土木工程专业毕业论文12309.doc

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1、 目录第一章 绪 论11.1 合成氨在国民经济中的重要作用11.2 合成氨生产方法的介绍11.3 碳化塔在生产方法中的作用21.4 发展状况3第二章 壳体厚度计算42.1 选材42.1.1 筒体、封头及支座的选材42.1.2 换热器选材42.1.3 分布锥选材52.1.4 接管选材52.1.5 除沫器选材52.1.6 气液分布板选材62.1.7支承架选材62.2 选型62.2.1筒体选型62.2.2 封头选型62.2.3支座选型72.2.4 换热器选型72.2.5 换热管排列选型72.2.6 人孔选型72.2.7除沫器选型82.3 壁厚计算82.3.1 工艺条件及参数确定82.3.2 圆筒壁厚

2、计算82.3.3 封头厚度计算92.4 水压试验应力确定102.4.1 圆筒应力计算102.4.2 封头应力计算102.5 应力校核102.5.1 圆筒应力校核102.5.2 封头应力校核11第三章 换热器结构的设计123.1 管箱短节及其壁厚的确定123.1.1 管箱厚度及长度的确定123.1.2 筒体外伸短节厚度确定123.1.3 冷却管组封头尺寸的确定123.1.4 计算球冠形封头厚度133.2 换热器管子尺寸确定133.2.1 尺寸确定133.2.2 管板厚度的确定133.2.3 法兰选择193.2.4 垫片选择193.2.5 支承架结构尺寸的确定193.2.6 换热管的排列193.2

3、.7 换热管尺寸确定203.2.8 碳化塔冷排数的确定20第四章 碳化塔构件设计214.1 汽液分布板结构设计214.2 液体分布器结构设计214.3气体分布板结构设计224.4 球形挡板结构设计224.5 分布锥的结构设计224.6 角钢圈及支承梁224.7 人孔设计234.7.1 法兰选择234.7.2 垫片选择234.8 碳化塔裙座设计244.8.1 裙座筒体壁厚的确定244.8.2 裙座与塔体封头的连接244.8.3 地脚螺栓座计算244.9 检查孔设计274.10 通道管设计274.11 法兰汇总表28第五章 碳化塔各项质量计算295.1 容器壳体质量295.2 碳化塔内构件质量30

4、5.2.1 角钢圈质量305.2.2 球形挡板质量305.2.3 分布锥质量305.3 碳化塔内各塔板质量305.4 容器外部附件质量315.4.1 人孔质量315.4.2 碳化塔冷排壳程短节质量315.4.3 塔体接管及接管法兰质量315.4.4 碳化塔冷排质量325.5.5 其它附加件质量32第六章 碳化塔载荷校核336.1 塔的自振周期计算336.2 风载荷计算336.2.1 水平风力计算336.2.2 各参数确定336.2.3 风弯矩的计算346.3 地震载荷的计算346.4 地震弯矩的计算356.5 最大弯矩的计算366.6 圆筒稳定校核366.7 圆筒拉应力校核366.8 塔器压力

5、试验时的应力校核376.9 应力校核376.10 裙座的校核386.10.1 裙座壳底截面组合应力校核386.10.2 裙座与塔壳对接焊缝校核38结论40参考文献41谢辞42符号说明Di圆筒或球壳内直径，mmDo圆筒或球壳外直径，mmPc计算压力，MPaC厚度附加量，mmC1厚度附偏差，mmC2腐蚀裕量，mm圆筒或球壳的计算厚度，mme圆筒或球壳的有效厚度，mmn圆筒或球壳的名义厚度，mmt设计温度下圆筒或球壳的计算应力，MPa焊缝系数，局部无损探伤，=0.85 Pw圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa t设计温度下材料的许用压力，MPaa一根换热管管壁金属的横截面积, mm2DG垫片压紧力作

6、用中心圆直径，mmd换热管外径，mml换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mmAt管板布管区面积，三角形At =1.732ns2 + AdS换热管中心距,mmSn隔板槽相邻两管中心距,mmn隔板槽一侧的排管根数nU形管根数 Do管板布管区当量直径,mmPs壳程设计压力, MPaPt管程设计压力, MPae圆筒有效厚度, mmeH封头有效厚度, mmes裙座有效厚度, mms室温下壳体材料的屈服点，MPat设计温度下壳体材料的许用应力，MPats设计温度下裙座材料的许用应力，MPaAt管板布管区面积，三角形At = 1.732ns2 +Ad, mm2Adt布管区范围内能被换热管支撑的面积, mm2D

