汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

1 汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 在工業(yè)生產(chǎn)中，熱交換器的主要作用是使熱量（或焓）由溫度相對較高的流體傳到溫度相對較低的流體，使流體的溫度指標(biāo)達(dá)到工藝過程的規(guī)定，以滿足工藝過程的需求。 石油、化工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)，需要經(jīng)常加熱低溫流體或冷卻高溫流體。這些過程與熱量的傳遞有著非常密切的聯(lián)系，都要用熱交換設(shè)備來完成這些過程。 在化工廠的設(shè)備里，熱交換器的投資占總投資的 10%到 20%；在煉油廠中，約占設(shè)備總投資的 35%到 40%；海水淡化工藝?yán)镄枰玫降难b置幾乎全部是由熱交換設(shè) 備組成的。近 20 年來，換熱設(shè)備在能量的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有著普遍的應(yīng)用。 隨著熱交換器節(jié)能技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)大了很多，利用熱交換器對多余的熱量進(jìn)行回收利用給公司帶來了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。熱交換器也是國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極其廣泛的熱交換設(shè)備，隨著現(xiàn)代化的新工藝、新材料、新技術(shù)的開發(fā)和能源危機(jī)的來臨，世界各國都把石油化工的深度加工和綜合高效利用能源放在了首要的位置，由此可見熱交換器面臨著巨大的挑戰(zhàn)。熱交換器的性能對能源的利用率、產(chǎn)品的質(zhì)量以及整套設(shè)備或者系統(tǒng)運(yùn)行的可靠 性、經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，有時(shí)候甚至起著決定性作用。 隨著 熱交換器 的地位和作用的提高，為了適應(yīng)多種工作環(huán)境和工作要求， 熱交換器 也開發(fā)出了越來越多的類型，不同類型的 熱交換器 有不同的性能，也具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。管殼式 熱交換器 是屬于表面式換熱器的一類，是 熱交換器 中使用最廣的一種， 雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面不如一些新型的高效緊湊式熱交換器，但它結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便。在高溫 、高壓和大型換熱器中，管殼式熱交廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 2 換器仍具有絕對優(yōu)勢。管殼式熱交換器主要又分為：固定管板式熱交換器、 U 型管式熱交換器、浮頭式熱交換器等，而固定管板式又是管殼式熱交換器是使用最為廣泛的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單，管程清洗方便等特點(diǎn)。 因此對固定管板式熱交換器的研究和設(shè)計(jì)具有很大的意義，也是為了實(shí)現(xiàn)以下目的： 1、減小設(shè)計(jì)傳熱面積的熱交換器來減小質(zhì)量和體積； 2、提高現(xiàn)有 熱交換器 的換熱效率； 3、使 熱交換器 能夠工作在溫差較低的環(huán)境中； 4、減小 熱交換器 的流體阻力來減少換熱器的動(dòng)力消耗。 換熱器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾發(fā)面： 防腐技術(shù)，大型化與小型化并重，強(qiáng)化技術(shù)，抗振技術(shù)，防結(jié)垢技術(shù)，制造技術(shù)，研究手段。 隨著工業(yè)中經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)環(huán)境保護(hù)的要求，制造水平的不斷提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段的日益發(fā)展，各種新思路的與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方向發(fā)展 本設(shè)計(jì)首先搜集資料 ，查閱了相關(guān)的二十多篇文獻(xiàn)，了解了 汽油改質(zhì)裝置重沸器 詳細(xì)結(jié)以及作用原理，全面考慮設(shè)計(jì)過程中需要注意的因素，并總結(jié)了一些現(xiàn)代化的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)方案，同時(shí)詳細(xì)介紹了本設(shè)計(jì)的主體 固定管板式熱交換器的結(jié)構(gòu)，對管程、殼程的各個(gè)主要部 件作用做了介紹，最后介紹了本設(shè)計(jì)要用到的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，完成了第一章的 前言 。在第二章，通過給定的設(shè)計(jì)要求，首先確定了設(shè)計(jì)方案，即初步選定 熱交換器的容器類型、流體的通道、流速、管束的排布方式以及管徑，塔底 油的流量、平均傳熱溫度和傳熱面積 等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 接下來確定了接管法蘭、接管以及支座的尺寸，然后就分別開始了對殼程圓筒、封頭、管箱法蘭、管板等的選材和強(qiáng)度校核，最后進(jìn)行是否需要 膨脹節(jié)和接管補(bǔ)強(qiáng)的判斷，完成了熱交換器的整個(gè)強(qiáng)度計(jì)算及校核。