1500td合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计.docx

太　原　理　工　大　学
毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：
1500t/d合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计
毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：
1 设计要求
毕业设计的主要目的是培养和训练学生综合运用所学知识独立进行过程设备设计、控制方案制定及和制造中技术问题处理的能力。毕业设计环节要求学生完成以下任务：
⑴ 了解合成氨生产工艺，掌握粗煤气变换工段的工艺流程及控制方法。
⑵ 使用国家最新压力容器和换热器设计标准、规范进行设计。掌握最新化工容器及设计的全过程。
⑶ 查阅翻译综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。
⑷ 设计计算以手算、电算相结合，要求设计思路新颖、计算数据准确、可靠、且正确掌握计算机操作和专业软件使用。
⑸ 采用CAD绘制所设计的工程图纸。
⑹ 毕业设计全部工作由设计者独立完成。
2 设计数据

物 料
温度（进口/出口）℃
操作压力(MPa)
流量 (kg/h)
变换煤气
438.7 / 319.3
2.87
210943.8
粗煤气
200.0 / 325.0
2.97
228564

　　 第1页
毕业设计（论文）主要内容：
具体内容包括：
1 合成氨生产工艺、粗煤气变换工段工艺流程及控制方法设计；
2 评述所设计的换热器在生产中的地位、作用及设备选型（附工艺流程图）；
3 单体设备工艺计算及初选设备轮廓尺寸（如：管径、管长、管子数、管壳程数、壳径等）；
4 设备结构设计；
5 设备强度计算；
6 编制制造、检验、安装、运输等技术条件；
7 绘制设备总装配图及零件图；
8 编制设计说明书。
第2页　　
学生应交出的设计文件（论文）：
1 设计说明书一份。
2 合成氨生产工艺方块流程图一张(A1)、粗煤气变换分离工段工艺物料流程图一张(A1)、设备总装配图和零部件图不少于四张（折合 A1 图纸）
3 相关题目中文文献综述一篇，译文一篇。
　　 第3页
主要参考文献（资料）：
1 天津大学化工原理教研室，《化工原理》上册，天津科技出版社，1992年
2 国家技术监督局，《钢制管壳式换热器》（GB151-99），1999年
3 国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》（上、下册），化学工业出版社，1987
4 国家压力容器标准化委员会，《压力容器》（GB150-2011），2011
5 燕山石化总公司设计院化工设计院，《钢制列管式固定管板换热器结构设计手册》，化工部设备设计技术中心站，1985
6 化工部第六设计院，《化工设备图样技术要求》（上、下册），化工部设备设计技术中心站，2000
7 石油化学工业部化工设计院，《小氮肥厂工艺设计手册》，石油化学工业出版社，1979
8 化学工业部设备技术中心站，全国压容器标准化技术委员会，《化工设备标准手册》（共4册）1997
9《过程装备成套设计》，化学工业出版社，2002
10《过程装备成套技术课程设计指南》，化学工业出版社，2002年工业出版社，2002
11 国家压力容器标准化委员会，《钢制焊接压力容器及标准释义》（JB/T4735 – 1997）
12 国家压力容器标准化委员会，《压力容器用锻件、压力容器用镍铜合金》（JB4726～4728、JB4741～4743-2000）
13 国家压力容器标准化委员会，《钢制管法兰、垫片、紧固件》（HG 20592～20635-2009）
14 国家压力容器标准化委员会，《钢制压力容器焊接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、钢制压力容器产品焊接试板的力学性能测试》（JB4708、JB/T4709、JB4744-2000）
15 国家压力容器标准化委员会，《压力容器法兰》（GB4700～4707-2000）
16 国家压力容器标准化委员会，《压力容器波形膨胀节及标准释义》（GB16749-1997）
17 国家压力容器标准化委员会，《容器支座》（JB/T4712、4713、4724、4725-92）
18 国家压力容器标准化委员会，《换热器基本参数》（JB/T4714～4720、JB4721、JB/T4722～4723-92）
19 国家压力容器标准化委员会，《补强圈、钢制压力容器用封头》（JB/T4736、4746-2002）
20 国家压力容器标准化委员会，《固定式压力容器安全技术监察规程》，2010
专业班级 过程装备与控制工程 学生 宫金良
要求设计（论文）工作起止日期
指导教师签字 日期
教研室主任审查签字 日期
系主任批准签字 日期

