换热器设计

换热器设计

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2023年2月20日发(作者：卵菌)

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

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换热器的设计

1.1换热器概述

换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备,在生

产中占有重要地位.换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式

基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式.在三类换热器中,间壁式换热器

应用最多。换热器随着换热目的的不同，具体可分为加热器、冷却器、蒸发器、

冷凝器,再沸器和热交换器等。由于使用条件的不同,换热设备又有各种各样的形

式和结构.

换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有：

①热负荷及流量大小;

②流体的性质;

③温度、压力及允许压降的范围；

④对清洗、维修的要求;

⑤设备结构、材料、尺寸、重量；

⑥价格、使用安全性和寿命;

按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热

器。其中，管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、

适应高温高压等优点，应用最为广泛。

管型换热器主要有以下几种形式:

（1）固定管板式换热器：当冷热流体温差不大时,可采用固定管板的结构型

式,这种换热器的特点是结构简单，制造成本低.但由于壳程不易清洗或检修，管

外物料应是比较清洁、不易结垢的。对于温差较大而壳体承受压力较低时，可在

壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力.

（2)浮头式换热器：两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接,称为固定

端。另一端管板不与壳体连接而可相对滑动，称为浮头端.因此，管束的热膨胀

不受壳体的约束,检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。适用于冷热流体温差

较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。

（3）U形管式换热器换：热效率高，传热面积大.结构较浮头简单,但是管程

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不易清洗，且每根管流程不同，不均匀。

表1—1换热器特点一览表

分

类

管

壳

式

名称特性

管

式

固定

管板

式

刚性结构用于管壳温差较小的情况（一般≤50°C)，管间不

能清洗

带膨胀节：有一定的温度补偿能力,壳程只能承受较低的压

力

浮头

式

管内外均能承受高压，壳层易清洗，管壳两物料温差>120℃；

内垫片易渗漏

U型管

式

制造、安装方便，造价较低,管程耐压高;但结构不紧凑、管

子不易更换和不易机械清洗

填料

函式

内填料函:密封性能差，只能用于压差较小场合

外填料函：管间容易泄露，不易处理易挥发、易爆易燃及压

力较高场合

釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离

套

管

式

双套

管式

结构比较复杂,主要用于高温高压场合或固定床反应器中

套管

式

能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器及预热器

板

板式拆洗方便，传热面能调整,主要用于粘性加大的液体间换热

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在过程工业中，由于管壳式换热器具有制造容易，生产成本低，选材范围广，

