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摘 要

本次毕业设计的题目是前馏塔冷凝器的设计，根据给定的设计参数完成热交换器的结构设计与各主要受压元件的强度校核计算，热交换器的换热面积为610平方米。根据给定的工艺参数，结合本此次设计中热交换器管壳程介质物性特征，选用了管壳程易于清洗，结构简单的固定管板式热交换器。本次设计前馏塔冷凝器的具体内容包括各个零部件材料选择、连接结构的选择和各受压元件强度校核。还对接管开孔补强，热交换器管板与管子与管板拉脱力进行了校核。最后通过SW6-2011强度计算软件对上述计算进行了复验。 并对热交换器换热管排管设计，压力试验，结构设计等进行了详细说明。根据设计计算的结果完成了前馏塔冷凝器的结构设计与施工图图纸绘制，并对其进行了经济性评价。

关键词 冷凝器 固定管板式 结构设计 强度校核 经济评价

Design of condenser of front distillation tower

Abstract

The title of this graduation project is the design of the condenser of the front distillation tower. In the light of the given design parameters,I should finish the structural design of the heat exchanger and the strength check calculation of the main pressure components. The heat exchange area is 610 square meters. According to the given process parameters, combined with the physical characteristics of the medium in the shell and tube side of the heat exchanger in this design, a fixed tube plate heat exchanger with simple structure and easy cleaning in the shell and tube side is selected. The specific content of the design includes the material selection of each component, the selection of connection structure and the strength check of each pressure component. In addition, the opening and reinforcement of the connecting pipe and the pull off force between the tube plate and the tube plate of the heat exchanger are checked. Finally, the strength calculation software sw6-2011 is used to retest the above calculation. The design of heat exchanger tube bank, pressure test and structure design are described in detail. On the base of results of design and calculation,I need to finish the structural design and construction drawing drawing of the condenser of the front distillation tower and evaluate its economy .

Key words: condenser；fixed tubesheet；heat exchanger

目 录

摘要 I

第一章 绪 论 1

第二章 结构设计 2

第三章 机械设计 6

3.1 工艺条件 6

3.2 设计计算 6

3.3 换热管排列形式 9

3.4 筒体 9

3.5 管板的设计与计算 10

3.6 折流板 10

3.6.1 折流板各部尺寸 10

3.6.2 折流板布置 11

3.7 拉杆、定距管 12

3.7.1 拉杆的直径和数量 12

3.7.2 拉杆的尺寸 13

3.7.3 定距管 13

3.8 支座 13

第四章 经济核算 15

附录 SW6校核 18

致谢 19

第一章 绪 论

在许多工业生产特别是化工工业中一般都会涉及到热量的转化，换热器作为热量转换设备，将高温介质的热量传递到低温介质中，从而实现介质温度的调控，达到工艺要求。在化工、食品等工业领域，通常为了促成某个反应的正常进行，需要精确控制介质的温度，故换热器在这些领域十分常见，有着至关重要的作用。随着工业需求的进步、研究人员不断研发，换热设备从最初的简单的板式换热器发展到现在已经有很多种类了。现阶段的换热设备基本都有独立适合的工作条件，由于工艺设定的工作环境以及精准度的要求始终在发展，换热设备也随着这些一直在发展，从未停止。

基于本次设计的工艺条件，综合各方面因素，选用固定式管板换热器比较合适。这种换热器结构较为简单、紧凑、且设备成本低、能适应较高压的工作条件 [2]。图1-1为常见管板式换热器。

图1-1 管壳式换热器

换热器的壳体一般为筒状，壳体内部为管束，管板焊接在筒体两端，外侧为管箱，有前后管箱之分。管板与筒体的连接方式一般为焊接。换热器中介质的流动分为两种形式，在管中流管程流体，在壳中流壳程流体。两种流体通过与管壁的接触实现热量的交换。为了提高壳程流体的换热系数，一般在壳体内布置若干个挡板，这种挡板称之为折流板。在设计当中若所需换热面积比较大，可通过调整管程数与壳程数，这样既可以达到要求的换热面积，也可以节省材料，使设备结构紧凑。现阶段，在换热器的设计中，主要参照GB/T151-2014和HG/T20584-2011。

第二章 结构设计

本次选用的固定管板式换热器主要结构如图二所示。

图2-1 固定管板式换热器

2.1换热器结构

换热器的主要由管箱、壳体、管板、管子等组成，由于排管较多，相比于其他类型的换热器，相同的直径下换热面积更大、结构更紧凑，易于制造。管束藏于壳体之中，其两端固定于壳体两侧的管板上。

在这种换热器中设置挡板可以把管程分为几种。换热器的设计是要以经济性、安全性、工艺性等要求为准则的。最对换热器的强度校核，压力试验等有助于使设计出来的换热器传热效率更高，更加安全可靠。

