化工机械与设备课程设计.doc
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化学工程学院
化工机械与设备课程设计
设计说明书
专业化学工程与工艺
班级化工11-4
姓名沈杰
学号11402010417
指导老师杨泽慧
日期2014年6月10日
成绩
宁波工程学院化工机械与设备课程设计
化学工程学院2013-2014
（2）
化工机械与设备课程设计任务书
一、课程设计题目：
管壳式换热器的机械设计
二、课程设计内容
1．管壳式换热器的结构设计
包括：
管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。
2.壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核
（1）根据设计压力初定壁厚；
（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；
（3）计算是否安装膨胀节；
（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。
3.筒体和支座水压试验应力校核
4.支座结构设计及强度校核
包括：
裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓
5.换热器各主要组成部分选材，参数确定
6.编写设计说明书一份
7.AutoCAD绘3号设备装配图一张
三、设计条件
1气体工作压力
管程：
半水煤气（0.80+学号最后两位第一个数字×0.02，单位：
MPa）
壳程：
变换气（0.75+学号最后一位数字×0.01，单位：
MPa）
2壳、管壁温差50℃，tt＞ts
壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。
3由工艺计算求得换热面积为（130+学号最后一位数字×5），单位：
m2。
4壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据查表选用。
5壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.9
6图纸：
尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。
四、进度安排
6月9-6月20日
五、基本要求
1.学生要按照任务书要求，独立完成设备的机械设计；
2.设计说明书一律采用电子版，指导老师指导修改后打印，3号图纸终稿打印；
3.图纸打印后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在6月20日上午9点半前，由各组组长负责统一提交。
5.根据设计说明书、图纸、平时表现综合评分。
六、说明书的内容
任务书
1.符号说明
2.前言
（1）设计条件；
（2）设计依据；
（3）设备结构形式概述。
3.材料选择
（1）选择材料的原则；
（2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图
（1）换热器装配图；
（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；
（3）标注形位尺寸；
（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等；
5.壳体、封头壁厚设计
（1）筒体、封头及支座壁厚设计；
（2）焊接接头设计；
（3）压力试验验算；
6.标准化零、部件选择及补强计算
（1）接管及法兰选择：
根据结构草图统一编制表格。
内容包括：
代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。
补强计算；
（2）人孔选择：
PN,DN,标记或代号。
补强计算；
（3）其它标准件选择。
7.结束语：
对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。
8.主要参考资料。
【格式要求】：
1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；
3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；
5.设计说明书中与装配图中的数据一致。
如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；
6.表达清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。
七、主要参考资料
[1]《化工设备机械基础课程设计指导书》.化学工业出版.2009.1
[2]《化工设备机械基础》第五版刁与玮王立业编著2010.6；
[3]《化工单元过程与设备设计》匡国柱史启才主编；
[4]《化工制图》华东化工学院制图教研室编人民教育出版社1980；
[5]《化工设备机械基础》参考资料；
[6]《钢制压力容器》GB150-2011；
[7]《钢制塔式容器》JB/T4710-2005；
[8]GB151-1999《管壳式换热器》1999年；
[9]《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局1999年。
16
宁波工程学院化工机械与设备课程设计
