345r。根據nb/t470232012標準，選用dn1000，pn1.6mpa的榫槽密封面長勁對焊法蘭。法蘭尺寸圖如圖3-2所示。圖3-2 容器法蘭3.7 管板尺寸選用固定板式換熱器管板，并兼做法蘭，查相關標準得pt=ps=1.6mpa(取管板的公稱壓力為1.6mpa)的碳鋼管板尺寸，如圖3-3所示。圖3-3 管板3.8 管子拉脫力計算數據按表3-1選取。表3-1 數據表項目管子殼體操作壓力/mpa0.820.82材質20鋼q245r線膨脹系數

16、/(1/)12.910-612.910-6彈性模量/mpa0.1831060.183106許用應力/mpa9191尺寸/mm252.5300010008管子根數773管間距/mm32管殼壁溫差/t=50管子與管板的連接方式開槽膨接脹接長度/mml=50許用拉脫力/mpa4.0(1) 在操作壓力下，管子每平方米脹接周邊上所受到的力qp=0.083(mpa)其中， (3-4)(3-5)參考：化工設備機械基礎p220(2) 溫差應力導致管子每平方米脹接周邊上所受到的力qt=0.83(mpa)q=0.913(mpa)其中則由已知條件可知，qp與qt的作用方向相同，都使管子受壓則管子的拉脫力：因此，拉脫

17、力在許用范圍內。(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)(3-10)參考：化工設備機械基礎p2213.9 是否安裝膨脹節(jié)不必安裝膨脹節(jié)管殼壁溫差所產生的軸向力f1：壓力作用于殼體上的軸向力f2：其中則壓力作用于管子上的軸向力f3：則根據gb151-1999管殼式換熱器條件成立，故本換熱器不必安裝膨脹節(jié)。(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)(3-15)(3-16)(3-17)參考：化工設備機械基礎p2243.10 折流板折流板為弓形，折流板間距取600mm，由化工設備機械基礎表7-7查的折流板最小厚度為6mm，由化工設備機械基礎表7-9查的折流板外徑為995.5mm，材料為q235-

18、a鋼，如圖3-4所示。圖3-4 折流板拉桿選用12，共6根，材料為20鋼。3.11 開孔補強換熱器殼體和封頭上的接管處開孔需要補強，常用的結構是在開孔外面焊上一塊與容器壁材料和厚度都相同，即8mm厚的q245r鋼板。(1) 接管厚度及開孔直徑(mm)d=252(mm)由已知條件得殼體計算厚度接管計算厚度為其中do=258mm，選用20鋼，查表得t=92mpa開孔直徑為：(3-18)(3-19)參考：化工設備機械基礎p88化工單元過程及設備課程設計p139(2) 接管寬度、高度b=504(mm)h=44.8(mm)已知殼體名義厚度，補強部分厚度為接管有效補強寬度為接管外側有效補強高度(3-20)

19、(3-21)參考：化工單元過程及設備課程設計p139(3) 補強面積a=2008(mm2)sk=6.14(mm)需要補強的金屬面積為：可以作為補強的金屬面積為：尚需要另加的補強面積為：補強圈厚度實際取補強圈與筒體等厚sk=8mm，則另行補強面積：(3-22)(3-23)(3-24)(3-25)(3-26)(3-27)(3-28)參考：化工單元過程及設備課程設計p139同時計及焊縫面積a3之后，該開孔補強的強度足夠。其補強結構如圖3-5所示。圖3-5 換熱器開孔補強結構3.12 支座(1) 裙座設計采用圓筒形裙式支座，裙座與塔體的連接采用焊接，由于對接焊縫的焊縫受壓，可承受較大的軸向力，故采用對

