【文章內(nèi)容簡介】 ，按 參考文獻(xiàn) [4](GB1511999) 規(guī)定，aMP ； 0q —— 10m高度處的基本風(fēng)壓， 2/N mm ，此處按呼和浩特市區(qū) 20 500 /q N mm? ； R —— 半徑， mm ； 對于 a 型連接方式， /2GRD? ； 對于其他連接方式， /2iRD? S —— 換熱管中心距， mm ； S —— 換熱管中心距， mm ； nS —— 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距， mm ； ? —— 管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，一般可取 ?? ； ?—— 管板材料泊松比，取 ?? ； t? —— 布管區(qū)當(dāng)量直徑 tD 與直徑 2R 之比； ? —— 應(yīng)力， aMP ； 0, ,tr r R R? ?? —— 壓力作用下，分別為管板中心處，布管區(qū)周邊處，邊緣處的徑向應(yīng)力，aMP ； t? —— 換熱管軸向應(yīng)力， aMP ； ??tr? —— 設(shè)計溫度下，管板材料的許用應(yīng)力，aMP ； ??tt? —— 設(shè)計溫度下，換熱管材料的許用應(yīng)力，aMP ； ??t? —— 設(shè)計溫度下殼體材料的許用應(yīng)力，aMP ； ??tn? —— 設(shè)計溫度下接管材料的許用應(yīng)力，aMP ； ?? —— 系數(shù)， //s i f iDD???按 和 ，查 參考文獻(xiàn) [4](GB1511999)圖 26； ??? —— 系數(shù)， //h i f iDD????按 和 ，查 參考文獻(xiàn) [4](GB1511999)圖 26； 7 ? —— 焊接接頭系數(shù)。 eS —— 偏心距， mm； ? —— 計算厚度， mm ； h? —— 管箱圓筒厚度， mm ； s? —— 殼程圓筒厚度， mm ； e? —— 殼體開孔處的有效厚度， ,enC mm??? ? ?? ； et? —— 有效厚度， ,et nt C mm??? ? ???； n? —— 名義厚度， mm ； nt? —— 接管名義厚度， mm ； t? —— 接管計算厚度， mm ； t? —— 換熱管壁厚， mm ； 8 引言 畢業(yè)設(shè)計是我們在校期間的一次重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計可以讓我們對大學(xué)四年所學(xué)的知識有更深的理解。過程裝備與控制工程涵蓋石油、化工、食品、制藥、機(jī)械、輕工等多個領(lǐng)域。它的發(fā)展將直接促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 工業(yè)生產(chǎn)中，利用一些設(shè)備，來進(jìn)行熱量交換，這類設(shè)備統(tǒng)稱為換熱器。換熱器是化工、制藥、石油、動力、食品等許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要的地位。換熱器的應(yīng)用廣泛，日常生活中供暖系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)的泠卻系統(tǒng)和動力裝置的冷凝系統(tǒng) 都用到換熱器。 換熱器的較多，按其結(jié)構(gòu)分類主要分為管式換熱器和板式換熱器兩種。 由于經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，節(jié)能減排被人們重視。換熱器的研究設(shè)計也就變得越來越重要。隨著裝置的大型化，對換熱面積的需求也變大。但設(shè)備的大型化將會使成本大大增加，因此緊湊型的換熱器就比較受歡迎；同時提高傳熱系數(shù)也是換熱器研究的一個重要方向。換熱器的研究發(fā)展對其他領(lǐng)域的依賴也是比較大的，傳熱理論研究的不斷完善，制造技術(shù)的發(fā)展，材料科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，都將促進(jìn)換熱器的發(fā)展。 本次設(shè)計的 甲烷化換熱器采用 U 型管式換熱器，屬于 管式換熱器。 甲烷化 換熱器在高溫高壓下氫被金屬吸附，分解為原子氫溶解在金屬晶體中，并向晶體內(nèi)部擴(kuò)散，與鋼中碳化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷。 因此在設(shè)計選材時應(yīng)考慮抗氫腐蝕。 換熱器是化工、石油中的重要熱工設(shè)備 , 對換熱器進(jìn)行科學(xué)的計算 ,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計 , 是換熱器性能 及安全 的重要保證。 在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能降低成本，換熱器 的 結(jié)構(gòu)設(shè)計 就變得尤為重要 , 因此在換熱器的設(shè)計中 , 只有經(jīng)過對換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷調(diào)整 , 反復(fù)計算 , 才能使換熱器的性能更高 , 設(shè)計更加合理。 