7、t管板布管区当量直径, mmPt布管区当量直径Dt与直径2R之比,R=Di2bf法兰宽度, mm f壳体法兰厚度, mmD管板开孔前的抗弯刚度Ep管板材料的弹性模量,MPa 管板材料泊松比Kf壳程圆筒与法兰的旋转刚度参数, MPaEf对于f型连接方式，指Ef=2.1105 MPaw系数，按s/Di和f/Di计算s壳程圆筒厚度，mmEs对于f型，指壳程圆筒材料的弹性模量,Es=2.1105 MPaKf管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数, MPaEf对f型，按管板材料, Ef=2.1105 MPaEh对f型，管箱圆筒材料Eh=2.1105 MPaw系数，按s/Di和f/Di计算h管箱圆筒厚度，mmKf板

8、边缘旋转刚度参数Kf旋转刚度无量纲参数Kf0无量纲参数，f型 R管板边缘法兰力矩折减系数T需要的螺栓总截面积, mm2Am预紧状态下，需要的最小螺栓总截面积, mm2Aa操作状态下，需要的螺栓总截面积, mm2Ap预紧状态下，需要的最小螺栓载荷，Nb垫片有效密封宽度，mmy垫片比压力m垫片系数b常温下螺栓材料的许用应力，MPaAp操作状态下需要的最小螺栓面积, mm2Wp操作状态下需要的最小螺栓载荷，NLG螺栓中心至作用位置处的径向距离FD作用在法兰环内侧封头压力载荷引起的轴向分力，NFT总轴向力与内径截面上的流体压力引起的轴向力之差，NF流体压力引起的总轴向力，NFG窄面法兰垫片压紧力，NA

9、b实际螺栓面积应不小于需要的螺栓面积, mm2LD螺栓中心至法兰环内侧的径向距离LT螺栓中心至作用位置的径向距离Ab基础环面积 Ab=0.785（Dab2-Dib2），mm2Asb圆筒形裙座底部截面积Asb=3.14Diss , mm2B系数，按11.7.5确定，MPa b基础环外伸宽度b=（Dob-Dos），mm Cz结构综合影响系数 Di容器内直径，mm Dib基础环内直径，mm Dis裙座底部截面内直径，mmDob基础环外直径，mmDos裙座底部截面的外直径，mmH容器高度，mmE设计温度下材料的弹性模量,MPaHi容器顶部至第i段底部截面的距离，mmhi容器第i段集中质量距地面的高度，

10、mmhk计算截面I-I以上集中质量mk距地面高度，mmMEI-I容器的计算截面I-I 的地震弯矩，NmMEO-O容器底部O-O截面的地震弯矩，NmMmaxI-I容器计算截面I-I的最大弯矩，NmMmaxO-O容器底部O-O截面的最大弯矩，NmMwI-I容器计算截面I-I的风弯矩，NmMwO-O容器底部截面O-O的风弯矩，Nmm容器第i段的操作质量，kgmmax容器的最大质量，kgmmin容器的最小质量，kgmo容器的操作质量，kgmI-I计算截面I-I以上操作时和非操作质量，kgP设计风压，MPaP风载荷，NTi容器第i振型的自振周期，sT1容器的基本自振周期，sZb基础环的抗弯截面系数，mm

11、3Zsb圆筒形或圆锥形裙座底部截面系数，mm3b基础环厚度，mmq换热管与管板连接的拉脱力，MPa管板计算厚度，mmt换热管管壁厚度，mm管板强度削弱系数，一般=0.4t换热管轴向应力，MPart设计温度下管板材料的许用应力，MPatt设计温度下换热管材料的许用应力，MPa第一章 绪 论1.1 合成氨在国民经济中的重要作用合成氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥，除氨水外，诸如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥都是以氨为原料生产的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产

12、品的原料。合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名氨气，分子式为NH3。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外，绝大部分是合成的氨。合成氨主要用于制造氮肥和复合肥料。氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料生产。1.2 合成氨生产方法的介绍德国化学家哈伯从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成，氨的含量达到6%以上。这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将

13、氨产品从合成反应后的气体中分离出来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。 （1）原料气制备 将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。 （2）净化 对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。 （3）

