U型管式换热器设计毕业设计说明书

摘要

换热器是化工生产过程中的重要设备，它能够实现介质之间热量交换。广泛应用于石油、化工、制药、食品、轻工、机械等领域。U型管式换热器是换热器的一种，它只有一个管板，结构简单，密封面少，且U形换热管可自由伸缩，不会产生温差应力，因此可用于高温高压的场合。一般高压、高温、有腐蚀介质走管程，这样可以减少高压空间，并能减少热量损失，节约材料，降低成本。

甲烷化换热器，是合成氨生产中的重要设备之一, 它能将27℃的H2N2混合气升温至274℃，同时将339℃的H2N2精制气降温至90℃。甲烷化换热器一般选用U型管换热器，它由一台Ⅰ型甲烷化换热器与一台Ⅱ型甲烷化换热器连接组成。其中Ⅰ型甲烷化换热器将27℃的H2N2混合气升温至150℃，同时将215℃的H2N2精制气降温至90℃；Ⅱ型甲烷化换热器能将150℃的H2N2混合气升温至274℃，同时将339℃的H2N2精制气降温至215℃。

本次设计主要根据GB150《钢制压力容器》及GB151《管壳式换热器》对设备的主要受压元件进行了设计及强度计算，又结合HG/T20615《钢制管法兰》、JB/T 4712《容器支座》等其它压力容器相关标准，对其它各部件进行设计，最终完成了Ⅱ型甲烷化换热器的设计。

关键词：换热器；甲烷化换热器

Abstract

Heat exchanger is important in the process of chemical production equipment, which can be achieved between the heat exchange media. Widely used in petroleum, chemical, pharmaceutical, food, light industry, machinery and other fields. U-tube heat exchanger is a heat exchanger, it has only one tube plate, simple structure, less sealing surface, and the U-shaped tubes are free to stretch, no thermal stress, it can be used for high temperature and pressure of the occasion . General high-pressure, high temperature, corrosive media, take control process, thus reducing the pressure of space, and can reduce heat loss and saving materials and reduce costs.

Methanation heat exchanger, ammonia production is one of the important equipment, it will be 27 ℃of H2N2 mixture heated to 274 ℃, 339 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 90 ℃. Methanation heat exchanger is generally used in U-tube heat exchanger, which consists of Type Ⅰand type Ⅱmethanation methanation Heat exchanger connected to form a methanation type. Heat exchanger type Ⅰmethanation of H2N2 to 27 ℃heating the mixture to 150 ℃, 215 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 90 ℃; Ⅱ-type heat exchanger can methanation 150 ℃, heating the mixture to the H2N2 274 ℃, 339 ℃while the H2N2 refined gas cooled to 215 ℃.

This design mainly based on GB150 "steel pressure vessels"and GB151 "shell and tube heat exchangers, " the main pressure parts of the equipment was designed and strength calculation, but also with HG/T20615 "steel pipe flange", JB / T 4712 "containers bearing" pressure vessels and other relevant standards, the design of other components, he finally completed the methanation Ⅱtype heat exchanger design.

Keywords: Heat exchanger;Methanation heat exchanger

目录

图表清单 (1)

符号说明 (3)

引言 (8)

第一章换热器件简介 (9)

1.1U型管换热器简介 (9)

1.2甲烷化换热器简介 (9)

1.2.1.Ⅱ型甲烷化换热器的作用 (9)

1.2.2甲烷化换热器工作原理 (10)

第二章设计方案的确定 (11)

2.1设计参数的确定 (11)

2.2换热器主要零部件结构形式的确定 (12)

第三章强度计算 (13)

3.1圆筒的设计 (13)

3.2封头设计 (13)

3.2.1下封头设计 (13)

3.2.2管箱封头设计 (14)

3.3管箱圆筒短节设计 (15)

3.4压力试验 (15)

3.4.1压力试验条件确定 (15)

3.4.2水压试验时强度校核 (15)

3.5换热管设计 (16)

3.5.1换热管选取 (16)

3.5.2布管形式 (16)

