丙烯冷凝器（E-301）设计（开题报告） 1
移动的封头和端盖[2]。
2.7.2排液口和排气口
所有换热器都要设置排液口和排气口，所以，要确定排液口和排气口的合适位置和大小。可能还须设置其他的孔，以供安装压力表和热电偶等用[2]。
3技术路线
3.1初步设计
管壳式换热器的整个设计步骤非常繁琐，所以有必要分解为一下几个不同的步骤：
a)初步估算管壳式换热器的尺寸大小； b)几何参数的计算，亦即辅助计算； c)传热和压降的校正因子； d）壳侧传热膜系数和压降；
e)管侧传热膜系数和压降；设计的评价，即设计结果与设计规格比较[2]。 3.2各设计参数
3.2.1设计压力
设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。
对于同时受管、壳程压力作用的原件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并应考虑可能存在的最苛刻的管、壳程压力组合。按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步进程序。 计算压力：计算压力指在相应的设计温度下，用以确定换热器原件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%的设计压力时，可忽略不计[4]。
3.2.2载荷
设计时应考虑以下载荷；内压、外压或最大压差；膨胀量不同引起的作用力；液柱静压力。
3.2.3腐蚀裕量
为防止换热元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：
a. 对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确
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定腐蚀裕量；
b. 换热器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；
c. 介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制换热器，腐蚀裕量不小于1mm。
换热器主要元件腐蚀裕量的考虑原则：
a. 管板、浮头法兰、球冠形封头和钩圈两面均应考虑腐蚀裕量； b. 平盖，凸形封头、管箱和圆筒的内表面应考虑腐蚀裕量；
c. 管板和平盖上开槽时，可把高出隔板槽底面的金属作为腐蚀裕量，当腐蚀裕量大于槽深时，还应加上两者的差值；
d. 压力容器的法兰和管法兰的内径表面上应考虑腐蚀裕量； e. 换热管不考虑腐蚀裕量；
拉杆、定距杆、折流板和支持板等非受压元件，一般不考虑腐蚀裕量[4]。 3.2.4设计温度
考虑设计温度主要是考虑环境温度对材料性能的要求。在GB_150—2011中，通常将设计温度低于或等于-20℃称为低温。由于低温环境对材料性能有较为特殊的要求，所以相关选材及计算设计也要按相关规定进行，以满足工况要求。 3.3换热管与管板的连接
3.3.1强度胀接
胀接是最早采用的方法，它在温度和压力不高时可以满足要求，但在高温高压时胀接无法满足需要。胀接的原理是，当管子被胀大后，管子发生塑性变形使其管外径比板孔径更大，造成孔与管的过盈配合，因此能承受拉脱力；当过盈面上互相挤压而把间隙填满时，就形成了密封。图3-1表示出了不同管板厚度的焊接形状。
用于厚度≦25mm的场合
用于厚度>25mm的场合 图3-1强度胀接管孔结构
用于厚管板及避免晶间腐蚀的场
合
3.3.2强度焊接
焊接在目前用得比较广泛，且加工简便，连接强度好，在高温高压时也能保
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证连接处的紧密性与抗拉脱能力。管子焊接处如有渗漏可以补焊或利用专用工具拆卸后予以更新。管子与薄管板的连接更应采用焊接方法。当连接处焊接之后，管板与管子中存在的残余热应力与应力集中，在运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏。此外，管子与管板孔之间的间隙中存在的不流动液体与间隙外的液体浓度存在差别，容易产生间隙腐蚀。
用于整体板
图3-2强度焊接管孔结构
用于复合板
3.3.3焊胀并用
胀焊结合法主要是利用胀消除管子与板孔之间的间隙，用焊保证连接质量。采用先焊后胀工序，焊前管板坡口容易清洗干净，焊接时管子与管板间隙处的空气可以从正、反两侧排除，对于防止焊缝产生气孔及保证焊接接头的质量十分有益。但是对于焊接性较差的管子与管板的接头，胀接时焊道容易产生微裂纹，甚至将焊道胀裂。对于这种情况下，应采用深度胀管（即管口处10 ~ 15mm 不胀），使胀接部位避开焊道，从而减小胀接对焊道的影响。