清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多优点，管

壳式换热器被使用最多。工业中使用的换热器超过90％都是管壳式换热器，在工

业过程热量传递中是应用最为广泛的一种换热器。结合上述优点和本工艺的特点,

本工艺的换热器主要选用管壳式换热器。

1.2管壳式换热器的选用

式

螺旋板板

制造简单，紧凑，可用于带颗粒物料，温位利用好；不易检

修

伞板式

制造简单、紧凑、成本低、易清洗,使用压力不大于1.2Mpa，

使用温度不大于150℃

板壳式板数类似管束，可抽出清洗检查，压力不能太高

蓄

热

式

回旋式

盘式传热效率高，用于高温烟气冷却等

鼓式用于空气预热器等

固定格室式

紧凑

式

适用于低温到高温的各种条件

非紧

凑式

适用于高温及腐蚀性气体场合

表

面

扩

展

式

板翅式

紧凑、效率高。可多股物流同时换热，使用温度不大于150℃,

主要用于粘性加大的液体间换热

管翅式高效而紧凑，换热面积大，传热效果好

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1。2.1结构参数的确定

⑴管径

管径越小换热器越紧凑、便宜，但压力降会增加。为了满足允许的压降，一

般选用19mm的管子；对于物流流量较大的，采用25mm以上的管子。

⑵管长

无相变传热时，管子长则换热系数增加,对于相同的换热面积,管子长则管程

数减小，使得压力降减小，每平方米传热面积比降低。我国生产的标准钢管长度

为6m，故系列标准中管长有1.5m,2m，3m，6m和9m五种。因此，一般管长取

4—6m，对大面积，无相变换热器管长可取至8～9m。

⑶管子配布

换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角

正方形。正三角形排列形式最为普遍，由于管距都相等，可以在同样的管板面积

上排列最多的管数。但因管外不易清洗，其适用场合受到限制，主要适用于壳程

介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。而采用正方形和转角正方形排列的

管束，能够使管间小桥形成一条直线通道，便于管外机械清洗。

⑷管心距

管心距小设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。故一般

选用范围为1.25～1.5d（d为管外径）。

表1-2换热管管心距

⑸管程数

管程数增加，管内流速增加,传热系数增加。管程数一般有1、2、4、6、8、

10、12等七种。但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相当大

的布管面积。

⑹折流板

换热管外径/mm19253238

换热管中心距/mm25324048

分程隔板槽两侧相邻管中心距/mm38445260

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折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，提高流速，从而增

加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。折流板型式可分为圆缺形（弓形）

折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈.

表1-3折流板间距常用数值

管长（mm)折流板间距（mm）

≤3000100

2-

4500~6000—

1500～6450600—

≤6000

-

200

300450600

—

7500,9000—750

6000

-—

300

450600750

7500，9000—

6000～9000——-450600750

1。3换热器详细设计

本工艺共有41台换热设备（换热器、再沸器、冷凝器、预热器），这里我们

以浮头式换热器（E0602）详细设计为例。热物流经该换热器换热温度降至目标

温度，冷却物流为循环冷却水.

由Aspen软件得到冷热工艺物流数据:

表1-4工艺操作参数

操作参数

参数

壳程管程

介质循环冷却水甲苯回收塔塔底去一级结晶

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质量流量(Kg/h）343740.084194。9

入口温度（℃）20.00138.00

出口温度(℃）30.0034。00

入口压力(bar）3.002。87

出口压力（bar）2.872.7413

初步选择换热器的形式后，根据任务要求利用AspenExchangerDesign＆

RatingV7.2进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图1-1所示:

图1—1换热器工艺参数

⑴结构设计

利用AspenExchangerDesign＆RatingV7。2软件也可以对换热器进行结构

设计，模拟出来的结果如下：

①换热管设计

图1—2换热管基本参数

图1-3换热管排列方式

换热管为平滑管,外径19mm,壁厚为2mm，管间距为25mm，管长

5850mm。换热管根数514根。管子排列方式为正三角形排列。

②折流板和管口设计

折流板的设置主要是为了提高壳程的流速，增加扰动，改善传热。这里选择

单弓形折流板，并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的0.15～0.45，折流板间距

一般不小于圆筒内径的1/5。折流板的数目及厚度等基本参数见图1—4所示

图1-4折流板基本参数

折流板数目为6，折流板型式为单弓形,切割率为39.15%。折流板朝向为水平，

与进出口间隔（第一块与进口或最后一块与出口端面的距离）为466.48mm,

两块板间隔为525.00mm.

图1—5管口基本参数

管程进、出口管口各有一个。其中,管程进口管口外径为168.28mm,内径154。

05mm；管程出口管口外径168.28mm,内径154.05mm。壳程进、出口管口亦各有一

个，壳程进口管口外径为323。85mm,内径304.8mm；壳程出口管口外径273.05mm，

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内径254。51mm。

③管束

图1-6管束基本参数

如图为管束信息，主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图

进行详细设置。

图1-7换热器结构尺寸

根据《JB/T4715—1992固定管板式换热器形式与基本参数》和《GB151-1999

管壳式换热器》对模拟的数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量，

选定换热器的基本参数如下：

表1-5换热器基本参数

项目参数

公称直径/mm800

管子规格/mmφ19×2

排列方式正三角形

管中心距/mm25

管长/mm4500

公称压力/MPa0.6

换热面积/㎡189.8

管程数4

壳程数1

折流板间距/mm600

折流板数6

折流板形式单弓形

⑵换热器的机械设计及校核

①选材

由于热流体和冷却水温度都不是太高，冷、热流体腐蚀性不大，故壳体材料

选用Q235—B，管子材料选用Q235—B无缝钢管。

②管板的选择

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管板用来固定换热管并起着分隔管程和壳程的作用,根据选定的换热器公称

直径及操作压力查表可得管板数据，这里选用其默认的管板类型为标准单管板.

