板式冷却器壳体直径经常用的标准有159m

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　　目 录 设计任务书……………………………………………………………………2 设计方案简介 ………………………………………………………………3 1.概述……………………………………………………………………………3 2.选择换热器类型………………………………………………………………4 3.管程安排………………………………………………………………………8 4.流向的选择……………………………………………………………………9 5.流速的选择……………………………………………………………………9 6.材质的选择……………………………………………………………………9 7.管程结构…………………………………………………………………… 9 8．壳程结构……………………………………………………………………10 三．工艺计算及主要设备设计……………………………………………………12 1.确定物性数据…………………………………………………………………12 2.估算传热面积…………………………………………………………………13 3.选择管径和管内流速…………………………………………………………14 4.选取管长、确定管程数和总管数……………………………………………15 5.平均传热温差校正及壳程数…………………………………………………15 6.传热管的排列和分程方法……………………………………………………16 7.壳体内径………………………………………………………………………16 8.折流板…………………………………………………………………………17 四．换热器主要传热参数核算……………………………………………………17 1.热流量核算……………………………………………………………………17 2.壁温核算………………………………………………………………………20 3.换热器内流体的流动阻力……………………………………………………21 五．换热器主要结构尺寸和计算结果……………………………………………24 六 .附图………………………………………………………………………… 25 七． 主要符号介绍………………………………………………………………… 26 七．自我评价……………………………………………………………………… 26 八 参考资料…………………………………………………………………………27 列管式换热器设计任务书 （一）设计题目 列管式换热器设计 （二）设计任务及操作条件 1、处理能力 2.0×104吨/年 2、设备型式 e列管式换热器 3、操作条件 （1）釜残液：重油，入口温度102℃，出口温度40℃ （2）冷却介质：井水 （3）换热器的管程和壳程压强降：不大于50k Pa （4）重油平均温度下的物性参数： 名称 （kg/m3） Cp (kJ/㎏.℃) （Pa.s） (W/m.℃) 重油 986 1.99 2.9×10-3 0.136 （5）一年工作时间按330天计算，每天工作24小时 二、设计方案简介 1 概述 完善的换热器在设计或选型时应满足以下各项基本要求： 合理地实现所规定的工艺条件  传热量、板式冷却器流体的热力学参数（温度、压力、流量、相态等）与物理化学性质（密度、粘度、腐蚀性等）是工艺过程所规定的条件。设计者应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。其具体做法如下： ①增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的前提下，尽量选择高的流速。 ②提高平均温差。对于无相变的流体，尽量采用接近逆流的传热方式。因为这样不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。在允许的条件时，可提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。 ③妥善布置传热面。例如在管壳式换热器中，采用合适的管间距或排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。错列管束的传热方式比并列管束的好。如果换热器中的一侧有相变，另一侧流体为气相，可在气相一侧的传热面上加翅片以增大传热面积，更有利于热量的传递。 （2）安全可靠  换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准。这对保证设备的安全可靠起着重要的作用。 （3）有利于安装、操作与维修  直立设备的安装费往往低于水平或倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在房移动时不会受到楼梯、梁、柱的妨碍，根据需要可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。 （4）经济合理  评价换热器的终指标是在一定的时间内（通常为1年）固定费用（设备的购置费、安装费等）与操作费（动力费、清洗费、维修费等）的总和为小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。 