14、氨合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，故采用未反应氢氮气循环的流程。 合成氨具体工艺流程图如下： 蒸汽 煤 空气脱硫净化 造气 压 缩 碳 化变 换氨合成氨成品离 心 分 离 母 液 图1-1 合成氨工艺流程图1.3 碳化塔在生产方法中的作用 碳化塔由塔体、封头、溶液入口、冷却水箱、进气口、排气口及出料口构成，是合成氨厂碳化工段的主要设备。碳化塔是合成氨厂的心脏，直接影响各项性能指标的完成、消耗的高低、质量的优劣、生产能力的大小、甚至

15、是投资的高低。碳化塔内除塔盘、汽液分布板、除沫装置与其他的塔设备有相同的结构外，还有使反应顺利进行的冷却装置等结构，是合成碳酸氢氨的反应器，为类压力容器。在碳化塔内进行着二氧化碳的吸收、碳化反应、碳酸氢铵结晶等过程，塔内同时存在着气体、液体、固体。含有氮气、氢气和二氧化碳的变换气进入碳化塔后，二氧化碳与氨水反应生成碳酸氢氨。典型的生产碳酸氢氨小型氮肥厂以无烟煤为原料，先制取半水煤气，后经脱除硫化氢后，进入加压变换反应系统，得到的氮氢气和二氧化碳混合气体进入碳化塔，在碳化塔内二氧化碳与浓度为17%左右的氨水反应，生成碳酸氢氨结晶经离心机分离，即得到碳酸氢氨产品。1.4 发展状况 解放前我国只有两

16、家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。近几年来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以“天然气、轻油、重油、煤”作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化，绝大多数目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。我国目前的合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦

17、炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨的技术。目前合成氨在与国际接轨后，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期，改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。第二章 壳体厚度计算2.1 选材2.1.1 筒体、封头及支座的选材 根据压力容器用钢应考虑的使用条件，碳化塔设计可选材料主要有Q245R和Q345R。 Q245R：在20钢基础上发展起来的，主要是对硫

18、、磷等有害元素的控制更加严格，对钢材的表面质量和内部缺陷控制的要求也较高。碳素钢强度较低，塑性和可焊性较好，价格低廉，常用在中低压容器制造，也用于支座、垫板等零部件的材料。 Q345R：属于低合金钢，是在碳素钢基础上加入少量合金元素的合金钢。在热轧或热处理状态下除具有高强度外，还具有优良的韧性、焊接性能、成型性能和耐腐蚀性能。 低合金钢可以减小容器厚度，减轻重量，节约材料，而且能解决大型压力容器在制造、检测、运输、安装中因厚度太大所带来的种种困难。一般情况下，相同规格的碳素钢价格低于低合金钢，正常选材应选用经济和理性更好的碳素钢，但由于本设计中的介质是碳化氨水，有很强的腐蚀性，从使用寿命和抗腐

19、蚀性方面考虑应选用价格高一些的合金钢。从以上对比以及碳化塔的使用工艺条件，工作介质的毒性腐蚀性、材料的焊接性能、冷热加工性能及容器的结构，综合考虑容器的制造工艺及经济性能，筒体、封头及支座的材料选用Q345R。2.1.2 换热器选材2.1.2.1 管箱选材根据使用工艺条件，工作介质的毒性腐蚀性、材料的焊接性能、冷热加工性能及容器的结构，综合考虑容器的制造工艺及经济性能，管箱的材料选用Q345R。2.1.2.2 换热管选材常用的材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铝合金、铜镍合金、钛等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷、聚四氟乙烯等。设计时根据工作压力、温度和介质腐蚀性等选用合适材料。对于碳

20、化塔中的换热管来说要求数量不多，质量较轻有较高的传热系数，综上所述选择LF3 型铝合金板。2.1.2.3 管板选材管板一般选用锻件材料，锻件在石油化工设备中有着广泛的应用。如球形储罐的人孔、法兰，换热器所需的各种管板、对焊法兰催化裂化反应器的整锻筒体，加氢反应器所用的筒节，化肥设备所需的顶盖、底盖、封头等均是锻件。目前常用的锻件主要是16Mn钢锻件。综上所述，管板材料选用16Mn钢锻件。2.1.3 分布锥选材分布锥一般选用高合金钢材料，0Cr18Ni10Ti用于制造深冲成型零件，输酸管道，储罐和储酸容器等，也可用作铬镍不锈钢和铬不锈钢焊条，低温环境下的部件及输酸管道、容器等，且具有较好的耐腐蚀