表1-6管板结构数据

DNDD1D2D3D4D5d2bfb

897842800233848

③管子与管板的连接

因为操作压力小于4Mpa，且温度低于300℃,所以管子与管板的连接采用

胀接。

④管板与壳体的连接

管板与壳体的连接采用焊接,,该结构在管板上开槽，壳体嵌入后焊接.壳体

对中容易，适用于壳体压力不太高的场合。

⑤换热器的校核

表1—7固定管板式换热器设计计算

浮头式换热器筒体设计计算计算单位全国化工设备设计技术中心站

设计计算条件

壳程管程

设计压力0。4MPa设计压力0.4MPa

设计温度65℃设计温度170℃

壳程圆筒内径800。00mm管箱圆筒内径800.00mm

材料名称Q235—B材料名称Q235-B

计算内容

壳程圆筒校核计算

前端管箱圆筒校核计算

前端管箱封头(平盖)校核计算

后端管箱圆筒校核计算

后端管箱封头（平盖)校核计算

管板校核计算

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表1—8前端管箱筒体计算

前端管箱筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件筒体简图

计算压力P

c

0。40MPa

设计温度t170。00C

内径D

i

800。00mm

材料Q235-B(板材）

试验温度许用应力113.00MPa

设计温度许用应力109。80MPa

试验温度下屈服点

s

235。00MPa

钢板负偏差C

1

0。80mm

腐蚀裕量C

2

3。00mm

焊接接头系数0.85

厚度及重量计算

计算厚度

==1。72

mm

有效厚度

e

=

n

—C

1

-C

2

=8.20mm

名义厚度

n

=12.00mm

重量100。44Kg

压力试验时应力校核

压力试验类型液压试验

试验压力值

P

T

=1.25P=0。5000(或由用户输入)

MPa

压力试验允许通过

的应力水平

T

T

0.90

s

=211.50MPa

试验压力下

圆筒的应力

T

==28.99

MPa

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校核条件

T



T

校核结果合格

压力及应力计算

最大允许工作压力

［P

w

]==1.89385

MPa

设计温度下计算应力

t==19。71

MPa

t93.33MPa

校核条件t≥t

结论合格

表1-9前端管箱封头计算

前端管箱封头计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件椭圆封头简图

计算压力P

c

0.40MPa

设计温度t170。00C

内径D

i

800。00mm

曲面高度h

i

200。00mm

材料Q235—B(板材)

试验温度许用应力113.00MPa

设计温度许用应力

t

109。80MPa

钢板负偏差C

1

0.80mm

腐蚀裕量C

2

3.00mm

焊接接头系数0.85

厚度及重量计算

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形状系数

K==1。0000

计算厚度

==1。72

mm

有效厚度

e

=

n

-C

1

-C

2

=8.20mm

最小厚度



min

=1.20

mm

名义厚度

n

=12.00mm

结论满足最小厚度要求

重量77。54Kg

压力计算

最大允许工作压力

［P

w

］==1。90351

MPa

结论合格

表1-10后端管箱筒体计算

后端管箱筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件筒体简图

计算压力P

c

0.40MPa

设计温度t65。00C

内径D

i

900.00mm

材料Q235—B(板材)