3.5.3布管限定圆 (17)

3.5.4 U形管长度选取 (18)

3.5.5换热管与管板的连接 (18)

3.6管板设计 (19)

第四章换热器其他各部件设计 (23)

4.1进出口接管设计 (23)

4.1.1精制气入口接管 (23)

4.1.2精制气出口接管 (25)

4.1.3混合气入口接管 (26)

4.1.4混合气出口接管 (26)

4.1.5 管板排气口接管设计 (27)

4.1.6加强管设计 (28)

4.2接管开孔补强的设计计算 (28)

4.2.1精制气进口处补强设计 (28)

4.2.2精制气出口处补强设计 (31)

4.2.3混合气入口处补强设计 (33)

4.2.4混合气出口处补强设计 (36)

4.2.5上排气口处补强设计 (38)

4.2.6下排净口处补强设计 (40)

4.3管法兰设计 (42)

4.4折流板、支撑板设计 (48)

4.5防冲板设计 (49)

4.6分程隔板 (49)

4.7纵向隔板设计 (49)

4.8接管最小位置 (50)

4.8.1壳程接管最小位置 (50)

4.8.2管箱上接管最小位置 (50)

4.9管箱的最小内测深度 (51)

4.10管箱筒节长度确定 (51)

4.11拉杆定距管 (51)

4.12支座选取 (51)

参考文献 (60)

谢辞 ................................................................................................. 错误！未定义书签。

图表清单

符号说明

a ——一根换热管管壁金属的截面积，2mm ；

d A ——在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支撑的

面积，2mm ；例如双管程管板，对于三角形排列：

(0.866)d n A n S S S '=-

t A ——管板布管区面积，2mm ； 三角形排列 21.732t d A nS A =+

A —— 开孔削弱所需要的补强截面积，2mm ；

B ——补强有效宽度，mm ；

1C ——钢板负偏差，mm ； 2C ——腐蚀裕量，mm ；

C ——厚度附加量，mm ；

c C ——系数，按1/f t K ρ 和查参考文献[4](GB151-1999)图19； e C ——系数，按1/f t K ρ 和查参考文献[4](GB151-1999)图20； M C ——系数，按1/f t K ρ 和查参考文献[4](GB151-1999)图21；

d ——开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考

虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量)，mm ；

D ——管板开孔前的抗弯刚度，N mm

32

12(1)

p E D δν

=

-

0D ——容器外径；

i D ——壳程圆筒和管箱圆筒内直径，mm ； t D ——管板布管区当量直径，mm ；

t D =d ——换热管外径，mm ；

h E ——下述对于b 型连接方式，指管箱圆筒材料的弹性模量，a

MP ；

p

E ——管板材料的弹性模量，a MP ；

s E ——下述对于b 型连接方式，指壳程圆筒材料的弹性模量，a MP ；

i f ——风压高度变化系数，按设备质心高度取 对于B 类地面粗糙度

r f ——强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当该比值大于1.0时，取1r f =；

g ——重力加速度，取29.8/g m s =；

e G ——偏心载荷，N ； 0H ——容器总高度，mm ；

h ——水平力作用点至底板高度，mm ；

1h ——接管外侧有效补强高度，mm ； 2h ——接管内侧有效补强高度，mm ；

k ——不均匀系数，安装3个支座时，k=1；安装3个以上支座时，取k=0.83；

f

K ——管板边缘旋转刚度参数，a MP ；

f f f

K K K '''=+

f

K '——壳程圆筒与法兰的旋转刚度参数，a MP ；

3

22112f f f f s i f i E b K E D b D δω??''??

''??

=+ ?+?????? f K ''

——管箱圆筒与法兰（或凸缘）的旋转刚度参数，a MP ；

3

22112f f f

f h i f i E b K E D b D δω??''''??''''??