第4页
1500t/d合成氨工艺粗煤气变换工段第三变换热交换器设计
摘 要
本次设计在安全前提下，以经济实用为原则，从原始数据开始经工艺计算、机械设计和强度校核三步详尽地阐述了本台换热器的设计过程。 
此设计过程有五个部分：绪论，工艺计算，机械设计，强度校核和技术条件的编制。 
在绪论中主要叙述了合成氨生产生产中的变换工段在本次这个天脊集团合成氨装置增产节能改造项目中的作用及简单介绍。控制方案的设计主要是通过对整体设备的综合分析，确定设备的控制方案，达到自动控制目的；工艺计算主要是通过对热量负荷的计算得到换热器的传热面积、初步确定换热器的基本尺寸，为下一步提供依据；机械设计主要任务是在设计条件下，从主体到部件，进行材料和零部件的设计入手，设计合理的结构；强度校核是在满足工艺条件的要求下，对所设计的设备进行强度校核，以便生产可以顺利的进行。
关键词： 换热器，工艺计算，机械设计

A Design of 1500t / d of crude ammonia process gas shift conversion section third heat exchanger
Abstract
The premise of the design in a safe, economical and practical principle to begin the process calculated from the raw data by the mechanical design and strength check-step detailed exposition of this station heat exchanger design process.
This design process has five parts: the preparation of the introduction, process calculations, mechanical design, strength check and technical conditions.
Described in the introduction the main role in the production of ammonia production in the second section of this transformation Tianji Group ammonia unit increase in energy-saving projects and brief. Control scheme designed primarily through a comprehensive analysis of the whole device to determine device control solutions, to achieve automatic control purposes; process calculation is mainly through the calculation of the heat load to get the heat exchanger heat transfer area of the heat exchanger initially identified the basic dimensions provide the basis for the next step; mechanical design of the main tasks is under design conditions, from the body to the parts, and materials and components designed to start, well-designed structures; strength check is to meet the requirements under process conditions, equipment designed for the strength check, in order to produce a smooth conduct.
Key words: Heat Exchanger;Process calculation;Mechanical Design