动力消耗与流速的平方成正比，而流速的提高又有利于传热，因此存在一适宜的流速。 传热面上垢层的产生和增厚，使传热系数不断降低，传热量随之而减少，故有必要停止操作进行清洗。在清洗时不仅无法传递热量，还要支付清洗费，这部分费用必须从清洗后传热条件的改善得到补偿，因此存在一适宜的运行周期。 严格地讲，如果孤立地仅从换热器本身来进行经济核算以确定适宜的操作条件与适宜的尺寸是不够全面的，应以整个系统中全部设备为对象进行经济核算或设备的优化。但要解决这样的问题难度很大，当影响换热器的各项因素改变后对整个系统的效益关系影响不大时，按照上述观点单独地对换热器进行经济核算仍然是可行的。 2、选择换热器的类型 1.换热器 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。 在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上流体参加换热的换热器，但它的基本原理与上述情形并无本质上的差别。 在食品、化工、石油、动力、制冷等行业中广泛使用各种换热器，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一些化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要地位。 随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器各有优缺点，性能各异。在换热器设计中，首先应根据工艺要求选择适用的类型然后计算换热所需传热面积，并确定换热器的结构尺寸。 2.换热器的选择 换热器的种类很多，根据其热量传递的方法的不同，可以分为3种形式：坚壁式、直接接触式和蓄热式。 列管式换热器的应用已有很悠久的历史，现在，它被当作一种传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用，尤其在石油、化工、板式冷却器能源设备等部门所使用的换热设备中，列管式换热器仍处于主导地位。虽然列管式换热器在传热效率、紧凑性和金属耗量等方面不及某些新型换热器，但它具有结构简单、坚固耐用、适应性强、制造材料广泛等独特的优点，因而在换热设备中仍处于主导地位。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。所需材质 ，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。 在列管式换热器中，管束的表面积即为该换热器所具有的传热面积。当传热面积较大，管子数目较多时，为了提高管内流体的流速，增大管内一侧流体的传热膜系数，常将全部管子平均分成若干组，流体每次只流经一组管子，即采用多管程结构。其方法是在封头内装设隔板，在一端的封头内装设一块隔板，便成二管程；在进口端装两块挡板，另一端装一块隔板，便成四管程；如此，还可以设置其他多管程，但过多使流体阻力增大，隔板占有分布管面积，而使传热面积减小 列管换热器主要特点： (1) 耐腐蚀性：聚丙烯具有优良的耐化学品性，对于无机化合物，不论酸，碱、盐溶液，除强氧化性物料外，几乎直到100℃都对其无破坏作用，对几乎所有溶剂在室温下均不溶解，一般烷、径、醇、酚、醛、酮类等介质上均可使用。 (2) 耐温性：聚丙烯塑料熔点为164-174℃，一般使用温度可达110-125℃。 (3) 无毒性：不结垢，不污染介质，也可用于食品工业。 (4) 重量轻：对设备安装维修极为方便。 列管换热器（又名列管式冷凝器），按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器、填料函式换热器。分别如下： 固定管板式换热器： 这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。板式冷却器 为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.7Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。 浮头式换热器： 图2 换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。 结构特点：两端管板只有一端与壳体完全固定，另一端则可在壳体内沿轴向自由伸缩，管式换热器该端称为浮头。浮头式换热器的优点是当换热管与壳体间有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。 缺点：结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。 适用于管壁间温差较大或易于腐蚀和易于结垢的场合。 U型管式换热器： 图3 U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。 填料函式换热器 填料函式换热器的结构如图4所示。其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。 