1、 學號： 11403438 常 州 大 學畢業設計（論文）（2015屆）題 目 江蘇斯爾邦醇基多聯產項目26萬噸/年丙烯腈裝置- - 蒸汽冷卻器設計 學 生 鄒侗 學 院 懷德學院 專業班級 裝備（懷）111 校內指導教師 張琳 專業技術職務 教授 校外指導老師 邱鵬 專業技術職務 工程師 二一五年三月 江蘇斯爾邦醇基多聯產項目26萬噸/年丙烯腈裝置-蒸汽冷卻器設計摘 要：在江蘇斯爾邦醇基多聯產項目26萬噸/年丙烯腈裝置中，為了使生產過程中的水得到充分利用，將產生的水蒸汽冷凝。故需設計一臺蒸汽冷卻器使流體溫度達到工藝流程中所需的溫度要求，滿足工業生產的需要，同時也可以提高能源的利用率。本設計冷

2、凝器從工作原理上劃分屬于換熱器的一種，故結合化工工藝設計手冊 、換熱器設計手冊、鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊等相關規范了解換熱器的設計、發展、用途等方面的知識，通過氣液熱交換器的設計過程為主線，從工藝、結構及強度校核等幾個方面體現設計過程。本設計的主要內容為：（1）對換熱器的基本結構和原理進行簡單的闡述。（2）根據給定的工藝技術參數以的相關條件，進行工藝計算。（3）綜合考慮換熱管束、管板、管箱、殼體、折流板、進、出接管及防沖與導流等結構部分的設計并進行強度校核。（4）對換熱器的制造檢驗安裝進行簡介。本文是在壓力容器的設計基礎上，查閱常規換熱器的設計標準，綜合考慮下得出換熱器的設計數據，

3、結果表明符合工藝要求，滿足本工程設計的需求。關鍵詞：蒸汽冷卻器；工藝計算；結構設計；整體校核；設計規范Jiangsu Sier Bang Alcohol polygeneration project 260,000 tons / year of acrylonitrile plant-The Steam Cooler DesignAbstract：Jiangsu Sier Bang Alcohol polygeneration project 260,000 tons / year of acrylonitrile plant in order to make the production p

4、rocess of water are fully utilized, the resulting water vapor condensation. It is necessary to design a steam cooler fluid temperature reaches a predetermined temperature indicators processes to meet the needs of process conditions, but also can improve energy efficiency. The design of the condenser

5、 from the working principle of a division belonging to the heat exchanger, it is combined with "Chemical Process Design Manual", "Heat Exchanger Design Handbook", "steel tube Fixed tube sheet heat exchanger design handbook" and other knowledge-related specification for

6、heat exchanger design, development, use and other aspects of the design process by gas heat exchanger main line, reflecting the design process from several aspects, structure and strength check. The main contents of this design are: (1) The basic structure of the heat exchanger and the principle of

7、a simple exposition. (2) according to the given technical parameters related to the conditions, the process calculation. Moiety (3) Considering the heat exchange bundles, tube plates, tube box, shell, baffles, into and out of the red and the like takeover and anti-diversion design and strength check

8、. (4) heat exchangers, manufacturing and testing installation Introduction. This article is designed on the basis of the pressure vessel, consult a conventional heat exchanger design standards come under the heat exchanger design data into account, the results indicate that meet the technical requir

9、ements to meet the needs of the engineering design.Keywords: Steam cooler; process calculation; structural design; overall check; design specifications目 錄摘要.Abstract.目錄.術語表.1 緒論.11.1換熱器簡介.11.2固定管板式換熱器簡介.11.3換熱器結構分析.12 工藝計算.22.1. 基本設計參數.22.2 確定各介質的物性參數.22.3 計算總熱流量.22.4 初設總傳熱系數.32.5 初選換熱器規格.32.6 校核總傳熱

10、系數K.32.6.1 管程傳熱膜系數計算.32.6.2 殼程傳熱膜系數計算.32.6.3 總傳熱系數K.42.7 校核壁溫.42.8 校核冷凝液流型.52.9 接管尺寸的確定.52.9.1 管程進出口.52.9.2 水蒸汽進口.52.9.3 冷凝水出口.62.10壓力降計算校核.62.10.1 管程的壓力降.62.10.2 殼程的壓力降.63 換熱器結構設計及校核.73.1 管程封頭設計與校核.73.2 管程筒體設計及水壓試驗.83.3 開孔補強.93.3.1 殼程接口處的開孔補強.93.3.2 管程接口處的開孔補強.103.4 接管最小位置.113.4.1 殼程接管最小位置.113.4.2