试验温度许用应力113。00MPa

设计温度许用应力113。00MPa

试验温度下屈服点

s

235.00MPa

钢板负偏差C

1

0。80mm

腐蚀裕量C

2

3。00mm

焊接接头系数0。85

厚度及重量计算

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计算厚度

==1。88

mm

有效厚度

e

=

n

-C

1

-C

2

=8.20mm

名义厚度

n

=12.00mm

重量87。44Kg

压力试验时应力校核

压力试验类型液压试验

试验压力值

P

T

=1.25P=0。5000（或由用户输入）

MPa

压力试验允许通过

的应力水平

T

T

0.90

s

=211。50MPa

试验压力下

圆筒的应力

T

==32。58

MPa

校核条件

T



T

校核结果合格

压力及应力计算

最大允许工作压力

[P

w

］==1.73444

MPa

设计温度下计算应力

t==22。15

MPa

t96.05MPa

校核条件t≥t

结论合格

表1-11后端管箱封头计算

后端管箱封头计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件椭圆封头简图

计算压力P

c

0。40MPa

设计温度t65.00C

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内径D

i

900.00mm

曲面高度h

i

200.00mm

材料Q235-B(板材）

试验温度许用应力113。00MPa

设计温度许用应力

t

113.00MPa

钢板负偏差C

1

0.80mm

腐蚀裕量C

2

3.00mm

焊接接头系数0。85

厚度及重量计算

形状系数

K==1。1771

计算厚度

==2。21

mm

有效厚度

e

=

n

—C

1

—C

2

=8.20mm

最小厚度



min

=2。70

mm

名义厚度

n

=12.00mm

结论满足最小厚度要求

重量91.59Kg

压力计算

最大允许工作压力

[P

w

]==1。48120

MPa

结论合格

表1-12筒体计算

浮头式换热器筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

计算条件筒体简图

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计算压力P

c

0。40MPa

设计温度t65.00C

内径D

i

800.00mm

材料Q235-B（板材)

试验温度许用应力113。00MPa

设计温度许用应力113.00MPa

试验温度下屈服点

s

235。00MPa

钢板负偏差C

1

0.80mm

腐蚀裕量C

2

3.00mm

焊接接头系数0.85

厚度及重量计算

计算厚度

==1。67

mm

有效厚度

e

=

n

—C

1

—C

2

=8。20mm

名义厚度

n

=12.00mm

重量1081.33Kg

压力试验时应力校核

压力试验类型液压试验

试验压力值

P

T

=1.25P=0。5000（或由用户输入）

MPa

压力试验允许通过

的应力水平

T

T

0.90

s

=211。50MPa

试验压力下

圆筒的应力

T

==28。99

MPa

校核条件

T



T

校核结果合格

压力及应力计算

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最大允许工作压力

［P

w

］==1.94905

MPa

设计温度下计算应力

t==19.71

MPa

t96。05MPa

校核条件t≥t

结论合格

表1-13筒体法兰计算

筒体法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

设计条件简图

设计压力p0.400MPa

计算压力p

c

0。400MPa

设计温度t65。0C

轴向外载荷F0.0N

外力矩M0。

壳材料名称Q235—B

体许用应力113。0MPa

法材料名称16Mn

许[]

f

150.0MPa

兰应[］t

f

150.0MPa

材料名称40MnB

螺许[］

b

196.0MPa

应[］t

b

184。8MPa

栓公称直径d

B

20.0mm

螺栓根径d

1

17。3mm

数量n28个

D

i

800.0D

o

950。0

垫结构尺D

b

907.0D878.0D

内

855。0δ

0

14。0

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寸

外

mmL

e

21.5L

A

26.5h13。0δ

1

27。0

材料类型

金属

垫片

N11.5m3。00y（MPa）25.5

压紧面形状1a，1bb5。75D

G

866.5

片b

0

≤6。4mmb=b

0b

0

≤6。4mmD

G

=(D

外

+D

内

)/2

b

0

>6.4mmb=2。53b

0

〉6.4mmD

G

=D

外

—2b

螺栓受力计算

预紧状态下需要的最小螺

栓载荷W

a

W

a

=πbD

G

y=399140。8N

操作状态下需要的最小螺

栓载荷W

p

W

p

=F

p

+F=273443。8N

所需螺栓总截面积A

m

A

m

=max(A

p

，A

a

)=2036。4mm2

实际使用螺栓总截面积

A

b

A

b

==6577。2

mm2

力矩计算

操

F

D

=0。

785p

c

=200960。

0

N

L

D

=L

A

+0.5

δ

1

=40。0

mm

M

D

=F

D

L

D

=8038400.0

N。mm

作

F

G

=F

p

=37547。2

N

L

G

=0.5

（D

b

—

D

G

）

=20。2

mm

M

G

=F

G

L

G

=760330。4

M

p

F

T

=F-F

D

=34798.2

N

L

T

=0.5（L

A

+

1

+L

G

)