缺点：填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。 图4 2）选择 在本次设计任务中，两流体温度变化情况为：热流体（煤油）进口温度102℃，出口温度40℃；冷流体(井水)进口温度10℃，出口温度30℃。该换热器用井水冷却介质，受环境影响，进口温度会降低，考虑到这一因素，估计该换热器的管壁温和壳体壁温之差较大，管束与管壳之间的温差较大会产生不同热膨胀，并且压强降不大于50kPa，因此初步确定选用固定管板式换热器。 3、管程安排 对于流体流径的选择一般可以考虑以下几点： (1)?不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子。 (2)?腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3)?压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。 (4)?饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5)?被冷却的流体宜走管间，可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。 (6)?需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7)?粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 选择：从两物流的操作压力看，应使煤油走管程，冷却水走壳程。但由于冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使换热器的热流量下降，所以从总体考虑，应使水走管程，煤油走壳程。 4、流向的选择 当冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下，逆流操作总是优于并流。 流速的选择 当流体不发生相变时，介质的流速高，换热强度大，从而可使换热面积减小、结构紧凑、成本降低，一般也可以抑制污垢的产生。但流速大也会带来一些不利的影响，诸如压降△P增加，泵功率增大，且加剧了对传热面的冲涮。 换热器常用流速的范围如表1： 循环水 新鲜水 一般液体 易结垢液体 低粘度油 高粘度油 气体 管程流速，m/s 1.0~2.0 0.8~1.5 0.5~3 1.0 0.8~1.8 0.5~1.5 5~30 壳程流速，m/s 0.5~1.5 0.5~1.5 0.2~1.5 0.5 0.4~1.0 0.3~0.8 2~15 表1 6.材质的选择 一般换热器常用的材料，有碳钢和不锈钢。 （1）碳钢 价格低，强度较高，对碱性介质的化学腐蚀比较稳定，很容易被酸腐蚀，在无耐腐蚀性要求的环境中应用是合理的。如一般换热器用的普通无缝钢管，其常用的材料为10号和20号碳钢。 （2） 不锈钢  奥氏体系不锈钢以1Crl8Ni9Ti为代表，它是标准的18-8奥氏体不锈钢，有稳定的奥氏体组织，具有良好的耐腐蚀性和冷加工性能。 7.管程结构 介质流经传热管内的通道部分称为管程。 （1）换热管布置和排列问距 常用换热管规格有ф19×2 mm、ф25×2 mm、ф25×2.5 mm。 标准管子的长度常用的有1500mm，2000mm，3000mm，6000mm等。当选用其他尺寸的管长时，应根据管长的规格，合理裁用，避免材料的浪费。  换热管管板上的排列方式有正方形直列、正方形错列、三角形直列、三角形错列和同心圆排列，如下图所示。 (a) 正方形直列 （b）正方形错列 (c) 三角形直列 （d）三角形错列 （e）同心圆排列 正三角形排列结构紧凑；正方形排列便于机械清洗；同心圆排列用于小壳径换热器，外圆管布管均匀，结构更为紧凑。我国换热器系列中，固定管板式多采用正三角形排列；浮头式则以正方形错列排列居多，也有正三角形排列。 （2）. 管板  管板的作用是将受热管束连接在一起，并将管程和壳程的流体分隔开来。  管板与管子的连接可胀接或焊接。 8.壳程结构 介质流经传热管外面的通道部分称为壳程。 壳程内的结构，主要由折流板、支承板、纵向隔板、旁路挡板及缓冲板等元件组成。由于各种换热器的工艺性能、使用的场合不同，壳程内对各种元件的设置形式亦不同，以此来满足设计的要求。各元件在壳程的设置，按其不同的作用可分为两类：一类是为了壳侧介质对传热管的流动，来提高换热设备的传热效果而设置的各种挡板，如折流板、纵向挡板。旁路挡板等；另一类是为了管束的安装及保护列管而设置的支承板、管束的导轨以及缓冲板等。 （1）.壳体  壳体是一个圆筒形的容器，壳壁上焊有接管，供壳程流体进人和排出之用。直径小于mm的壳体通常用钢管制成，大于mrn的可用钢板卷焊而成。壳体材料根据工作温度选择，有防腐要求时，大多考虑使用复合金属板。  介质在壳程的流动方式有多种型式，单壳程型式应用为普遍。如壳侧传热膜系数远小于管侧，则可用纵向挡板分隔成双壳程型式。用两个换热器串联也可得到同样的效果。为降低壳程压降，可采用分流或错流等型式。 壳体内径D取决于传热管数N、排列方式和管心距t。