目 录
1.绪论彗睬技鹑 10
1.1变换工段的说明彗睬技鹑 10
2 工艺设计彗睬技鹑 11
2.1 确定设计方案彗睬技鹑 11
2.1.1 选择换热器的类型 两流体的温度变化情况 11
2.1.2 管程安排彗睬技鹑 11
2.2 确物性数据彗睬技鹑 12
2.3 估算传热面积彗睬技鹑 12
2.3.1 热流量（忽略热损失）彗睬技鹑 12
2.3.2 粗煤气用量（忽略热损失）彗睬技鹑 12
2.3.3 平均传热温差 彗睬技鹑 12
2.3.4 初算传热面积 12
2.4 工艺结构尺寸彗睬技鹑 12
2.4.1 管径和管内流速 彗睬技鹑 12
2.4.2 管程数和传热管数 彗睬技鹑 13
2.4.3 平均传热温差校正及壳程数 彗睬技鹑 13
2.4.4 传热管排列和分程方法 彗睬技鹑 13
2.4.5 壳体直径 彗睬技鹑 14
2.4.6 折流板 彗睬技鹑 14
2.5 换热器核算彗睬技鹑 14
2.5.1 传热面积校核彗睬技鹑 14
2.5.2 换热器内内压降核算彗睬技鹑 16
3 .机械结构设计彗睬技鹑 19
3.1 设计压力彗睬技鹑 19
3.2 设计温度彗睬技鹑 19
3.3 管壁温度彗睬技鹑 20
3.3.1 符号彗睬技鹑 20
3.3.2 管程壁温彗睬技鹑 20
3.3.3 壳程壁温彗睬技鹑 21
3.4 筒体壁厚彗睬技鹑 21
3.4.1 筒体选材彗睬技鹑 21
3.4.2 筒体壁厚计算彗睬技鹑 21
3.5 管箱厚度彗睬技鹑 22
3.5.1 管箱选材彗睬技鹑 22
3.5.2 筒体壁厚计算 彗睬技鹑 22
3.6 管箱法兰彗睬技鹑 23
3.6.1 材料选择彗睬技鹑 23
3.6.2 法兰尺寸彗睬技鹑 24
3.6.3 法兰型式彗睬技鹑 25
3.6.4 法兰垫片彗睬技鹑 25
3.6.5 法兰螺柱螺母彗睬技鹑 26
3.7 封头的设计彗睬技鹑 26
3.7.1 封头选材彗睬技鹑 26
3.7.2 封头壁厚计算彗睬技鹑 26
3.7.3 封头尺寸彗睬技鹑 27
3.8 液压实验彗睬技鹑 28
3.9 拉杆设计彗睬技鹑 28
3.9.1 拉杆选材彗睬技鹑 28
3.9.2 拉杆参数彗睬技鹑 29
3.9.3 拉杆的布置彗睬技鹑 29
3.10 管板设计彗睬技鹑 29
3.10.1 材料的选择彗睬技鹑 29
3.10.2 管板结构彗睬技鹑 29
3.10.3 管板布管彗睬技鹑 30
3.10.4 管孔设计彗睬技鹑 30
3.10.5 拉杆孔设计彗睬技鹑 31
3.10.6 管板尺寸彗睬技鹑 31
3.11 实际布管彗睬技鹑 32
3.12 换热管设计彗睬技鹑 32
3.13 接管设计彗睬技鹑 33
3.13.1 管程接管设计彗睬技鹑 33
3.13.2 壳程接管设计彗睬技鹑 33
3.13.3 排气管与降液管设计彗睬技鹑 34
3.13.4 各接管法兰和垫片的设计彗睬技鹑 34
3.14 保温层的设计彗睬技鹑 36
3.15 各接管尺寸设计彗睬技鹑 36
3.15.1 接管的外伸长度彗睬技鹑 36
3.15.2壳程接管位置彗睬技鹑 37
3.15.3管程接管位置彗睬技鹑 38
3.16 防冲挡板彗睬技鹑 39
3.16. 1管程彗睬技鹑 39
3.16.2 壳程彗睬技鹑 39
3.17折流板与支持板彗睬技鹑 40
3.17.1材料彗睬技鹑 40
3.17.2折流板设计彗睬技鹑 40
3.17.3折流板和支持板管孔彗睬技鹑 41
3.17.4 折流板布置彗睬技鹑 41
3.17.5 折流板重量计算彗睬技鹑 41
3.18 管箱设计彗睬技鹑 43
3.18.1 管箱结构形式彗睬技鹑 44
3.18.2 管箱长度彗睬技鹑 45
3.19 吊耳与顶丝彗睬技鹑 45
3.19.1 左管箱质量彗睬技鹑 45
3.19.2 右管箱质量彗睬技鹑 46
3.19.3 吊耳彗睬技鹑 46
3.20 支座设计彗睬技鹑 46
3.20.1 支座所承受的载荷彗睬技鹑 46
3.20.2 支座尺寸彗睬技鹑 48
3.20.3 支座材料彗睬技鹑 50
3.20.4 支座安装尺寸彗睬技鹑 50
4.焊缝设计彗睬技鹑 50
5 强度校核彗睬技鹑 57
彗睬技鹑 84
6 技术条件编制彗睬技鹑 84
6.1 技术条件说明彗睬技鹑 84
6.1.1 钢材彗睬技鹑 84
6.1.2 冷热加工成型彗睬技鹑 84
6.1.3 焊接条件彗睬技鹑 85
6.1.4 热处理彗睬技鹑 85
6.1.5 无损探伤彗睬技鹑 85
6.2 装配图的技术条件彗睬技鹑 85
6.3 零件图的技术条件彗睬技鹑 86
6.3.1 管箱部件图的技术条件编制彗睬技鹑 86
6.3.2 管板零件图技术条件彗睬技鹑 86
6.3.3 折流板技术条件彗睬技鹑 86
结束语彗睬技鹑 87
参考文献彗睬技鹑 88
致　　谢彗睬技鹑 89