=36.9

mm

M

T

=F

T

L

T

=1283183.2

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外压：M

p

=F

D

（L

D

—L

G

)+F

T

（L

T

-L

G

)；内压:M

p

=M

D

+M

G

+M

T

M

p

=10081914.0

预紧

M

a

W=

844132.2

NL

G

=20。2mm

M

a

=WL

G

=17093678。

0

计算力矩M

o

=M

p

与M

a

[］

f

t/[]

f

中大者M

o

=17093678.0

N。mm

螺栓间距校核

实际间距

=90。5

mm

最小间距46。0(查GB150—98表9—3)mm

最大间距

122。3

mm

形状常数确定

98.99

h/h

o

=0。1K=D

o

/D

I

=1。214

1.9

由K查表9-5得T=1.844Z=5。876Y=11。389U=12。515

整体法兰

查图9-3和图

9—4

F

I

=0。90090V

I

=0.423120.00851

松式法兰

查图9—5和图

9—6

F

L

=0。00000V

L

=0。000000.00000

查图9—7

由

1

/

o

得

f=2。91134

整体法兰

=613524。1

松式法兰

=0。0

0。2

ψ=δ

f

e+1

=1.44

=/T

=0.76

1。54

=0.94

剪应力校核计算值许用值结论

预紧状态

0。00

MPa

操作状态

0.00

MPa

输入法兰厚度δ

f

=48.0mm时，法兰应力校核

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

18

应力

性质

计算值许用值结论

轴向

应力

90。38MPa

=225。0或

=282。5(按整体法兰设计

的任意式法兰,取)

校核合格

径向

应力

15。17

MPa

=150.0

校核合格

切向

应力

16。45

MPa

=150.0

校核合格

综合

应力

=53.42

MPa

=150.0

校核合格

法兰校核结果校核合格

表1-14后端筒体法兰计算

后端筒体法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

设计条件简图

设计压力p0。400MPa

计算压力p

c

0。400MPa

设计温度t65.0C

轴向外载荷F0。0N

外力矩M0。

壳材料名称Q235-B

体许用应力113。0MPa

法材料名称16Mn

许[]

f

150。0MPa

兰应［]t

f

150。0MPa

材料名称40MnB

螺许［]

b

196.0MPa

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

19

应[］t

b

184。8MPa

栓公称直径d

B

20。0mm

螺栓根径d

1

17.3mm

数量n28个

D

i

800。0D

o

1050。0

垫

结构尺

寸

D

b

1007。0D

外

978.0D

内

950。0δ

0

8.0

mmL

e

21.5L

A

34.5h30.0δ

1

69.0

材料类型软垫片N14.0m3.00y(MPa）52.4

压紧面形状1a,1bb6.69D

G

964.6

片b

0

≤6.4mmb=b

0b

0

≤6。4mmD

G

=(D

外

+D

内

)/2

b

0

>6。4mmb=2.53b

0

〉6。4mmD

G

=D

外

—2b

螺栓受力计算

预紧状态下需要的最小螺栓

载荷W

a

W

a

=πbD

G

y=1062926.5N

操作状态下需要的最小螺栓

载荷W

p

W

p

=F

p

+F=341001。5N

所需螺栓总截面积A

m

A

m

=max(A

p

,A

a

）=5423.1mm2

实际使用螺栓总截面积A

b

A

b

==6577。2

mm2

力矩计算

操

F

D

=0.785p

c

=200960。0

N

L

D

=L

A

+0.5δ

1

=69。0

mm

M

D

=F

D

L

D

=13866240。0

作

F

G

=F

p

=48659.0

N

L

G

=0.5(D

b

—

D

G

）

=21。2

mm

M

G

=F

G

L

G

=1031267.3

M

p

F

T

=F—F

D

=91209.9

N

L

T

=0。5(L

A

+

1

+

L

G

)

mm

M

T

=F

T

L

T

=5686650.0

N。mm

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

20

=62。3

外压：M

p

=F

D

(L

D

-L

G

）+F

T

(L

T

-L

G

）；内压：M

p

=M

D

+M

G

+M

T

M

p

=20584158.0

N。mm

预

紧

M

a

W=1176025。0NL

G

=21。2mm

M

a

=WL

G

=

24924388。0

N。mm

计算力矩M

o

=M

p

与M

a

［]