20、接形式見圖3-6。取裙座外徑與封頭外徑相等。并且取裙座的厚度與封頭的厚度相同。即裙座尺寸為10008mm。裙座材料選用q235a。圖3-6 裙座殼與殼體的對接型式無保溫層的裙座上部應均勻設置排氣孔，其規(guī)格和數量參照下表3-2。表3-2 排氣孔規(guī)格和數量容器內直徑di6001200140024002400排氣孔尺寸8080100排氣孔數量，個244排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離140180220因此設置兩個排氣孔，排氣孔尺寸為80，排氣孔中心線至裙座殼頂端的距離為140，裙座上排氣孔的設置見圖3-7。圖3-7 裙座上部排氣孔的設置塔式容器底部引出管一般需伸出裙座殼外，引出孔尺寸見下表3-3。表3

21、-3 引出孔尺寸引出管直徑d20、2532、4050、7080、100引出孔的加強管無縫鋼管13341594.521962738卷焊管-200250引出孔的加強管選用q235-a的無縫鋼管，引出管直徑選用20，引出孔結構示意圖見圖3-8。圖3-8 引出孔結構示意圖(2) 基礎環(huán)設計基礎環(huán)尺寸的確定基礎環(huán)的結構基礎環(huán)選用有筋板的基礎環(huán)示意圖見圖3-9。圖3-9 有筋板基礎環(huán)有筋板基礎環(huán)厚度的設計操作時或水壓試驗時，設備重力和彎矩在混凝土基礎環(huán)（基礎環(huán)底面上）所產生的最大組合應力為基礎環(huán)上的最大壓應力可以認為是作用作用在基礎環(huán)底上的均勻載荷。表3-4 混凝土基礎的許用應力ra混凝土標號 ra/mp

22、a混凝土標號 ra/mpa混凝土標號 ra/mpa75 3.5100 5.0 150 7.5200 10.0250 13.0同樣，根據工藝要求和前人的經驗，可確定基礎環(huán)的厚度為20mm，材料選用為q235-a。(3) 地腳栓設計為了使塔設備在刮風或地震時不至翻倒，必須安裝足夠數量和一定直徑的地腳螺栓，把設備固定在基礎環(huán)上。地腳螺栓承受的最大拉應力為如果，則設備自身足夠穩(wěn)定，但為了固定塔設備的位置，應設置一定數量的地腳螺栓。如果，則設備必須安裝地腳螺栓，并進行計算。計算時可先按4的倍數假設地腳螺栓的數量為n，此時地腳螺栓的螺紋小徑（mm）：螺紋小徑與公稱直徑見下表3-5。表3-5 螺紋小徑與公稱

23、直徑對照表螺栓公稱直徑 螺紋小徑/mm螺栓公稱直徑 螺紋小徑/mmm24 20.752m27 23.752m30 26.211m36 31.670m42 37.129m48 42.588m56 50.046選用q235-a，計算后，選取地腳螺栓為，n=8,相應螺母m30，8個，則其尺寸查表，得表3-6 m30螺母的尺寸螺栓m30364228123001201704 管殼式換熱器的強度計算4.1 筒體液壓實驗應力校核t=96.78(mpa)式中，pt=1.25p=1.251.0=1.25(mpa)，rel=245(mpa)化工設備機械基礎(附表6-1)則而可見，所以水壓試驗強度足夠。(3-29)

24、(3-30)(3-31)參考：化工設備機械基礎p97強度校核t=77.42(mpa)pw=1.06(mpa)設計溫度下的計算應力：最大允許工作壓力：故強度足夠。(3-31)(3-32)(3-33)參考：化工設備機械基礎p88、974.2 封頭=6.12(mm)pw=1.06(mpa)t=63(mpa)標準橢圓形封頭計算厚度：最大工作壓力：壓力實驗：壓力實驗滿足要求。(3-34)(3-35)(3-36)參考：化工設備機械基礎p88、975 數據表5.1 結構參數表5-1 結構參數數據表設備結構參數形式列管式臺數1殼體內徑，mm1000殼程數1管徑，mm管心距，mm32管長，mm3000管子排列正三角形管數目，根779折流板數，塊4