設(shè)計(jì)書系別：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱：

1.緒論1.1研究背景1.1.1烯烴產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀烯烴作為化工領(lǐng)域極為關(guān)鍵的基礎(chǔ)原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著核心地位。在現(xiàn)代工業(yè)體系里，乙烯、丙烯等烯烴廣泛應(yīng)用于塑料、合成橡膠、化學(xué)纖維等眾多重要行業(yè)。近年來(lái)，全球烯烴市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，需求呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。隨著新興經(jīng)濟(jì)體的崛起以及制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)烯烴的需求更是與日俱增。在我國(guó)，化工產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，眾多大型烯烴項(xiàng)目紛紛落地建設(shè)，30萬(wàn)噸烯烴項(xiàng)目便是順應(yīng)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的重要實(shí)踐，其對(duì)推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、完善化工產(chǎn)業(yè)鏈有著重大意義。1.1.2凈化工段在烯烴生產(chǎn)中的關(guān)鍵作用在烯烴生產(chǎn)流程中，無(wú)論是通過(guò)蒸汽裂解還是煤制烯烴等工藝獲取的原料氣，都不可避免地含有諸如水蒸氣、二氧化碳、硫化氫以及氨氣等多種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)倘若不加以有效脫除，將會(huì)給后續(xù)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)帶來(lái)諸多嚴(yán)重問(wèn)題。凈化工段在整個(gè)烯烴生產(chǎn)過(guò)程中，肩負(fù)著凈化原料氣的關(guān)鍵使命。而預(yù)冷器作為凈化工段的核心設(shè)備，其重要性不言而喻。它通過(guò)對(duì)原料氣進(jìn)行冷卻處理，一方面能夠顯著降低后續(xù)深冷分離單元的負(fù)荷，進(jìn)而減少能耗，提升能源利用效率；另一方面，能夠有效避免雜質(zhì)在低溫環(huán)境下結(jié)冰或者堵塞設(shè)備，保障生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。同時(shí)，還能防止酸性氣體對(duì)設(shè)備造成腐蝕以及對(duì)催化劑產(chǎn)生中毒影響，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和保障催化劑活性。1.2研究目的與意義1.2.1研究目的本研究聚焦于30萬(wàn)噸烯烴項(xiàng)目?jī)艋ざ晤A(yù)冷器，旨在通過(guò)深入的理論分析、模擬計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)預(yù)冷器的結(jié)構(gòu)、材料以及運(yùn)行控制等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。期望能夠開(kāi)發(fā)出一款高效、穩(wěn)定且適應(yīng)復(fù)雜工況的預(yù)冷器，以滿足30萬(wàn)噸烯烴項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)需求，提升凈化工段的整體性能。1.2.2研究意義從經(jīng)濟(jì)層面來(lái)看，優(yōu)化后的預(yù)冷器能夠降低能耗，減少設(shè)備維護(hù)成本，從而降低烯烴生產(chǎn)成本，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)初步估算，有望通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)10%-15%的節(jié)能效果。在環(huán)保方面，高效的預(yù)冷器能夠助力整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程減少污染物排放，符合當(dāng)下綠色化工發(fā)展的理念，對(duì)推動(dòng)化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。從技術(shù)創(chuàng)新角度而言，開(kāi)展對(duì)30萬(wàn)噸烯烴項(xiàng)目?jī)艋ざ晤A(yù)冷器的研究，有助于突破國(guó)外在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，提升我國(guó)在化工裝備設(shè)計(jì)制造方面的自主創(chuàng)新能力，推動(dòng)高端化工裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究進(jìn)展在國(guó)外，針對(duì)預(yù)冷器技術(shù)的研究一直處于前沿水平。