计算式如下：  单管程  式中 t——管心距，mm；  d0——换热管外径，mm；  nc——横过管束中心线的管数，该值与管子排列方式有关。  正三角形排列：  正方形排列：  多管程  式中 N——排列管子数目；  η——管板利用率。  正角形排列：2管程 η=0.7~0.85 4管程 η=0.6~0.8 正方形排列：2管程 η=0.55~0.7 4管程 η=0.45~0.65壳体内径D的计算值终应圆整到标准值。 （2） 折流板  在壳程管束中，一般都装有横向折流板，用以引导流体横向流过管束，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板的型式有圆缺型、环盘型和孔流型等。  圆缺形折流板又称弓形折流板，是常用的折流板，有水平圆缺和垂直圆缺两种。切缺率(切掉圆弧的高度与壳内径之比)通常为20％~50％。管式换热器垂直圆缺用于水平冷凝器、水平再沸器和含有悬浮固体粒子流体用的水平热交换器等。垂直圆缺时，不凝气不能在折流板顶部积存，而在冷凝器中，排水也不能在折流板底部积存。弓形折流板有单弓形和双弓形，双弓形折流板多用于大直径的换热器中。  折流板的间隔，在允许的压力损失范围内希望尽可能小。一般推荐折流板间隔小值为壳内径的1/5或者不小于50 mm，值决定于支持管所必要的间隔。 （3） 壳程接管  壳程流体进出口的设计直接影响换热器的传热效率和换热管的寿命。当加热蒸汽或高速流体流入壳程时，对换热管会造成很大的冲刷，所以常将壳程接管在入口处加以扩大，即将接管做成喇叭形，以起缓冲的作用；或者在换热器进口处设置挡板。 三．工艺计算及主要设备设计 （一）确定物性数据 壳程流体25%Cacl2溶液的定性温度为： ℃ 密度：ρ0＝1.286×103kg/m3 定压比热容:Cp0＝2.017kJ/(kg.K) 热导率:λ0＝0.47W/m.K 粘度:μ0=3×10-3Pa﹒s 管程含丙酮的混合气体的定性温度为： ℃ 密度：ρ1=1.318kg/m3 定压比热容：Cp1=1.005kJ/(kg.K) 热导率：λ1=240W/m.K 粘度：μ1=1.7×10-5Pa﹒s （二）估算传热面积 每年按7200小时运行 换热器的热流量： 发生相变的热流量： 2、冷流体流量 计算两流体的平均传热温差并修正 式中：℃ ℃ ℃ 在列管式换热器中由于加折流挡板或多管程，冷热两流体并非纯逆流，以上应加以校正，其校正系数按以下步骤算得： 假设，该设计为单壳程、多管程，其列管式换热器的温度差校正系数可按下式计算： ℃。 估算传热面积 根据冷热流体的物性参数及在换热器中有无相变化，先选取传热系数K=240W/(m2.℃) 考虑 15％的面积裕度，A=1.15×A′=1.15×8.1=9.35(m2)。 （三）选择管径和管内流速 选用Φ25×2的传热管（碳钢管），管内径di=25-2×2=21mm，壁厚b=2mm 取管内流速ui=15m/s （四）选取管长、确定管程数和总管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数： （根） 按单程管计算，所需的传热管长度为： 按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长L=1.5m，则该设计取为单管程。 传热管总根数N=113×1=113(根) 如果按单程计算的管子太长，则应采用多管程，此时应按实际情况选择每程管于的长度。国标GBl5l一89推荐的传热管长度为1．0，1.5，2.0，2．5，3.0，4．5，6.0，7．5，9.0，12.0m．在选取管长时应注意合理利用材料，还要使换热器具有适宜的长径比。列管式换 热器的长径比可在4—25范围内，一般情况下为6—10，竖直放置的换热器，长径比为4-6 （六）传热管的排列和分程方法 采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列,隔板两侧采用正方形排列。 取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32㎜ 横过管束中心线的管数。 （七）壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率 η=0.8，得壳体内径为 计算的到的壳体直径应按换热器的系列标准进行圆整。壳体直径经常用的标准有159mm、273mm、mm、500mm、600mm、800mm等。根据以上标准可取D=mm。 折流板 安装折流挡板的目的是为了加大壳程流体的速度，使湍动速度加快，以提高壳程对流传热系数。两相邻挡板的距离（板间距）h为外壳内径的0.2～1倍，固定管板式系列中采用标准B值为：100、150、200、300等。采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，h=0.25D=0.25×=100mm，h取100mm。 取折流板间距B=0.2D，则B=0.2×=80mm，可取B为100mm。 折流板数目 折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=1500/100-1=14(块) 折流板圆缺面水平装配。 