化学工程学院化工机械与设备课程设计设计说明书专业化学工程与工艺班级化工11-4姓名沈杰学号11402010417指导老师杨泽慧日期2014年6月10日成绩化学工程学院2013-2014（2）化工机械与设备课程设计任务书一、课程设计题目：管壳式换热器的机械设计二、课程设计内容1．管壳式换热器的结构设计包括：管子数n，管子排列方式，管间距的确定，壳体尺寸计算，换热器封头选择，容器法兰的选择，管板尺寸确定塔盘结构，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等等。
2. 壳体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核（1）根据设计压力初定壁厚；（2）确定管板结构、尺寸及拉脱力、温差应力；（3）计算是否安装膨胀节；（4）确定壳体的壁厚、封头的选择及壁厚，并进行强度和稳定性校核。
3. 筒体和支座水压试验应力校核4. 支座结构设计及强度校核包括：裙座体（采用裙座）、基础环、地脚螺栓5. 换热器各主要组成部分选材，参数确定6. 编写设计说明书一份7. Auto CAD绘3号设备装配图一张三、设计条件1气体工作压力管程：半水煤气（0.80+学号最后两位第一个数字×0.02，单位：MPa）壳程：变换气（0.75+学号最后一位数字×0.01，单位：MPa）2壳、管壁温差50℃，t t＞t s壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。
3由工艺计算求得换热面积为（130+学号最后一位数字×5），单位：m2。
4壳体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数，接管及其他数据查表选用。
5壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.96图纸：尺寸需根据自己的设计的尺寸标注。
四、进度安排6月9-6月20日五、基本要求1.学生要按照任务书要求，独立完成设备的机械设计；2.设计说明书一律采用电子版，指导老师指导修改后打印，3号图纸终稿打印；3.图纸打印后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书统一在6月20日上午9点半前，由各组组长负责统一提交。
5.根据设计说明书、图纸、平时表现综合评分。
六、说明书的内容任务书1.符号说明2.前言（1）设计条件；（2）设计依据；（3）设备结构形式概述。
3.材料选择（1）选择材料的原则；（2）确定各零、部件的材质；（3）确定焊接材料。
4.绘制结构草图（1）换热器装配图；（2）确定支座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；（3）标注形位尺寸；（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等；5.壳体、封头壁厚设计（1）筒体、封头及支座壁厚设计；（2）焊接接头设计；（3）压力试验验算；6.标准化零、部件选择及补强计算（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。
内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。
补强计算；（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。
补强计算；（3）其它标准件选择。
7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。
8.主要参考资料。
【格式要求】：1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码；5.设计说明书中与装配图中的数据一致。
如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；6.表达清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。
七、主要参考资料[1] 《化工设备机械基础课程设计指导书》.化学工业出版. 2009.1[2] 《化工设备机械基础》第五版刁与玮王立业编著2010.6；[3] 《化工单元过程与设备设计》匡国柱史启才主编；[4] 《化工制图》华东化工学院制图教研室编人民教育出版社1980；[5] 《化工设备机械基础》参考资料；[6] 《钢制压力容器》GB150-2011；[7] 《钢制塔式容器》JB/T 4710-2005；[8] GB151-1999 《管壳式换热器》1999年；[9] 《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局1999年。
目录符号说明 (VI)1 前言 (1)1.1 设计条件 (1)1.2 设计依据 (1)1.3 设备结构形式概述 (1)2 材料选择 (2)2.1 选择材料的原则 (2)2.2 换热器各零、部件的材质 (2)2.3 焊接材料 (2)3 管壳式换热器的结构设计 (3)3.1 管子数n (3)3.2 管子排列方式、管间距 (3)3.3 壳体直径 (3)3.4 壳体壁厚 (3)3.5 封头的选择 (4)3.6 法兰的选择 (4)3.7 管板尺寸 (5)3.8 管子拉脱力 (5)3.9 是否安装膨胀节 (7)3.10 折流板 (8)3.11 开孔补强 (8)3.12 支座 (10)4 管壳式换热器的强度计算 (13)4.1 筒体 (13)4.2 封头 (14)5 数据表 (15)5.1 结构参数 (15)5.2 设计值 (15)结束语 (16)参考资料 (17)符号说明T t操作状态下管壁温度，℃ F 换热面积，m2；T