蜡油换热器设计过程装备与控制工程毕业设计.docx
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蜡油换热器设计过程装备与控制工程毕业设计
蜡油换热器设计
过程装备与控制工程毕业设计
1前言
1.1课题意义
换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。
据统计,在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%,在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右,海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。
对国外换热器市场的调查表明,虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64%[1]。
1.2管壳式换热器
基本类型:
固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式。
U形管式换热器
图1-2U形管换热器
U形管式换热器的典型结构如图。
这种换热器的结构特点是,只有一块管板,管束由多根U形管组成,管的两端固定在同一块管板上,管子可以自由伸缩。
当壳体与U形换热管有温差时,不会产生热应力。
由于受弯管曲率半径的限制,其换热管排布较少,管束最内层管间距较大,管板的利用率较低,壳程流体易形成短路,对传热不利。
当管子泄露损坏时,只有管束外围处的U形管才便于更换,内层换热管坏了不能更换,只能堵死,而坏一根U形管相当于坏两根管,报废率较高。
U形管式换热器结构比较简单、价格便宜,承压能力强,适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要清洗,又不适宜采用浮头式和固定管板式的场合。
特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料[2]。
2蜡油换热器设计
2.1蜡油换热器设计条件
表一设备设计主要技术指标
壳体
管程
换热管排列
转角正方形
设计压力/MPa
4.0
4.0
换热面积/m2
260
设计温度/℃
295
355
换热管直径/mm
Φ25
工作压力/MPa
1.3
1.6
换热管间/mm
32
工作温度/℃
227
355
折流板间距/mm
300
介质名称
原料油
蜡油
换热管长度/m
6
介质性质
易燃
易燃
管程数
1
4
主要材质
16MnR
16MnR
表二管口表
符号
公称压力
公称尺寸
法兰形式
密封面形式
用途
伸出长度
N1
PN6.3
DN250
WN
MFM
蜡油出口
见图
N2
PN6.3
DN250
WN
MFM
蜡油出口
见图
N3
PN6.3
DN250
WN
MFM
原油进口
200
N4
PN6.3
DN250
WN
MFM
原油进口
200
N5
PN6.3
DN50
WN
MFM
放空口
150
N6
PN6.3
DN65
WN
MFM
排污口
150
2.2布管
按要求换热管的直径为25mm,间距为32mm,管长为6m,换热面积为260m2,换热管排列方式为转角正方形。
如图2-1、图2-2。
图2-1换热管排列方式图2-2布管图
换热管的数目为600根,计算得换热面积为282.6m2,符合要求。
同时均匀的布置了8根拉杆。
2.3管箱选择
由设计任务书选择封头管箱,Ⅳ管程,如图2-3。
图2-3封头管箱
2.4设备法兰选择
换热器设计压力4MP,温度壳程295oC、管程355oC,法兰选择长颈对焊法兰[2]。
图2-4设备法兰
由筒体公称直径1000mm和PN=4.0MP,选得法兰的参数:
D=1215mm,D1=1155mm,D2=1110mm,D3=1100mm,D4=1097mm,δ=100mm,H=175mm,h=42mm,a=26mm,a1=23mm,δ1=24mm,δ2=36mm,R=15mm,d=33mm。
螺柱:
规格M36数量40
法兰垫片:
选择非金属软垫片[4]
图2-5法兰垫片
由DN1000和公称压力4MP,得到垫片参数:
D=1099mm,d=1039mm
2.5接管及接管法兰选择
按任务书要求,选择长颈对焊法兰,如图;
图2-6接管法兰
N1~N4管:
由DN250,法兰形式WN,密封面形式MFM;选择φ273×9的钢管。
法兰为带颈对焊法兰,凹凸面密封。
法兰外径D:
470mm,螺栓孔中心圆直径K:
400mm,螺栓孔直径L:
36mm,螺栓孔数量n:
12,螺纹Th:
M33×2,法兰厚度C:
46mm,法兰颈A:
316mm,B:
316mm,S:
13.5mm,H1:
18mm,R:
10mm,法兰高度H:
125mm,法兰理论重量:
48.9Kg.