f

t/［］

f

中大者M

o

=24924388.0

N。mm

螺栓间距校核

实际间距

=113。0

mm

最小间距46.0(查GB150-98表9-3)mm

最大间距

122.3

mm

形状常数确定

74.83

h/h

o

=0。4K=D

o

/D

I

=1.312

8。6

由K查表9-5得T=1.792Z=3。768Y=7.289U=8。010

整体法兰

查图9-3和图

9—4

F

I

=0。81583V

I

=0。088330.01020

松式法兰

查图9—5和

图9—6

F

L

=0。00000V

L

=0。000000。00000

查图9—7

由

1

/

o

得

f=35。

17656

整体法兰

=464289。0

松式法兰

=0。0

0.2

ψ=δ

f

e+1

=1。51

=/T

=0。83

1.65

=1.07

剪应力校核计算值许用值结论

预紧状态

0.00

MPa

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

21

操作状态

0。00

MPa

输入法兰厚度δ

f

=48.0mm时,法兰应力校核

应力

性质

计算值许用值结论

轴向

应力

213.13MPa

=225。0或

=282。5(按整体法兰设计

的任意式法兰,取）

校核合格

径向

应力

20。90

MPa

=150。0

校核合格

切向

应力

19。83

MPa

=150.0

校核合格

综合

应力

=117。01

MPa

=150.0

校核合格

法兰校核结果校核合格

表1—15前端管箱法兰计算

前端管箱法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

设计条件简图

设计压力p0.400MPa

计算压力p

c

0。400MPa

设计温度t170.0C

轴向外载荷F0。0N

外力矩M0.0N。mm

壳材料名称Q235—B

体许用应力109.8MPa

法材料名称16Mn

许[]

f

150。0MPa

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

22

兰应[]t

f

142。2MPa

材料名称40MnB

螺许［］

b

196.0MPa

应[］t

b

168.6MPa

栓公称直径d

B

20.0mm

螺栓根径d

1

17。3mm

数量n28个

D

i

800。0D

o

950。0

垫

结构

尺寸

D

b

907。0D

外

878.0

D

内

850。0δ

0

14.0

mmL

e

21.5L

A

26.5h13。0δ

1

27.0

材料类型软垫片N14.0m3。00y（MPa)25。5

压紧面形状1a,1bb6。69D

G

864。6

片b

0

≤6.4mmb=b

0b

0

≤6.4mmD

G

=(D

外

+D

内

)/2

b

0

〉6.4mmb=2.53b

0

>6.4mmD

G

=D

外

—2b

螺栓受力计算

预紧状态下需要的最小螺

栓载荷W

a

W

a

=πbD

G

y=463639。8N

操作状态下需要的最小螺

栓载荷W

p

W

p

=F

p

+F=278487。8N

所需螺栓总截面积A

m

A

m

=max(A

p

,A

a

)=2365.5mm2

实际使用螺栓总截面积A

b

A

b

==6577。2

mm2

力矩计算

操

F

D

=0.785p

c

=200960.0

N

L

D

=L

A

+0.5δ

1

=40。0

mm

M

D

=F

D

L

D

=8038400。0

作

F

G

=F

p

=43614。6

N

L

G

=0。5(D

b

-D

G

)

=21。2

mm

M

G

=F

G

L

G

=924357.3

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

23

M

p

F

T

=F-F

D

=33772。2

N

L

T

=0。5（L

A

+

1

+

L

G

）

=37.3

mm

M

T

=F

T

L

T

=1261286.0

N。mm

外压:M

p

=F

D

（L

D

—L

G

）+F

T

(L

T

—L

G

）；内压:M

p

=M

D

+M

G

+M

T

M

p

=10224043。0

预

紧

M

a

W=876381.8NL

G

=21。2mm

M

a

=WL

G

=

18573820.0

计算力矩M

o

=M

p

与M

a

[]

