1、第一章 前言 1 第一章 前言 用于大于等于两种流体之间、固体和流体之间、固体粒子之间，或有热接触但温度不同的同种流体之间的热量（或焓）传递的装置，叫做换热设备，是实现化工生产过程中热量传递和交换的设备。 1.1课题研究背景及目的 在工业生产中，热交换器的主要作用是使热量（或焓）由温度相对较高的流体传到温度相对较低的流体，使流体的温度指标达到工艺过程的规定，以满足工艺过程的需求。 石油、化工、制药、能源等工业生产，需要经常加热低温流体或冷却高温流体。这些过程与热量的传递有着非常密切的联系，都要用热交换设备来完成这些过程。 在化工 厂的设备里，热交换器的投资占总投资的 10%到 20%；在炼油厂
2、中，约占设备总投资的 35%到 40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近 20 年来，换热设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。 随着热交换器节能技术的高速发展，应用领域也扩大了很多，利用热交换器对多余的热量进行回收利用给公司带来了较为显著的经济效益。热交换器也是国民经济和工业生产中应用极其广泛的热交换设备，随着现代化的新工艺、新材料、新技术的开发和能源危机的来临，世界各国都把石油化工的深度 加工和综合高效利用能源放在了首要的位置，由此可见热交换器面临着巨大的挑战。热交换器的性能对能源的利用率、产品的质量以及整套设备或者系统运行
3、的可靠性、经济性起着至关重要的作用，有时候甚至起着决定性作用。 随着 热交换器 的地位和作用的提高，为了适应多种工作环境和工作要求， 热交换器 也开发出了越来越多的类型，不同类型的 热交换器 有不同的性能，也具有各自的优缺点。管壳式 热交换器 是属于表面式换热器的一类，是 热交换器 中使用最广的一种， 虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面不如一些新型的高效紧凑式热交换器， 但它结构坚固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便。在高温、高压和大型换热器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势。管壳式
4、热交换器主要又分为：固定管板式热交换器、 U 型管式热交换器、浮头式热交换器等，而固定管板式又是管壳式热交换器是使用最为广泛的一种，具有结构简单，管程清洗方便等特点。 因此对固定管板式热交换器的研究和设计具有很大的意义，也是为了实现以广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计 2 下目的： 1、减小设计传热面积的热交换器来减小质量和体积； 2、提高现有 热交换器 的换 热效率； 3、使 热交换器 能够工作在温差较低的环境中； 4、减小 热交换器 的流体阻力来减少换热器的动力消耗。 换热器相关技术的发展主要表现在以下几发面：防腐技术，大型化与小型化并重，强化技术，抗振技术，防结垢
5、技术，制造技术，研究手段。 随着工业中经济效益与社会环境保护的要求，制造水平的不断提高，新能源的逐渐开发，研究手段的日益发展，各种新思路的与新结构的涌现，换热器将朝着更高效、经济、环保的方向发展 1.2设计主要流程 本设计首先搜集资料 ，查阅了相关的二十多篇文献，了解了 汽油改质装置重沸器 详细结以及作用原理，全面考 虑设计过程中需要注意的因素，并总结了一些现代化的创新型设计方案，同时详细介绍了本设计的主体 固定管板式热交换器的结构，对管程、壳程的各个主要部件作用做了介绍，最后介绍了本设计要用到的各个标准，完成了第一章的 前言 。在第二章，通过给定的设计要求，首先确定了设计方案，即初步选定 热
6、交换器的容器类型、流体的通道、流速、管束的排布方式以及管径，塔底 油的流量、平均传热温度和传热面积 等进行结构设计， 接下来确定了接管法兰、接管以及支座的尺寸，然后就分别开始了对壳程圆筒、封头、管箱法兰、管板等的选材和强度校核，最后进行是否需 要 膨胀节和接管补强的判断，完成了热交换器的整个强度计算及校核。第三 章进行了对 技术条件的编制 ， 第四章进行了总结，第五章感谢 ，最后列举了所用到的 参考 文献。 本章节主要对固定管板式换热器进行热工设计的计算，它的设计程序或步骤随着设计任务数和原始数据的不同而不同，要尽可能的使已知数据和要设计计算的项目顺次编排，但由于许多项目之间互相关联，无法排定