=+ ?+?????? f

K ——旋转刚度无量纲参数； 28i t f

f D D K K D =

L ——质心距容器底端距离；

l ——换热管与管板胀接长度或焊脚高度，按参考文献[4](GB151-1999)5.8.2.3或

5.8.3.2规定，mm ；

0m ——设备总质量，kg ；

n '——沿隔板槽一侧的排管根数。

n ——U 形管根数，管板开孔数为2n ; c P ——计算压力，a

MP ；

w P ——水平风载荷，6

0001.210w i P f q D H -=? P ——水平力，取0.25w e w P P

P +和的大值，N 。 e P ——水平地震力，N ；0e P am g = d P ——管板设计压力，a

MP ；

s P ——壳程设计压力，a

MP ；

t P ——管程设计压力，a

MP ；

Q ——支座实际承受的载荷，kN ；

q ——换热管与管板连接的力，a

MP ；

[]q ——许用拉脱力，按参考文献[4](GB151-1999)5.7.5规定，a

MP ；

0q ——10m 高度处的基本风压，2/N mm ，此处按呼和浩特市区20500/q N mm =；

R ——半径，mm ；

对于a 型连接方式，/2G R D =； 对于其他连接方式，/2i R D =

S ——换热管中心距，mm ；

S ——换热管中心距，mm ；

n S ——隔板槽两侧相邻管中心距，mm ；

μ——管板强度削弱系数，一般可取0.4μ=；

ν——管板材料泊松比，取0.3ν=； t ρ——布管区当量直径t D 与直径2R 之比；

σ——应力，a MP ；

0,,t

r r R R σ-∣——压力作用下，分别为管板中心处，布管区周边处，边缘处的径向应力，

a MP ；

t σ——换热管轴向应力，a

MP ；

[]t

r σ——设计温度下，管板材料的许用应力，a

MP ；

[]t

t σ——设计温度下，换热管材料的许用应力，a

MP ；

[]t

σ——设计温度下壳体材料的许用应力，a

MP ；

[]t

n σ——设计温度下接管材料的许用应力，a

MP ；

ω'——系数，//s i f i D D δδ'按和，查参考文献[4](GB151-1999)图26；

ω''——系数，//h i f i

D D δδ''按和，查参考文献[4](GB151-1999)图26；

φ——焊接接头系数。 e S ——偏心距，mm ；

δ——计算厚度，mm ；

h δ——管箱圆筒厚度，mm ；

s δ——壳程圆筒厚度，mm ；

e δ—— 壳体开孔处的有效厚度，,e n C mm δδ=- ；

et δ—— 有效厚度，,et nt C mm δδ=- ；

n δ——名义厚度，mm ； nt δ—— 接管名义厚度，mm ； t δ——接管计算厚度，mm ；

t δ——换热管壁厚，mm ；

引言

毕业设计是我们在校期间的一次重要教学环节，通过毕业设计可以让我们对大学四年所学的知识有更深的理解。过程装备与控制工程涵盖石油、化工、食品、制药、机械、轻工等多个领域。它的发展将直接促进国民经济的发展。

工业生产中，利用一些设备，来进行热量交换，这类设备统称为换热器。换热器是化工、制药、石油、动力、食品等许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。换热器的应用广泛，日常生活中供暖系统、发动机的泠却系统和动力装置的冷凝系统都用到换热器。换热器的较多，按其结构分类主要分为管式换热器和板式换热器两种。

由于经济、科技的不断发展，节能减排被人们重视。换热器的研究设计也就变得越来越重要。随着装置的大型化，对换热面积的需求也变大。但设备的大型化将会使成本大大增加，因此紧凑型的换热器就比较受欢迎；同时提高传热系数也是换热器研究的一个重要方向。换热器的研究发展对其他领域的依赖也是比较大的，传热理论研究的不断完善，制造技术的发展，材料科学技术的不断进步，都将促进换热器的发展。

本次设计的甲烷化换热器采用U型管式换热器，属于管式换热器。甲烷化换热器在高温高压下氢被金属吸附，分解为原子氢溶解在金属晶体中，并向晶体内部扩散，与钢中碳化物发生反应生成甲烷。因此在设计选材时应考虑抗氢腐蚀。

