大学生毕业设计(石油化工生产技术)

大学生毕业设计（石油化工生产技术）摘要换热器是化工、石油、动力、冶金、交通、国防等工业部门重要工艺设备之一，其正确的设置，性能的改善关系各部门有关工艺的合理性、经济性以及能源的有效利用与节约，对国民经济有着十分重要的影响。

换热器的型式繁多，不同的使用场合使用目的不同。

其中常用结构为管壳式，因其结构简单、造价低廉、选材广泛、清洗方便、适应性强，在各工业部门应用最为广泛。

固定管板式换热器管束连接在管板上，管板与壳体焊接。

其优点是结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易堵管或更换；缺点是当管束与壳体的壁温或材料的线胀系数相差较大时，壳体与管束将会产生较大的热应力，这种换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢、并能进行清洗、管程与壳程两侧温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。

关键词：固定管板式换热器压力容器第一章绪论化工生产离不开化工设备，化工设备是化工生产必不可少的物质技术基础，是生产力的主要因素，是化工产品质量保证体系的重要组成部分[1]。

然而在化工设备中化工容器占据着举足轻重的地位，由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器一般有筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组成，通常为压力容器，因为压力容器是化工设备的主体，对其化工生产过程极其重要，国家对其每一步都有具的标准对其进行规范，如：中国《压力容器安全技术监察规程》、gb150—1998《钢制压力容器》、gb151—1999《管壳式换热器》等。

在其中能根据不通的操作环境选出不同的材料，查出计其允许的工作压力，工作温度等[。

换热器简单说是具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备。

在工业生产过程中，进行着各种不同的热交换过程，其主要作用是使热量由温度较高的流体向温度较低的流体传递，使流体温度达到工艺的指标，以满足生产过程的需要。

此外，换热设备也是回收余热，废热，特别是低品位热能的有效装置。

什么是管壳式换热器管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。

是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

管壳式换热器的分类是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。

挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。

等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

图表 1管壳式换热器流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。

图示为最简单的单壳程单管程换热器,简称为1-1型换热器。

为提高管内流体速度,可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分成若干组。

这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程。

同样，为提高管外流速，也可在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。

多管程与多壳程可配合应用。

第二章总体结构设计本次流体输送与传热工段换热器的设计，所选用的换热器为卧式固定管板式换热器。

如图2-1所示。

其基本结构特点是两块管板分别焊于壳体的两端，管束两端固定在管板上。

固定管板式换热器结构固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。

固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。

这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

换热器设计的优劣最终要看是否适用、经济、安全、运行灵活可靠、检修清理方便等等。

一个传热效率高、紧凑、成本低、安全可靠的换热器的产生，要求在设计时精心考虑各种问题.准确的热力设计和计算，还要进行强度校核和符合要求的工艺制造水平。

第三章机械设计工艺条件设计计算(1) 管子数n换热管常用的金属材料有20, q235 — a, 16mnr等。

40co，壳程进口温度为70co。

选取换热管材料为20号钢。

查教材化工设备，标准管长有、、、、、（单位为m），截取标准管长为3m。

按教材公式换热器的管数n为：采用正三角形排列，正三角形排列比较紧凑，在一定的壳径内可排列较多的管子，且传热效果好，但管外清洗较为困难。

而正方形排列，管外清洗方便，适用于壳程中的流体易结垢的情况，其传热效果较正三角形差些。

以上排列方式中最常用的是正三角形错列，用于壳侧流体清洁，不易结垢，后者壳侧污垢可以用化学处理掉的场合。

层数为14，换热器内管子总根数为721，拉杆数为10，所以实际管数711根。

（2）管间距的确定由表可知，取管间距a=32mm。

（3）换热器壳体直径的确定di=a（b-1）+2d0式中 di ——换热器内径，mm；b ——正六角形对角线上的管子数，查表，取b=29；d0 —最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取d0=25。

故 di=32*(29-1)+2*25=946 mm圆整后取壳体内径 di=1000mm(4)换热器壳体壁厚的计算材料选用20r钢，计算壁厚为腐蚀裕量c2=，查表得c1=。

圆整后取δn=（5）换热器封头的选择选取标准椭圆形封头。

由于本次设计的换热器壳程压力头制造比其他封头容易冲压形成，应力分布也比较均匀，为了便于焊接、经济合理，选取标准椭圆形封头。

材料选用与筒体相同20号钢。

与筒体的壁厚计算相同，所以椭圆形封头的壁厚也是。

由封头厚度查化工设备表2-15得直边高h=40mm。

查封头jb4746-XX表3-3,封头的曲面高度h=250mm。

（6）容器法兰的选用湖南石油化工职业技术学院材料选用16mnr。

根据jb/t 4701-XX标准，选用dn1000，的凹凸密封面甲型平焊法兰。

法兰尺寸如图2-2所示(7)管板尺寸的确定选用固定式换热器管板，并兼作法兰，材料选用20r，尺寸如图2-3所示。

(8)折流板设计折流板为弓形， h=3/4di=750mm湖南石油化工职业技术学院折流板间距取600mm;折流板最小厚度为6mm，折流板外径为，材料为q235-a钢，如图2-4所示。