N5:
由DN50,法兰形式WN,密封面形式MFM;选择φ57×3.5的钢管。
法兰为带颈对焊法兰,凹凸面密封。
法兰外径D:
180mm,螺栓孔中心圆直径K:
135mm,螺栓孔直径L:
22mm,螺栓孔数量n:
4,螺纹Th:
M20,法兰厚度C:
26mm,法兰颈A:
82mm,B:
82mm,S:
5mm,H1:
10mm,R:
5mm,法兰高度H:
62mm,法兰理论重量:
4.86Kg
N6:
由DN65,密封面形式MFM;选择φ76×4的钢管。
法兰为带颈对焊法兰,凹凸面密封。
法兰外径D:
205mm,螺栓孔中心圆直径K:
160mm,螺栓孔直径L:
22mm,螺栓孔数量n:
8,螺纹Th:
M20,法兰厚度C:
26mm,法兰颈A:
98mm,B:
98mm,S:
6mm,H1:
16mm,R:
6mm,法兰高度H:
68mm,法兰理论重量:
5.92Kg[5]
2.6支座选择
2.6.1支座类型
由换热器的尺寸及重量,选择重型、120°包角的支座[6]。
图2-7鞍式支座
2.6.2参数
允许载荷Q:
305kn,鞍座高度h:
200mm,底板l1:
760mm,b1:
170mm,δ1:
12mm,腹板δ2:
8mm,筋板l2:
170mm,b2:
140mm,b3:
200mm,δ3:
8mm,垫板弧长:
1180mm,b4:
350mm,δ4:
8mm,e:
70mm,螺栓间距l2:
600mm,鞍座质量:
63kg,增加100mm高度增加的质量:
9kg。
2.6.3支座位置
图2-8支座位置
鞍式支座在换热器上的位置应按下列原则确定:
当L3000mm时,取LB=(0.4~0.6)L;
当L>3000mm时,取LB=(0.5~0.7)L;
尽量使Lc和Lc相近。
本设计LB=4500mm,Lc'=800mm,Lc=700mm。
2.7焊接结构选择
2.7.1筒体纵环焊缝[7]
图2-9筒体纵环焊缝
2.7.2接管与筒体焊接[7]
图2-10接管与筒体连接
2.7.3设备法兰与筒体连接[7]
图2-11设备法兰与筒体连接
2.7.4管子与管板连接[7]
图2-12管子与管板连接
强度焊与贴胀。
2.8材料选择
材料选择是蜡油换热器设计中的一个重要环节,它直接影响设计的安全性、合理性、经济性,.选用材料主要有以下几种类型:
1.压力容器用钢板。
2.压力管道用钢管。
3.压力容器用锻件。
4.压力容器用螺柱、螺栓、垫片。
筒体、封头、补强圈等选用Q345R钢;法兰选用16MnⅡ钢,各种接管选用20号钢,螺母、螺栓分别选用30CrMo和30CrMoA。
2.9壳程壁厚计算
2.9.1筒体壁厚计算
圆筒壁厚计算公式:
T=(2-1)
式中T—计算厚度,mm;
Pc—设计压力,MP;
Di—筒体内径,mm;
—焊接接头系数
—设计温度下材料的材料的允用应力,MP;
按设计任务书Pc为4MP,Di为1000mm,取0.85,设计温度为295oC,由表[8]查得=144MP。
算得T=16.6mm
Tn=T+C1+C2+圆整值(2-2)
式中Tn—名义厚度,mm;
C1—钢材厚度负偏差,mm;
C2—腐蚀裕量,mm;
C1取0.3mm,C2取1mm,算得Tn=20mm,有效厚度=--,算得=18.7mm
2.9.2壳程圆筒水压试验
(2-3)
式中PT—内压容器的试验压力,MP;
—试验温度下材料的材料的允用应力,MP;
—设计温度下材料的材料的允用应力,MP;
查表[8]得=170MP,计算得PT=5.90MP,
=(2-4)
式中—圆筒校核应力,MP;
计算得=189.1MP,而该试验温度下材料屈服强度=345MP,0.9=310.5,故<0.9,所求厚度符合要求。
2.9.3壳程封头壁厚计算
计算公式:
T=(2-5)
式中T—计算厚度,mm;
Pc—设计压力,MP;
Di—筒体内径,mm;
—焊接接头系数
—设计温度下材料的材料的允用应力,MP;
按设计任务书Pc为4MP,Di为1000mm,取0.85,设计温度为295oC,由表[8]查得=144MP。
算得T=16.7mm
Tn=T+C1+C2+圆整值(2-2)
式中Tn—名义厚度,mm;
C1—钢材厚度负偏差,mm;
C2—腐蚀裕量,mm;
C1取0.3mm,C2取1mm,算得Tn=20mm,有效厚度=--,算得=18.7mm
2.10管程圆筒壁厚
2.10.1圆筒壁厚计算
计算公式:
T=(2-1)
式中T—计算厚度,mm;
Pc—设计压力,MP;
Di—筒体内径,mm;
—焊接接头系数
—设计温度下材料的材料的允用应力,MP;
按设计任务书Pc为4MP,Di为1000mm,取0.85,设计温度为355oC,由表[8]查得=134MP。
算得T=17.9mm
Tn=T+C1+C2+圆整值(2-2)
式中Tn—名义厚度,mm;
C1—钢材厚度负偏差,mm;
C2—腐蚀裕量,mm;
C1取0.3mm,C2取1mm,算得Tn=20mm,有效厚度=--,算得=18.7mm
2.10.2管程圆筒水压试验
(2-3)
式中PT—内压容器的试验压力,MP;
—试验温度下材料的材料的允用应力,MP;
—设计温度下材料的材料的允用应力,MP;
查表[8]得=170MP,计算得PT=6.3MP,
=(2-4)
式中—圆筒校核应力,MP;
计算得=203.3MP,而该试验温度下材料屈服强度=345MP,0.9=310.5,故<0.9,所求厚度符合要求。
2.10.3管程封头壁厚计算
计算公式:
T=(2-5)
式中T—计算厚度,mm;
Pc—设计压力,MP;
Di—筒体内径,mm;
—焊接接头系数
—设计温度下材料的材料的允用应力,MP;
按设计任务书Pc为4MP,Di为1000mm,取0.85,设计温度为355oC,由表[8]查得=134MP。
算得T=17.7mm
Tn=T+C1+C2+圆整值(2-2)
式中Tn—名义厚度,mm;
C1—钢材厚度负偏差,mm;
C2—腐蚀裕量,mm;
C1取0.3mm,C2取1mm,算得Tn=20mm,有效厚度=--,算得=18.7mm
2.11开孔补强计算
2.11.1N1接管Φ273×9
开孔削弱的截面积A0
A0=dT+2T(tn-C)(1-fr)(2-6)
式中C—厚度附加量,C=C1+C2
d—接管内径加上壁厚附加量C以后的直径,d=di+2C;
T—壳体计算厚度;
fr—材料强度削弱系数;
di=255mm,d=257.6mm
fr==0.69,A0=4696.5mm2
有效补强范围
补强区宽度B=2d,B=d+2Tn+2tn;两者中取大者;
B=515.2mm,B=315.6,则B=515.2mm
补强区外侧高度h1=,h1=接管实际外伸长度;两者中取小者;
h1=48.1mm,h1=26
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- 蜡油 换热器 设计 过程 装备 控制工程 毕业设计