采用先胀后焊工序，由于胀接时在管端及管板坡口处将留下大量油污、铁锈等杂物，尽管焊前要进行清洗，但由于管桥较窄，加之管子伸出管板等原因，难以保证坡口的彻底清洁。当焊接时，这些杂物就容易造成夹渣、未熔合及气孔等缺陷，还会造成焊缝高低不平，甚至呈蜂窝状。另外，焊接所产生的高温会导致已胀接的部位变形，使胀接过程中产生的残余应力和弹性变形有所消失，从而出现了胀紧力变小甚至消失的可能。有关文献的试验研究结果表明，先胀后焊的泄漏率是先焊后胀的10 倍左右[7]。 3.4具体设计方法可参照以下方法进行：
3.4.1常用冷凝器按下列步骤进行设计[5]
（1）确定蒸汽冷凝温度，或由生产过程其他部分的条件（如蒸馏塔、真空喷射泵等）来确定，或由冷凝温度接近冷却水温的程度来确定。要注意，愈接近冷却水温则所需冷却面积越大。选择冷却水温不仅要保证冷凝器在夏季的操作性能；
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同时也要考虑冬季的条件。 （2）确定冷凝的膜温。
（3）确定流体的物性。应注意壳侧与管侧的温度不同。 （4）由潜热计算冷凝热负荷（混合物的热负荷可以是加权值）。 （5）规定冷却水的温升。 （6）计算水的流量：
W?Q/cp?t 其中Q=热负荷；
?t=水的温升；
cp=比热。
（7）估算保持最低水流速时的每管程管数。
设管内最低流速v，水流截面积a，选定管径并计算其有效流动面积。 （8）设定换热器
a.根据经验估算总传热系数。 b.粗略计算对数平均温差ΔT。 c.估算传热面积A。
d.需要的管长，Fl=A/（每根管长的表面积） e.假定每管长度l，并计算程数： 程数pa=Fl '(n)(t)如算得的程数不合理，则重新假定管长和（或）管径。由于程数多，设备制造费用就高，除特殊情况外应力求程数保持在8以下。
f.选用换热器壳体直径，要能按需要的程数紧凑地装入所需的管数。 g.由选定的实际总管数确定每程的实际管数。各程的管数可能要比最初设计的多几根或少几根。每程计算的流动面积=（每程管数）（每管的流动面积） h.计算管内流速。 i.计算管侧膜系数。 j.计算壳侧膜系数。
k.根据经验选定管侧和壳侧污垢热阻。 l.计算总传热系数。 m.计算对数平均温差。
n.计算所需传热面积：A?Q/K(?t)(净值)
o.所设定换热器的实际面积：（每根管长的表面积）（总管数）（净管长）
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p.将上述两个面积进行比较，若实际面积大于或等于所需面积，则所设换热器可满足操作要求。若所需面积大于实际面积，则另选管数稍多的、管子稍长的或管径稍大的或三者某些结合的换热器，从步骤（8）开始重新计算。若水的最低流速不合适，则应从步骤（7）起重新计算。
q.校对冬季操作条件对以下几点的影响：能否保持恒定的年平均冷凝液出口温度；是否由于进口水温较低，使冷却面积过剩从而产生冷凝液过冷；能否保持管内的最低水流速。
3.4.2．结构设计[6]
根据传热设计的结果进行换热器的结构设计。依据的标准主要是GBl50一2011《钢制压力容器》和GBl51—1999《管壳式换热器》，这里主要介绍浮头式换热器。
传热设计已经确定了换热器的形式、管长、管子外径和内径、管子根数、管子排列形式、简体内径、接管内外径、折流板间距和块数、管程数和壳程数，在这些参数的基础上进行结构设计。
首先，根据GB151和管数及管程数，确定换热管中心距及分程隔板两侧相邻管中心距，画出布管限定圆，根据管程分程和布置进行布管。布管时应注意：换热管中心距宜不小于1.25倍换热管外径，应尽可能使各管程的换热管根数人致相等。
管板、筒体壁厚的计算，根据GBl51-1999和GBl50-2011和管壳程压力、温度计算即可。
根据GBl51-1999设计合适的分程隔板、纵向隔板、防冲板、防短路结构(旁路挡板和挡管)、滑道、定距管。
如选用浮头式，还要计算钩圈式浮头：主要包括外头盖垫片、外头盖法兰、钩圈、短节、浮头法兰、分程隔板、浮动管板、球冠形封头(浮头盖)、双头螺栓和螺母等。其中主要计算浮头盖、浮头法兰、钩圈，球冠形封头(浮头盖)、浮头法兰应分别按管程压力作用下和壳程压力下进行内压和外压的设计计算，取其大者为计算厚度。钩圈分为A型和B型两种具体计算参见GBl51-1999。
最后根据计算结果设计出图。
4进度安排
文献翻译、开题报告 换热器设计计算 2-3周 2-3周
丙烯冷凝器（E-301）设计（开题报告） 1
换热器图纸 设计说明书 大设计定稿 准备答辩 7周 2周 2周 1周 参考文献
[1]王学生，惠虎.化工设备设计.上海：华东理工大学出版社，2011
[2]T.Kuppan著，钱颂文，廖景娱，邓先和，马小明，冯毅，郭崇志等译.换热器设计手册.北京.中国石化出版社，2004
[3]钱颂文主编.换热器设计手册.北京.化学工业出版社2002 [4]GB151
[5] 施林德尔主编.换热器设计手册（第二卷）.北京：机械工业出版社，1988 [6]白志国.管壳式换热器的设计.中国造船，2002,43（zl），256-257. [7]顾天杰.浮头式换热器管束的组装.河南化工，2002（3），41-42.