7、顺序，故往往先根据经验选定一个数据使计算进行下去，通过计算得到结果后再与初始假定的数据进行比较，知道达到规定的偏差要求，试算才告结束。 一般换热器的设计程序如下： （ 1）根据 生产任务和有关要求确定设计方案； （ 2）确定换热器类型和主要结构； （ 3）根据换热量要求，计算换热面积，确定换热管与壳体尺寸； （ 4）核算换热器的传热能力及流动阻力； （ 5）确定换热器的工艺结构，形成工艺简图。 第一章 前言 3 1.3热交换器介绍 换热设备是用于两种及其以上的流体之间、一种流体和一种固体之间、固体粒子之间或有热接触且具有不同温度的同种流体间的热量（或焓）传递的装置。它是化工、炼油、食品、轻工、
8、能源、机械以及其他许多工业部门被广泛使用的一种通用设备。在化工厂的设备里，热交换器的投资占总投资的 10% 到 20%；在炼油厂中，约占设备总投资的 35% 到 40%；海水淡化工艺里需要用到的装置几乎全部是由热交换设备组成的。近20 年来，热交换设备在能量的转化、储藏、回收以及新能源的利用和污染物的治理中有着普遍的应用。 工业生产中，热交换设备的主要作用是让热量（或焓）由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体的温度达到工艺过程中规定的指标，从而满足工艺过程的需要。热交换设备也是回收余热、废热以及低品位热能的有效装置。 工业生产中，由于工作条件、用途、物料特性等不同，出现了各种不同形式和结
9、构的换热设备。在此，主要研究了管壳式 固定管板热交换器。管壳式热交换器属于间壁式热交换器（又称表面式热交换器），它是利用间壁将需要交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量从热流体通过间壁传递给冷流体的一种热交换器。这类热交换器是目前使用最为广泛的一种换热设备。它的基本结构是在一个或多个圆筒形的壳程（壳体）中放置管束（由多个管子组成），该管子的两端或者一端要固定于管板上面，其中管子上的轴线要和壳体上的轴线相平行。是为了增加流体在壳程的流速并支承管子，改善传热的性能，在筒体内间隔安装多块折流板（也可以是其他新型的折流元件），用拉杆和定距管将折流板和管 子组装在一起。换热器的壳体和两侧的端盖上（偶数管
10、程则是一侧）装有流体的进出口，也有根据要求在其上装设检查孔，为安置测量仪表用的接口管、排气孔和排液空等。 管壳式热交换器虽然在传热效率、结构的紧凑性和单位传热面积金属消耗量等方面比不上一些新型高效的紧凑式换热器，但它也有明显的优点，如结构坚固、可靠性高、易于制造、适应性广、生产成本低、处理能力大、选用的材料范围广、能承受较高的操作压力和温度、换热表面的清洁比较方便等。在高温、高压和大型热交换器中，管壳式热交换器仍具有绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。 根 据管壳式换热器的结构特点，分为固定管板式热交换器、浮头式热交换器、 U形管式热交换器、填料函式热交换器和釜式重沸器五类。在本设计论文中
11、是对固定管板式热交换器的设计计算，则着重介绍固定管板式热交换器。 广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计 4 1.4汽油改质装置重沸器 结构简介 固定管板式热交换器由管板、管箱、壳程、管子等零部件组成，管束连接在管板上，管板和壳体之间焊接，管束两端用胀接或焊接的方法将管子固定在管板上，壳体进出口管直接焊接在筒体上，管板外圆周和封头法兰直接用螺栓紧固，管程的进出口管直接焊接在管箱上，管束内根据换热管长度设置多块折流板，这类换 热器的管程可以用隔板分程多个程数。 固定管板式热交换器的优点是结构简单、紧凑，并可以承受较高的压力，造价低，管程的清洗方便，管子损坏的时候易于堵管或者更
12、换；缺点是当管束和壳体的壁温或者材料的线膨胀系数差别较大时，壳体和管束中的热应力较大。这种热交换器适用于壳侧介质比较清洁而且不容易结构并能进行清洗，管、壳程两侧的温差较小或温差较大但是壳侧的压力不高的场合。 在管壳式热交换器的基本设计方法中，要在满足工艺过程要求的前提下，达到安全和经济的目标。热交换器的设计中的主要任务有参数选择、结构设计、传热计算和压降计算 等。设计主要包括了管子排列、管子支承结构、管程数、管长、壳体形式、热交换器类型、冷热流体流动通道等工艺计算和壳体、封头、管板等零部件的结构、强度设计计算。热交换器的工艺设计计算依据设计任务的不同可以分为设计计算和校核计算，包括换热面积的计