第三 章進(jìn)行了對 技術(shù)條件的編制 ， 第四章進(jìn)行了總結(jié)，第五章感謝 ，最后列舉了所用到的 參考 文獻(xiàn)。 本章節(jié)主要對固定管板式換熱器進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)的計(jì)算，它的設(shè)計(jì)程序或步驟隨著設(shè)計(jì)任務(wù)數(shù)和原始數(shù)據(jù)的不同而不同，要盡可能的使已知數(shù)據(jù)和要設(shè)計(jì)計(jì)算的項(xiàng)目順次編排，但由于許多項(xiàng)目之間互相關(guān)聯(lián)，無法排定順序，故往往先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定一個(gè)數(shù)據(jù)使計(jì)算進(jìn)行下去，通過計(jì)算得到結(jié)果后再與初始假定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，知道達(dá)到規(guī)定的偏差要求，試算才告結(jié)束。 一般換熱器的設(shè)計(jì)程序如下： （ 1）根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案； （ 2）確定換熱器類型和主要結(jié)構(gòu)； 3 （ 3）根據(jù)換熱量要求，計(jì)算換熱面積，確定換熱管與殼體尺寸； （ 4）核算換熱器 的傳熱能力及流動(dòng)阻力； （ 5）確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)，形成工藝簡圖。 廣東石油化工學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 4 換熱設(shè)備是用于兩種及其以上的流體之間、一種流體和一種固體之間、固體粒子之間或有熱接觸且具有不同溫度的同種流體間的熱量（或焓）傳遞的裝置。它是化工、煉油、食品、輕工、能源、機(jī)械以及其他許多工業(yè)部門被廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠的設(shè)備里，熱交換器的投資占總投資的 10% 到 20%；在煉油廠中，約占設(shè)備總投資的 35% 到 40%；海水淡化工藝?yán)镄枰玫降难b置幾乎全部是由熱交換設(shè)備組成的。近20 年來，熱交換設(shè)備在能量的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ) 藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有著普遍的應(yīng)用。 工業(yè)生產(chǎn)中，熱交換設(shè)備的主要作用是讓熱量（或焓）由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體的溫度達(dá)到工藝過程中規(guī)定的指標(biāo)，從而滿足工藝過程的需要。熱交換設(shè)備也是回收余熱、廢熱以及低品位熱能的有效裝置。 工業(yè)生產(chǎn)中，由于工作條件、用途、物料特性等不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱設(shè)備。在此，主要研究了管殼式固定管板熱交換器。管殼式熱交換器屬于間壁式熱交換器（又稱表面式熱交換器），它是利用間壁將需要交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量從熱流體通過間 壁傳遞給冷流體的一種熱交換器。這類熱交換器是目前使用最為廣泛的一種換熱設(shè)備。它的基本結(jié)構(gòu)是在一個(gè)或多個(gè)圓筒形的殼程（殼體）中放置管束（由多個(gè)管子組成），該管子的兩端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的軸線要和殼體上的軸線相平行。是為了增加流體在殼程的流速并支承管子，改善傳熱的性能，在筒體內(nèi)間隔安裝多塊折流板（也可以是其他新型的折流元件），用拉桿和定距管將折流板和管子組裝在一起。換熱器的殼體和兩側(cè)的端蓋上（偶數(shù)管程則是一側(cè)）裝有流體的進(jìn)出口，也有根據(jù)要求在其上裝設(shè)檢查孔，為安置測量儀表用的接口管、排氣孔和排 液空等。 管殼式熱交換器雖然在傳熱效率、結(jié)構(gòu)的緊湊性和單位傳熱面積金屬消耗量等方面比不上一些新型高效的緊湊式換熱器，但它也有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、易于制造、適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低、處理能力大、選用的材料范圍廣、能承受較高的操作壓力和溫度、換熱表面的清潔比較方便等。在高溫、高壓和大型熱交換器中，管殼式熱交換器仍具有絕對優(yōu)勢，是目前使用最廣泛的一類換熱器。 根據(jù)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為固定管板式熱交換器、浮頭式熱交換器、 料函式熱交換器和釜式重沸器五類。在本設(shè)計(jì)論文中是對固定管板 式熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算，則著重介紹固定管板式熱交換器。 