在高效換熱技術(shù)方面，美國(guó)GE、德國(guó)BASF等企業(yè)取得了顯著成果。他們采用微通道、螺旋折流板等新型結(jié)構(gòu)，大幅提升了預(yù)冷器的換熱效率。例如，微通道結(jié)構(gòu)通過(guò)增加換熱面積和強(qiáng)化流體擾動(dòng)，使得換熱效率較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了20%-30%。在材料研發(fā)領(lǐng)域，耐酸合金如哈氏合金以及納米涂層技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。這些先進(jìn)材料能夠有效抵御酸性介質(zhì)的腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在智能化控制方面，基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)已投入實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)冷器運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)控和故障的提前預(yù)警，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)在預(yù)冷器研究方面也取得了一定進(jìn)展，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在差距。在換熱效率方面，目前傳統(tǒng)管殼式換熱器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，但在處理大流量、高含濕原料氣時(shí)，其性能與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備相比大約存在15%的差距。在材料應(yīng)用上，主要以不銹鋼、銅鎳合金等為主，抗腐蝕能力相對(duì)較弱。在數(shù)字化設(shè)計(jì)方面，雖然CFD仿真與AspenHYSYS模擬技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，但在工程化實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在一些問(wèn)題有待解決，如模擬結(jié)果與實(shí)際工況的匹配度不夠精準(zhǔn)等。1.3.3現(xiàn)存問(wèn)題分析盡管國(guó)內(nèi)外在預(yù)冷器研究方面取得了諸多成果，但在面對(duì)30萬(wàn)噸級(jí)大型烯烴項(xiàng)目的復(fù)雜需求時(shí)，仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。首先，對(duì)于大型預(yù)冷器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與流動(dòng)均勻性研究還不夠深入，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中容易出現(xiàn)局部過(guò)熱或過(guò)冷現(xiàn)象，影響整體換熱效率。其次，在復(fù)雜工況下，結(jié)垢與腐蝕的協(xié)同抑制機(jī)制尚未明確，缺乏有效的應(yīng)對(duì)措施，使得設(shè)備維護(hù)成本增加，使用壽命縮短。此外，目前在智能化控制策略以及能效評(píng)估體系方面還不夠完善，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)冷器的精準(zhǔn)控制和高效運(yùn)行評(píng)估。

2.設(shè)計(jì)參數(shù)熱流體選用烯烴;冷流體選用水;熱流體工作表壓P1=0.1MPa;冷流體工作表壓P2=0.1MPa;熱流體進(jìn)口溫度T1=100℃;熱流體出口溫度T2=40℃;冷流體進(jìn)口溫度t1=25℃;冷流體出口溫度t2=45℃;操作時(shí)間:7200小時(shí)熱流體流量M1=30萬(wàn)噸/年=11.5741Kg/s

3.傳熱量和流程確定可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。熱流體定性溫度為:t冷流體定性溫度為:t3.1流體的物性參數(shù)3.1.1熱流體物性參數(shù)表3-1熱流體物性參數(shù)熱流體溫度(℃)密度(Kg/m3)比熱容(KJ/(Kg·℃))粘度(Pa·s)熱導(dǎo)率(W/(m·℃))烯烴701.21.21.1×10^-50.023.1.2冷流體物性參數(shù)表3-2冷流體物性參數(shù)冷流體溫度(℃)密度(Kg/m3)比熱容(KJ/(Kg·℃))粘度(Pa·s)熱導(dǎo)率(W/(m·℃))水35993.954.170.0007270.633.2熱量計(jì)算熱損失系數(shù):ηL=0.98傳熱量為:Q3.3冷流體用量M

