换热器设计完整版.doc
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1、原油-减压渣油换热器设计摘 要换热器是用于物料之间进行热量传递的过程设备。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。在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已获得好的经济效益。因而,在大型化工及石油化工生产过程中,换热器得到越来越广泛的应用。在化工厂中,换热器所占比例也有了明显提高,成为最重要的单元设备之一。在浮头换热器设计过程中,严格按照GB150-1998钢制压力容器和GB151-1999管壳式换热器等标准进行设计和计算。 本设计过程中,包括了三个部分:说明计算部分、绘图部分、翻译部分。说明部分
2、主要阐述了对各部分零件的制造工艺过程、零部件材料的选择、及换热器设备的发展趋势,最后对换热器的制造进行了检验和检测。计算部分主要是对筒体、封头、管板和管板与换热管连接进行了校核,并且对筒体和封头进行了水压试验和强度校核。除此之外,还参阅相关的设计手册及大量的文献,完成了一张总装配图和五张零件图的绘制,还对两篇外文进行了翻译等工作。关键词:设计, 校核, 换热器The Design of Crude OilVacuum Residue Heat ExchangerAbstractHeat exchanger is used in the materials to carry on the the
3、rmal transmission the process. Through this kind of equipment, materials achieve assignment the temperature to satisfy the craft the request. At present, in large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry installment, each kind of heat transfer the combination can reasonably use
4、 each rank fully the energy, cause the production the unit energy consumption to reduce, thus reduce the production the cost to obtain the high economic efficiency. Thus, in the large-scale chemical industry and in the petroleum chemical industry production process, the heat exchanger obtains the mo
5、re and more widespread application. In the chemical plant, the heat exchanger accounted for the proportion also to have the distinct enhancement, became one of most important unit equipment. In the floating head heat exchanger design process, the design and the calculations. carry on strictly accord
6、ing to GB150-1998 Steel Pressure vessel and GB151-1999 Tubular heat exchangers the standards.In this design process, including three parts: explanation calculations part,cartography part, translation part. Explanation computation the part mainly elaborated to various part of components manufacture t
7、echnological process, the spare part material selecting, and the heat exchanger equipment development trend, finally it has carried on the examination and the test for the heat exchanger manufacture. The calculations part mainly was to the tube body, the shell cover, the tube plate and the tube plat
8、e and the heat transfer pipe coupling has been carried on the examination, and has been carried on the hydraulic pressure test and the intensity examination to the tube body and the shell cover. In addition, referring the related design handbook and the massive literature, it has completed an assemb
9、ly drawing and five detail drawing plan, and has carried on work and two translations.Keywords: Design, Examination, Heat exchang目 录1 前言11.1 换热器的概述11.1.1 换热设备的应用11.1.2 换热器设备的分类11.2 浮头式换热器41.2.1 设计参数的确定41.2.2 材料的选取81.2.3管程结构101.2.4壳程结构161.2.5开孔和开孔补强设计191.2.6密封装置设计221.2.7焊接结构设计232.设计计算262.1 计算条件262.2管