5 構(gòu)簡介 固定管板式熱交換器由管板、管箱、殼程、管子等零部件組成，管束連接在管板上，管板和殼體之間焊接，管束兩端用脹接或焊接的方法將管子固定在管板上，殼體進(jìn)出口管直接焊接在筒體上，管板外圓周和封頭法蘭直接用螺栓緊固，管程的進(jìn)出口管直接焊接在管箱上，管束內(nèi)根據(jù)換熱管長度設(shè)置多塊折流板，這類換熱器的管程可以用隔板分程多個(gè)程數(shù)。 固定管板式熱交換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并可以承受較高的壓力，造價(jià)低，管程的清洗方便，管子損壞的時(shí)候易于堵 管或者更換；缺點(diǎn)是當(dāng)管束和殼體的壁溫或者材料的線膨脹系數(shù)差別較大時(shí)，殼體和管束中的熱應(yīng)力較大。這種熱交換器適用于殼側(cè)介質(zhì)比較清潔而且不容易結(jié)構(gòu)并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)的溫差較小或溫差較大但是殼側(cè)的壓力不高的場合。 在管殼式熱交換器的基本設(shè)計(jì)方法中，要在滿足工藝過程要求的前提下，達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。熱交換器的設(shè)計(jì)中的主要任務(wù)有參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算等。設(shè)計(jì)主要包括了管子排列、管子支承結(jié)構(gòu)、管程數(shù)、管長、殼體形式、熱交換器類型、冷熱流體流動(dòng)通道等工藝計(jì)算和殼體、封頭、管板等零部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度 設(shè)計(jì)計(jì)算。熱交換器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的不同可以分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，包括換熱面積的計(jì)算與選型兩方面。一般情況下已知冷流體和熱流體的物性和處理量。進(jìn)出口壓力和溫度由工藝方面的要求來確定。在設(shè)計(jì)中需要選擇或確定的有三大類數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、物性數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)已知的數(shù)據(jù)來計(jì)算熱交換器的換熱面積，從而來決定這個(gè)熱交換器所需要的結(jié)構(gòu)，可以來選定已有的標(biāo)準(zhǔn)熱交換器；而校核計(jì)算則是對已經(jīng)有的熱交換器進(jìn)行一些運(yùn)行參數(shù)的核定，校核它是否滿足預(yù)定的要求。 熱交換器的各零部件的設(shè)計(jì)和選擇依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是 熱交換器 。熱交換器分為管程和殼程，流經(jīng)換熱管的內(nèi)通道以及其相貫通的部分稱之為管程，流經(jīng)換熱管外通道以及與其相貫通的部分稱為殼程。整個(gè)熱交換器的設(shè)計(jì)過程中，由于熱交換器是壓力容器的一種，則 制壓力容器也是一個(gè)運(yùn)用較多的標(biāo)準(zhǔn)，其他對法蘭、墊片的標(biāo)準(zhǔn)則選用新的能源部發(fā)布的 20615制管法蘭，螺紋的選擇用到了 196紋規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，器支座，在整體的設(shè) 計(jì)中，熟練運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)非常重要的技能。 在管程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，換熱管占了整個(gè)熱交換器的大部分重量，換熱管除了光管之外還能采用各式各樣的強(qiáng)化傳熱管，比如翅片管、螺紋管、螺旋槽管等。當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)的給熱系數(shù)較大的時(shí)候，翅片管的翅片布置應(yīng)在給熱系數(shù)較低的一側(cè)。換熱管是具有標(biāo)準(zhǔn)的廣東石油化工學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 6 尺寸（外徑壁厚）的鋼管，主要分為無縫鋼管和不銹鋼管。在設(shè)計(jì)熱交換器的時(shí)候，采用小管徑的換熱管時(shí)，可使傳熱系數(shù)提高、單位面積的傳熱面 積增大、金屬耗量減少、結(jié)構(gòu)緊湊。據(jù)簡單的估算，將同直徑熱交換器的換熱管尺寸由 2519熱面積便可 以增加 40% 左右，同時(shí)節(jié)約 20% 以 上的金屬。但小管徑的流體有較大阻力，且不方便清洗，容易結(jié)垢堵塞。通常情況下，大直徑的管子用于黏性較大或污濁的流體，小管徑的管子則用于相對較清潔的流體。換熱管常用的材料通常有碳素鋼、銅、銅鎳合金、鋁合金、低合金鋼、不銹鋼、鈦等。除此之外，也能夠用一些非金屬材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。換熱管的排列方式主要有正方形、轉(zhuǎn)角正三角形、正三角形、轉(zhuǎn)角正方形等。正三角形的排列方式能夠在相同的管板上排列最多的管數(shù)，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。