4.估算傳熱面積4.1平均傳熱溫差流體間溫差ΔtΔt對(duì)數(shù)平均溫差:因?yàn)榱黧w的溫度沿傳熱面變化較大，所以平均溫差計(jì)算公式為:Δt暫時(shí)按單殼程考慮,則PR圖4-1P-R圖《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》[1]由無(wú)量綱數(shù)R、P查圖得:溫差校正系數(shù)φ=0.84,因φ>0.8,故可行。兩流體的平均溫差為:Δt4.2初選K值，估算換熱面積查《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》[1]表3-1,初選傳熱系數(shù)K=307.00W/m2·℃估算換熱面積:F′

5.主要構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)5.1換熱管尺寸換熱管的材料選用10號(hào)鋼,此設(shè)計(jì)規(guī)格選用φ25×2.5mm。根據(jù)換熱器中常用的流速范圍的數(shù)據(jù),查《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》[1],可取管程內(nèi)流體的流速ui=0.32m/s5.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)單程管子數(shù)：n每根換熱管長(zhǎng)度為：L按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程，根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，現(xiàn)取每根管長(zhǎng)取標(biāo)準(zhǔn)值：L=6m則管程數(shù)Z5.3管束相關(guān)參數(shù)5.3.1傳熱管排列和分程方法對(duì)于多程管式換熱器,采用組合排列方法,每一程內(nèi)管子排列方式選用：等邊三角形排列，而在各程之間為了便于安排隔板,采用正方形排列方法。查《GB/T151-2014》[4]表6-2,查得標(biāo)準(zhǔn)管中心距S=32mm,兩側(cè)相鄰管中心距Sn=44mm。表5-1換熱管中心距do101214161920222530323538455055576889S1316192225262832384044485764707283112Sn283032353840424450525660687678809197根據(jù)《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》[1]平行于流向的管距:s垂直于流向的管距:s換熱管總根數(shù)為:n橫過(guò)管束中心線的管數(shù)為:b′5.4殼體內(nèi)徑的確定D取殼體內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)值:DN=0.85m5.5折流板設(shè)計(jì)折流板的目的是為了提高殼程流速，增加湍流程度，并使管程流體垂直沖刷管束，改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)，在換熱器中還起到支撐管束作用。折流板常用形式為弓形和盤環(huán)形兩種，此設(shè)計(jì)中選用使用較廣泛的的弓形折流板，因?yàn)榱黧w流動(dòng)死角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。弓形折流板在換熱器中的排列分為上下缺口和左右缺口排列，此處選用上下缺口排列,材料選用Q235R。圖5-1折流板開(kāi)口方式5.5.1折流板選型折流板形式選擇，本換熱器選用弓形,流體流動(dòng)的死角較小,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，便于清洗。折流板缺口高度為:h折流板的圓心角:θ5.5.2折流板厚度折流板厚度，查GB151-2014表6-21，t=16mm;5.5.3折流板間距為保證設(shè)計(jì)的合理性，弓形折流板的間距一般不應(yīng)小于殼體內(nèi)徑的1/5，且不小于50mm，最大則不能超過(guò)殼體內(nèi)徑；算得折流板間距范圍為(0.17~0.85)m。暫取折流板間距為0.6m。5.5.4折流板數(shù)目N但是考慮需為殼程進(jìn)出口提供額外空間，兩端折流板管板距離通常大于中間一些折流板間距，但差值不宜過(guò)大,綜上考慮折流板個(gè)數(shù)取為:7塊算得折流板上管孔數(shù)為298;折流板上管子數(shù)為294;折流板缺口孔數(shù)為98;折流板上管孔直徑，由GB151-2014[4]，查得d0=25.5mm,折流板直徑Db=845.5mm,直徑允許偏差(0-0.8)mm;表5-2折流板外徑及允許偏差DN<400400～500500～900900～13001300～17001700～21002100～23002300～26002600～32003200～4000名義外徑DN-2.5DN-3.5DN-4.5DN-6DN-7DN-8.5DN-12DN-14DN-16DN-18允許偏差0-0.50-0.50-0.80-0.80-10-10-1.40-1.60-1.80-25.6接管根據(jù)熱流體殼程冷流體管程,殼程流量Mo=11.5741Kg/s。