1.绪论
1.1变换工段的说明
在合成氨工艺生产过程中，变换工艺是一个重要的净化工序，通过变换工序，不尽能制取氢气为合成氨提供原料，而且还减少了CO对氨合成催化剂的毒害。这张工艺物料流程图就是天脊集团合成氨装置增产节能改造项目，针对粗煤气中的CO含量高、水碳比低的特点，对CO变换工艺进行设计与优化。

天脊煤化工集团有限责任公司是我过于20世纪80年代初从国外成套引进技术和设备而兴建的，以煤为原料生产生产硝酸磷复合肥的大型煤化工基地。其年产30万吨合成氨装置采用MARK-ⅠV型鲁奇加压气化炉气化制成的粗煤气，在一氧化碳变换工序中经过两段钴钼系耐硫催化剂床层进一步提高H2含量，冷却后的变换气进入低温甲醇洗工序除去变换气中的CO2、H2S，除去CO2、H2S的合成气再进入液氮洗工序，脱除CO的同时将N2和H2配比成适当的比例经过合成气压缩机提压后送入托普索100型合成塔进行氨合成。
一氧化碳和水蒸气在催化剂作用下反应生成二氧化碳和氢气。其反应方程式：
CO+ H2O=CO2+H2+410894kJ/kmol
称做水煤气变换反应，简称变换反应。
变换反应为放热等分子可逆反应。因此降低反应温度和增加蒸汽用量都可降低变换气中CO的平衡浓度，若温度高，蒸汽量少，将不利于变换反应甚至还可能发生逆变换反应过程。在要求变换气中CO浓度一定的条件下，降低反应温度是降低蒸汽用量的必要手段。在不能降低温度条件下，片面追求降低CO浓度，将会造成极大的蒸汽浪费。
从300#工段出来的粗煤气的主要成分是CO2，H2，CO，CH4，H2S，N2，O2及碳化物等。除N2、H2外，其他物质的存在都对合成氨的催化剂有毒害作用，和影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损害等，需要进行脱除，只至百分之几的数量级为止。
本次节能改造时先把来自200#的粗煤气用液氮洗涤，在深度冷冻（-100℃）下用液氮吸收少量CO，而且还能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气体。粗煤气经过煤气水分离器分离气体，再经过变换热交换器利用高温变换煤气与进入换热器的相对低温的粗煤气进行换热，以达到加热粗煤气同时冷却变换煤气的目的，节省了资源的利用。

2 工艺设计
2.1 确定设计方案
2.1.1 选择换热器的类型 两流体的温度变化情况：
热流体进口温度438.7℃，出口温度319.3℃;
冷流体进口温度200.0℃，出口温度325℃。
管壳式换热器的应用范围很广，适应性很强，其允许压力可以从高真空到41.5MPa，温度可以从-100°C以下到 1100°C高温。此外，它还具有容量大、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点，因此它在换热器中是最主要的型式,所以本次设计选用管壳式换热器。
2.1.2 管程安排
由设计任务书确定，管程走粗煤气，壳程走变换煤气。
2.2 确物性数据
定性温度：对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可去流体进出、口温度的平均值。故壳程变换煤气的定性温度为

管程流体的定性温度为

已知变换煤气在379℃下的有关物性数据如下：；c1 =4.9118kJ/kg ℃;
已知粗煤气在262.5℃下的有关物性数据如下：： ; ;。
2.3 估算传热面积
2.3.1 热流量（忽略热损失）