為便于管外清洗，可采用正方形或 轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 管板是管殼式熱交換器里面最重要的零部件之一，其作用是排布換熱管。將管程和殼程的流體分開，避免冷熱流體的混合，同時(shí)受到管程、殼程的壓力和溫度的作用。管板在選材的時(shí)候不僅要考慮力學(xué)性能，還要考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱器之間存在的電位差對腐蝕的影響。當(dāng)流體腐蝕較低或者基本沒有腐蝕性的時(shí)候，管板一般采用壓力容器用的碳素鋼或者鍛件或低合金鋼板來制造。當(dāng)流體的腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，管板應(yīng)采用耐腐蝕材料，如不銹鋼鈦、鋁、銅、等。對于厚度較大的管板，為達(dá)到降低造價(jià)，工程上常采用鈦 +鋼、不銹鋼 +鋼、鈦 +鋼等復(fù)合板，或堆焊襯里。在熱交換器承受高溫、高壓時(shí)，高溫、高壓對管板的要求是具有矛盾的。增大管板的厚度，管板便可以承受更大的壓力，但是當(dāng)管板兩側(cè)的溫差較大的時(shí)候，沿管板內(nèi)部厚度方向的熱應(yīng)力會(huì)增大；若減小管板的厚度，可以適當(dāng)?shù)慕档退臒釕?yīng)力，但是承壓能力會(huì)下降一些。而且，在開車和停車的時(shí)候，由于厚管板的溫度變化較慢，換熱管壁厚薄，溫度變化較快，所以在換熱管和管板的連接處會(huì)產(chǎn)生出較大的熱應(yīng)力，大的熱應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管和管板連接的地方發(fā)生破壞。因此，在滿足強(qiáng)度的要求下，應(yīng)盡量減少管板的厚度。管板設(shè)計(jì)時(shí) 的基本考慮是：把實(shí)際復(fù)雜的管板簡化為承受均勻分布的載荷，置于彈性的基礎(chǔ)上并且受到在管孔有平均削弱作用的當(dāng)量圓板。同時(shí)也在這個(gè)基礎(chǔ)上考慮管束對于管板的撓度有約束作用，但忽略對于管板的轉(zhuǎn)角具有約束作用；管板周邊沒有布管區(qū)域?qū)馨逵袘?yīng)力影響，把管板劃分成為兩個(gè)區(qū)，即靠近中央的布管區(qū)和靠近周邊較窄的不布管區(qū)；不同結(jié)構(gòu)形式的熱交換器，管板邊緣處具有不同形式的連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的情況，考慮了殼體、法蘭、管箱、封頭、墊片等元件對管板邊緣轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的約束作用；管板兼做法蘭時(shí)，法蘭力矩對管板應(yīng)力的影響。管板的設(shè)計(jì)思路包括管板的 彈性分析、危險(xiǎn)工況、管板應(yīng)力校核、管板應(yīng)力調(diào)整。總體下來，管板的計(jì)算非常復(fù)雜，手算的工作量很大，目前我國已開發(fā)出過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算的軟件，比如 實(shí)際工程 7 計(jì)算中運(yùn)用軟件計(jì)算便會(huì)大大縮短設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量。 管箱位于換熱器的兩端，其作用是將管道輸送過來的流體均勻分布到各個(gè)換熱管，把管內(nèi)的流體匯聚在一起并送出熱交換器。在多管程熱交換器里，管箱還能起到改變流體流向的作用。 管程是在管內(nèi)流動(dòng)著的流體從一端流到另一端，在管殼式熱交換器中，最簡單的是單管程的熱交換器。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，需要增加換熱面積的時(shí)候，可采用增 加換熱管的長度或管數(shù)的方法。過于加長換熱管的長度會(huì)受到加工、運(yùn)輸、安裝及維修等多方面的限制，因此經(jīng)常用增加管數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)換熱面積的增加。 管板與換熱管的連接是管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)、制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是熱交換器出事故率最高的部位，所以，熱交換器中管板和換熱管的連接質(zhì)量的好壞直接影響了熱交換器的使用效果和使用壽命。主要有采用強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊、脹焊并用的方法 在殼程結(jié)構(gòu)中主要由殼體、折流板或折流桿、拉桿、防沖擋板、縱向隔板、防短路結(jié)構(gòu)等元件組成。 殼體一般情況下是個(gè)圓筒，在筒壁上焊有接管，可以流入和排出 流體。 折流板的設(shè)置是為了提高殼程流體的流速并增加湍動(dòng)，使殼程流體垂直地沖刷管束，改善傳熱，增加殼程流體的傳熱系數(shù)，減少結(jié)垢。在臥式熱交換器中，折流板的還有支承作用。折流板一般是等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)放置在靠近殼程進(jìn)出口接管。折流板上的管孔和換熱管之間的間隙、折流板和殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)該符合要求，間隙過大會(huì)泄漏嚴(yán)重，對傳熱不利，還會(huì)引起振動(dòng)；間隙過小，會(huì)使安裝困難。折流板一般采用拉桿和定距管連接在一起。