10、箱短节与筒体厚度相同262.3外头盖短节的计算272.4管箱封头的计算282.4.1 计算厚度292.5外头盖封头的计算292.5.1 计算厚度292.5.2 管板厚度的计算312.6 换热管的轴向应力332.7 浮头盖的设计计算342.7.1 管程压力作用下浮头盖的计算342.7.2 壳程压力PS作用下浮头盖的计算392.8开孔补强40结论42参考文献43谢辞441 前言1.1 换热器的概述1.1.1 换热设备的应用换热设备是化工,炼油,动力,食品,轻工,原子能,制药,机械,及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中,换热设备的投资约占总投资的10%-20%;在炼油厂中,约占总投资
11、的35%-40%。在工业生产中,换热设备的主要作用是使热量又温度较高的流体传递给温度较低的流体,使流体温度达到工艺过程规定的指标,以满足工艺过程上的需要。此外,换热设备也是回收余热,废热特别是低位热能的有效装置。例如,烟道气,高炉炉气,需要冷却的化学反应工艺气等的余热,通过余热锅炉可生产压力蒸汽,作为供热,供气,发电,和动力的辅助能源,从而提高热能的总利用率,降低燃料消耗和电耗,提高工业生产经济效益。1.1.2 换热器设备的分类(a) 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。为增加两
12、流体的接触面积,以达到充分换热,在设备中常放置填料和栅板,通常采用塔状结构。(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,则不嫩采用蓄热式换热器。(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
13、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。(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的换热器。载流体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环,在高温流体换热器中吸收热量,在低温流体换热器中把热量释放给低温流体,如热管式换热器。间壁式换热器的分类(1)管式换热器 这类换热器都是通过管子壁面传热的换热器,按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器,套管式换热器,缠绕管式换热器和管壳式换热器。蛇管式换热器一般由金属或非金属管子,按需要弯曲成所需的形状,如圆盘形,螺旋形和长的蛇行等。它是最早出现的一种换热设备,具有结构简单和操作
14、方便等优点。按使用状态不同,蛇管式换热器又可分为沉浸式蛇管和喷淋式蛇管两种。套管式换热器是由两种不同大小直径的管子组装成同心管,两端用U形弯管将他们连接成排,并根据实际需要,排列组合成传热单元,换热时,一种流体走内管,另一种流体走内外管间的环隙,内管的壁面为传热面,一般按逆流方式进行换热。两种流体都可以在较高的温度,压力,流速下进行换热。套管式换热器的优点是结构简单,工作适应范围大,传热面积增减方便,两侧流体均可提高流速,使传热面的两侧都可有较高的传热系数;缺点是单位传热面的金属消耗量大,检修,清洗,和拆卸都较麻烦,在可拆连接 处容易造成泄漏。管壳式换热器是目前应用最为广泛的换热设备。在圆筒形
15、壳体中放置了许多管子组成的管束,管子的两端固定在管板上,管子的轴线与壳体的轴线平行。为了增加流体在管外空间的流速并支撑管子,改善传热性能,在筒体内间隔安装多块折流板,用拉杆和顶距管将其与管子组装在一起。换热器的壳体上和两侧的端盖上装有流体的进出口,有时还在其上装设检查孔,为了安置测试仪表用的接口管,排液孔和排气孔等。缠绕管式换热器是芯筒与外筒之间的空间内将传热管按螺旋闲形状交替缠绕而成,相邻两成螺旋状传热管的螺旋方向相反,采用一定形状的定距管使之保持一定的距离。缠绕状传热管可以采用单根绕制,也可采用两根或多跟组焊后一起绕制。管内可以通过一种介质,称通道型缠绕管式换热器;也可分别通过几种不同的介
16、质,而每种介质所通过的传热管均汇集在各自的管板上,构成多通道型缠绕管式换热器。缠绕管式换热器适用于同时处理多种介质等场合。(2)板面式换热器这类换热器都是通过板面进行传热的换热器。板面式换热器按传热板面的结构形式可分为以下五种:螺旋板式换热器,板式换热器,板翅式换热器,板壳是换热器和伞式换热器。板面式换热器的传热性能要比管式换热器优越,由于结构上的特点,使流体能在较低的速度下就达到湍流状态,从而强化了传热。板面是换热器采用板材制作,在大规模组织生产时,可降低设备成本,但其耐压性能比管式换热器差。(3)其他形式换热器这类换热器是指一些具有特殊结构的换热器一般是为满足工艺特殊要求而设计的,如石墨换
17、热器,聚四氟乙烯换热器和热管式换热器等。 1.2 浮头式换热器1.2.1 设计参数的确定压力容器设计参数主要有设计压力,设计温度,厚度,及其附加量,焊接接头系数和许用应力等。(1) 设计压力 为压力容器的设计载荷之一,其值不低于最高工作压力。最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。设计压力应视内压和外压容器分别取值。当内压容器上装有安全泄放装置时,其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。装设安全阀的容器,考虑到安全阀开启动作的滞后,容器不能及时泄压,设计压力不应低于安全阀的开启压力,通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍;装设爆破片时,设计压力不得低于爆破片的爆破压
18、力。对于盛装液化气体的容器,由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压,在规定的装量系数范围内,与体积无关,仅拒绝于温度的变化,故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外还要考虑容器外壁有否保冷设施,可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响,即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。计算压力是指在相应的设计温度下,用以确定元件最危险截面厚度的压力,其中包括液柱静压力。通常情况下,计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时,可忽略不计。(2) 设计温度设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一,它是指容器在正常情况下,设定元件的金属温