11、管程接管最小位置.113.5 排氣排液管設計.123.6 管板法蘭及螺栓設計與校核.133.6.1 管板及法蘭設計.133.6.2 管板強度校核計算.143.6.3 法蘭墊片和螺栓計算及校核.173.6.4 設計條件不同危險組合工況的應力計算.193.7 殼程筒體設計與水壓試驗.213.8 管束拉桿及定距管.223.8.1 換熱管的設計及校核.223.8.2 拉桿的選取.223.8.3 定距管.233.9 折流板設計.233.10 防沖板設計.243.11 旁路擋板設計.253.12 吊耳設計.263.13 鞍座的選取及強度校核.263.13.1 鞍座結構的選取.273.12.2 鞍座的強度校

12、核.284 設備的制造安裝與檢驗.324.1制造設計與材料要求.324.2設備安裝.324.3設備檢驗.325 結束語.33參考文獻.34致謝.35 術 語 表VI常州大學本科生畢業設計（論文）1 緒論1.1換熱器簡介換熱器是使在不同溫度下兩種或多種流體化工設備之間的材料實現熱交換的一種設備，是一種將熱量從較高溫度的流體傳遞到較低溫度下的流體，以此來達到使流體溫度變為規定溫度的工藝要求的設施。不僅如此，在要求節能減排的當今社會中換熱器的使用還可以提高工藝過程中的能源利用效率1。為了響應國家的節約能源，降低消耗的號召，充分利用生產過程中過剩的熱量，并且進一步的提高化工等產業的經濟效益，因此，需要

13、制定不同的適應工業過程的高性能換熱設備。由于當今社會的經濟水平飛速發展，人們開始更多地關注所有的能源利用的細節2。也需要更豐富，更便捷的方式來提供熱量的傳遞，這種需求不斷的增長。目前各個國家提高為了熱交換器的傳熱性能，開始了大量的研究。1.2固定管板式換熱器簡介固定管板式換熱器是一種當今社會中常見的熱交換器，它的特點結構設計較簡單，制造成本較低，殼程和管程可多樣化設計制造。由于其使用的歷史悠久而且有著較為完善的相關規范標準，在西方發達國家經過時間的檢驗。因此，在工程設備中固定管板式換熱換器已被廣泛應用。此熱交換器的結構相對簡單，運行可靠。可用各種金屬材料制造，能在高溫、高壓下等條件下使用3。雖

14、然沒有在傳熱效率，緊湊等方面勝過等新型高效熱交換器，但它具有處理量較大，結構比較可靠，材料范圍廣，適應性強，操作彈性大，易于制造，生產制造成本低等特點4。但是也是由于結構簡單的原因，雖然設計使用清理方便，但在使用過程中較大的熱應力在殼體和管束中容易產生。為了減少熱應力對固定管板式換熱器的影響，可以在固定管板式換熱器中設置一些元件，來吸收熱膨脹差的影響保證正常的工作5。1.3換熱器結構分析通常情況下冷凝器是一種制冷器件，用來將氣體或蒸汽轉換為液體，在化工裝置被廣泛使用，是化工行業不可或缺的重要設備。工業設計中，因其工作原理與換熱器相似，故劃分為換熱器的一種6。 此換熱器器的封頭選用旋轉橢圓球面母

15、線的長、短軸之比2.0的橢圓形封頭，由旋轉橢圓球面和圓筒形直段兩部分組成，擁有著更好的整體性能。封頭焊在管程筒體上與筒體合為一個整體。管箱和筒體用管板連接。管板，是一種固定管束并把管程與殼程流體分開的熱交換器的配件。為了使兩種流體間換熱更加效率提高傳熱的效果，還應設計安裝折流板在殼程中。本設計的殼程數為一，殼程的介質為氣體，故采用的是左右布置的折流板7。考慮到工藝因素還應安裝相對應的接管以及固定的鞍座。經過多年的使用經驗提高換熱效率等因素還要安裝吊耳、防沖板等附件。2 工藝計算2.1 基本設計參數 根據給定的設計任務書，本設計的基本工藝參數如下表2.1所示。表2.1基本設計參數參數名稱管程殼程

16、介質循環水水蒸氣（冷凝水）入口溫度 33105出口溫度 43105工作壓力 MPa0.540.02流量 kg/h70002.2 確定各介質的物性參數 管程定性溫度：.（2.1） 殼程定性溫度： .（2.2）根據對應的定性溫度，分別查取管程與殼程流體的物性參數得到相應溫度下的物性參數如表2.28。物性參數管程殼程（水蒸氣）殼程（冷凝水）密度 993.20.705954.7定壓比熱容 4.181.924.23導熱系數 0.6270.0250.684動力黏度 /mPa·s0.6780.01250.27表2.2 管程與殼程的物性參數表2.3 計算總熱流量 水蒸氣105時的凝結潛熱：.（2.3

17、）.（2.4） 管程流量:：.（2.5） 對數平均溫差的計算：.(2.6)2.4 初設總傳熱系數 由于以水為介質的換熱器較為常見，考慮到工作裕量，故參考常見的換熱器傳熱系數，初選K=1400，所需傳熱面積A:.(2.7)2.5 初選換熱器規格 參考換熱器設計規范選擇固定管板式換熱器的常見規格9如下表2.3。表2.3 初選換熱器規格固定管板式換熱器（BEM）規格公稱直徑D600mm公稱換熱面積A48.26m2管程數Np1管數n423管長L2.0m管子直徑19mm×2.0mm管束的排列方式正三角形 換熱器實際換熱面積：AO=ndo（L-0.1）=423×3.14×0.