21、性能。综上所述，分布锥材料选用0Cr18Ni10Ti。2.1.4 接管选材 接管一般也选用优质碳素钢材料，20钢常用于制造各种低中压锅炉、过热蒸汽管、沸水管、水冷壁管及机车锅炉用过热蒸汽管、大烟管、小烟管和拱砖管等。有很高的持久强度、抗氧化性能，不但有良好的组织稳定性，且有较好的耐腐蚀性能。综上所述，接管选用碳素钢材料20钢。2.1.5 除沫器选材 除沫装置一般选用低合金钢，低合金钢可以减小容器厚度，减轻重量，节约材料。 Q345R属于低合金钢，是在碳素钢基础上加入少量合金元素的合金钢。除具有高强度外，还具有优良的韧性、焊接性能、成型性能和耐腐蚀性能。综上所述，选用Q345R。2.1.6 气液

22、分布板选材常用的材料有碳素钢及低合金钢，两者相比低合金钢可以减小容器厚度，减轻重量，节约材料，而且能解决大型压力容器在制造、检测、运输、安装中因厚度太大所带来的种种困难，且低合金钢的耐腐蚀性更强，本设计中介质是碳化氨水，其有较强的腐蚀性。综上所述，选用低合金钢Q235-AF。2.1.7支承架选材在各冷却管组中采用支承架，既起到支承作用，又起到折流作用。支承架主要有支承板、连接板和圆钢组成。支承板材料选择聚氯乙烯，通过连接板与圆钢连接，连接板材料选用Q235-B。2.2 选型2.2.1筒体选型 根据工艺条件选用圆柱形筒体。2.2.2 封头选型 （1）半球形封头: 从受力分析来看，球形封头是最理想

23、结构形式。但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难。半球形封头常用在高压容器上。 （2）椭圆形封头: 由半个椭球面和短圆筒组成，直边段的作用是避免封头和圆筒的连续焊缝处出现径向半径突变，以改善焊缝受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。 （3）碟形封头: 是以不连续曲面，在经线曲率半径的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化而存在着较大的边缘弯曲应力。该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其他部位，故受力状况不佳。 （4）锥壳封头: 由于结构不连续导致应力分布不理想。 综

24、上所述封头应选用，椭圆形封头。2.2.3支座选型 耳式支座: 又称悬挂式支座，广泛用于反应釜及立式换热器等直立设备上。 腿式支座: 简称支腿，多用于高度较小的中小型容器中。 支承式式支座: 用于高度不大，安装位置距基础面较近的立式容器。 裙式支座: 用于比较高大的立式容器，特别是塔器。综上所述支座应选用，裙式支座。2.2.4 换热器选型 换热器主要有浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。U形管板换热器结构比较简单、价格便宜，承载能力较强，且其内部换热管排布较少，根据管程、壳程压力按照GB151-1999进行设计，综合考虑选取U型管换热器作为冷却管组设计。 综上所述，选用

25、U型管换热器。2.2.5 换热管排列选型换热管在管板上的排列形式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角正方形。正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，用得最为普遍。综上所述，换热管排列形式选用正三角形。2.2.6 人孔选型 人孔是用来检查、装拆和洗涤容器内部的装置，对于直径大于1000mm的容器就应该设置人孔。常见的人孔有圆形和椭圆形两种为使操作人能自由出入，圆形人孔的直径至少应为400mm，椭圆形人孔尺寸一般为350mm450mm。综上所述，采用圆形人孔，开孔直径为600mm。2.2.7除沫器选型 除沫器用于分离塔中气体夹带的液滴，以保证有传质效率，降低有价值的物料损失和改

26、善塔后压缩机的操作，降低含水量，延长压缩机的寿命，一般多在塔顶设置除沫器。可有效去除3-5um的雾滴，塔盘间若设置除沫器，不仅可保证塔盘的传质效率，还可以减小板间距。碳化塔塔顶的除沫装置一般采用丝网除沫器。综上所述，选用丝网除沫器。2.3 壁厚计算2.3.1 工艺条件及参数确定表2-1 工艺参数性能表工作介质碳化氨水、变换气工作压力 0.8MPa 工作温度36塔体高度15150mm塔体内径3000mm 本设计采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头，且为局部无损检测，所以焊接接头系数=0.85。根据压力容器常用钢板负偏差规定，即Q245R、Q345R、16MnDR等的负偏差均为0.3m