13、算与选型两方面。一般情况下已知冷流体和热流体的物性和处理量。进出口压力和温度由工艺方面的要求来确定。在设计中需要选择或确定的有三大类数据：结构数据、物性数据和工艺数据。设计计算是根据已知的数据来计算热交换器的换热面积，从而来决定这个热交换器所需要的结构，可以来选定已有的标准 热交换器；而校核计算则是对已经有的热交换器进行一些运行参数的核定，校核它是否满足预定的要求。 热交换器的各零部件的设计和选择依据的标准是 GB151-2014 热交换器 。热交换器分为管程和壳程，流经换热管的内通道以及其相贯通的部分称之为管程，流经换热管外通道以及与其相贯通的部分称为壳程。整个热交换器的设计过程中，由于热交
14、换器是压力容器的一种，则 GB150-2011钢制压力容器也是一个运用较多的标准，其他对法兰、垫片的标准则选用新的能源部发布的 HG/T20615-2009钢制管法兰，螺纹的选择用到了 GB/T196-2003螺纹规格标准，而在制作过程中的选用则用到的是JBT4712.1JBT4712.4-2007容器支座，在整体的设计中，熟练运用标准是一项非常重要的技能。 在管程结构当中，换热管占了整个热交换器的大部分重量，换热管除了光管之外还能采用各式各样的强化传热管，比如翅片管、螺纹管、螺旋槽管等。当管内外两侧的给热系数较大的时候，翅片管的翅片布置应在给热系数较低的一侧。换热管是具有标准的第一章 前言
15、5 尺寸（外径壁厚）的钢管，主要分为无缝钢管和不锈钢管。在设计热交换器的时候，采用小管径的换热管时，可使 传热系数提高、单位面积的传热面 积增大、金属耗量减少、结构紧凑。据简单的估算，将同直径热交换器的换热管尺寸由 25mm改为 19mm，传热面积便可以增加 40% 左右，同时节约 20% 以 上的金属。但小管径的流体有较大阻力，且不方便清洗，容易结垢堵塞。通常情况下，大直径的管子用于黏性较大或污浊的流体，小管径的管子则用于相对较清洁的流体。换热管常用的材料通常有碳素钢、铜、铜镍合金、铝合金、低合金钢、不锈钢、钛等。除此之外，也能够用一些非金属材料，如陶瓷、石墨、聚四氟乙烯等。换热管的排列方式
16、主要有正方形、转角正三角形 、正三角形、转角正方形等。正三角形的排列方式能够在相同的管板上排列最多的管数，所以用的最普遍，但是管外不便于清洗。为便于管外清洗，可采用正方形或转角正方形排列的管束。 管板是管壳式热交换器里面最重要的零部件之一，其作用是排布换热管。将管程和壳程的流体分开，避免冷热流体的混合，同时受到管程、壳程的压力和温度的作用。管板在选材的时候不仅要考虑力学性能，还要考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热器之间存在的电位差对腐蚀的影响。当流体腐蚀较低或者基本没有腐蚀性的时候，管板一般采用压力容器用的碳素钢或者锻件或低合 金钢板来制造。当流体的腐蚀性较强时，管板应采用耐腐蚀材料，
17、如不锈钢钛、铝、铜、等。对于厚度较大的管板，为达到降低造价，工程上常采用钛 +钢、不锈钢 +钢、钛 +钢等复合板，或堆焊衬里。在热交换器承受高温、高压时，高温、高压对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压力，但是当管板两侧的温差较大的时候，沿管板内部厚度方向的热应力会增大；若减小管板的厚度，可以适当的降低它的热应力，但是承压能力会下降一些。而且，在开车和停车的时候，由于厚管板的温度变化较慢，换热管壁厚薄，温度变化较快，所以在换热管和 管板的连接处会产生出较大的热应力，大的热应力往往会导致换热管和管板连接的地方发生破坏。因此，在满足强度的要求下，应尽量减少管板的厚度。管板
18、设计时的基本考虑是：把实际复杂的管板简化为承受均匀分布的载荷，置于弹性的基础上并且受到在管孔有平均削弱作用的当量圆板。同时也在这个基础上考虑管束对于管板的挠度有约束作用，但忽略对于管板的转角具有约束作用；管板周边没有布管区域对管板有应力影响，把管板划分成为两个区，即靠近中央的布管区和靠近周边较窄的不布管区；不同结构形式的热交换器，管板边缘处具有不同形式的连接结构，根据具体 的情况，考虑了壳体、法兰、管箱、封头、垫片等元件对管板边缘转角产生的约束作用；管板兼做法兰时，法兰力矩对管板应力的影响。管板的设计思路包括管板的弹性分析、危险工况、管板应力校核、管板应力调整。总体下来，管板的计算非常复杂，手