9 第一章 換熱器件簡介 工業(yè)生產(chǎn)中， 利用一些 設(shè)備， 來進(jìn)行熱量交換， 這 類 設(shè)備 統(tǒng) 稱為換熱器。換熱器化工生產(chǎn) 必不可少的單元設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于 化工 、 石油 、 輕工、機(jī)械、冶金、 動力 、制藥等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資約占裝置建設(shè)總投資的30%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設(shè)備總臺數(shù)的 40%。由此可見，換熱器對整個企業(yè)的建設(shè)投資及經(jīng)濟(jì)效益有著著重的影響。 U 型管換熱器簡介 U 型管換熱器是一種典型的管殼式換熱器，其管子彎成 U 形，管子的兩端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸縮， 殼體和管壁不受溫差限制，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，且換熱管流程較長，流速較高，管側(cè)傳熱性能好， 承壓能力強(qiáng) 。 U型管換熱器僅有一塊管板，所以結(jié)構(gòu)簡單，造價比其他換熱器便宜。 U型管換熱器可用于高溫、高壓、有腐蝕性工況。一般高溫、高壓、有腐蝕性介質(zhì)走管內(nèi)，這樣可以減少高壓空間，降低成本。 甲烷化換熱器簡介 甲烷化換熱 器 在高溫高壓下氫被金屬吸附，分解為原子氫溶解在金屬晶體中，并向晶體內(nèi)部擴(kuò)散，與鋼中碳化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷。 .Ⅱ 型甲烷化換熱器 的作用 Ⅱ 型甲烷化換熱器 采用 U 型管式換熱器，是合成氨生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一 ,它能將 150℃ 的混合氣升溫至 274℃ ，同時將 339℃ 的精制氣降溫至 215℃ 。 U型 管式換熱器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，適用于高溫高壓的場合。 10 甲烷化換熱器工作原理 150℃ 的 75％ 22HN、 混合氣 體由混合氣體入口進(jìn)入 殼程 ， 339℃ 的 75％22HN、 精制氣由精制氣入口進(jìn)入管程，由于管道內(nèi)精制氣和 殼程 的混合氣體存在溫度差，會形成熱交換，高溫物體的熱量向低溫物體傳遞，這樣就把管道里精制氣的熱量交換給了 殼程 的 混合氣體， 將 150℃ 的混合氣升溫至 274℃ ，同時將 339℃ 的精制氣降溫至 215℃ 。 11 第二章 設(shè)計方案 的確定 設(shè)計參數(shù)的確定 管程、殼程的工作壓力均為 aMP 。 設(shè)計壓力 ( 1 ) P M P? ? ? ?取設(shè)計壓力為 aMP 。 計算壓力 P MP?? 22HN混合氣出口溫度 274℃ ，取 殼程 設(shè)計溫度為 300℃ 。 22HN精制氣進(jìn)口溫度 339℃ ，取 管程 設(shè)計溫度為 350℃ 。 依據(jù)介質(zhì)溫度、壓力以及含氫、氮特點(diǎn)，在選材、加工制造方面，首先考慮抗氫腐蝕。 15 roCMR 是中溫抗氫鋼板，常用于設(shè)計溫度不超高 550℃ 的壓力容器。筒體 、管箱 、 封頭 材料選擇 15 roCMR 。 換熱管、進(jìn)出口接管材料選擇 15roCM ，管板材料選擇 15roCM 鍛件。 由 參考文獻(xiàn) [1](GB1501998)表 41，表 43，表 45 查 鋼板、鋼管、鍛件許用應(yīng)力如下。 表 21 鋼板許用應(yīng)力 鋼號 鋼板標(biāo)準(zhǔn) 使用狀態(tài) 厚度 mm 常溫強(qiáng)度指標(biāo) 在下列溫度（ ℃ ）下許用應(yīng)力， aMP baMP??? saMP??? ? 20 300 350 15 roCMR GB 6654 正火加回火 6 60 450 295 150 131 125 12 表 22 鋼管許用應(yīng)力 鋼號 鋼管標(biāo)準(zhǔn) 厚度 mm 常溫強(qiáng)度指標(biāo) 在下列溫度（ ℃ ）下許用應(yīng)力， aMP baMP??? saMP??? 300 350 15roCM GB 9948 16? 440 235 101 95 表 23 鍛件許用應(yīng)力 鋼號 鍛件標(biāo)準(zhǔn) 厚度 mm 常溫強(qiáng)度指標(biāo) 在下列溫度（ ℃ ）下許用應(yīng)力， aMP baMP??? saMP??? 300 350 15roCM JB 4726 300? 440 275 123 116 由 [1](GB1501998) 規(guī)定， 容器及受壓元件當(dāng)鋼材為厚度 16s mm? ? 的15 roCMR 時，對其 A 類和 B 類焊接接頭，進(jìn)行百分之百射線或超聲檢測。 焊接接頭系數(shù) 按 [1](GB1501998) 雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭 100%無損檢測 ?? 。 