其他零部件可根據(jù)需求來設(shè)定或者選用，如折流桿、防短路結(jié)構(gòu)（擋管、旁路擋板、中間擋板）、防沖板、支 座、靜電接地板、銘牌等。 上述基本設(shè)計(jì)主要在工程設(shè)計(jì)中用到的為主，當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)不斷發(fā)展和進(jìn)步的社會(huì)，能源和資源的緊缺讓人們不得不努力開發(fā)新型的 熱交換器 ，研究新型的高效的 熱交換器 元件，各工業(yè)部門都在努力發(fā)展大容量、高性能的設(shè)備，減少設(shè)備的投資和使用費(fèi)用。當(dāng)今的化工等生產(chǎn)中的環(huán)境更加惡劣，介質(zhì)的腐蝕、毒性等情況會(huì)更加突出，所以新型材料也不斷的加入 熱交換器 的設(shè)計(jì)制造中。 在這樣的世界大環(huán)境下，各國都加快了先進(jìn) 熱交換 技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。我國十分重視傳熱強(qiáng)化和熱能的回收利用這些方面的研究和開發(fā)工作，開發(fā)了適用于不 同的工業(yè)生產(chǎn)過程要求的高效 熱交換 設(shè)備來提高經(jīng)濟(jì)效益，并且取得了豐碩的成果。其中，傳熱強(qiáng)化和節(jié)能技術(shù)是 熱交換技術(shù) 研究的主體方向。傳熱強(qiáng)化是改善傳熱性能的技術(shù)，可以通過提高和改善傳熱速率，來達(dá)到使用最經(jīng)濟(jì)的傳熱設(shè)備來傳遞一定熱量的目的，也可以通過提高傳熱系數(shù)、增加平均傳熱溫差、擴(kuò)大換熱面積等來實(shí)現(xiàn)。目前還普遍用槽管、翅片管、螺紋管、波紋管等新型管子來擴(kuò)展表面以達(dá)到強(qiáng)化傳熱。同時(shí)也常會(huì)有通廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 8 過改變殼程擋板結(jié)構(gòu)、改變管束支承結(jié)構(gòu)等方法來減少或者消除殼程的流動(dòng)和傳熱的滯留死區(qū)，從而使換熱面積能夠得到充分得利用，達(dá)到殼程 強(qiáng)化傳熱的效果 10。 總之，在這個(gè)能源緊缺的時(shí)代，對熱量的充分利用顯得尤為重要。在這個(gè)大發(fā)展的背景下，我國的 熱交換器 也取得了巨大的突破，但是由于我國的熱交換器起步相對較晚，在一些高端熱交換器領(lǐng)域，比如模型化技術(shù)、電腦程序應(yīng)用于設(shè)計(jì)計(jì)算、高新材料在 熱交換器 的運(yùn)用等方面相對于發(fā)達(dá)國家較薄弱。而且我國的化工、煉油、輕工業(yè)等正處于快速發(fā)展的階段，提高熱交換器的本土效率和產(chǎn)量便可以減少大量的熱交換器進(jìn)口，并能有效的減少國內(nèi)大多數(shù)需要用到熱交換器公司的開支，同時(shí)也能促進(jìn)我國熱交換器的大發(fā)展。 優(yōu)化 熱交換器 的優(yōu)化升級是重要的研究方向。祁飛，劉國振，賈曉艷在固定管板式換熱器熱處理有關(guān)問題的探討一文中分析道，設(shè)備是否進(jìn)行焊后熱處理選用哪種熱處理，應(yīng)首先分析其熱處理的目的，充分理解標(biāo)準(zhǔn)中含義，再做出正確的選擇，從而才能設(shè)計(jì)且制造出合格產(chǎn)品。 熱交換器 的優(yōu)化主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝、熱處理、新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等方面出發(fā)，用以提高換熱效率、延長使用壽命、升級控制方案。劉執(zhí)彬、徐勇在固定管板換熱器傳熱效率影響因素分析一文中，總結(jié)固定管板換熱器傳熱效率的影響因素有：流動(dòng)路線及防短路設(shè)置、折流板間距、管束在殼程接管 進(jìn)口或出口處的流通面積。并建議，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)（介質(zhì)流速、壓力降等）依據(jù)伯努利方程確定介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流速，再以此流速來設(shè)計(jì)折流板弓高和間距。周蕾在固定管板式換熱器的研究與優(yōu)化中，對固定管板式 熱交換器 的固定管板厚度隨工作壓力 (殼程與管程壓力 )改變的變化情況和不同 熱交換器 公稱直徑條件下的管板布管情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，采用線性加權(quán)法對固定管板式 熱交換器 的整體進(jìn)行了優(yōu)化。陳文星，陳士瑋在換熱器優(yōu)選的灰靶決策法一文中， 灰靶理論應(yīng)用到 熱交換器 設(shè)計(jì)方案的評價(jià)與優(yōu)選中，取得了與采用其他方法分析一致的結(jié)果，顯示了 它的有效性和實(shí)用性。而且整個(gè)分析過程簡便，為其他一般化工設(shè)計(jì)方案優(yōu)選提供 了一種實(shí)用的方法。王偉，商玉坤，王立剛在焦化廠粗煤氣冷卻用固定管板式換熱器改進(jìn) 15提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 的改進(jìn)和制造過程中的幾個(gè)問題。