19、算的工作量很大，目前我国已开发出过程设备强度计算的软件，比如 SW6，在实际工程广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计 6 计算中运用软件计算便会大大缩短设计计算的工作量。 管箱位于换热器的两端，其作用是将管道输送过来的流体均匀分布到各个换热管，把管内的流体汇聚在一起并送出热交换器。在多管程热交换器里，管箱还能起到改变流体流向的作用 。 管程是在管内流动着的流体从一端流到另一端，在管壳式热交换器中，最简单的是单管程的热交换器。根据工艺设计要求，需要增加换热面积的时候，可采用增加换热管的长度或管数的方法。过于加长换热管的长度会受到加工、运输、安装及维修等多方面的限制，因此经常
20、用增加管数的方法来实现换热面积的增加。 管板与换热管的连接是管壳式热交换器的设计、制造中最关键的技术之一，也是热交换器出事故率最高的部位，所以，热交换器中管板和换热管的连接质量的好坏直接影响了热交换器的使用效果和使用寿命。主要有采用强度胀接、强度焊、胀焊并用的方法 在 壳程结构中主要由壳体、折流板或折流杆、拉杆、防冲挡板、纵向隔板、防短路结构等元件组成。 壳体一般情况下是个圆筒，在筒壁上焊有接管，可以流入和排出流体。 折流板的设置是为了提高壳程流体的流速并增加湍动，使壳程流体垂直地冲刷管束，改善传热，增加壳程流体的传热系数，减少结垢。在卧式热交换器中，折流板的还有支承作用。折流板一般是等间距布
21、置，管束两端的折流板应放置在靠近壳程进出口接管。折流板上的管孔和换热管之间的间隙、折流板和壳体内壁之间的间隙应该符合要求，间隙过大会泄漏严重，对传热不利，还会引起振动；间隙过小，会使 安装困难。折流板一般采用拉杆和定距管连接在一起。其他零部件可根据需求来设定或者选用，如折流杆、防短路结构（挡管、旁路挡板、中间挡板）、防冲板、支座、静电接地板、铭牌等。 上述基本设计主要在工程设计中用到的为主，当今社会是一个不断发展和进步的社会，能源和资源的紧缺让人们不得不努力开发新型的 热交换器 ，研究新型的高效的 热交换器 元件，各工业部门都在努力发展大容量、高性能的设备，减少设备的投资和使用费用。当今的化工
22、等生产中的环境更加恶劣，介质的腐蚀、毒性等情况会更加突出，所以新型材料也不断的加入 热交换器 的设计制造中。 在这样的世界大环境下，各国都加快了先进 热交换 技术和节能技术的发展。我国十分重视传热强化和热能的回收利用这些方面的研究和开发工作，开发了适用于不同的工业生产过程要求的高效 热交换 设备来提高经济效益，并且取得了丰硕的成果。其中，传热强化和节能技术是 热交换技术 研究的主体方向。传热强化是改善传热性能的技术，可以通过提高和改善传热速率，来达到使用最经济的传热设备来传递一定热量的目的，也可以通过提高传热系数、增加平均传热温差、扩大换热面积等来实现。目前还普遍用槽管、翅片管、螺纹管、波纹管
23、等新型管子来扩展表面以达到强化传 热。同时也常会有通第一章 前言 7 过改变壳程挡板结构、改变管束支承结构等方法来减少或者消除壳程的流动和传热的滞留死区，从而使换热面积能够得到充分得利用，达到壳程强化传热的效果 10。 总之，在这个能源紧缺的时代，对热量的充分利用显得尤为重要。在这个大发展的背景下，我国的 热交换器 也取得了巨大的突破，但是由于我国的热交换器起步相对较晚，在一些高端热交换器领域，比如模型化技术、电脑程序应用于设计计算、高新材料在 热交换器 的运用等方面相对于发达国家较薄弱。而且我国的化工、炼油、轻工业等正处于快速发展的阶段，提高热交换器的本土效率和 产量便可以减少大量的热交换器
24、进口，并能有效的减少国内大多数需要用到热交换器公司的开支，同时也能促进我国热交换器的大发展。 1.5热交换器 的优化 热交换器 的优化升级是重要的研究方向。祁飞，刘国振，贾晓艳在固定管板式换热器热处理有关问题的探讨一文中分析道，设备是否进行焊后热处理选用哪种热处理，应首先分析其热处理的目的，充分理解标准中含义，再做出正确的选择，从而才能设计且制造出合格产品。 热交换器 的优化主要从结构设计、制作工艺、热处理、新技术开发应用等方面出发，用以提高换热效率、延长使用寿命、升级控制方案。刘执 彬、徐勇在固定管板换热器传热效率影响因素分析一文中，总结固定管板换热器传热效率的影响因素有：流动路线及防短路设
25、置、折流板间距、管束在壳程接管进口或出口处的流通面积。并建议，根据工艺设计参数（介质流速、压力降等）依据伯努利方程确定介质在换热器内的流速，再以此流速来设计折流板弓高和间距。周蕾在固定管板式换热器的研究与优化中，对固定管板式 热交换器 的固定管板厚度随工作压力 (壳程与管程压力 )改变的变化情况和不同 热交换器 公称直径条件下的管板布管情况进行了系统的研究，采用线性加权法对固定管板式 热交换器 的整体进行了 优化。陈文星，陈士玮在换热器优选的灰靶决策法一文中， 灰靶理论应用到 热交换器 设计方案的评价与优选中，取得了与采用其他方法分析一致的结果，显示了它的有效性和实用性。而且整个分析过程简便，