27、m，所以C1为0.3mm。由于在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，腐蚀余量不小于1mm，所以取C2为2mm。2.3.2 圆筒壁厚计算工作压力： P1=0.8MPa设计压力：考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力通常取最高工作压力的1.051.10倍。取P=1.05P1，所以P=0.84MPa计算压力：通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5设计压力时，可忽略不计。液柱静压力P2=gh=9169.811.51510-6=0.136MPa50.8=0.04MPa所以取PC=P+P2=0.84+0.136=0.98MPa表2-2 Q345R

28、热轧状态下特性表材料钢板标准使用状态厚度（mm）常用强度指标（MPa） b s许用应力（MPa）20100Q345RGB6654热轧正火1636490 325163根据公式=PcDi/(2t-Pc)计算筒体厚度： （2-1） 公式适用范围Pc0.4t 0.4t=0.41630.85=55.42Pc 由于筒体开孔较多，并为纵向和对角向排孔。据GB150-2011应用排孔削弱系数代替式中的焊缝系数调整所需厚度和最大允许工作压力。据GB150-2011，当纵向排孔与对角向排孔同时存在时，由其中的图8-8确定排孔削弱系数。由设计要求取 S1=1460mm。（S1的选取是按筒体内构件的设计后，选取具体数

29、值而累加起来的）按比例绘制草图，排列换热器，则有：S2=30.32/1803.141460=772.44mm S3=(S1/2)+S2=1062.81mm查1图8-8得V2 =0.476以V2代替即：=PcDi/(2tV2-Pc)=23.07mm （2-2） 设计厚度d=+C2=19.07+2=25.07mm （2-3）名义厚度n=d+C1=21.07+0.3=25.37mm （2-4） 圆整后取名义厚度n=26mm有效厚度e=26-2-0.3=23.7mm 2.3.3 封头厚度计算根据标准椭圆形封头计算公式=PcDi/(2t-0.5Pc)得： （2-5） =0.983000/(21630.8

30、5-0.50.98)= 10.63mm 设计厚度d=+C2=10.63+2=12.63mm名义厚度n=d+C1=12.63+0.3=12.93mm 考虑到整体补强，取封头的厚度与筒体厚度一致，即n=26mm有效厚度e=26-2-0.3=23.7mm2.4 水压试验应力确定2.4.1 圆筒应力计算设计温度下圆筒的计算应力： t=Pc(Di+e)/2e =0.98(3000+23.7)/223.7=75.12MPa （2-6） 即tP1=0.8MPa，满足要求。2.4.2 封头应力计算设计温度下封头的计算应力： t=Pc(Di+e)/e =0.98(3000+23.7)/23.7= 150.24M

31、Pa （2-8） 即tP1=0.8MPa，满足要求。2.5 应力校核2.5.1 圆筒应力校核 液压试验，对于内压容器试验压力为： PT=1.25P/t=1.250.8163/163=1MPa （2-10） 根据试验时圆筒的薄膜应力有： T=PT（Di+e/2e=1(3000+23.7)/223.7=76.6MPa （2-11） 即0.9s=0.9325=292.576.6MPa，合格。 气压试验： PT=1.15P/t = 1.150.981=1.127MPa （2-12） 校验试验时圆筒的薄膜应力T T=1.127(3000+23.7)/223.7=86.37MPa （2-13）0.8s=0

32、.80.85325 =221MPa即：T0.8s，合格。2.5.2 封头应力校核 液压试验： T=PT(Di+0.5e)/2e （2-14） T=1(3000+0.523.7)/223.7=76.39MPa0.9s=248.63MPa，合格。 气压试验： T=PT(Di+0.5e)/2e （2-15） T=1.127(3000+0.523.7)/223.7=86.09MPa0.8s=221MPa，合格。 根据上述计算结果封头尺寸确定如下表：表2-3 封头参数特性表公称直径（mm）曲边高度（mm）直边高度（mm）内表面积（mm2）容积（L）重量（Kg）3000750 50 10.22713.88

33、771780 第三章 换热器结构的设计根据使用的工艺条件及材料的使用性能可知Q345R钢板性能，允许容器设计压p1.0MPa，钢板使用温度0350。Q345R的性能指标及参数如下表:表3-1 Q345R热轧状态下特性表材料钢板标准使用状态厚度（mm）常用强度指标（MPa） b s许用应力（MPa）20100Q345RGB6654热轧1636 490 3251633.1 管箱短节及其壁厚的确定碳化塔内的冷却管组结构设计按照GB151-1999进行，采用U型管换热器作为冷却管组设计。根据换热面积 F=700m2的要求及塔高的限制，选择DN=500mm的换热器。管程设计压力为0.3MPa，壳程设计压