王武超，趙競?cè)诶淠鲃?dòng)態(tài)性能仿真研究一文中應(yīng)用移動(dòng)邊界法（ 冷凝器建立了動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型，模型體現(xiàn)了冷凝器內(nèi)各個(gè)相區(qū)長度隨時(shí)間的變化，模型最終可以化為常微分線性方程組的形式，在求解上更為方便且兼顧了仿真的效率和精度，模型可提供冷凝器詳細(xì)的性能參數(shù)；研究了在系統(tǒng)不同的控制參數(shù)階躍情況下冷凝 器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，獲得了冷凝器的動(dòng)態(tài)特性，冷凝器的動(dòng)態(tài)特性是冷凝器動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和編制系統(tǒng)控制規(guī)律的基礎(chǔ)。該文中的冷凝器建模方法適合于系統(tǒng)級仿真研究。況莉在 9 循環(huán)水換熱器泄漏故障分析和對策一文中，提出了循環(huán)水換熱器泄漏故障分析和對策，使得換熱器運(yùn)行效果良好，達(dá)到了降低維修費(fèi)用，保證裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的，為以后類似換熱器的維護(hù)改造提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。劉維亭，張冰，朱志宇在主冷凝器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一文中，從主冷凝器的特性出發(fā)，對真空凝水過冷度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入地研究，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)模型及實(shí)現(xiàn) 方法。該系統(tǒng)硬件采用了數(shù)字信號處理芯片，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，軟件采用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以克服系統(tǒng)模型的不確定性。設(shè)計(jì)出了工作穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的魯棒性的換熱系統(tǒng)。 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 10 第二章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和強(qiáng)度校核 計(jì)條件 殼程設(shè)計(jì)壓力 液柱壓力 0 . 9 5 1 0 0 0 9 . 8 1 . 1 0 . 9 5g h P a = 1 0 2 4 1 5 %dP a P則可忽略液柱壓力， 計(jì)算壓力取高于其一個(gè)等級的公稱等級 管程設(shè)計(jì)壓力 忽略液柱壓力，則取高出其一個(gè)壓力等級為 設(shè)計(jì)溫度指容器在正常情況下，設(shè)定的元件金屬溫度，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬在工作溫度狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度。 管程設(shè)計(jì)溫度的確定 ，由于氣氨最高操作溫度為 180，故取設(shè)計(jì)溫度為 200。 殼程設(shè)計(jì)溫度的確定，由于殼程水最高操作溫度為 310，故取設(shè)計(jì)溫度為 330。 由于筒體設(shè)計(jì)溫度為 330，設(shè)計(jì)壓力為 參考 是鍋爐壓力容器常用鋼材， 使用狀態(tài)為 ：熱軋 、控軋 或正火。磷、硫含量略低于低合金高強(qiáng)度鋼板 ，除抗拉強(qiáng)度、延伸率要求比 有所提高外 ，還要求保證沖擊韌性 ，對鋼材的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求比較較高 。 而且 它是目前我國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板 ,可用于容器殼體材料中 ,故 選擇 11 2 式中 計(jì)算厚度， 計(jì)算壓力， 焊接接頭系數(shù)。 2 . 5 1 1 0 0 1 1 . 4 3 02 2 1 4 3 0 . 8 5 2 . 5m m m 2 (1 1 . 4 3 0 2 ) 1 3 . 4 3 0d C m m m m 1 (1 3 . 4 3 0 0 . 3 ) 1 3 . 7 3 0 m m m m 對厚度進(jìn)行圓整可得名義厚度為：n=16取2C=2無特殊腐蝕情況下 ,對于碳素鋼和低合金鋼，不小于 1 力容器用鋼板和 溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過 5 (如20R,16 16，可取1C=0 e=n-(1C+2C) ( C=1C+2C) 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 12 =16-() =() 2 . 5 (1 1 0 0 1 1 . 7 ) 9 4 . 9 6 2 2 1 1 . 7t tc i P a 式中e 有效厚度， e=n n 名義厚度， t 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力， C 厚度附加量， t=143 t t 故校核其滿足強(qiáng)度要求。 因此，圓筒的最大工作壓力 2 2 1 1 . 7 1 4 3 0 . 8 5 2 . 5 61 1 0 0 1 1 . 7 P 13 管程設(shè)計(jì)壓力為 度為 200，參考 普通低合金鋼 ,是鍋爐壓力容器常用鋼材， 使用狀態(tài)為 ：熱軋 、控軋 或正火。