26、为其他一般化工设计方案优选提供 了一种实用的方法。王伟，商玉坤，王立刚在焦化厂粗煤气冷却用固定管板式换热器改进 15提出了结构设计上 的改进和制造过程中的几个问题。王武超，赵竞全在冷凝器动态性能仿真研究一文中应用移动边界法（ MB)对冷凝器建立了动态仿真数学模型，模型体现了冷凝器内各个相区长度随时间的变化，模型最终可 以化为常微分线性方程组的形式，在求解上更为方便且兼顾了仿真的效率和精度，模型可提供冷凝器详细的性能参数；研究了在系统不同的控制参数阶跃情况下冷凝器的动态响应，获得了冷凝器的动态特性，冷凝器的动态特性是冷凝器动态优化设计和编制系统控制规律的基础。该文中的冷凝器建模方法适合于系统级仿
27、真研究。况莉在广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计 8 循环水换热器泄漏故障分析和对策一文中，提出了循环水换热器泄漏故障分析和对策，使得换热器运行效果良好，达到了降低维修费用，保证装置长周期稳定运行的目的，为以后类似换热器的维护改造提供了有益的经验。刘维亭，张冰，朱志宇 在主冷凝器模糊控制系统设计一文中，从主冷凝器的特性出发，对真空凝水过冷度控制系统进行了深入地研究，详细阐述了系统的设计准则、设计模型及实现方法。该系统硬件采用了数字信号处理芯片，以保证系统的实时性，软件采用了模糊神经网络算法以克服系统模型的不确定性。设计出了工作稳定可靠，具有较强的鲁棒性的换热系统。 第二
28、章 结构设计和强度校核 9 第二章 结构设计 和强度校核 2.1 设计条件 2.1.1设计压力 壳程设计压力 2.5dP MPa ， 液柱压力 0 . 9 5 1 0 0 0 9 . 8 1 . 1 0 . 9 5g h P a = 10241 5% dPa P 则可忽略液柱压力， 计算压力 cdPP ，取高于其一个等级的公称等级 4.0MPa 。 管程设计压力 2.5dP MPa ，忽略液柱压力，则取高出其一个压力等级为 4.0MPa 。 2.1.2设计温度 设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温度状态可能达到的最高温度。 管程设计温度的确定 ，由于
29、气氨最高操作温度为 180，故取设计温度为 200。 壳程设计温度的确定，由于壳程水最高操作温度为 310，故取设计温度为 330。 2.2筒体壁厚 2.2.1筒体选材 由于筒体设计温度为 330，设计压力为 2.5MPa ，参考 GB150-2011， Q345R 是普通低合金钢 ,是锅炉压力容器常用钢材， 使用状态为 ：热轧 、控轧 或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板 Q345 钢，除抗拉强度、延伸率要求比 Q345R 钢有所提高外 ，还要求保证冲击韧性 ，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高 。 而且 它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板 ,可用于容器壳体材料中 ,故
30、 选择 Q345R。 广东石油化工学院专科毕业设计：汽油改质装置重沸器的机械设计 10 2.2.2筒体壁厚的计算 2 cit cPD P 式中 计算厚度， mm ； cP 计算压力， MPa ； 焊接接头系数。 2 . 5 1 1 0 0 1 1 . 4 3 02 2 1 4 3 0 . 8 5 2 . 5citcPD m m m mP 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 0dn C m m m m 对厚度进行圆整可得名义厚度为： n =16mm (取2C=2mm 在无特殊腐蚀情况下 ,对于碳素钢和低合金钢，不小于 1mm ) GB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压力容器用低合金钢板规定 压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于 0.25 mm ， 因此使用该标准中钢板厚度超过 5 mm 时 (如20R,16MnR 和 16MnDR)等，可取 1C =0 e = n -( 1C +2C) ( C= 1C +2C)