4、接管 管程流体进出口接管：取接管内混合气体流速为u＝15m/s，则接管内径为 m 取标准管径为50mm。 壳程流体进出口接管：取接管内循环氯化钙溶液流速u＝0.8m/s，则接管内径为 m 取标准管径50mm 3.1.3.4 换热器核算 1、换热面积核算 ①壳程对流传热系数对圆缺形折流板，可采用凯恩公式： 当量直径，由正三角形排列得： 壳程流通截面积： 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 普兰特准数： 粘度校正： W/ (m2·K) ②管程对流传热系数： 管程流通截面积： 管程流体流速 普兰特准数： W/ (m2·K) ③传热系数K： ④传热面积A 该换热器的实际传热面积Ap 该换热器的面积裕度为： 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 2、换热器内流体的流动阻力 ①管程流动阻力 由Re＝25584，传热管相对粗糙度0.01/20＝0.005，查莫狄图得：摩擦系数λI=0.031，流速up＝16.5m/s，ρ＝1.318kg/m3，所以： 管程流动阻力在允许范围之内。 ②壳程压力降 ∑ΔPo=(ΔP′1+ΔP′2)Fans Ns＝l，管式换热器Ft＝l 流体流经管束的压降 流体流过折流板缺口的阻力： 壳程总压力降： 壳程压力降结构结垢校正系数,壳程数 3、换热器主要结构尺寸和计算结果 附表3-12 换热器主要结构尺寸和计算结果 参数 管程 壳程 进/出口温度/℃ 25/-38 -50/-38 压力/MPa 0.1 0.15 物性 定性温度/℃ -6.5 -44 密度/（kg/m3） 1.318 1286 定压比热容/[kJ/（kg?k）] 1.005 2.017 粘度/（Pa?s） 1.7×10-5 3×10-3 热导率（W/m?K） 240 0.47 设备结构参数 形式 列管式 壳程数 1 壳体内径/㎜ 台数 1 管径/㎜ Φ25×2.5 管中心距/㎜ 32 管长/㎜ 1500 管子排列 △ 管数目/根 113 折流板数/个 7 传热面积/㎡ 11.4 折流板间距/㎜ 100 管程数 1 材质 碳钢 主要计算结果 管程 壳程 流速/（m/s） 16.5 0.2 热流量/kJ/s 48.9 传热温差/℃ 25.16 传热系数/[W/（㎡?K）] 203 裕度/% 19.1% 3.1.3.5设备的结构设计 壳体 ①壳体内径：D=mm ②壁厚： 因为是在常压下操作，经过对比，终选择Q345D，它可适用于在P≤1.6MPa、温度小于20℃，壳体δn≤10，非高度危害介质。该条件下许用应力是174MPa。屈服极限工作压了Pw=0.11MPa，设计压力P=0.12MPa，不计静压力则计算压力Pc=0.12MPa，设计温度为-55℃。 理论壁厚 则 式中 因为，所以 但是换热器的小壁厚远大于一般容器，对于碳钢和低合金钢在DNmm时，小壁厚为6mm。综上名义厚度。 采用椭圆形标准封头 因为，所以 强度校核 满足要求。 压力试验 式中： 计算得： 试压时器壁应力： ，因此符合压力试验的要求。 2、管板的材质及管板的尺寸 ①材质：在选用管板时的材料时，当换热介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，可按规定采用低碳钢或普通低合金；处理腐蚀性介质时，应采用优质的耐腐蚀材料，本设计采用与壳体相同的低碳钢Q345D。 ②管板尺寸：根据《化工设备设计基础》，D=mm，设计压力为0.12MPa时管板厚度为20mm。 3、管子在管板上的固定 管子在管板上的固定方法主要有胀接和焊接两种，其原则是必须保证管子与管板连接牢固，连接处不会产生泄露。 ①胀接法：此法是利用胀接管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使端部发生塑性变形，管板同时也产生弹性形变，当取去胀管器后由于管板孔的弹性收缩，使管子与管板间同时产生一定挤紧力而紧密的贴在一起，从而达到密封紧固连接的目的。采用胀接时，管板的硬度应比管端高，以保证胀接质量，这样可以免除应管板孔塑性变形，而影响胀接紧密性。 ②焊接法：由于此法具有高温高压下仍能保持连接的紧密性，对管板孔的加工精度要求低，加工工艺较简单，当压强不太高使，可用较薄管板等优点，因此焊接法应用较广泛；但焊接法工艺要求管子与管孔之间应留有一定间隙。 根据本设计的操作物质易燃易爆气体，操作压力与温度较低，因此选用密封性能较好的胀接法。 4、管板与壳体的连接 考虑到换热器的结构特点，管板与壳体的连接结构可以分成可拆式和不可拆式两大类型。固定管板式换热器的管板与壳体间常采用不可拆连接，可采用焊接的方式。 5、封头 封头又称盖端，按其形状可分为凸形封头，锥形封头和平焊封头三类。其中凸形封头按结构形状又可分为球形、椭圆形、蝶形和无折边球形。对于列管式换热器一般选用椭圆形封头为多，因为椭圆封头各点曲率的变化是连续的，当其承受内压时封头内的应力分布不会发生突变，所以其承受能力较大。大多数椭圆封头的壁厚是与筒体厚底相当或比筒体稍厚。 b.对于封头： 选用标准椭圆形封头，封头计算厚度： 同样可取封头名义厚度为6mm，其中C1=0.5，C2=2mm。 