19、度。当元件金属温度不低于0时,设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度;当元件金属温度低于0时,其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。GB150规定设计温度等于或低于-20的容器属于低温容器。元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到,也可按内部介质的最高温度确定,或在基准上增加(或减少)一定数值。设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时,应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件,而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。(3) 厚度及厚度附加量设计时要考虑厚度附加量C由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成,C=C1+C2 ,不包括加工减薄量
20、C3。计算厚度()是按有关公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度()系计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度()指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度,即标注在图样上的厚度。有效厚度()为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀,机械磨损而导致厚度消弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体,封头,接管,等受压元件,均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢,C2 不小于1mm;对于不锈钢,当介质的腐蚀性极微时,可取C2=0。(4) 焊接接头系数通过焊接制成的容器,焊缝
21、中可能存在夹渣,未熔透,裂纹,气孔等焊接缺陷,且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低,因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体的强度削弱,在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值,反映容器强度受削弱的程度。 (5) 许用应力许用应力是容器壳体,封头等受压元件的材料许用强度,取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数之比,设计时必须合理的选择材料的许用应力,采用过小的许用应力,会使设计的部分过分笨重而浪费的材料,反之则使部件过于单薄而容易破损。材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示,如屈服点,抗拉强度,持久
22、强度,蠕变极限等。应根据失效类型来确定极限值。在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度,常温或设计温度下的屈服点或三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值,作为压力容器受压元件设计时的许用应力,即按下式取值,也即是说设计受压元件时,以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。因为对韧性材料制作的容器,按弹性失效设计准则,容器总体部位的最大应力强度应低于材料的屈服点,故许用应力应以屈服点为基准。目前在压力容器设计中,不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准,其目的是为能在一定程度上防止断裂失效。当碳素钢和低合金钢的设计温度超过420,铬钼合金钢的设计温度高于450,奥氏体不锈钢设计温度高于55
23、0时,有可能产生蠕变,因而必须同时考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力。材料设计系数的一个强度保险系数,主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量,其大小与应力计算的精确性,材料性能的均匀性,载荷的确切程度,制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。材料设计系数数值的确定,不仅需要一定的理论分析更需要长期实践经验积累。近年来,随着生产的发展和科学研究的深入,对压力容器设计,制造,检验和使用的认识日益全面,深刻,材料设计系数也逐步降低。例如,20实际50年代中国取4.0,3,0,而现在则为3.0,1.6.GB150给出了钢板,钢管,锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力同时
24、也列出了确定钢材许用应力的依据。螺栓的许用应力应根据材料的不同状态和直径大小而定。为保证螺栓法兰连接结构的密封性,必须严格控制螺栓的弹性变形。一般情况下,螺栓材料的许用应力取值比其他受压元件材料低;同时为防止小直径螺栓在安装时断裂,小直径螺栓的许用应力也比大直径的低。1.2.2 材料的选取压力容器材料的选取,压力容器材料费用占总成本的比例很大,一般超过30%。材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当,不仅会增加总成本,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一。压力容器用料多种多样,有钢,有金属,非金属,复合材料等,压力容器用钢的基本要求是有较高的强度,
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