f

t/[］

f

中大者M

o

=17607980.0

N。mm

螺栓间距校核

实际间距

=101.8

mm

最小间距46。0（查GB150—98表9—3)mm

最大间距

122.3

mm

形状常数确定

105。83

h/h

o

=0。1

K=D

o

/D

I

=

1。188

1。9

由K查表9-5

得

T=1.844Z=5.876Y=11.389U=12。515

整体法兰

查图9—3和图

9-4

F

I

=0.90090V

I

=0。423120。00851

松式法兰

查图9-5和图

9—6

F

L

=0。00000V

L

=0。000000。00000

查图9—7

由

1

/

o

得

f=2。91134

整体法兰

=613524.1

松式法兰

=0。0

0。2

ψ=δ

f

e+1

=1.44

=/T

=0.76

1.54

=0.94

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

24

剪应力校

核

计算值许用值结论

预紧状态

0。00

MPa

操作状态

0。00

MPa

输入法兰厚度δ

f

=48。0mm时，法兰应力校核

应力

性质

计算值许用值结论

轴向

应力

93。10MPa

=213.3或

=274.5(按整体法兰

设计的任意式法兰,

取)

校核合格

径向

应力

15.63

MPa

=142.2

校核合格

切向

应力

16。95

MPa

=142。2

校核合格

综合

应力

=55.02

MPa

=142.2

校核合格

法兰校核结果校核合格

表1—16后端管箱法兰计算

后端管箱法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站

设计条件简图

设计压力p0。400MPa

计算压力p

c

0.400MPa

设计温度t65。0C

轴向外载荷F0。0N

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

25

外力矩M0。

壳材料名称Q235-B

体许用应力113.0MPa

法材料名称16Mn

许［］

f

150。0MPa

兰应［］t

f

150。0MPa

材料名称40MnB

螺许[]

b

196。0MPa

应［］t

b

184.8MPa

栓公称直径d

B

20。0mm

螺栓根径d

1

17.3mm

数量n28个

D

i

900.0D

o

1050。0

垫结构尺寸D

b

1007。0D

外

978.0D

内

950.0δ

0

8.0

mmL

e

21。5L

A

—15.5h30。0δ

1

69.0

材料类型软垫片N14.0m3。00y（MPa)52。4

压紧面形状1a，1bb6.69D

G

964。6

片b

0

≤6.4mmb=b

0b

0

≤6.4mmD

G

=（D

外

+D

内

)/2

b

0

〉6。4mmb=2.53b

0

>6.4mmD

G

=D

外

-2b

螺栓受力计算

预紧状态下需要的最小螺栓

载荷W

a

W

a

=πbD

G

y=1062926。5N

操作状态下需要的最小螺栓

载荷W

p

W

p

=F

p

+F=341001。5N

所需螺栓总截面积A

m

A

m

=max（A

p

,A

a

)=5423。1mm2

实际使用螺栓总截面积A

b

A

b

==6577。2

mm2

力矩计算

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

26

操

F

D

=0.785p

c

=254340.0

N

L

D

=L

A

+0.5δ

1

=19.0

mm

M

D

=F

D

L

D

=4832460。0

N。mm

作

F

G

=F

p

=48659。0

N

L

G

=0.5（D

b

—

D

G

）

=21。2

mm

M

G

=F

G

L

G

=1031267.3

M

p

F

T

=F-F

D

=37829。9

N

L

T

=0。5(L

A

+

1

+

L

G

）

=37。3

mm

M

T

=F

T

L

T

=1412827.2

N。mm

外压：M

p

=F

D

（L

D

-L

G

)+F

T

(L

T

—L

G

);内压：M

p

=M

D

+M

G

+M

T

M

p

=7276554.5

N。mm

预

紧

M

a

W=1176025.0NL

G

=21.2mm

M

a

=WL

G

=

24924388.0

计算力矩M

o

=M

p

与M

a

［］

f

t/[]