換熱器主要零部件結(jié)構(gòu)形式的確定 由于氫氣易燃易爆， 不允許有泄漏，且管程、殼程走的均為氣體，不易結(jié)垢，換熱管不需經(jīng)常清洗，所以管板與筒體及 管箱宜采用焊接。 管程工作溫度 339℃ ，換熱管與管板不宜采用脹接形式，所以采用焊接形式。 13 第三章 強(qiáng)度計算 圓筒的設(shè)計 0. 4 [ ] 0. 4 13 1 1. 00 52 .4tcaP M P??? ? ? ? ? 3 . 5 1 2 0 0 1 6 . 2 52 [ ] 2 1 3 1 1 . 0 0 3 . 5citcPD mmP? ?? ?? ? ?? ? ? ? 取腐蝕裕量 2 2C mm? ，鋼板負(fù)偏差 1 mm? 12 0 .3 2 2 .3C C C m m? ? ? ? ? 設(shè)計厚度 2 2 C m m??? ? ? ? ? 鋼板負(fù)偏差 1 mm? 取名義厚度 20n mm? ? 有效厚度 20 17. 7en C m m??? ? ? ? ? 封頭設(shè)計 橢圓形封頭由兩個半橢球面和短圓筒組成，由于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化連續(xù)平滑，故應(yīng)力分布較平均，且橢圓形封頭易于沖壓成型，是中低壓容器應(yīng)用較多的封頭，故此設(shè)備 選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 。 下封頭設(shè)計 3 . 5 1 2 0 0 1 6 . 1 42 [ ] 0 . 5 2 1 3 1 1 . 0 0 0 . 5 3 . 5citcPD mmP? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? 設(shè)計厚度 2 2 C m m??? ? ? ? ? 鋼板負(fù)偏差 1 mm? 取名義厚度 20n mm? ? 有效厚度 20 17. 7en C m m??? ? ? ? ? 14 封頭最小成形厚度 min d??? 取 min ? ? 由 參考文獻(xiàn) [2](GB/T251982020)選取 EHA 橢圓形封頭 圖 31 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 由 參考文獻(xiàn) [2](GB/T251982020)附錄 C表 查 EHA橢圓形封頭 型式參數(shù)如下表 表 31 EHA 橢圓形封頭 型式參數(shù) 公稱直徑 DN/mm 總深度 H/mm 內(nèi)表面積 2/Am 容積 3/Vm 1200 325 由 參考文獻(xiàn) [2](GB/T251982020)表 查 EHA 橢圓形封頭質(zhì)量 表 32 EHA 橢圓形封頭質(zhì)量 （ kg） 公稱直徑 DN/mm 封頭名義厚度 /n mm? 20 1200 封頭標(biāo)記： ? ?E H A 12 00 20 18 .2 15 / 25 19 8roC M R G B T?? ? ? ? ?? ? 管箱封頭設(shè)計 MP? 15 roCMR 350℃ 時 [ ] 125t aMP? ? 3 . 5 1 2 0 0 1 6 . 9 22 [ ] 0 . 5 2 1 2 5 1 . 0 0 0 . 5 3 . 5citcPD mmP? ?? ?? ? ?? ? ? ? ? 設(shè)計厚度 2 2 C m m??? ? ? ? ? 15 鋼板負(fù)偏差 1 mm? 取 名義厚度 20n mm? ? 有效厚度 20 17. 7en C m m??? ? ? ? ? 封頭最小成形厚度 min d??? 取 min 19mm? ? 封頭參數(shù)見表 31 及表 32 封頭標(biāo)記： ? ?E H A 12 00 20 19 15 / 25 19 8roC M R G B T?? ? ? ? ?? ? 管箱圓筒短節(jié)設(shè)計 MP? ，設(shè)計溫度為 350℃ 。 15 roCMR 350℃ 時 [ ] 125t aMP? ? 3 . 5 1 2 0 0 1 7 . 0 42 [ ] 2 1 2 5 1 . 0 0 3 . 5citcPD mmP? ?? ?? ? ?? ? ? ? 設(shè)計厚度 2 2 C m m??? ? ? ? ? 鋼板負(fù)偏差 1 mm? 取 名義厚度 20n mm? ? 有效厚度 20 17. 7en C m m??? ? ? ? ? 壓力 試驗(yàn) 壓力試驗(yàn)條件確定 進(jìn)行液壓試驗(yàn)，介質(zhì)選 水 ，水 壓試驗(yàn)溫度 20℃ 。 試驗(yàn)壓力的確定 [] []T tPP??? 水壓 試驗(yàn)時強(qiáng)度校核 （ 1）筒體強(qiáng)度校核 16 1501 .2 5 3 .5 5 .0131TaP M P? ? ? ? () 5 ( 1 2 0 0 1 7 .7 ) 1 7 1 .9 92 2 1 7 .7T i eePD MP?? ? ? ??? ? ?? 0 .9 0 .9 1 .0 0 2 9 5 2 6 5 .5sa MP?? ? ? ? ? ? ??? 滿足 水壓試驗(yàn) 強(qiáng)度要求 （ 2） 管箱 短節(jié)強(qiáng)度校核 1501 .2 5 3 .5 5 .3125TaP M P? ? ? ? () 5 . 3 ( 1 2 0 0 1 7 . 7 ) 1 8 2 . 3 12 2 1 7 . 7T i eePD MP?? ? ? ??? ? ??