18、019×（2-0.1）=47.95m2.(2.8) 該換熱器所要求的總傳熱系數：.(2.9)2.6 校核總傳熱系數K2.6.1 管程傳熱膜系數計算 查閱化工工藝設計手冊后得知管內傳熱膜系數公式8計算：.(2.10).(2.11) 選用化工工藝設計手冊公式（15-8）.(2.12) 其中qvi為管中流量，n為管束數目，di管內徑，為管內流體的密度，為管內流體的粘度，U為管內流體的流速。2.6.2 殼程傳熱膜系數計算 選擇化工工藝設計手冊的Nusselt傳熱膜系數公式8。現假設壁溫為84oc，則冷凝液的平均溫度為0.5（105+84）=94.5oc與其飽和溫度很接近，故可以使用105oc

19、時的物性參數。.（2.13） 其中為冷凝水密度，g為重力加速度，為焓變，為冷凝水熱導率，為粘度，為壁溫溫差，d為管外徑。 換熱介質中管程的水污垢熱阻數值為，而殼程的水蒸氣污垢熱阻數值為。2.6.3 總傳熱系數K .(2.14) 傳熱系數的校核： 算出的K與假設的K的比值在1.1-1.2之間。符合工藝設計要求，故合格。2.7 校核壁溫.(2.15) 與假設的84oc很接近，可以接受2.8 校核冷凝液流型 符合工藝設計要求，故合格。2.9 接管尺寸的確定2.9.1 管程進出口 流體進出口接管的內徑計算式10： 取管程接口處介質的流動速度u=6m/s。 溶液體積流量：. (2.16) 循環水進出口直

20、徑：.(2.17) 取標準管168×7.0mm。2.9.2 水蒸汽進口取水蒸氣入口處的流體流動速度u=90m/s。蒸汽體積流量：.(2.18)蒸汽進口接管直徑：.（2.19）故選用標準尺寸219×8.0mm。2.9.3 冷凝水出口 取殼程接口介質的出口的流速為u=0.6m/s。冷凝水的體積流量：.(2.20)接管的出口直徑：.(2.21)故選取標準尺寸89×7.5mm。 2.10 壓力降計算校核2.10.1 管程的壓力降 .(2.22) 其中Ft為結構校正系數去1.5，Np為管程數，Ns為殼程數11。.（2.23）其中取粗糙度為0.1mm.(2.24).(2.25

21、).(2.26) 10999Pa=0.011MPa與熱交換器管程的壓力降經驗值0.01-0.1MPa相比較在范圍之內。故管程的壓力降合格。2.10.2 殼程的壓力降 查閱相關資料，采用Kern法計算殼程的壓力降:.(2.27).(2.28).(2.29) 摩擦系數f由化工工藝設計手冊圖15-22取0.09.(2.30) 其中折流板缺口為25%故由化工工藝設計手冊表15-16取0.154.(2.31).(2.32).(2.33) 其中G為氣相進料量，Ds為殼徑的大小，LB為折流板的間距，Ncr為近中心的管數，Nw為缺口處的管數。.(2.34) 3273Pa=0.0033MPa與熱交換器殼程壓力降

22、經驗值0.001-0.01MPa相比較在范圍內。故殼程的壓力降合格。3 換熱器結構設計及校核 換熱器參考設計基本型式為BEM，其中B代表的是管箱的端部為橢圓形封頭的封頭管箱；E代表單程殼體；M代表與B相似的固定管板結構。其中熱交換器的管板延長部分兼作法蘭，支座為鞍式支座。圖3.1 固定管板式換熱器的結構示意圖3.1 管程封頭設計與校核 材料：Q245R ，標準號：GB/T25198-2010 ，采用橢圓形封頭采用長短軸比值為2的標準橢圓形封頭，橢圓形封頭受內壓，其中焊接接頭系數取0.85。圖3.2封頭結構尺寸示意圖 厚度計算公式：.(3.1).(3.2) 封頭腐蝕裕量為： 封頭厚度負偏差： 根