f

中大者M

o

=24924388。0

N。mm

螺栓间距校核

实际间距

=101.8

mm

最小间距46。0（查GB150—98表9-3)mm

最大间距

122.3

mm

形状常数确定

84.85

h/h

o

=0。4K=D

o

/D

I

=1。167

8.6

由K查表9-5得T=1。852Z=6。538Y=12666U=13.919

整体法兰

查图9—3和图

9-4

F

I

=0。83061V

I

=0.098260.00979

松式法兰

查图9-5和图

9—6

F

L

=0.00000V

L

=0。000000.00000

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

27

查图9—7

由

1

/

o

得

f=36。55010

整体法兰

=769301.4

松式法兰

=0。0

0。1

ψ=δ

f

e+1

=1。51

=/T

=0.85

1.63

=0.94

剪应力校核计算值许用值结论

预紧状态

0。00

MPa

操作状态

0.00

MPa

输入法兰厚度δ

f

=48。0mm时，法兰应力校核

应力

性质

计算值许用值结论

轴向

应力

224.82MPa

=225.0或

=282。5(按整体法兰设计

的任意式法兰，取）

校核合格

径向

应力

20。86

MPa

=150。0

校核合格

切向

应力

15。87

MPa

=150.0

校核合格

综合

应力

=122。84

MPa

=150。0

校核合格

法兰校核结果校核合格

表1-17开孔补强计算

开孔补强计算

计算单位

全国化工设备设计技术中心站

接管：A1,φ324×10

计算方法：GB150-1998等面积补强

法，单孔

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

28

设计条件简图

计算压力p

c

0。4MPa

设计温度65℃

壳体型式圆形筒体

壳体材料

名称及类型

Q235-B板材

壳体开孔处焊接接头系数φ

0.85

mm

壳体内直径D

i

800

壳体开孔处名义厚度δ

n

12mm

壳体厚度负偏差C

1

0.8mm

壳体腐蚀裕量C

2

3mm

壳体材料许用应力[σ］t113MPa

接管实际外伸长度250mm

接管实际内伸长度0mm接管材料20（GB8163)

接管焊接接头系数1

名称及类型管材

接管腐蚀裕量1。5mm

补强圈材料名

称

凸形封头开孔中心至

封头轴线的距离

mm

补强圈外径

mm

补强圈厚度

mm

接管厚度负偏差C

1t

1.25mm补强圈厚度负偏差C

1r

mm

接管材料许用应力［σ］

t

130MPa补强圈许用应力[σ]tMPa

开孔补强计算

壳体计算厚度δ1.461mm接管计算厚度δ

t

0.468mm

齐鲁石化60万吨/年对二甲苯项目

西安科技大学—乘风破浪团队

29

补强圈强度削弱系数f

rr

0

接管材料强度削弱系数

f

r

1

开孔直径d309。5mm补强区有效宽度B619mm

接管有效外伸长度h

1

55。63mm接管有效内伸长度h

2

0mm

开孔削弱所需的补强面积

A

516。6mm2壳体多余金属面积A

1

2021mm2

接管多余金属面积A

2

754。6mm2补强区内的焊缝面积A

3

64mm2

A

1

+A

2

+A

3

=2840mm2，大于A，不需另加补强。

补强圈面积A

4

mm2A-(A

1

+A

2

+A

3

)mm2

结论:补强满足要求，不需另加补强。

⑶选型结果

经过修正校核,最终选定换热器型号：BES-800-0。4—189。8-4。5/19—4

Ⅱ，其各自代表意义为：封头管箱，800—换热器公称直径（mm)，0.4-管程、壳

程设计压力（MPa），189。8-换热面积（m2），4.5—换热管长（m），19—换热

管外径（mm），4-四管程，1—单壳程,Ⅱ-碳钢较高级冷拔钢管.其它换热器采用

同样的方法计算选型。选型结果详见附录:设备一览表。

1。4选型依据

《换热器设计手册》钱颂文编

《管壳式换热器》GB151-1999

《热交换器设计手册》下册，尾花英朗[日]

《腐蚀数据与选材手册》左景伊、左禹编

《斧头式换热器和冷凝器型式与基本参数》JB/T4714—92

《固定管板式换热器与基本参数》JB/T4715—92

《压力容器》GB150.1-2011

《化工设备机械基础》俞建良、王立业、刁玉玮编著