完整版固定管板式换热器毕业设计论文.docx

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完整版固定管板式换热器毕业设计论文

优秀论文审核通过

未经允许切勿外传

新疆工程学院

毕业设计（论文）

2013届

题目固定管板式换热器设计

专业设备维修技术

学生姓名韩向阳

学号

小组成员侯磊、张立东、蒋颖超

指导教师蔡香丽、薛风

完成日期

新疆工程学院教务处印制

新疆工程学院

毕业论文（设计）任务书

班级化设备10-6班专业设备维修技术姓名韩向阳日期2013.3.4

1、论文（设计）题目：

固定管板式换热器设计

2、论文（设计）要求：

（1）学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量，最好是独立完成。

（2）选题有一定的理论意义与实践价值，必须与所学专业相关。

（3）主题明确，思路清晰。

（4）文献工作扎实，能够较为全面地反映论文研究领域内的成果及其最新进展。

（5）格式规范，严格按系部制定的论文格式模板调整格式。

（6）所有学生必须在5月15日之前交论文初稿。

3、论文（设计）日期：

任务下达日期2013.3.4

完成日期2013.4.10

4、指导教师签字：

新疆工程学院

毕业论文（设计）成绩评定

报告

序号

评分指标

具体要求

分数范围

得分

学习态度

努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按期完成规定的任务。

0—10分

能力与质量

调研论证

能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。

0—15分

综合能力

论文能运用所学知识和技能，有一定见解和实用价值。

0—25分

论文（设计）质量

论证、分析逻辑清晰、正确合理，

0—20分

工作量

内容充实，工作饱满，符合规定字数要求。

绘图（表）符合要求。

0—15分

撰写质量

结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，字迹工整，书写格式规范，

0—15分

合计

0—100分

评语：

成绩：

评阅人（签名）：

日期：

毕业论文答辩及综合成绩

答辩情况

自述情况

清晰、完整流利

简练

清晰

完整

完整熟悉内容

基本

完整熟悉内容

不熟悉内容

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩小组评语及建议成绩：

答辩委员会综合成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

固定管板式换热器

韩向阳

（新疆工程学院,乌鲁木齐830091）

摘要：

本设计以安全为前提，并尽可能保证其质量、经济合理性以及实用性等技术指标。

本说明书在编写过程中语言力求简洁明了，对来源于实践中的结构和方案在使用时作了详细的分析和校核，对借鉴的理论、公式、方案以及结论都注明了出处，以便查询。

本设计过程主要分五部分内容：

1.工艺流程；2.工艺设计及计算；3.机械设计及计算；4.技术条件的编制。

绪论中详述了本换热器在工艺流程中的地位以及该换热器的特点、合理选型，并对该换热器在实用中的发展状况作了简要的分析。

工艺设计及计算主要是通过介质的物性参数以及它们所处的工作状况进行了设备轮廓尺寸的计算，即换热器筒体的内径等；通过热负荷的计算得到了设备的换热面积以及排管数等参数。