拉杆选用，共10根，材料为q235-a钢。

（9）膨胀节根据gb151-1999附录f的计算方法进行换热管壁温的计算，从设备的具体操作情况，可以假定k、dr、q和a保持不变，进行简化计算：热流体的平均温度tm为：式中：ti——壳层热流体的入口温度，40co；to——壳层热流体的出口温度，70co；则：tm=冷流体的平均温度mt为：式中：ti——管层冷流体的入口温度，30℃；to——管层冷流体的出口温度，35℃；湖南石油化工职业技术学院即换热器管壁温为℃。

圆通壁温ts的计算：应外部有良好的保温，故壳体壁温可取壳层流体的平均温度：ts=tm=℃管壳层温差：△t=ts－t t=－=24℃＜50℃所以无需换热管排列形式换热管的常用排列方式主要有正三角形、转角三角形、正方形和转角正方形。

由于三角形排列较为广泛，而且在同一直径管板面积上可排列较多换热管，所以管束采用三角形排列如图3-1，由化工设备教材表5-3可知换热管中心距s 为25㎜。

筒体查教材化工设备，筒体的材料主要有碳素钢、低合金钢钢板、不锈钢钢板等。

根据筒体所承受的压力机壳程流体的性质等，选取碳素钢中的20号钢作为筒体的材料。

（1）筒体厚度材料选用20r钢，计算壁厚为式中 pc——计算压力，取pc==di=1000mm；ø=故δ=因为δ小于δmin=3mm，所以取δ=3mm。

腐蚀裕量c2=，查表得c1=。

圆整后取δn=钢板厚度负偏差1c=(假设名义厚度为34mm)，取腐蚀裕量2c=1,厚附加量12ccc,=。

设计厚度: ；按照gb450-1998规定对碳素钢、低合金钢制容器, ,所以取钢板最小厚度3mm，加上2c,考虑到壳体需要进行焊接，使其不被焊透，根据《化工设备机械基础》筒体的最小焊接厚度为5mm，所以最后按厚度规格向上圆整后取筒体的名义厚度为6mm。

所以无缝钢管的外直径为273。

（2 筒体的长度根据换热器设计手册，长径比在5-15，换热管伸出管板的长度为l1=。

圆筒节长度l为：式中：b——管板厚度，34mm；l1——换热管伸出管板的长度，；则:l=1500-2×(34-4)=1437mm管板的设计与计算查换热器设计手册，管板常用的材料有低碳钢、普通低合金钢、不锈钢、合金钢和复合钢板等，由于本次的设计压力在，属于低压，所以选用碳素钢中的16mnr。

管板型式采用整体管板如图3-3，各部分尺寸查表3-4，管板管孔尺寸查gb151-1999见表3-5。

折流板根据换热器计算手册折流板的形式弓形折流板、圆盘-圆形折流板、矩形折流板。

由于本次换热器的直径较小，所以本次卧式换热器的折流板采用弓形折流板中的单弓形。

材料选用低合金15crmor。

通过拉杆与定距管固定。

折流板各部尺寸取52mm。

查换热器的设计手册表3-9得厚度为3mm。

查换热器设计手册表3-10得外直径为259mm。

折流板布置查换热器设计手册表3-11，可知折流板管孔的直径为，在缺口朝下的折流板的最高处开通气孔如图3-8。

根据换热器设计手册，对于安放位置，一般应使管束两端的折流板尽可能的靠近壳层进出口接管，其余折流板按等距离布置，靠近管板的折流板与管板间的距离l为如图3-9：式中：l1——导热油接管中心距管板密封面的距离，73mm；b2——防冲板长度，当无防冲板时，可取2b=id（导热油接管内径），14mm；b——管板厚度，34mm；所以第一块折流板距离接管dn20中心长度为l：折流板的间距取131mm，折流板的距离总长为l=1437-124=1313mm，所以共需11块折流板。

拉杆、定距管根据gb151-1999,由于换热管规格为ø19㎜×2㎜，采用拉杆定距管形式如图3-7拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。

材料选用q235-a，同时拉杆应尽量均匀布置在管束外边缘。