殼程流體進(jìn)口接管:取接管內(nèi)流體進(jìn)口流速為u1=70m/s,則接管內(nèi)徑計(jì)算值為D可取殼程接管直徑標(biāo)準(zhǔn)值《NB/T47027-2012》[8]為DN=450mm,則殼程接管尺寸為457×3.5mm殼程接管進(jìn)出口為同種物質(zhì)，故殼程出口與進(jìn)口尺寸相同。根據(jù)熱流體殼程冷流體管程,管程流量Mi=9.7922Kg/s。管程流體進(jìn)口接管:取接管內(nèi)流體流速為u2=2m/s,則接管內(nèi)徑計(jì)算值為D可取管程接管直徑標(biāo)準(zhǔn)值《NB/T47027-2012》[8]為DN=80mm,則管程接管尺寸為88.9×4.5mm管程接管進(jìn)出口為同種物質(zhì)，故管程出口與進(jìn)口尺寸相同。

6.熱量核算6.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)傳熱管按等邊三角形排列,則其當(dāng)量直徑得:d折流板間距l(xiāng)s=0.6m殼程流通截面積:A殼程流體最小流速:u雷諾數(shù):R普朗特?cái)?shù)為:P黏度校正項(xiàng):μ殼程換熱系數(shù)為:α6.2管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流通截面積:A管程流體最小流速:u雷諾數(shù):R普朗特?cái)?shù)為:P黏度校正項(xiàng):μ管程換熱系數(shù)為:α6.3總傳熱系數(shù)查相關(guān)資料水的污垢熱阻:0.000528(m2·℃/W)查相關(guān)資料烯烴的污垢熱阻:0.000174(m2·℃/W)所以根據(jù)熱流體殼程冷流體管程rr管壁熱阻10號(hào)鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為51.96。換熱管壁厚b=0.0025mR管子的平均直徑為d總傳熱系數(shù)為:K6.4傳熱面積裕度(換熱面積之比)實(shí)際傳熱面積:A傳熱面積:F換熱器的面積裕度(換熱面積之比)為:H該換熱器的面積裕度合適，能夠完成任務(wù)。6.5壁溫核算因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁壁溫按下式計(jì)算。熱流體平均溫度計(jì)算為T冷流體平均溫度計(jì)算為t則傳熱管的平均壁溫為:t殼體壁溫,可近似取殼程流體的平均溫度，既:To=70℃殼體壁溫與傳熱管壁溫之差:Δ溫度較合適,所以選擇30萬(wàn)噸烯烴項(xiàng)目?jī)艋ざ晤A(yù)冷器

7.換熱器內(nèi)流體阻力核算7.1管程流體阻力管內(nèi)摩擦系數(shù)查《熱交換器原理與設(shè)計(jì)》圖2.36為fi=0.028Δ單程直管阻力為:Δ局部阻力系數(shù)ξ=3:單程回彎阻力為:Δ管程總阻力為:Δ管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。7.2殼程流體阻力Δ流體流過(guò)管束的阻力為:管子排列形式對(duì)阻力的影響,f=0.5殼程結(jié)構(gòu)校正系數(shù),與流體狀態(tài)有關(guān),Fs=1.15殼程流體摩擦因子:f流體流過(guò)管束的阻力為:Δ折流板間距l(xiāng)s=0.6m流體流過(guò)折流板缺口的阻力:Δ殼程總阻力:Δ殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。

8.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算換熱器主體結(jié)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，主要包括殼體厚度和材料的選擇、封頭厚度材料的選擇、接管、管板、法蘭尺寸的確定、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，還有主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)（管箱、殼體、折流板(支撐板)、拉桿等）和主要連接（包括管板與管箱的連接、管子與管板的鏈接、殼體與管板的連接），具體計(jì)算如下:在下面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，殼側(cè)設(shè)計(jì)溫度為110℃(設(shè)計(jì)溫度應(yīng)大于流體溫度)，殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力取1.25倍的殼側(cè)壓力，殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力為0.125MPa；管側(cè)設(shè)計(jì)溫度為55℃(設(shè)計(jì)溫度應(yīng)大于流體溫度)，管側(cè)設(shè)計(jì)壓力取1.25倍的管側(cè)壓力，則管側(cè)壓力為0.125MPa8.1殼體8.1.1殼體材料的確定介質(zhì)為烯烴，殼體材料選擇Q345R，因?yàn)樗辛己玫哪透g性和冷加工性能，具有較高的強(qiáng)度和硬度。