机械设计及计算主要解决的是结构和强度两个问题，其思路大致如下：

在设计条件的规范下，从材料的选择和结构的设计入手，辅以合理的强度计算与校核得到设备所需的结构。

关键词：

工艺流程，工艺计算，机械计算，技术要求

第一章工艺流程设计及控制说明1

1.1工艺流程文字说明1

1.1.1尿素生产工艺概述1

1.1.2反应机理1

1.1.3具体说明2

1.2部分设备性能一览表3

1.3部分机器性能一览表4

1.4调节阀阀门一览表5

1.4.1尿素合成及一段分解5

1.4.2一段循环5

1.4.4二段循环6

第二章单体设备－一分加热器设计7

2.1一分加热器概述及结构特点7

2.1.1设备在化工工艺中的地位7

2.1.2结构特点7

第三章化工工艺设计及计算8

3.1设计方案8

3.2确定物性数据8

3.3估计传热面积9

3.3.1热流量9

3.3.2平均传热温差9

3.3.3传热面积9

3.3.4冷却水用量9

3.4工艺结构尺寸10

3.4.1管径和管内流速10

3.4.2管程数和传输管数10

3.4.3平均传热温差校正及壳程数10

3.4.4壳体内径11

3.4.5折流板11

3.4.6接管12

3.5换热器核算12

3.5.1热流量核算12

3.5.2管内表面传热系数13

3.5.3污垢热阻和管壁热阻13

3.5.4传热系数14

3.5.5平均温差14

3.5.6换热器内流体的流动阻力15

第四章结构设计16

4.1设计条件的确定16

4.1.1设计压力16

4.1.2设计温度17

4.2筒体壁厚的结构设计17

4.2.1圆筒材料17

4.2.2圆筒壁厚17

4.3封头的结构设计18

4.3.1封头厚度的计算18

4.3.3封头与管板的连接19

4.4管板的结构设计20

4.4.1管板厚度的计算20

4.4.1管板结构设计21

4.4.3管板与换热管的连接22

4.4.4管板与壳体的连接23

4.5折流板的结构设计23

4.5.5折流板厚度24

4.6拉杆的结构设计24

4.6.1拉杆的结构形式24

4.6.2拉杆的数量和直径24

4.6.3拉杆的尺寸24

4.6.4拉杆的布置25

4.7换热管的结构设计25

4.7.1换热管的规格25

4.7.2尺寸公差25

4.7.3换热管的中心距25

4.7.4换热管的排列图26

4.8填料密封的结构设计26

4.9吊耳和吊环螺钉的结构设计27

4.9.1吊耳的结构设计27

4.10壳程和管程进出料口法兰的选择28

4.10.1接管法兰的结构设计28

4.10.2双头螺柱的结构设计29

4.11管箱法兰和壳体法兰以及垫片设计29

4.11.1法兰的选择29

4.11.2垫片的选择31

4.12主螺栓的结构设计31

4.12.1主螺栓结构如下如所示31

4.13管箱圆筒的结构设计32

4.14支座的结构设计33

4.14.1支座的选型33

4.14.2鞍座的安装位置36

4.15进出口接管位置以及外审长度36

4.15.1接管外审长度36

4.15.2接管位置37

第5章强度校核37

第6章技术条件的说明44

6.1钢材44

6.2冷热加工成型44

6.2.1焊接45

6.2.2热处理45

6.2.3无损探伤45

6.3换热器的尺寸偏差45

6.4装配图的技术条件46

6.4.1技术要求46

6.4.2折流板、支持板技术条件46

6.4.3管板技术条件46

6.4.4法兰技术条件47

参考文献49

致谢50

前言

在设计中，第一部分重点介绍了该厂的合成尿素全过程的工艺流程。

第二部分重点介绍化工工艺设计及计算，主要是换热器的型式及换热器的传热系数的阐述和计算，在此基础上，进行了换热器的选择。

第四部分重点介绍了换热器的结构设计及计算，主要是封头、换热管、折流板、拉杆的选择，筒体端部、螺栓的设计和校核。

第五部分介绍技术条件的编制，并且对焊接工艺进行了说明。

以上达到了对设计完整性的介绍，具体的设计内容在设计说明书中将具体阐述。

在本次设计中，得到了许多老师和同学的帮助，特别是辅导老师的大力帮助。

绪论

在工业生产中，总避免不了进行传热（升温和冷却）的处理，而在此过程中用的最多的装置就是换热器。

在大型的工厂中换热器所占的比例是很高的，故换热器的应用领域是

非常广泛的。

在生产中，由于不同的需要，换热器的型式是各不相同的。

以下大致介绍一下换热器的型式：

依据换热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式和蓄热式三类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。