目录
符号说明 VI
1前言 1
1.1设计条件 1
1.2设计依据 1
1.3设备结构形式概述 1
2材料选择 2
2.1选择材料的原则 2
2.2换热器各零、部件的材质 2
2.3焊接材料 2
3管壳式换热器的结构设计 3
3.1管子数n 3
3.2管子排列方式、管间距 3
3.3壳体直径 3
3.4壳体壁厚 3
3.5封头的选择 4
3.6法兰的选择 4
3.7管板尺寸 5
3.8管子拉脱力 5
3.9是否安装膨胀节 7
3.10折流板 8
3.11开孔补强 8
3.12支座 10
4管壳式换热器的强度计算 13
4.1筒体 13
4.2封头 14
5数据表 15
5.1结构参数 15
5.2设计值 15
结束语 16
参考资料 17
符号说明
Tt
操作状态下管壁温度，℃
F
换热面积，m2；
Ts
操作状态下壳壁温度，℃
a
管间距，mm
Ф
焊接接头系数，无量纲；
di
壳体内径，mm；
B
正六边形对角线上的管子数，个；
do
壳体外径，mm；
Ln
换热管长度，mm；
Pc
计算压力，MPa;
d均
管子的平均直径，mm；
Pw
工作压力，MPa;
[Pw]
最大允许工作压力，MPa；
P
设计压力，MPa;
PT
水压试验压力，MPa;
δ
计算壁厚，mm；
DN
直径（公称），mm；
δd
设计壁厚，mm；
PN
公称压力，MPa；
δn
名义壁厚，mm；
Pt
管子的工作压力，MPa；
δe
有效壁厚，mm；
Ps
壳体的工作压力，MPa；
C
厚度附加量，mm；
△t
管壳壁温度，℃；
C1
钢板的负偏差，mm；
[q]
许用拉脱力，MPa；
C2
腐蚀欲量，mm；
a
线膨胀系数，1/°C；
σs
屈服点，MPa；
f
每四根管子之间的面积，mm2；
h1
曲面高度，mm；
At
换热管截面面积，mm2；
ho
短圆筒长度，mm；
As
壳壁横截面面积，mm2；
h2
直边长度，mm；
F1
管、壳壁温差所产生的轴向力，N；
E
弹性模量，MPa；
F2
压力作用于壳体上的轴向力，N；
qt
温差应力，MPa；
F3
压力作用于管子上的轴向力，N；
qp
在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，MPa；
①胀接长度，mm；
②最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；
宁波工程学院化工机械与设备课程设计
1前言
1.1设计条件
（1）气体工作压力
管程：
半水煤气0.82MPa
壳程：
变换气0.82MPa
（2）壳、管壁温差50℃，tt＞ts
壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。
（3）由工艺计算求得换热面积为165m2。
（4）壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.9
1.2设计依据
换热器的设计涉及因素很多，如介质的腐蚀性及其他特性、操作温度与压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温差、检修与清洗的要求等。
具体设计时应综合考虑各方面因素。
对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最适合的设备型号；如果将这个型号的设备应用到其他工况，则传热效果可能会改变很大。
因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。
1.3设备结构形式概述
管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。
一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。
列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。
2材料选择
2.1选择材料的原则
管壳式换热器的材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等选用。
在高温下一般材料的力学性能及耐腐蚀性能要下降。
同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少有的。
目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。
不锈钢和有色金属虽抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。
（1）换热介质条件。
主要是指操作压力、温度和介质的腐蚀性。
要考虑导热性、耐磨性等其他物化性能。
（2）换热器的类型。
不是每一种材料都能制造各种形式的换热器。
（3）经济合理性。
在满足使用和制造要求的前提下，应选用原材料来源广泛、价格相宜的非金属材料制造换热器，尽量节约成本及投资。
2.2换热器各零、部件的材质
管壳式换热器各部件的常用材料可参考表2-1。
表2-1管壳式换热器部件常用材料
部件或零件名称
材料牌号
碳素钢
不锈钢
壳体、法兰
A3F、A3R、16MnR
16Mn+
0Cr18Ni9Ti
法兰、法兰盖
16Mn、A3（法兰盖）
1Cr18Ni9Ti
管板
A4
1Cr18Ni9Ti
膨胀节
A3R、16MnR
1Cr18Ni9Ti
挡板和支撑板
A3F