磷、硫含量略低于低合金高強(qiáng)度鋼板 ，除抗拉強(qiáng)度、延伸率要求比 有所提高外，還要求保證沖擊韌性 ，對鋼材的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求比較較高 。 而且它是目前我國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板 ， 可用于容器殼體材料中， 故選 箱筒體厚度計(jì)算 2 2 . 5 1 1 0 0 8 . 9 12 2 1 8 3 0 . 8 5 2 . 5m m m 。 2 ( 8 . 9 1 2 ) 1 1 . 9 1d C m m m m 1 (1 1 . 9 1 0 . 3 ) 1 2 . 2 1 m m m m 對厚度進(jìn)行圓整可得名義厚度為：n=16 力容器用鋼板和 溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過 5 (如20R,16 16，可取1C=0 e=n-(1C+2C) ( C=1C+2C) 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 14 =16-() =本次設(shè)計(jì)選擇 D 型管箱，其結(jié)構(gòu)型式見管箱零件圖 。 強(qiáng)度校核 () 2 . 5 (1 1 0 0 1 1 . 7 ) 1 1 8 . 7 7 2 2 1 1 . 7t tc i P a 式中e 有效厚度 , e=n n 名義厚度， t 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力， C 厚度附加量， t=183 t t 故校核其滿足強(qiáng)度要求。 因此，圓筒的最大工作壓力 2 2 1 1 . 7 1 8 3 0 . 8 5 3 . 2 7 41 1 0 0 1 1 . 7 P 15 管程設(shè)計(jì)壓力為 度為 200，參考 材料 20屬于優(yōu)質(zhì)低速鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性。塑性和焊接性均好。 故選 20。 法蘭材料及其質(zhì)量列表如下： 4703 2表 2 根據(jù)公稱壓力等級以及介質(zhì)性質(zhì)選擇法蘭型式為 箱法蘭墊片 選擇非金屬墊片： 纏繞墊 3985。 墊片結(jié)構(gòu)圖見裝配圖。 公稱直徑 法蘭， 螺柱 D 1H ta 1規(guī)格 數(shù)量 1100 1350 1280 1229 1220 1206 104 195 28 26 23 39 00 公稱直徑 法蘭質(zhì)量， 面 凸面 凹面 榫面 槽面 100 東石油化工學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 16 表 2 稱壓力 稱直徑 31100 1209 1229 3 箱法蘭螺柱螺母 對于 螺柱應(yīng)當(dāng) 選用 35，對應(yīng)的 螺母為 25。 4707 本次選用等長雙頭螺柱。 等長雙頭螺柱結(jié)構(gòu)圖 如下： 圖 2長雙頭螺柱圖 17 表 24707d , 16 20 24 27 30 36 0L,40 50 60 65 70 80 C ,2 4 4 5 r ,5 6 6 6 6 2d,A 16 20 24 27 30 36 B L ,極限 偏差 單件質(zhì)量 , 公稱尺寸 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 300 頭的設(shè) 計(jì) 由于管程設(shè)計(jì)壓力為 度為 200， 普通低合金鋼 ,是鍋爐壓力容器常用鋼材， 使用狀態(tài)為 ：熱軋 、控軋 或正火。磷、硫含量略低于低合金高強(qiáng)度鋼板 抗拉強(qiáng)度、延伸率要求比 要求保證沖擊韌性 ，對鋼材的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求比較較高 ， 而且 它是目前我國用途最廣、用廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 18 量最大的壓力容器專用鋼板。 可用于容器殼體材料中， 故封頭材料選為 2 0 . 5 式中 計(jì)算厚度 , 計(jì)算壓力 , 焊接接頭系數(shù)。 2 . 5 1 1 0 0 8 . 8 82 0 . 5 2 1 8 3 0 . 8 5 0 . 5 2 . 5m m m . 2 ( 8 . 8 8 2 ) 1 0 . 8 8d C m m (取2C=2無特殊腐蝕情況下 ,對于碳素鋼和低合金鋼 ,不小于 1 1 (1 0 . 8 8 0 . 3 ) 1 1 . 1 8 m m m m 對厚度進(jìn)行圓整可得名義厚度為：n=14力容器用鋼板和 溫壓力容器用低合金鋼板規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于 因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過 5如和等 ,可取1C=0) e=n-(1C+2C) (C =1C+2C) =14-() = 19 選擇以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的橢圓形封頭，代號為 尺寸和結(jié)構(gòu)如下 表 2積 ： 表 2圓形封頭質(zhì)量 圖 2圓型封頭結(jié)構(gòu) 公稱直徑 總深度 內(nèi)表面積 容積 A V 2m 3m 1100 300 稱直徑 封頭名義厚度 n， N 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 1100 東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 20 對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭， K =圓形封頭的最大工作壓力 2 2 9 . 