8.1.2殼體尺寸的確定1)殼體直徑在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，殼體公稱直徑已確定為850mm。2)殼體厚度設(shè)計(jì)壓力0.125MPa,設(shè)計(jì)溫度為110℃；焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損傷，故焊接系數(shù)為1殼體厚度計(jì)算為:δ殼體厚度的負(fù)差值C1=1mm,在無(wú)特殊腐蝕條件下，腐蝕裕量C2≥1mm,取腐蝕裕量C2=2mm.設(shè)計(jì)厚度:δ名義厚度:δ考慮開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要，名義厚度向上取整為δn=6mm有效厚度:δ殼體厚度最終取值為δn=6mm殼體內(nèi)徑取值為850mm殼體外徑取值為862mm8.2管箱墊片墊片：查NB/T47020～47027-2012,選取金屬包覆墊不銹鋼墊片圖8-1管箱法蘭墊片表8-1法蘭墊片相關(guān)尺寸參數(shù)表公稱尺寸DN(mm)墊片內(nèi)徑D1(mm)墊片外徑D2(mm)8509229548.3管箱法蘭根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本次的管箱法蘭選取甲型平焊法蘭，密封面選擇凹凸密封面，材料取為Q345R。《GB/T47020-2012》[10]其結(jié)構(gòu)型式如下圖所示。圖8-2凹凸面法蘭之凸面尺寸圖8-3凹凸面法蘭之凹面尺寸當(dāng)公稱直徑為850mm,查《GB/T47020-2012》[10]管箱法蘭數(shù)據(jù)表為:表8-2管箱法蘭參數(shù)公稱直徑DN公稱壓力PDD1D2D3D4δd螺栓thn8500.2510159809509409374018M16368.4管箱的設(shè)計(jì)8.4.1管箱材料管箱鋼制壓力容器封頭《GB/T150-2011》[5],換熱器的兩端管箱可由封頭和管箱圓筒（短節(jié)）構(gòu)成。封頭的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)《GB/T150-2011》[5]和《GB/T151-2014》[4])的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)。管箱選用材料為Q345R，材料的許用應(yīng)力為189MPa設(shè)計(jì)壓力0.125MPa,設(shè)計(jì)溫度為55℃；管箱厚度計(jì)算為:δ管箱厚度的負(fù)差值C1=1,在無(wú)特殊腐蝕條件下，腐蝕裕量C2≥1mm,取腐蝕裕量2.設(shè)計(jì)厚度:δ名義厚度:δ考慮殼體厚度，園整后名義厚度為δn=6mm有效厚度:δ8.4.2計(jì)算封頭的厚度選擇橢圓形封頭作為本設(shè)備的封頭，其形狀系數(shù)K=1.46，的封頭材料選擇Q345R，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。當(dāng)封頭以內(nèi)徑為公稱直徑時(shí)，橢圓形封頭的曲面深度：圖8-4橢圓形封頭h當(dāng)DN≤2000時(shí)，橢圓形封頭直邊高度h0=25mm。取封頭焊縫系數(shù)φ=1，則封頭的計(jì)算厚度δ設(shè)計(jì)厚度：δ名義厚度：δ向上圓整,并考慮殼體厚度,即封頭名義厚度δn=6mm復(fù)驗(yàn)δn×6%=6×6%=0.36<1mm,最后確定C1=0mm,則封頭厚度任為6mm封頭有效厚度：δ查GB_T25198-2010封頭參數(shù)表得;表8-3封頭參數(shù)公稱直徑(mm)Hhδ8502382568.5管板設(shè)計(jì)8.5.1管板尺寸固定管板選用管板兼法蘭的形式，管板材料為Q345R。圖8-5管板示意圖由殼體內(nèi)徑，在依據(jù)確定的管箱法蘭的結(jié)構(gòu)確定管板最大外徑、螺栓直徑、螺栓數(shù)量、螺栓位置等在依據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定管板厚度等相關(guān)尺寸,整體管板數(shù)據(jù)如下表:表8-4管板參數(shù)表公稱直徑DNDD1D3D4D5d2螺栓thnbfb850101598085093785018M163640468.5.2管板上換熱管的管孔設(shè)計(jì)采用Ⅱ級(jí)管束,板管孔直徑查《GB/T151-2014》[4]標(biāo)準(zhǔn)取25.3mm,允許偏差(+0.10，-0.10)。8.5.3管孔表面粗糙度換熱管與管板焊接粗糙度Ra不大于35μm。8.5.4換熱管與管板的連接采用常用的電弧焊強(qiáng)度焊接的方式，焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗拉脫離強(qiáng)，且當(dāng)焊接接頭有泄露、換熱管有裂紋或者堵塞時(shí)，其修補(bǔ)或者更換換熱管都比較容易。8.5.5管板與殼程圓筒、管箱圓筒連接方式（E型）管板與法蘭連接的結(jié)構(gòu)尺寸按NB/T47015_2011的規(guī)定。