换热器是化工、石油中的重要热工设备, 对换热器进行科学的计算,合理的结构设计, 是换热器性能及安全的重要保证。在保证安全的前提下，应尽可能降低成本，换热器的结构设计就变得尤为重要, 因此在换热器的设计中, 只有经过对换热器结构参数的不断调整, 反复计算, 才能使换热器的性能更高, 设计更加合理。

第一章换热器件简介

工业生产中，利用一些设备，来进行热量交换，这类设备统称为换热器。换热器化工生产必不可少的单元设备，广泛的应用于化工、石油、轻工、机械、冶金、动力、制药等领域。据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资约占装置建设总投资的30%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数的40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着着重的影响。

1.1 U型管换热器简介

U型管换热器是一种典型的管壳式换热器，其管子弯成U形，管子的两端固定在同一管板上，因此每根管子可以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制，不会产生温差应力，且换热管流程较长，流速较高，管侧传热性能好，承压能力强。U型管换热器仅有一块管板，所以结构简单，造价比其他换热器便宜。U型管换热器可用于高温、高压、有腐蚀性工况。一般高温、高压、有腐蚀性介质走管内，这样可以减少高压空间，降低成本。

1.2甲烷化换热器简介

甲烷化换热器在高温高压下氢被金属吸附，分解为原子氢溶解在金属晶体中，并向晶体内部扩散，与钢中碳化物发生反应生成甲烷。

1.2.1.Ⅱ型甲烷化换热器的作用

Ⅱ型甲烷化换热器采用U型管式换热器，是合成氨生产中的重要设备之一,它能将150℃的混合气升温至274℃，同时将339℃的精制气降温至215℃。U型管式换热器的特点是结构简单，重量轻，适用于高温高压的场合。

1.2.2甲烷化换热器工作原理

150℃的75％

22H N 、混合气体由混合气体入口进入壳程，339℃的75％

22H N 、精制气由精制气入口进入管程，由于管道内精制气和壳程的混合气体存在温度差，会形成热交换，高温物体的热量向低温物体传递，这样就把管道里精制气的热量交换给了壳程的混合气体，将150℃的混合气升温至274℃，同时将339℃的精制气降温至215℃。

第二章 设计方案的确定

2.1设计参数的确定

管程、壳程的工作压力均为3.2a MP 。 设计压力 1.1(1 1.1) 3.2 3.2 3.

w a P P MP ==?= 取设计压力为3.5a MP 。 计算压力 3.5c a P P MP ==

22H N 混合气出口温度274℃，取壳程设计温度为300℃。 22H N 精制气进口温度339℃，取管程设计温度为350℃。

依据介质温度、压力以及含氢、氮特点，在选材、加工制造方面，首先考虑抗氢腐蚀。15r o C M R 是中温抗氢钢板，常用于设计温度不超高550℃的压力容器。筒体、管箱、封头材料选择15r o C M R 。换热管、进出口接管材料选择15r o C M ，管板材料选择15r o C M 锻件。

由参考文献[1](GB150-1998)表4-1，表4-3，表4-5查钢板、钢管、锻件许用应力如下。

表2-1钢板许用应力

表2-2钢管许用应力

表2-3锻件许用应力

由[1](GB150-1998)10.8.2.1规定，容器及受压元件当钢材为厚度16s mm δ>的

15r o C M R 时，对其A 类和B 类焊接接头，进行百分之百射线或超声检测。焊接接头系数按[1](GB150-1998)3.7双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头100%无损检测 1.00φ=。

2.2换热器主要零部件结构形式的确定

由于氢气易燃易爆，不允许有泄漏，且管程、壳程走的均为气体，不易结垢，换热管不需经常清洗，所以管板与筒体及管箱宜采用焊接。

管程工作温度339℃，换热管与管板不宜采用胀接形式，所以采用焊接形式。

第三章 强度计算

3.1圆筒的设计

0.4[]0.4131 1.0052.4t

c a P MP σφ≤=??=

3.51200

16.252[]2131 1.00 3.5c i t c P D mm

P δσφ?=

==-??-

取腐蚀裕量22C mm =，钢板负偏差10.3C mm =

120.32 2.3C C C mm =+=+=

设计厚度216.25218.25d C mm δδ=+=+= 钢板负偏差10.3C mm =取名义厚度20n mm δ= 有效厚度20 2.317.7e n C mm δδ=-=-=