1Cr18Ni9Ti
螺栓
16Mn、40Mn、40MnB
换热管
10号
1Cr18Ni9Ti
螺母
A3、40Mn
垫片
石棉橡胶板
支座
A3F
2.3焊接材料
见换热器装配图。
3管壳式换热器的结构设计
3.1管子数n
计算：
n=779
实际：
n=773
选的无缝钢管，材质20号钢，管长3m。
因为
所以
其中，因安排拉杆需减少6根，实际管数773根
（3-1）
参考：
《化工设备机械基础》P227
3.2管子排列方式、管间距
采用正三角形排列，由《化工设备机械基础》表7-4查得层数为15。
查《化工设备机械基础》表7-5，取管间距a=32mm。
3.3壳体直径
Di=1m
式中Di——换热器内径，mm；
b——正六角形对角线上的管子数，查《化工设备机械基础》表7-4，取b=31；
l——最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d。
故
圆整后取壳体内径。
（3-2）
参考：
《化工原理上册》P289
3.4壳体壁厚
材料选用Q245R钢板，计算壁厚为
式中Pc——计算压力，取Pc=1.0MPa；
（设壳壁温度为400℃）；
故
取C2=1.2mm，则C1=0.3mm。
圆整后取。
（3-3）
参考：
《化工设备机械基础》P288
3.5封头的选择
上下封头均选用标准椭圆形封头，根据GB/T25198《压力容器封头》，封头为DN1000×8，曲面高度h1=250mm，直边高度h2=40mm，如图3-1所示，材料选用Q245R。
下封头与裙座焊接，直边高度取40mm。
图3-1椭圆形封头
3.6法兰的选择
材料选用Q345R。
根据NB/T47023—2012标准，选用DN1000，PN1.6MPa的榫槽密封面长劲对焊法兰。
法兰尺寸图如图3-2所示。
图3-2容器法兰
3.7管板尺寸
选用固定板式换热器管板，并兼做法兰，查相关标准得Pt=Ps=1.6MPa（取管板的公称压力为1.6MPa）的碳钢管板尺寸，如图3-3所示。
图3-3管板
3.8管子拉脱力
计算数据按表3-1选取。
表3-1数据表
项目
管子
壳体
操作压力/MPa
0.82
0.82
材质
20钢
Q245R
线膨胀系数/（1/℃）
12.9×10-6
12.9×10-6
弹性模量/MPa
0.183×106
0.183×106
许用应力/MPa
91
91
尺寸/mm
Φ25×2.5×3000
Φ1000×8
管子根数
773
管间距/mm
32
管壳壁温差/℃
△t=50
管子与管板的连接方式
开槽膨接
胀接长度/mm
L=50
许用拉脱力/MPa
4.0
（1）在操作压力下，管子每平方米胀接周边上所受到的力
qp=0.083
（MPa）
其中
，
（3-4）
（3-5）
参考：
《化工设备机械基础》P220
（2）温差应力导致管子每平方米胀接周边上所受到的力
qt=0.83
（MPa）
q=0.913
（MPa）
其中
则
由已知条件可知，qp与qt的作用方向相同，都使管子受压
则管子的拉脱力：
因此，拉脱力在许用范围内。
（3-6）
（3-7）
（3-8）
（3-9）
（3-10）
参考：
《化工设备机械基础》P221
3.9是否安装膨胀节
不必
安装
膨胀节
管壳壁温差所产生的轴向力F1：
压力作用于壳体上的轴向力F2：
其中
则
压力作用于管子上的轴向力F3：
则
根据GB151-1999《管壳式换热器》
条件成立，故本换热器不必安装膨胀节。
（3-11）
（3-12）
（3-13）
（3-14）
（3-15）
（3-16）
（3-17）
参考：
《化工设备机械基础》P224
3.10折流板
折流板为弓形，
折流板间距取600mm，由《化工设备机械基础》表7-7查的折流板最小厚度为6mm，由《化工设备机械基础》表7-9查的折流板外径为995.5mm，材料为Q235-A钢，如图3-4所示。
图3-4折流板
拉杆选用Φ12，共6根，材料为20钢。
3.11开孔补强
换热器壳体和封头上的接管处开孔需要补强，常用的结构是在开孔外面焊上一块与容器壁材料和厚度都相同，即8mm厚的Q245R钢板。
（1）接管厚度及开孔直径
（mm）
d=252
（mm）
由已知条件得壳体计算厚度
接管计算厚度为
其中Do=258mm，选用20钢，查表得[σ]t=92MPa
开孔直径为：
（3-18）
（3-19）
参考：
《化工设备机械基础》P88
《化工单元过程及设备课程设计》P139
（2）接管宽度、高度
B=504
（mm）
h=44.8
（mm）
已知壳体名义厚度，补强部分厚度为
接管有效补强宽度为
接管外侧有效补强高度
（3-20）
（3-21）
参考：
《化工单元过程及设备课程设计》P139
（3）补强面积
A=2008
（mm2）
Sk=6.14
（mm）
需要补强的金属面积为：
可以作为补强的金属面积为：
尚需要另加的补强面积为：
补强圈厚度
实际取补强圈与筒体等厚Sk=8mm，则另行补强面积：
（3-22）
（3-23）
（3-24）
（3-25）
（3-26）
（3-27）
（3-28）
参考：
《化工单元过程及设备课程设计》P139
同时计及焊缝面积A3之后，该开孔补强的强度足够。
其补强结构如图3-5所示。
图3-5换热器开孔补强结构
3.12支座
（1）裙座设计
采用圆筒形裙式支座，裙座与塔体的连接采用焊接，由于对接焊缝的焊缝受压，可承受较大的轴向力，故采用对接形式见图3-6。
取裙座外径与封头外径相等。
并且取裙座的厚度与封头的厚度相同。
即裙座尺寸为Ф1000×8mm。