采用E型（管板與殼體圓筒連為整體，其延長(zhǎng)部分做法蘭，用螺柱、墊片與管箱連接)方法《GB/T151-2014》[4]標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示:圖8-6管板E型示意圖8.6接管尺寸8.6.1殼程接管尺寸根據(jù)接管標(biāo)準(zhǔn)選擇板式平焊法蘭,材料為20號(hào)鋼表8-5殼程接管及法蘭進(jìn)口尺寸參數(shù)名稱公稱尺寸DN公稱壓力PN鋼管外徑A法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)n螺栓Th法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B殼程接管法蘭4500.25457595550221620304628.6.2殼程接管外伸高度查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]表1.66殼程接管外伸高度,當(dāng)DN=450,δ=0～50,l=250mm8.6.3殼程接管位置圖8-7接管位置殼程接管位置的最小尺寸由下列公式計(jì)算得:L1式中C≥4S(S為殼體厚度)，且≥30;8.6.4殼程接管補(bǔ)強(qiáng)殼程接管選用457×3.5mm的20號(hào)鋼,材料的許用應(yīng)力為145.6,取C2=2mm,采用等面積補(bǔ)償法校核。CC接管計(jì)算壁厚δ因接管壁厚不滿足要求,則取實(shí)際接管壁厚δt=4mm接管有效壁厚δ開(kāi)孔直徑d接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B=2×d=2×456.1=912.2mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度h需要補(bǔ)強(qiáng)面積A強(qiáng)度削弱系數(shù)：fr=1可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積:A1=(δe-δ)×(B-d)=(3-0.28)×(912.2-456.1)=1240.59mm2AA1304.66mm2接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。8.6.5管程接管尺寸根據(jù)接管標(biāo)準(zhǔn)選擇板式平焊法蘭,材料為20號(hào)鋼表8-6管程接管及法蘭尺寸參數(shù)名稱公稱尺寸DN公稱壓力PN鋼管外徑A法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)n螺栓Th法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B管程接管法蘭800.2588.9190150184161890.58.6.6管程接管外伸高度查《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]表1.66管程接管外伸高度,當(dāng)DN=80,δ=0～50,l=150mm8.6.7管程接管位置圖8-8接管位置管程接管位置的最小尺寸由下列公式計(jì)算得:L2式中C≥4S(S為殼體厚度)，且≥30;8.6.8管程接管補(bǔ)強(qiáng)管程接管選用88.9×4.5mm的20號(hào)鋼,材料的許用應(yīng)力為149.81,取C2=2mm,采用等面積補(bǔ)償法校核。CC接管計(jì)算壁厚δ接管有效壁厚δ開(kāi)孔直徑d接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B=2×d=2×86.7=173.4mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度h需要補(bǔ)強(qiáng)面積A強(qiáng)度削弱系數(shù)：fr=1可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積:A1=(δe-δ)×(B-d)=(3-0.28)×(173.4-86.7)=235.82mm2AA279.67mm2接管補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度足夠，不需另設(shè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。8.6.9前端管箱短節(jié)長(zhǎng)度管箱短接長(zhǎng)度既要保證換熱器組裝尺寸的要求，又要免除使開(kāi)孔不受影響，根據(jù)組裝尺寸和接管法蘭厚度，管箱短接長(zhǎng)度Lg為:封頭焊縫到接管距離:L封頭高度:LL8.6.10分程隔板bl分程隔板材料為Q345R，查表厚度為10mm，寬度為840mm,長(zhǎng)為553.45mm,一段為和封頭相同的橢圓，一段為平面，隔板槽深取為6mm,寬取為14mm,拐角處倒角為45°。管板與分程隔板的連接管板與分層隔板的連接可有單層隔板與管板之間的密封連接與雙層隔板與管板之間的密封連接兩種。隔板的密封面寬度最小為(s+2)mm。由于隔板另一端與封頭焊接連接，因此要求隔板材料應(yīng)與封頭材料相同，雙層隔板具有隔熱空間可防止熱流短路。