2.3.2 粗煤气用量（忽略热损失）

2.3.3 平均传热温差
先按照纯逆流计算，得

2.3.4 初算传热面积
先假设，则估算的传热面积为：

2.4 工艺结构尺寸
2.4.1 管径和管内流速
选用的20号钢管。
2.4.2 管程数和传热管数
可依据传热管内径和流速确定单程传热管数

取换热管根数为1200根.
按单管程计算，所需的传热管长度为

按单管程设计，取传热管长。
2.4.3 平均传热温差校正及壳程数
平均传热温差校正系数计算如下：

按单壳程，单管程结构，查图表4-4得

平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。
2.4.4 传热管排列和分程方法
采用正三角形排列。换热器正三角形排列可使流体走短路的机会少，增大管外流体湍流程度，从而增大对流传热系数，节省传热面积，所以换热器的排列方式采用正三角形排列。

正三角形排列
换热管中心距宜不小于1.25倍的换热管外径，由表12查得换热管外径对应的换热管中心距。
2.4.5 壳体直径
采用多管程结构，壳体直径可由式4-15估算。取管板利用率，则壳体直径为

其中按卷制壳体的进级档，可取
2.4.6 折流板
采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体直径的25%，则切去的圆缺高度为

取折流板板间距,则

可取。
折流板数目

2.5 换热器核算
2.5.1 传热面积校核
2.5.1.1 管程传热膜系数
由式4-13计算

式中 ——对流传热系数；
——流体的热导率；
——管内径，；
——流体的流速，：
——流体的密度，；
——流体的粘度，；
——流体的比热容，；
——雷诺数；
——普朗特数。
管程流体流通截面积

管程流体流速和雷诺数分别为

普朗特数

2.5.1.2 壳程传热膜系数
由式4-25计算

管子按正三角形排列，传热当量直径为

壳程流通截面积

壳程流体流速及其雷诺数分别为

普朗特数

粘度校正

2.5.1.3 污垢热阻和管程热阻。
由查附录9，管外侧污垢，
管内侧污垢热阻。已知管壁厚,碳钢在该条件
下的热导率为。
2.5.1.4 总传热系数K

2.5.1.5 传热面积校核
由，根据4-10可得所计算传热面积为

换热器的实际传热面积为

换热器的面积裕度为

传热面积裕度在之间合适，该换热器能够完成生产任务。
2.5.2 换热器内内压降核算
2.5.2.1管程阻力
由查得计算公式为

式中：
——分别为直管及回弯管道中因摩擦阻力引起的压强降，；
——结垢校正因数，量纲为1，对的管子取 ；
——管程数 ；
——串联的壳程数 ；
的计算：

查，摩擦系数只与有关。由，对金属管，无缝钢管，绝对粗糙度可取0.1-0.2，暂取0.2,则相对粗糙度，再由经验公式1-54，

所以
与管程允许压降比较，可见管程的压力降是合适的。
2.5.2.2 壳程阻力
由查得计算公式为

式中：
——流体横过管束的压强降；
——流体通过折流板缺口的压强降；
——壳程压强降的结垢校正系数，量纲为1，液体可取 ；
——串联的壳程数。
的计算：

式中：
——管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列 ；
——壳程流体的摩擦系数，当时， ；
——横过管束中心线的管子数。对正三角形排列，；
——折流挡板数 ；
——折流挡板间距 ；
——按壳程流通截面积计算的流速，

所以
与壳程允许压降比较，可见壳程的压力降是合适的。

换热器主要结构尺寸和计算结果
参 数
管 程
壳 程
流率
228564
210943.8
进（出）口温度
200/325
438.7/319.3
压力
2.97
2.87
物性
定性温度
262.5
379
密度
13.838
10.979
定压比热容
4.3401
4.9118
黏度

热导率
0.1267
0.1480
普朗特数
0.7173
0.7173
设备
结构
参数
型式
固定管板
壳程数
1
壳体内经
1400
台数
1
管径

管心距
32
管长
6000
管子排列
正三角形
管数目/根
1200
折流板数/个
6
传热面积
565.2
折流板间距
1000
管程数
1
材质
碳钢
主要计算结果
管程
壳程
流速
12.18
17.43
表面传热系数
1867
1734
污垢热阻