34、力为0.8MPa，其余参数的选取参照2.3.1。3.1.1 管箱厚度及长度的确定=PcDi/(2t-Pc)=0.3500/(21630.85-0.3)=5.4mm （3-1）由GB151-1999及化工设备设计手册知DN为400700mm 的碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度为8mm，故初选n=8mm。3.1.2 筒体外伸短节厚度确定 冷排公称直径DN=500mm。据工艺要求，材料选用同管箱为Q345R。 外伸短节厚度计算： = PcDi/(2t-Pc)=0.8500/(21630.85-0.8)=12.3mm （3-2） 由最小壁厚min=8mm 及综合考虑整体补强，取n=18mm。3.1.3

35、冷却管组封头尺寸的确定 根据工艺要求及GB150-2011选用无择边球冠形封头，材料选用Q345R，采取和外端法兰焊接的形式，用作端封头。封头与圆筒连接的T形接头必采用全焊透结构。3.1.4 计算球冠形封头厚度 受内压球冠形封头的计算厚度=QPcDi/(2t-Pc)=3.680.3500/(21630.85-0.3)=3.17mm （3-3）Q-系数，根据GB150-2011由7-5查取。 取d=3.17+2=5.17mm取n=8mm 与管箱厚度一致。由3查得管箱封头尺寸如下表：表3-2 管箱封头特性表内径（mm）壁厚（mm）焊缝间隙（mm）重量（Kg）容积（L） 内弦高（mm）500 8 2

36、 16.29.5 71.53.2 换热器管子尺寸确定根据GB151-1999选用LF3，传热系数好，且质量低，其机械性能如下表： 表3-3 LF3性能表类别牌号供应状态及代号规格b公斤/毫2（%）防锈铝LF3退火（M）322.518153.2.1 尺寸确定采用小直径管子时，换热器单位体积的换热面积大一些，传热系数较高，但制造麻烦，管子易结垢，不易清洗。本设计中换热管采用正三角形排列，适用于壳程介质清洁，且不需要进行机械清洗的场合，综合考虑，选用322.5的换热管。3.2.2 管板厚度的确定3.2.2.1 选材及布管方式根据工艺条件及使用条件，选取管板兼作法兰的形式。管板材料为16Mn，管板厚度

37、的计算，参照GB151-1999，采用多次试算法。布管方式：采用正三角形排列，中心距50，布34根管。管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间以f型方式连接。3.2.2.2 计算 Ad、At、Dt、Pt Ad=nS（Sn-0.866S） （3-4）At=1.732nS+Ad （3-5）Ad布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构，未能被换热管支承的面积，mmAt-管板布管区面积，mmS换热管中心距，mmSn隔板槽俩侧相邻管中心距，mmn沿隔板槽一侧的排管根数Ad=1050（130-0.86650）=43350At=1.7323450+43350=190570mm 假设管板计算厚度=40mm则： 计算管板抗弯刚

38、度D和各项旋转刚度系数：D=Ep/12（1-v） D管板开孔前的抗弯刚度，NmmEp管板材料的弹性模量，MPa v管板材料的泊松比，v=0.3 D=2.0110000040/12（1-0.3）=1.1810 Dt=（4At/）代入，得Dt=433 Kf=1/122Efbf/（Di+bf）（2f/Di+wEs Kf壳程圆筒与法兰的旋转刚度参数，MPa bf管板法兰宽度，bf=1/2（Df-Di）=1/2（670-500）=85mm Ef壳体法兰材料 f壳体法兰厚度，mmw系数，按s/i=16/500=0.032和f/Di=38/500=0.076，查图26得：w=0.006 Es法兰材料的弹性模量，MPa Di壳程圆筒和管箱圆筒内直径 Kf=1/12220100085/（500+85）（238/500+0.006201000=134.69 Kf=KfKf=Kf+Kf=134.69+134.69=269.38 Kf=DiDtKf/8D=500433269.38/（81.1810）=3.09KfKf旋转刚度无量刚参数Pt布管当量直径与直径之比t=433/500=0.866Kf=KfKf/Kf=3.090.5=1.55由2图19，图20，图21分别查取得Cc=0.136，Ce=-0.13，Cm