23、據鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊的規定，取橢圓形封頭的最小厚度8mm12。 封頭的名義厚度為： 封頭的有效厚度為： 封頭橢圓形封頭允許工作壓力的最大值13為：.(3.3) 由于0.704Mpa1.7Mpa 封頭壓力符合工藝要求。 封頭單個重27.47kg，總重54.84kg。3.2 管程筒體設計及水壓試驗 筒體材料：Q245R 常溫下 設計溫度下 設計溫度下的筒體的計算厚度為：.(3.4) 筒體的腐蝕裕量為： 鋼材的厚度負偏差： 根據鋼制列管式固定管板換熱器結構設計手冊取熱交換器筒體最小厚度8mm 圓筒的名義厚度 圓筒的有效厚度 設計溫度下圓筒的計算應力：.(3.5) 其中 符合工藝要求

24、。 參考換熱器設計標準選取管程筒體 ， L=300mm 。 管程水壓試驗： 管程最大工作壓力：.(3.6) 水壓試驗下壓力：.(3.7) 校核合格 管程筒體單個重30kg，總重為60kg。3.3 開孔補強3.3.1 殼程接口處的開孔補強 查閱過程設備設計了解開孔補強并對開孔處進行開孔補強校核14。 （1）開孔處的計算厚度：.(3.8) 開孔處的有效厚度 接管處的有效厚度 （2）對于受內壓的圓筒所需要的補強面積計算：.(3.9) 其中 取為1 （3）有效補強范圍： a 接口處有效寬度B確定： 取其中大者，則 b 接口處外側有效高度： 取其中小者，則 c 接口處內側有效高度： （實際內伸高度） 取

25、其中小者，則 （4）接口處實際有效補強面積： 多余的金屬面積為筒體有效厚度減去計算厚度A1：.(3.10) 其中多余的金屬面積為接管有效厚度減去計算厚度A2，焊縫金屬在有效補強區內的截面積大小為A3。接口處實際有效補強面積之和為。其中 故 ，所以不需另行增加補強面積，開孔處無需采用補強圈補強。3.3.2 管程接口處的開孔補強 （1）開孔處的計算厚度：.(3.11) 開孔處的有效厚度 接管處的有效厚度 （2）對于受內壓的圓筒需要的補強面積：.(3.12) 其中 取為1 （3）有效補強范圍： a 有效寬度B的確定: 取其中大者，則 b 外側的有效高度： 取其中小者，則 c 內側的有效高度 （實際內

26、伸高度） 取其中小者，則 (4)接口處實際有效補強面積： 多余的金屬面積為筒體有效厚度減去計算厚度A1：.(3.13) 其中多余的金屬面積為接管有效厚度減去計算厚度A2，焊縫金屬在有效補強區內的截面積大小為A3。接口處實際有效補強面積之和為。其中 故 ，所以不需另行增加補強面積，開孔處無需采用補強圈補強。3.4 接管最小位置在換熱器的設計中接管應該靠近殼程兩端的管板，這樣可以達到使該熱交換器的傳熱面積進行充分合理的利用的目的15 。這樣做的話還可以縮短管箱殼體的長度使管程的流體進、出口接管處應盡可能的靠近管箱法蘭，這樣設計可以減輕設備的總重量。但是，所以管口處也不能距離管板法蘭太近，為了保證設

27、備的制造安裝能正常進行，所以接管有了最小位置的限制。根據換熱器設計手冊中公式（1-6-3）和（1-6-5）確定接管的最小位置。3.4.1 殼程接管最小位置圖3.3 殼程接管位置 殼程入口.(3.14) 取L1尺寸為300mm 殼程出口.(3.15) 取L1尺寸為170mm3.4.2管程接管最小位置圖3.4 管程接管位置 管程入口.(3.16) 取L2尺寸為250mm 管程出口.(3.17) 取L2尺寸為250mm B管板厚度，mm； L1/L2管箱接管位置最小尺寸，mm； C管外壁至管板距離，取C4S（S為殼程/管箱外壁厚度，mm）且30mm； dH接管外徑，mm。3.5 排氣排液管設計 在換

28、熱器的殼程和管程上方設計排氣口，在殼程和管程的下方設計排液口，這樣設計的熱交換器中可以提高傳熱的效率，排除或回收工作過程中的殘氣及凝液。所以在不能借助其他接管排氣及排液的熱交換器要設計排氣排液管。一般的排氣排液管結構尺寸結構如下圖所示15。排氣排液口的尺寸不得小于15mm。圖 3.5 臥式換熱器的排氣、排液管示意圖取接管=32×2.5，數量4個，材料為20 鋼。根據鋼制管法蘭選取法蘭型號：長高頸法蘭LWN25-150 RF Sch40數量4個，材料16Mn；3.6 管板法蘭及螺栓設計與校核3.6.1 管板及法蘭設計 管板是管殼換熱器重要的一部分，它不僅是連接換熱管管箱和筒體的元件，因為還要兼做法蘭，所以在設計過程中還應考慮其強度方面的要求15。圖3.6固定式管板兼做法蘭的結