阻力
0.0209089
0.078
热流量
34444.44
传热温差
116.48
传热系数
592
裕度
1.13
3 .机械结构设计
3.1 设计压力
取1.1倍的操作压力，壳程设计压力为：；管程的设计压力为：。
3.2 设计温度
壳程的设计温度为445℃；管程设计温度为335℃。
3.3 管壁温度
3.3.1 符号
——以换热管外表面积为基准计算的总换热系数，；
——污垢热阻，；
——流体的平均温度，℃；
——以换热管外表面积为基准计算的给热系数，；
——流体的有效平均温差，℃；
下标：——热侧流体；
——冷侧流体。
3.3.2 管程壁温
由，对冷流体侧（管程）的壁温，

计算得：

对热流体侧（壳程）的壁温，

计算得：

综上得管壁温度为
3.3.3 壳程壁温

式中：————壳程流体的进口温度：
————壳程流体的出口温度。
3.4 筒体壁厚
3.4.1 筒体选材
筒体是换热器的主要受压元件，筒体大多是由钢板冷（热）卷制而成。筒体应为要经常抽装管束，所以壳体的内径偏差、同一截面上最大与最小直径偏差以及直线度的控制比较严格，因此压力容器壳体的材料要具有良好的韧性、焊接性能和良好的热加工性能。根据不同的工艺条件，壳体的材料一般选用碳素钢、低合金钢和不锈钢等。
本次设计的换热器壳程所走的介质为变换煤气，设计温度为445℃，考虑到介质属于高温气体和含有较多的氢含量，为了防止氢腐蚀和高温，所以本次设计的筒体选材为低合金钢12Cr2Mo1R，这种材料具有较高的热强性，具有较好的抗氧化性和焊接性能，适用于制造高温（350℃-480℃）、高压（约25MPa）、临氢压力容器。
3.4.2 筒体壁厚计算
由，对Q345R，设厚度在之间，则，，在下，对焊缝系数，查采用双面焊双面成型，并进行100%无损检测。因此取。
计算厚度：

式中，为计算压力，其值为设计压力P与液柱静压力之和。对变换煤气，而冷却水流量为。

而壳程设计压力为，，故可以忽略液柱静压力。
计算得：

设计厚度：
对腐蚀余量，由，为防止换热器元件由于腐蚀机械磨损而导致厚度消减故腐蚀余量不小于1mm。暂取。

名义厚度：
对腐蚀余量，由，对Q245R、Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的负偏差均为。取。

但是根据中的规定对壳体直径在之间的由碳素钢和低合金钢制造的固定管板换热器的最小筒体厚度为10mm。则设计厚度满足最小厚度要求，圆整到。
有效厚度：
3.5 管箱厚度
3.5.1 管箱选材
为了使流体均匀流入各个换热车间，在筒体前后端各接入一段管箱，管程流体设计温度为335℃，设计压力为3.157所以选其材料为Q345R钢板。
3.5.2 筒体壁厚计算
由，对Q345R，设厚度在之间，则，，在下，对焊缝系数，查采用双面焊双面成型，并进行100%无损检测。因此取。
计算厚度：

式中，为计算压力，其值为设计压力P与液柱静压力之和。对变换煤气，而变换煤气流量为。
故可以忽略液柱静压力。
计算得：

设计厚度：
对腐蚀余量，由，为防止换热器元件由于腐蚀机械磨损而导致厚度消减故腐蚀余量不小于1mm。暂取。

名义厚度：
对腐蚀余量，由，对Q245R、Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的负偏差均为。取。

圆整到。但是由法兰对筒体最小厚度为22mm，应当取筒体厚度为。
有效厚度：
3.6 管箱法兰
3.6.1 材料选择
法兰为典型的受压元件，通常由钢板或锻件经切削钻孔后制成，法兰材料应具有良好的可锻性、切削性、加工性和可焊性。因此本次设计选法兰材料为16Mn锻件，级别为Ⅱ级。
3.6.2 法兰尺寸
由，对于设计压力大于等于的压力容器法兰、管法兰应采用对焊法兰。根据，对长颈对焊法兰，适用的公称压力为，工作温度。因此选择凹凸密封面（MFM）形式的长颈对焊法兰为管箱法兰。
其尺寸与结构如下：