随着人类的发展，换热器的型式也出现了新的型式，但多是用于特殊的场合，故在此就不去论述。

在众多的换热器中，又以列管式换热器的造价和制造简单而应用最广泛。

列管式换热器的基本型式分为：

固定管板式、U型管式、浮头式换热器。

本次设计的换热器为固定管板式换热器。

1工艺流程

第一章工艺流程设计及控制说明

1.1工艺流程文字说明

1.1.1尿素生产工艺概述

在各种化学化学肥料中，氮素肥料需要量最大，应用范围最广，而尿素是氮素肥料中占重要地位的一个品种。

尿素的化学名称为CO（NH2）2。

它是一种无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶。

分子量为60.06，含氮量为46.65%。

工业上由氨和二氧化碳合成尿素大致可分为下面四个步骤：

（1）氨和二氧化碳原料的供应与净化；

（2）氨和二氧化碳合成尿素；

（3）尿素熔融液与未反应成尿素的物质的分离与回收；

（4）尿素熔融物的加工。

按上述四步，可画出生产尿素概略工艺流程图，如图1-1所示：

图1-1流程图

1.1.2反应机理

工业上生产尿素都是采用由氨和二氧化碳直接合成的方法。

其反应总式如下；

2NH3+CO2=======CO2（NH2）2+H2O+Q

这是一个强放热的可逆反应。

这个反应在合成塔中是分两步进行的。

第一步，液氨与二氧化碳作用生成液体氨基甲酸铵（简称甲铵）。

2NH3+CO2=====NH4CO2NH2+Q1

这个反应速度很快，极易达到平衡，二氧化碳转化率可高达90%以上。

第二步，液态甲铵在一定温度压力下脱水生成尿素。

NH4CO2NH2=====CO（NH2）2+H2O-Q2

这是一个吸热反应。

反应速度较慢，要较长时间才能达到平衡。

即使达到了平衡也不可能使全部甲铵脱水转化为尿素。

一般只有50~70%，是合成尿素过程中的控制反应。

1.1.3具体说明

〈一〉合成尿素：

1.二氧化碳压缩及脱硫：

来自脱碳工段的35~40℃，0.1053Mpa（绝），加防腐空气后纯度为95.7％（体积），含氧量为0.4%~0.5%（体积）的原料二氧化碳气体，经气液分离器后进入压缩机；经一二段压缩到0.981~1.128Mpa（绝），冷却抽水后送往二氧化碳脱硫槽，经脱硫后气体进入压缩机，经三四五段压缩到20.69Mpa（绝），约125℃，送往合成塔。

2.氨输送及尿素合成

来自冷冻工段液氨贮槽的≤20℃≥2.06Mpa（绝）的原料液，经液氨流量计后至尿素主框架上的液氨过滤器再进入液氨缓冲槽的原料室。

来自氨冷凝器的循环液氨缓冲槽的回流室，其中一部分过档板，与原料氨混合，经泵加压送往氨预热器，然后进入合成塔。

液氨缓冲槽回流室，液氨缓冲槽回流室的液氨作为一吸塔的回流氨。

〈二〉循环回收

1.分离回收的方法

由于尿素化学反应平衡的限制，原料氨和二氧化碳在合成塔内不可能完全转化为尿素。

在水溶液全循环尿素生产中，一般取合成压力为20Mpa，反应温度为（188~190）℃　，进料NH3CO2摩尔比为4，H2OCO2摩尔比为0.65，此种情况下，只有部分氨和部分CO2转化生成尿素.其余氨和二氧化碳则以氨基甲酸铵游离铵和二氧化碳的形式存在于合成尿素的反应液中。

对这部分物料的回收与利用此车间采用多段减压加热的方法来分离和回首未反应的氨和二氧化碳的。

2.减压加热分解的基本原理：

二氧化碳和氨的溶解是一个放热和体积缩小的过程。

所以：

当温度一定时，随着压力下降，溶解度减小；当压力一定，随温度升高，溶解度减小。

如果对合成反应液进行减压加热处理。

有利于将溶解的游离氨和游离CO2从液体中分离出来。

另外，因为氨基甲酸铵的分解是一个吸热和体积增大的过程，故减压加热处理也有利于氨基甲酸铵的分解。

3.一段分解吸收（中压分解吸收）

尿素合成塔的反应熔融物经出口压力调节阀减压至1.77Mpa（绝），进入预蒸馏塔上部，在此分离出闪蒸气体后，溶液自流至中部蒸馏段，与一分加热器分离段来的热气体逆流接触进行换热蒸馏，使液相中的部分甲铵分解与过剩氨蒸出，汽化进入气相。

同时气相中的水蒸汽部分冷凝。

预蒸馏后的尿液自蒸馏段下部流往一分加热器，在蒸汽加热作用下。

约88%的甲铵在此分解，约（155~160）℃的气液混合物经过一分加热器上升到预蒸馏塔底部的分离段分离为两相，液相自塔底流出，经减压后送往二分塔，气相自上而下地通过蒸馏段自塔顶至一段蒸发加热器的热能回收段。

一段分解系统所需的防腐空气由空压机提供。

空气由一分加热器尿液入口管道上补入。

来自预蒸馏塔的一段分解气与二甲泵送来的二甲液在一段蒸发加热器热能回收段混合，发生部分冷凝，放出热量用于加热尿素溶液。

热能回收段排出的气液混合物进入一段冷却器底部，在循环脱盐冷却水冷却作用下，气体进一步发生冷凝。

出一吸冷却器的气液混合物进入尾吸塔底部鼓泡段，气相经鼓泡吸收后，未吸收的气体进入精洗段被来自惰洗器的浓氨水与来自液氨缓冲槽的回流氨进一步精洗吸收，塔顶排出的约45℃，含CO2＜100×10-6进入氨冷器A，部分气相在此处被冷凝下来流往液氨缓冲槽。

出A的气体经惰洗器的防爆空间后，依次进入氨冷（B），氨冷（C），被冷凝的同样流入液氨缓冲槽，未冷凝气体送至惰洗器，被来自二循二冷凝器的氨水吸收，尾气减压至尾吸塔。