裙座材料选用Q235A。
图3-6裙座壳与壳体的对接型式
无保温层的裙座上部应均匀设置排气孔，其规格和数量参照下表3-2。
表3-2排气孔规格和数量
容器内直径Di
600~1200
1400~2400
>2400
排气孔尺寸
Φ80
Ф80
Ф100
排气孔数量，个
2
4
≥4
排气孔中心线至裙座壳顶端的距离
140
180
220
因此设置两个排气孔，排气孔尺寸为Ф80，排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为140，裙座上排气孔的设置见图3-7。
图3-7裙座上部排气孔的设置
塔式容器底部引出管一般需伸出裙座壳外，引出孔尺寸见下表3-3。
表3-3引出孔尺寸
引出管直径d
20、25
32、40
50、70
80、100
引出孔的加强管
无缝钢管
Ф133×4
Ф159×4.5
Ф219×6
Ф273×8
卷焊管
-
-
Ф200
Ф250
引出孔的加强管选用Q235-A的无缝钢管，引出管直径选用20，引出孔结构示意图见图3-8。
图3-8引出孔结构示意图
（2）基础环设计
基础环尺寸的确定
基础环的结构
基础环选用有筋板的基础环示意图见图3-9。
图3-9有筋板基础环
有筋板基础环厚度的设计
操作时或水压试验时，设备重力和弯矩在混凝土基础环（基础环底面上）所产生的最大组合应力为
基础环上的最大压应力可以认为是作用作用在基础环底上的均匀载荷。
表3-4混凝土基础的许用应力Ra
混凝土标号Ra/MPa
混凝土标号Ra/MPa
混凝土标号Ra/MPa
753.5
1005.0
1507.5
20010.0
25013.0
同样，根据工艺要求和前人的经验，可确定基础环的厚度为20mm，材料选用为Q235-A。
（3）地脚栓设计
为了使塔设备在刮风或地震时不至翻倒，必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓，把设备固定在基础环上。
地脚螺栓承受的最大拉应力为
如果，则设备自身足够稳定，但为了固定塔设备的位置，应设置一定数量的地脚螺栓。
如果，则设备必须安装地脚螺栓，并进行计算。
计算时可先按4的倍数假设地脚螺栓的数量为n，此时地脚螺栓的螺纹小径（mm）：
螺纹小径与公称直径见下表3-5。
表3-5螺纹小径与公称直径对照表
螺栓公称直径螺纹小径/mm
螺栓公称直径螺纹小径/mm
M2420.752
M2723.752
M3026.211
M3631.670
M4237.129
M4842.588
M5650.046
选用Q235-A，计算后，选取地脚螺栓为，n=8,相应螺母M30，8个，则其尺寸查表，得
表3-6M30螺母的尺寸
螺栓
M30
36
42
28
12
300
120
170
4管壳式换热器的强度计算
4.1筒体
液压实验应力校核
σT=96.78
（MPa）
式中，PT=1.25P=1.25×1.0=1.25（MPa）
，Rel=245（MPa）《化工设备机械基础》（附表6-1）
则
而
可见，所以水压试验强度足够。
（3-29）
（3-30）
（3-31）
参考：
《化工设备机械基础》P97
强度校核
σT=77.42
（MPa）
[Pw]=1.06
（MPa）
设计温度下的计算应力：
最大允许工作压力：
故强度足够。
（3-31）
（3-32）
（3-33）
参考：
《化工设备机械基础》P88、97
4.2封头
δ=6.12
（mm）
[Pw]=1.06
（MPa）
σT=63
（MPa）
标准椭圆形封头计算厚度：
最大工作压力：
压力实验：
压力实验满足要求。
（3-34）
（3-35）
（3-36）
参考：
《化工设备机械基础》P88、97
宁波工程学院化工机械与设备课程设计
5数据表
5.1结构参数
表5-1结构参数数据表
设备结
构参数
形式
列管式
台数
1
壳体内径，mm
1000
壳程数
1
管径，mm
管心距，mm
32
管长，mm
3000
管子排列
正三角形
管数目，根
779
折流板数，块
4
传热面积，
165
折流板间距，mm
600
管程数
1
材质
碳钢
5.2设计值
表5-2设计值数据表
名称
尺寸/mm
材料
筒体
内径
1000
Q245R
厚度
8
椭圆型封头
内径
1000
Q345R
厚度
8
直边高度
40
曲面高度
250
管程接管
Φ219×6l=210
20
管程补强圈
DN250×8
Q245R
壳程接管
Φ273×8l=140
20
壳程补强圈
DN250×8
Q245R
折流板
Φ995.5δ=6
Q235-A
裙座
DN1000×8l=1560
Q235-A
基础环
δ=20
Q235-A
宁波工程学院化工机械与设备课程设计
结束语
通过这次课程设计，让我对《化工设备机械基础》这门课有了进一步的认识。
这次课程设计设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。
设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对换热器的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括管子直径、壳体厚度，管板选择等。
校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。
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