3.2封头设计

椭圆形封头由两个半椭球面和短圆筒组成，由于封头的椭球部分经线曲率变化连续平滑，故应力分布较平均，且椭圆形封头易于冲压成型，是中低压容器应用较多的封头，故此设备选择标准椭圆形封头。

3.2.1下封头设计

3.51200

16.142[]0.52131 1.000.5 3.5c i t

c P D mm P δσφ?=

==-??-?

设计厚度216.14218.14d C mm δδ=+=+= 钢板负偏差10.3C mm =取名义厚度20n mm δ= 有效厚度20 2.317.7e n C mm δδ=-=-=

封头最小成形厚度min d δδ≥ 取min 18.2mm δ= 由参考文献[2](GB/T25198-2010)选取EHA 椭圆形封头

图3-1 标准椭圆形封头

由参考文献[2](GB/T25198-2010)附录C 表C.1 查EHA 椭圆形封头型式参数如下表

表3-1 EHA 椭圆形封头型式参数

由参考文献[2](GB/T25198-2010)表C.2查EHA 椭圆形封头质量

表3-2 EHA 椭圆形封头质量

（kg ）

封头标记： ()EHA 12002018.215/25198r o C M R GB T ?-

3.2.2管箱封头设计

3.5c a P MP =

15r o C M R 350℃时[]125t a MP σ=

3.51200

16.922[]0.52125 1.000.5 3.5c i t c P D mm

P δσφ?=

==-??-?

设计厚度216.92218.92d C mm δδ=+=+=

钢板负偏差10.3C mm =取名义厚度20n mm δ= 有效厚度20 2.317.7e n C mm δδ=-=-= 封头最小成形厚度min d δδ≥ 取min 19mm δ= 封头参数见表3-1及表3-2

封头标记： ()EHA 1200201915/25198r o C M R GB T ?-

3.3管箱圆筒短节设计

3.5c a P MP =，设计温度为350℃。 15r o C M R 350℃时[]125t a MP σ=

3.51200

17.042[]2125 1.00 3.5c i t

c P D mm P δσφ?=

==-??-

设计厚度217.04219.04d C mm δδ=+=+= 钢板负偏差10.3C mm =取名义厚度20n mm δ= 有效厚度20 2.317.7e n C mm δδ=-=-=

3.4压力试验

3.4.1压力试验条件确定

进行液压试验，介质选水，水压试验温度20℃。 试验压力的确定

[]

1.25[]T t P P

σσ=

3.4.2水压试验时强度校核

（1）筒体强度校核

150

1.25 3.5 5.0131T a

P MP =??

=

()5(120017.7)171.992217.7T i e T a

e P D MP δσδ+?+=

==?

0.90.9 1.00295265.5s a MP φσ=??=

0.9T s σφσ< 满足水压试验强度要求

（2）管箱短节强度校核

150

1.25 3.5 5.3125T a

P MP =??

=

() 5.3(120017.7)182.312217.7T i e T a

e P D MP δσδ+?+=

==?

0.90.9 1.00295265.5s a MP φσ=??=

0.9T s σφσ< 满足水压试验强度要求

（3）封头强度校核

150

1.25 3.5 5.3125T a

P MP =??

=

(0.5) 5.3(12000.517.7)180.992217.7T i e T a

e P D MP δσδ+?+?=

==?

0.90.9 1.00295265.5s a MP φσ=??=

0.9T s σφσ< 满足水压试验强度要求

3.5换热管设计

3.5.1换热管选取

由参考文献[3](GB9948-2006) 选取25 2.5mm mm φ? 15r o C M 低合金钢管。

3.5.2布管形式

采用正三角形排列