惰洗器排出的45℃氨水流往一吸塔顶部，一吸塔底部得到的（90~95）℃的一甲液经一甲泵加压送往尿素合成塔。

4.二段循环（低压分解吸收）

一分塔蒸馏段排出的尿液（质量浓度为57.9%）减压至约0.29~0.39MPa后，送入二分塔上部的填料段，与来自二分塔加热段

的气体逆流接触后进入加热段，由二分加热器进行循环加热，其中二加热器排出的冷凝液到二分液位槽，然后至膨胀槽。

经过二分塔的尿液（质量浓度为66.5%）经过脱盐水冲洗后去了闪蒸槽进行蒸发造粒。

尿液中残存的过剩氨和甲铵经汽化后进入气相，由二分塔塔顶排出，与来自解吸系统的解吸气混合后进入二循一冷凝器，在此处被被蒸发冷凝液吸收后生成二甲液由二甲泵送入一段蒸发加热器热能利用段。

出二循一冷的气体在二循二内继续被蒸发冷凝液吸收，生成氨水送往一段惰洗器，尾气去尾吸塔。

惰洗器尾气和二循二冷的尾气分别进入尾吸塔底部，被来自尾吸泵的蒸发冷凝液吸收，生成碳铵液送至碳铵液位槽贮存，尾气通过放空总管放空。

碳铵液由解吸泵送至解吸换热器，与来自解吸塔底部的废液进行换热后进解吸塔上部，经填料层蒸馏后，塔顶将得到的混合气体进入解吸冷凝器，在此部分冷凝，冷凝液返回解吸塔顶作为回流液，气相去二循一冷。

解吸塔底部约143℃，含NH30.007%（重量）含尿素约1.15%的废液经解吸换热器后排往污水处理装置。

解吸冷凝器的作用是根据解吸负荷工艺生产系统的水平衡情况，通过改变进入解吸冷凝器的脱盐水流量来解吸气温度，来控制解吸气的冷凝程度，使得使得随解吸气返回生产系统的水量得到适宜的控制。

〈三〉蒸发造粒

来自二分塔的尿液减压至约0.064MPa（绝）后进入闪蒸槽，在此分离为气液两相，约95℃、71%（重量）的尿液至一段蒸发器，在0.033MMPa下，经热能回收和蒸气加热段被加热到130℃约96%（重量）。