圖8-9分程隔板與管板連接8.7拉桿、定距管的設(shè)計(jì)8.7.1拉桿尺寸和數(shù)量因，換熱管直徑為：do=25mm，所以拉桿直徑dn為16mm一臺(tái)拉桿數(shù)為：4根8.7.2拉桿的結(jié)構(gòu)型式常用拉桿形式有兩種：（1）.螺紋連接結(jié)構(gòu)（拉桿定距管結(jié)構(gòu)）：此型式適用于換熱管外徑大于或等于19的管束（2）.焊接連接結(jié)構(gòu)：此型式適用于換熱管外徑小于或等于14的管束，焊接連接的拉桿直徑可直徑取換熱管的直徑，也可取拉桿標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]，由于換熱管外徑大于19mm，所以選擇螺紋連接結(jié)構(gòu)。與管板連接端的拉桿螺紋長(zhǎng)度:La=20mm,Lb=60mm。圖8-10拉桿結(jié)構(gòu)形式根據(jù)結(jié)構(gòu)La=20mm,Lb=60mm,b=2mm8.7.3拉桿布置材料選用10號(hào)鋼,選用φ16的拉桿,數(shù)量為4根,具體位置及裝配方式見(jiàn)裝配圖,一端與管板用螺紋連接,另一端用螺母固定在折流板上。圖8-11拉桿的連接形式8.7.4定距管進(jìn)出口段附近折流板到管板的距離:L材料采用10號(hào)鋼,定距管直徑尺寸與換熱管一致d=φ25,兩端折流板管板之間的定距管的長(zhǎng)度根據(jù)管長(zhǎng)減去折流板間距為1146mm,個(gè)數(shù)為4;折流板間的定距管長(zhǎng)度為600mm,個(gè)數(shù)為(7-1)×4=24個(gè)。圖8-12折流板固定8.8支座的選擇與布置選用鞍式支座,材料為Q235B,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47065.1~5-2018,公稱直徑為850mm圖8-13鞍式支座示意圖安裝2個(gè)支座，均勻布置。鞍座直徑的距離LB=(0.5～0.7)×L=(0.5～0.7)×6000=3900mm表8-7鞍座支座參數(shù)尺寸公稱直徑DN鞍座高度h底板l1底板b1底板δ1腹板δ2筋板l3δ3筋板弧長(zhǎng)筋板b4筋板b3筋板δ4筋板e(cuò)螺栓間距l(xiāng)28502008101501010450101060260120665590

9.應(yīng)力計(jì)算9.1熱交換器所受的應(yīng)力壓力引起的軸向力:F殼側(cè)截面積:f管側(cè)截面積:f殼體彈性模量:E換熱管彈性模量:E殼體應(yīng)力:σ管子應(yīng)力:σ9.2溫差應(yīng)力管的外壁溫度:t管的內(nèi)壁溫度:t管子平均溫度:t殼側(cè)熱量:Q熱流密度q殼側(cè)內(nèi)壁溫t殼體的平均溫度:殼體材料導(dǎo)熱系數(shù)為56W／(m·k),殼體厚度為6mmΔtt殼體材料的線膨脹系數(shù):a管子材料的線膨脹系數(shù):a管側(cè)的軸向力:σ殼側(cè)的軸向力:σ管子的自由伸長(zhǎng)量:σ殼體的自由伸長(zhǎng)量:σ由于殼體伸長(zhǎng)量大于管子的伸長(zhǎng)量，故殼體的軸向合成力:σ管子的軸向合成力:σ9.3拉脫力根據(jù)《化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》[1]q應(yīng)力計(jì)算采用焊接法,焊縫系數(shù)取1,殼體材料的許用應(yīng)力為189MPa,換熱管的許用應(yīng)力為119.8MPa。qσo=13.04<[σs]=189MPaσi=53.76<[σt]=119.8MPaq=11.74<[q]=119.8MPa強(qiáng)度應(yīng)力校核符合要求，無(wú)需設(shè)計(jì)膨脹節(jié)。

10.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果匯總10.1工藝參數(shù)匯總表10-1工藝參數(shù)匯總表參數(shù)管程殼程物質(zhì)水烯烴流量(kg/s)9.792211.5741進(jìn)口溫度(℃)25100出口溫度(℃)4540壓力(MPa)0.10.110.2物性參數(shù)匯總表10-2物性參數(shù)匯總表物性管程殼程定性溫度(℃)3570密度(kg/m3)993.951.2比熱容(KJ/(kg·℃))4.171.2黏度(Pa·s)7.271.1導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃))0.630.02雷諾數(shù)8750.04188632.36普朗特系數(shù)4.812050.6610.3主要結(jié)果匯總表10-3主要結(jié)果參數(shù)匯總表1物性管程殼程流速(m/s)270最小流速(m/s)0.3286.4565表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·℃))3482.18249.88污垢熱阻((m2·°C)/W)5.281.74阻力(Pa)3248.84217451.28表10-4主要結(jié)果參數(shù)匯總表2熱流量(kW)816.67傳熱溫差(℃)25.86傳熱系數(shù)(W/(m2·℃))190.54裕度(%)1010.4結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總表?yè)Q熱器類型:G-850-0.125-181.65-6/2