s操作状态下壳壁温度，℃ a 管间距，mmФ焊接接头系数，无量纲；d i壳体内径，mm；B 正六边形对角线上的管子数，个；d o壳体外径，mm；Ln 换热管长度，mm；P c计算压力，MPa;d均管子的平均直径，mm；P w工作压力，MPa; [Pw] 最大允许工作压力，MPa；P 设计压力，MPa;P T水压试验压力，MPa; δ计算壁厚，mm；DN 直径（公称），mm；δd 设计壁厚，mm；PN 公称压力，MPa；δn 名义壁厚，mm；Pt 管子的工作压力，MPa；δe 有效壁厚，mm；Ps 壳体的工作压力，MPa； C 厚度附加量，mm；△t 管壳壁温度，℃；C1钢板的负偏差，mm；[q] 许用拉脱力，MPa；C2腐蚀欲量，mm；a 线膨胀系数，1/°C；σs 屈服点，MPa；f 每四根管子之间的面积，mm2；h1曲面高度，mm；At 换热管截面面积，mm2；ho 短圆筒长度，mm；As 壳壁横截面面积，mm2；h2直边长度，mm；F1管、壳壁温差所产生的轴向力，N；E 弹性模量，MPa；F2压力作用于壳体上的轴向力，N；q t温差应力，MPa；F3压力作用于管子上的轴向力，N；q p 在操作压力下，每平方米胀接周边受到的力，MPa；l①胀接长度，mm ；②最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，mm；1 前言1.1 设计条件(1)气体工作压力管程：半水煤气0.82MPa壳程：变换气0.82MPa(2)壳、管壁温差50℃，t t＞t s壳程介质温度为320-450℃，管程介质温度为280-420℃。
(3)由工艺计算求得换热面积为165m2。
(4)壳体与支座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.91.2 设计依据换热器的设计涉及因素很多，如介质的腐蚀性及其他特性、操作温度与压力、换热器的热负荷、管程与壳程的温差、检修与清洗的要求等。
具体设计时应综合考虑各方面因素。
对每种特定的传热工况，通过优化选型都会得到一种最适合的设备型号；如果将这个型号的设备应用到其他工况，则传热效果可能会改变很大。
因此，针对具体工况选择换热器类型，是很重要和复杂的工作。
1.3 设备结构形式概述管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。
一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。
为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。
折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。
列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。
若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。
2 材料选择2.1 选择材料的原则管壳式换热器的材料应根据操作压力、温度及流体的腐蚀性等选用。
在高温下一般材料的力学性能及耐腐蚀性能要下降。
同时具有耐热性、高强度及耐腐蚀性的材料是很少有的。
目前常用的金属材料有碳钢、不锈钢、低合金钢、铜和铝等；非金属材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。
不锈钢和有色金属虽抗腐蚀性能好，但价格高且较稀缺，应尽量少用。
(1)换热介质条件。
主要是指操作压力、温度和介质的腐蚀性。
要考虑导热性、耐磨性等其他物化性能。
(2)换热器的类型。
不是每一种材料都能制造各种形式的换热器。
(3)经济合理性。
在满足使用和制造要求的前提下，应选用原材料来源广泛、价格相宜的非金属材料制造换热器，尽量节约成本及投资。
2.2 换热器各零、部件的材质管壳式换热器各部件的常用材料可参考表2-1。
表2-1 管壳式换热器部件常用材料2.3 焊接材料见换热器装配图。
3 管壳式换热器的结构设计3.1 管子数n计算：n=779 实际： n=773 选5.225⨯φ的无缝钢管，材质20号钢，管长3m 。
因为n d L F 均π= 所以（根）均77930225.014.3165d n =⨯⨯==L F π 其中，因安排拉杆需减少6根，实际管数773根(3-1) 参考：《化工设备机械基础》P2273.2 管子排列方式、管间距采用正三角形排列，由《化工设备机械基础》表7-4查得层数为15。
查《化工设备机械基础》表7-5，取管间距a=32mm 。
3.3 壳体直径D i =1m l b D 2)1(a i +-= 式中D i ——换热器内径，mm ；b ——正六角形对角线上的管子数，查《化工设备机械基础》表7-4，取b=31；l ——最外层管子的中心到壳壁边缘的距离，取l=2d 。
故)m m (10602522)1-31(32i =⨯⨯+⨯=D圆整后取壳体内径m m 1000i =D 。
(3-2)参考： 《化工原理上册》P2893.4 壳体壁厚m m8n =δ材料选用Q245R 钢板，计算壁厚为c i c P ][2P -=φσδt D 式中 Pc ——计算压力，取Pc=1.0MPa ； ；，9.0m m 1000i ==φD MPa t 91][=σ(设壳壁温度为400℃)；(3-3) 参考：《化工设备机械基础》P288故 )(14.60.1-9.091210000.1mm =⨯⨯⨯=δ取 C 2=1.2mm ，则C 1=0.3mm 。
圆整后取m m 8n =δ。
3.5 封头的选择上下封头均选用标准椭圆形封头，根据GB/T25198《压力容器封头》，封头为DN1000×8，曲面高度h 1=250mm ，直边高度h 2=40mm ，如图3-1所示，材料选用Q245R 。