封头参数如下表： 公称直径mm 容积m3 质量kg 内表面积m2 短筒边mm 0.012 8 0.204 25 选用EHA ×5—Q235-C JB/T4746—2002 鞍座 由于同一直径的容器长度有长有短、介质有轻有重，因而DN的鞍座按其允许承受的载荷考虑，有轻型和重型之分，对于DN900mm的鞍座，由于直径较小，支座安轻型和重型之分差别不大，所以对于DN900mm的鞍座只有重型。鞍座大都带有垫板，但是对于DN900mm的鞍座也有不带垫板的。根据要求，给设计选择的鞍座参数如下： 公称直径mm 允许载荷kN 鞍座高度mm 底板 腹板 筋板 60 200 L1 B1 B3 380 8 8 8 96 8 4.5.3 载荷计算 塔壳和封头质量： 法兰、接管等附属件质量： 内构件质量： 操作时塔内物料质量： 充液质量： 塔器的操作质量： 塔器的质量： 4.5.4 附件设计 容器法兰 名称 公称直径DN 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量n 螺纹Th 法兰厚度C 法兰重量 进出口接管 50 515 480 18 16 M16×105 30 14.4 容器垫片 公称直径 垫片内径 垫片外径 螺栓孔数量 螺栓孔直径 螺栓孔中心圆直径 垫片厚度 50 426 565 16 26 515 3 10 18 90 4 14 60 1.5 2、管法兰 （1） 根据法兰标准HG20594-97法兰的选用，选择板式平焊钢制法兰，采用凹面连接型式。如图4-5。 图4-5 表4-11 管法兰尺寸表 名称 公称直径DN 管外径 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量n 螺纹Th 法兰厚度C 法兰重量 进出口接管 50 57 140 110 14 4 M12×70 16 0.81 温度和压力口 10 14 75 50 11 4 M10×60 12 0.32 平面安装时易于对中，还能有效地防止垫片被挤出压紧面，适用于公称压力小于等于2.5MPa的容器法兰和管法兰。 接管的加固： 对于DN小于等于25mm，伸出长度大于等于150mm以及DN=32～50mm，伸出长度大于等于200mm的接管，应采用变径管加固或设置筋板予以支撑。 接管伸长量： 表4-11 接管伸长量 接管公称直径 小伸出长度 10～50 150 70～200 200 （2） 垫片选择 垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能，选石棉橡胶板垫片（HG/T20606-2009)。 表4-12 垫片的尺寸 公称直径 垫片内径 垫片外径 螺栓孔数量 螺栓孔直径 螺栓孔中心圆直径 垫片厚度 50 61 140 4 14 110 1.5 10 18 75 4 11 50 1.5 （3） 紧固件的选择 根据标准HG20613-97，密封面型式是平面。 在公称压力小于等于4.0MPa非剧烈循环场合用双头螺柱GB901-B级材料0Cr18Ni9性能等级8.8，螺母材料0Cr18Ni9性能等级8，粗牙。 3、保温层 保温层选择微孔硅酸钠，厚度是10mm，保温材料密度300kg/m3。保温层延伸到裙座与塔体的连接焊缝以下mm止，裙座其余部分不需保温层。 4.5.6 开孔补强 由于塔径较小，所以补强的地方主要是开孔的地方。 1、补强圈的结构和尺寸 选用C型适用于壳体为外坡口的全焊透结构，由于孔径小于50mm的可以不做补强计算，因此本设计中只需要对塔顶出气口进行补强计算。尺寸如下表4-13 表4-13 补强圈尺寸 接管公称直径/mm 外径D/mm 内径D/mm 厚度/mm 重量/kg 50 130 142 4 0.32 A、补强计算 补强有效区的范围 有效宽度： 外侧有效高度： 内侧有效高度： B、在有效补强范围内可以用来补强的金属截面面积 多余厚度在有效区形成的截面面积： ： 6、封头的法兰与垫片 八、主要参考文献 [1] 天津大学化工原理教研室.《化工原理，上、下册(第二版) 》[M].天津：天津科技出版社.1996. [2] 柴诚敬.《化工原理课程设计》[M].天津：天津科学技术出版社.2000. [3] 伟萍.《化工过程及设备设计》[M].北京：化学工业出版社.2000. [4] 潘国昌.《化工设备设计》[M].北京：清华大学出版社.2001. [5] 娄爱娟,吴志泉,吴叙美.《化工设计》[M].：华东理工大学出版社.2002. [6] 黄璐.《化工设计》.[M].北京：化学工业出版社.2000. [7] 化工设备设计全书编辑委员会.《化工设备设计全书—换热器》[M].北京：化学工业出版社.2003. [8]沙拉（Shah，R.K.)，塞库利克（Sekulic,D.P.）. 《换热器设计技术》.[M].北京：机械产业出版社.2010. [9]福建师范大学化学与材料学院.《化工基础实验》.2010. [10]史美中，王中铮.《热交换器原理与设计（第四版）》.东南大学出版社.2009. [11] 陈敏恒.《化工原理（上下册）（第二版）》[M]. 北京：化学工业出版社，2000. 2 1 2

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