在一段蒸发分离段分离出的尿液去二段蒸发器。

在0.0033MPa（绝），140℃下被浓缩到约99.7%（重量）的熔融尿素，经分离后的熔融尿素由熔融泵送至造粒塔进行造粒。

1.2部分设备性能一览表

表1-1压力温度表

中间冷

二表冷

一表冷

一蒸分离器

一蒸加热器

工作压力（MPa）

0.0033

0.033

工作温度（℃）

130

介质

水

二表液

一表液

尿液

尿液、蒸汽

表1-2压力温度表

闪蒸槽

氨缓冲槽

尾吸塔

二分塔

一蒸恒位槽

工作压力（Mpa）

0.067

1.7

0.15

0.4

0.6

工作温度（℃）

160

140

介质

尿液

尿液甲铵

碳氨水

尿液

冷凝液

二蒸恒位槽

二蒸加热器

一冷

二冷

二分加热器

工作压力（Mpa）

0.6

1.7

0.15

0.3

工作温度（℃）

140

介质

冷凝液

甲铵

NH3CO2

氨水

尿液

一段分离器

二表槽

气液分离器

一分液位槽

二分液位槽

工作压力（Mpa）

1.7

常压

0.4

工作温度（℃）

140

介质

尿液

二表液

蒸汽、水

冷凝液

尿液

1.3部分机器性能一览表

表1-3部分机器性能一览表

容器

往复泵（1#氨泵）

高压泵（2#氨泵）

高压泵（3#氨泵）

冲洗水泵

型号

3D-YA2A21-B

3W-2B42

3W-2BA2

进口压力

1.7MPa

18公斤力cm2

2.25公斤力cm2

1.25MPa

出口压力

2.1MPa

18公斤力cm2

0.2MPa

柱塞数

柱塞直径（mm）

柱塞行程（mm）

170

240

电动机功率（Kw）

180

215

≥15

重量（Kg）

9324

13905

每分钟往复次数

105

160

齿轮减速器

型号

中心距

齿轮减速比

高速轴转速

重量

功率（w）

5W-28A2

1150

9.32

980RPM

3420Kg

215

空气压缩机（1#,2#）

排气压力

排气量

净重

转速

长×宽×高

功率（kw）

3MPa

60m3h

380Kg

750rmin

718×450×1076

P≤15kw

1.4调节阀阀门一览表

1.4.1尿素合成及一段分解

表1-4一段

仪表号

管线号

阀尺寸

尺寸

等级

法兰

V-83701

DN32

PN226

H12-67

V-83705

DN50

PN40

A-83701

DN20

PN40

1.4.2一段循环

表1-5一段循环

仪表号

管线号

阀尺寸

尺寸

等级

法兰

NH-83702

DN40

PN40

凹凸对焊

NH-83721

DN40

PN40

凹凸对焊

NH-83722

DN40

PN40

凹凸对焊

IG-83702

DN40

PN40

凹凸平焊

IG-83702

DN40

PN40

凹凸平焊

1.4.3蒸发造粒

表1-6蒸发造粒

仪表号

管线号

阀尺寸

尺寸

等级

法兰

ST-83706

DN50

PN40

ST-83708

DN100

PN40

SC-83708

DN20

PN40

SC-83710

DN20

PN40

表

1.4.4二段循环

表1-7蒸发造粒

仪表号

管线号

阀尺寸

尺寸

等级

Pw-83707

DN20

PN40

Pw-83706

DN65

PN40

Pw-83710

DN20

PN40

PL-83703

DN20

PN40

PG-83705

DN20

PN40

ST-83702

DN86

PN40

SC-83706

DN20

PN40

PL-83719

DN20

PN40

表1-7

第二章单体设备－一分加热器设计

2.1一分加热器概述及结构特点

2.1.1设备在化工工艺中的地位

一分加热器即中压分解加热器在中压分解阶段中处于较为重要的地位，其作用是用蒸汽加热尿液，使其中大约88%的甲铵分解，加热后的气液混合物进入分离段分离。

故两相介质分别为尿液和蒸汽，通过热交换，尿液温度由124℃升至160℃，189℃的水蒸汽发生相变，满足了工艺要求。

2.1.2结构特点

　　　一分加热器是列管式换热器，由于尿液具有强腐蚀性，故列管和管板及上下封头材料为含钼不锈钢。

　　　　物料从下封头均匀进入每一根列管，在列管的外有蒸汽加热，将热量传递给物料，物料受热后部分分解，产生了气体，因气体的比重比液体小得多，故气体上升速度快，在每根管的中心形成了巨大的抽力，使物料能沿管壁上升。

被分解后的物料中混有大量的气体，从上封头盖的出口管进入分离器。

中压加热器进口物料管比出口物料管的管径小得多。

其原因是：

物料经加热溶液中的气液增大；物料的重度就减小，而进出口物料重量流量又相等，所以出口物料体积流量将随着分解后物料的温度升高而增大。

如果进出口加热器的物料管一样大时，则管内的流速随着体积流量的增高而增高，流速的增高会使尿液在管内的阻力增大。

2化工工艺设计及计算

第三章化工工艺设计及计算

表2.1工作条件

项目

壳程

管程

物料名称

氨气

冷却水

工作压力

1.7Mpa

1.6Mpa

进出口温度

36-44℃

30-34℃

质量流量

16.083kgs

未知

工艺参数：

参考《日用化工品理化数据手册》石油化工工业出版社1976年

表2.2物性参数

项目

密度ρ（kgm3）

黏度μ（pa.s）

导热系数λ（w℃.m）

比热cp（kjkg.℃）

气化潜热γ（kjkg）

氨气

11.87

1x10-6

0.0262

2.118

1673

冷却水

995.1

0.768x10-3

0.623

4.174

2500

3.1设计方案

固定管板式换热器属于管壳式换热器，从操作压力上看，应使氨气走管程，冷却水走壳程。

但由于冷却水比较容易结垢，若流速太低，将会加快污垢生长速度，使换热器传热能力下降，所以从整体考虑，应使冷却水走管程，氨气走壳程。

3.2确定物性数据

定性温度：

对于一般气体和水成低黏度流体，其定性温度可取体进出口温度的平均值。

故壳程混合气体的定性温度为

（℃）

管程流体的定性温度为

（℃）

换热器的设计，首先要根据生产工艺条件的要求，通过化工工艺计算，确定换热的传热面积，同时选择管径、管长、决定管数、管程数和壳程数.

3.3估计传热面积

3.3.1热流量

此过程选逆流有：

3.3.2平均传热温差

逆流计算，根据,有

3.3.3传热面积

由于壳程气体的压力较高，由化工原理表3-5知：

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