7 1 8 3 0 . 8 5 2 . 7 2 8 80 . 5 1 1 0 0 0 . 5 1 1 . 7 P 除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。為考核缺陷對壓力安全性的影響，壓力容器制造完畢后或是定期檢驗(yàn)時(shí)，都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)。 常溫時(shí)，水的壓縮系數(shù)比氣體要小得多，且來源豐富，因而是常用的試驗(yàn)介質(zhì)。本次設(shè)備壓力試驗(yàn)采用水壓試驗(yàn)。 由于管程殼程壓力不等，且管程壓力大于殼程，故水壓試驗(yàn)時(shí)先將殼程壓力升高到與管程相等，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)。 （ 1）水壓試驗(yàn) 對于內(nèi)壓容器 1 T 在小于 20 ,100時(shí)的應(yīng)力都為 133 45(2) 應(yīng)力校核 為使液壓試驗(yàn)時(shí)容器材料處于彈性狀態(tài) ,在壓力試驗(yàn)前必須校核試驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜應(yīng)力TT= ()2T i = 5 (1 1 0 0 1 3 2 1 3 =345=T 21 拉桿要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性， 定 距管要求有足夠的強(qiáng)度和良好的焊接性，考慮到設(shè)計(jì)要求， 選擇拉桿 材料為 定距管材料為 10。 拉桿的直徑和數(shù)量按下表選擇： 表 2換熱管外徑 d 25 拉桿直徑 2 公稱直徑 拉桿直徑400 700 16 10 拉桿尺寸與結(jié)構(gòu)如下 ： 表 2 拉桿直徑16 16 18 50 東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 22 L 4 5 L 2桿 結(jié)構(gòu)圖 拉桿應(yīng)盡量布置在管束的邊緣，本次用 10根拉桿 。 16的強(qiáng)度和屈服比，高韌度，良好的焊接性能和冷、熱加工性能，一定的腐蝕性能。 考慮設(shè)計(jì)要求， 故 選擇管板材料為 16 選擇 e 型的連接方式即：管板與殼程圓筒連接為整體，其延長部分兼做法與管箱用螺柱連接。 表 2板尺寸參數(shù) 公稱壓力2/12數(shù)量 00 760 715 676 597 663 600 7 4 38 48 23 結(jié)構(gòu)如下： 圖 2 見管板零件圖。 正三角形排列最為普遍，其在同一直徑管 板面積上可排最多的換熱管數(shù)。其用于殼程介質(zhì)較清潔，換熱管外不需清洗。當(dāng)需對換熱管外清洗時(shí)，則需采用正方形排列，其最小清洗通道應(yīng)不小于 6 毫米。 換熱管尺寸為 25 此取換熱器中心距為32 對固定管板式換熱器 ,布管限定圓的直徑32 b圓筒內(nèi)徑 ,3b 固定管板式換熱器管束最外層管束外表面至殼體內(nèi)表面的最短距離 , 3 一般不小于 8 本次設(shè)計(jì)取3b=1010010=1080 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 24 表 2拉桿孔直徑1 1 . 0 ( 1 6 1 . 0 ) 1 7d d m m m m ,d 為拉桿直徑。 拉桿與管板采用螺紋連接。螺紋深度2 1.5 2 1 6 2 4m m m m 實(shí)際布管數(shù)為 937 根，其中換熱管 927 根，拉桿 10 根。 在標(biāo)準(zhǔn)中選取換熱管為 2 5 2 m m m ， 10 號鋼塑性、韌性很好，易冷熱加 正火或冷加工后切削加工性能好， 此鋼的可焊性非常好，可以用任何方法進(jìn)行焊接，焊前和焊后不必進(jìn)行熱處理， 無回火脆 性，淬透性和淬硬性均差。 但此鋼用不宜用于要求高強(qiáng)度的環(huán)境，只適用于 要求受力不大、韌性高的零件 中， 可用作冷軋、冷沖、冷鐓、冷彎、熱軋等工藝成形，也可用作心部強(qiáng)度不高的滲碳件、碳氮共滲件等。 本設(shè)計(jì)選用 10 號鋼作為換熱管的材料。 ，長度為 3000 換熱管與管板的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹， 其尺寸如下 所示 換熱管外徑 d 或無支撐跨 l 32d 或 900l 900l 且 32d 管孔直徑 允許偏差 + 25 表 2熱管與管板的連接采用強(qiáng)度焊 圖 2 選取標(biāo)準(zhǔn)管子 50材料 20屬于優(yōu)質(zhì) 低速鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌， 。塑性和焊接性 均好， 考慮設(shè)計(jì)要求， 故材料選 20。 選取標(biāo)準(zhǔn)管子 50材料 20屬于優(yōu)質(zhì) 低速鋼，冷擠壓、滲碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性，塑性和焊接性均好， 考慮設(shè)計(jì)要求， 故材料選 20。 換熱管規(guī)格 換熱管最小伸出長度 最小坡口深度3 2 廣東石油化工學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)：汽油改質(zhì)裝置重沸器的機(jī)械設(shè)計(jì) 26 考慮到殼程接管都安裝于最高處或最低處，并且為單殼程，無須設(shè)排氣管和排液管。管程不設(shè)置。 與接管材料一致 ,選擇材