2.2 固定管板式换热器设计方法

蒸汽压缩式制冷循环冷凝过程所用的热交换设备统称为冷凝器，主要作用是通过热量的交换形成气液两相的转变，使管中的热量逐渐减少。

在前馏塔冷凝器的选用中，一般选用管板式换热器。本课题主要从冷凝器（一种固定管板式换热器）的基本工艺设计，制造，选材，经济核算等方面进行介绍。

冷凝器（一种固定管板式换热器）是管壳式换热器的一种。在设计过程中，主要参照GB/T151-2014和HG/T20584-2011。

冷凝器与冷却器在相变、传热效率和用途等方面不同。冷凝器多有比如液气两相的转变，同时总传热系数也会比冷却器大得多。用途方面冷凝器会使物料发生相变，冷却器不会[3]。

在冷凝器（一种固定管板式换热器）的设计中，首先要计算的是传热面积，根据物料的温度、比热、黏度、密度等计算总热、冷却水的用量、平均温差，计算K值，进而先估算传热面积。

然后进行设备的工艺计算。在工艺计算中，要根据所流进流体的流速估算出所需管程、壳程、管束和内径等。管程数N见表2-2。同时，初步确定管子的排布方式，见表2-1。

表2-1 换热管

表2-2 管程数

然后根据公称压力、公称直径计算折流板间距、接管以及管长等。紧接着进行壳体与管子的传热系数计算以及污垢面积、流体阻力的计算以及实际壁温的核算，管程、壳程压降的计算[4-8]。

然后要进行的就是设备的结构设计。主要包括管子的设计、管板的设计、壳体的设计、折流板设计、封头的设计、接管的设计、法兰的设计、支座的设计以及膨胀节的设计。

在管子的设计中，首先考虑管子的样式，可选择光滑管、异型管、翅片管等，根据所需选用。然后考虑换热管的排列，接着进行管心距的选用。在本次设计中，换热管采用GB/T8163-2018,外径偏差为±40，壁厚差上偏差15%，下偏差10%。保温层的厚度选择方面，壳程选用30mm厚度，管程选用55mm厚度计算。

管板的作用主要是分隔管程和流体，在设计管板式要注意管板直径应与壳体直径相同。根据标准规定，当管子外径为25mm时，管板孔直径为25.8mm，正负偏差±0.2mm，相邻孔中心距32mm，管控中心距偏差：相邻孔±0.3mm，任意孔±0.1mm，支撑板孔直径25.6mm，允许偏差±0.4mm[9-13]。换热管与管板的焊接形式在本次设计中选用强度焊与贴胀同时使用的型式。管板密封面与壳体轴线成90^o。

折流板分为圆缺上下和圆缺左右排列两种，其中，圆缺上下方式比较常用。而折流板的间距与管径有关，通常取0.3倍。

接管的设计一般按照GB150或GB/T151-2014进行选取，壳体接管与管程接管直径一般取相同值[14]。

封头的设计一般是按照GB/T25198-2010，在固定管板式换热器中一般选用凸形封头中的标准椭圆形封头,焊接接头系数取0.85。

法兰设计则参照NB/T 47020-2012，根据管箱直径查表选取[15]。

膨胀节根据选取的不同可按照以下标准：GB/T 12777《属波纹管膨胀节通用技术条件》；JB 2388《金属波纹管》等标准[16]。

在焊接和无损检测方面，焊接按照NB/T47015,焊条牌号J427和A302。无损检测方面使用射线，检测长度不小于20%，合格级别Ⅲ级。

最后容器的涂敷、安装与运输应参照标准JB/T4711-2003。

在选材方面，换热器通常选用碳钢和不锈钢。碳钢价格低，强度高，耐碱但不耐酸，通常用10号和20号钢；不锈钢耐腐蚀性好，常用1Cr18Ni9Ti。管箱、壳体一般选用20R，换热管选用08Cr2AlMo，折流板的选材则要根据流体介质进行选取，封头材料较广泛，常用20号钢、Q235等材料。法兰的选材一般采用碳钢、不锈钢和低合金钢，常用20号钢[17-19]。

第三章 详细结构设计

3.1 工艺条件

表3-1 设计参数

3.2 设计计算

(1)管数n

根据本次设计的工艺条件等，综合考虑选取20号钢作为材料。标准管长可选长度为1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0（m），截取标准管长为6m。

换热器的管数n为:

(3-1)

则 圆整为1705根

表3-2 换热管

1. 管间距的选择

查表，取管间距a=25mm

1. 确定壳体直径

故

圆整，D_i=1200mm

1. 壳体壁厚的计算

材料选用16Mn，计算壁厚为

（3-2）

故δ=3.73mm

腐蚀裕量

圆整，取

1. 管箱封头的选择

选标准椭圆形封头。综合工艺条件和经济等方面，选用更易冲压形成和应力分布均匀的标准椭圆形封头最为合适。材料选用Q345R。

封头厚度δ为：

（3-3）

则：封头为DN1200*14

表3-3 封头

1. 容器法兰的选用

材料选用20Ⅱ。根据HG/T 20592~20635-2009，选用DN1200，P_n=0.6MPa的带颈平焊钢制管法兰。

1. 管板选用

选用固定式管板兼法兰作用，材料为Ⅲ。

1. 折流板设计

选用弓形折流板，

表3-4 折流板

拉杆材料为Q235-A钢，共用14根。

1. 膨胀节

根据GB151-2014的计算方法，进行简化计算:

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