凸面
凹面

管箱法兰尺寸
公称直径
法 兰/ mm

1400
1650
1580
1529
109
1506
130
235
64
26
23

法兰
螺柱
对接筒体
最小厚度
法兰质量

规格
数量
凹面
凸面
28
42
18
39
M36
60
22
216.7
213.9
3.6.3 法兰型式
根据，对的法兰选择I型。
3.6.4 法兰垫片
根据，由法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表选取缠绕垫片，石棉填充带，使用温度范围为。
根据，由，选定垫片的尺寸和结构图如：

管箱垫片尺寸
公称直径DN

D4
D3
D2
D1
1400
1544
1508
1458
1422
垫片系数和垫片比压力值由查的m=2.5,y=69
3.6.5 法兰螺柱螺母
根据，由螺柱材料选用表，对的应当选择螺柱的材料为，对应的螺母为。
根据，对的等长双头螺柱其尺寸和结构图如：

管箱法兰螺栓尺寸

型式

极限
偏差
单件质量
36
80
5
7
A
36
250
±1.5
1.720
3.7 封头的设计
3.7.1 封头选材
封头选材与管箱一致，选用Q345R钢板。
3.7.2 封头壁厚计算
由，对Q345R，设厚度在之间，则，，在下，对焊缝系数，查采用双面焊双面成型，并进行100%无损检测。因此取。
计算厚度：

式中，为计算压力，其值为设计压力P与液柱静压力之和。对粗煤气
故可以忽略液柱静压力。
计算得：

设计厚度：
对腐蚀余量，由，为防止换热器元件由于腐蚀机械磨损而导致厚度消减故腐蚀余量不小于1mm。暂取。

名义厚度：
对腐蚀余量，由，对Q245R、Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的负偏差均为。取。

圆整到。但是因为法兰对筒体最小厚度的要求，应当取筒体厚度为。
有效厚度：
3.7.3 封头尺寸
根据，选择以内径为基准的椭圆型封头，代号为EHA，其尺寸和结构图如：

封头尺寸
公称直径
总深度

内表面积

容积

厚度

直边高度

质量

1400
375
3.1887
0.7569
22
25
462
3.8 液压实验
根据，先对壳程做液压试验，再对管程做液压试验。

对壳程：。
对管程：。
对封头：
在试验压力下对应的压力

对壳程：
对管程：
对封头：
各自对应的应当满足

对壳程：
对管程：
对封头：
3.9 拉杆设计
3.9.1 拉杆选材
选择Q235-A为拉杆材料，选择20号钢作为定距管的材料。拉杆在满足腐蚀和强度的情况下，尽量选用低等的材质，因为拉杆只是起到支撑和定距作用，没有必要采用太高级别的材质的。
3.9.2 拉杆参数
根据，对换热管外径大于或等于的管束，可以采用拉杆定距管的型式，。对换热管外径拉杆直径为。
根据，由，选定拉杆数量为10根，其尺寸和结构图如：

拉杆尺寸
拉杆直径
拉杆螺纹直径

16
16
20

2.0
3.9.3 拉杆的布置
拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热管，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆，任何折流板应不少于三个支撑点。
3.10 管板设计
3.10.1 材料的选择
由，管板本身具有凸肩并与圆筒（或封头）对接连接时，且厚度大于时应采用锻件，壳程设计温度为445℃根据选择为管板材料。
3.10.2 管板结构
由，选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延伸部分兼作法兰，与管箱用螺柱垫片连接。
3.10.3 管板布管
3.10.3.1 中心距的求取
由，本次设计采用正三角形排列。换热管尺寸为，因此取换热管中心距为。
3.10.3.2 布管限定圆
由，对固定管板式换热器，布管限定圆的直径为

式中 ————圆筒内径，；
————固定管板换热器或U型管换热器管束最外层换热管外表面至壳体内表面的最短距离，，一般不小于。为换热管外径。
本次采用的换热管外径为，因此，取。
因此得到的布管限定圆直径。
3.10.4 管孔设计
根据，由于管程、壳程都是无相变湍流换热工作，条件较为恶劣，为了防止管束震动，因此选择I级管束，其管板直径及允许偏差为：管孔直径，允许偏差。

3.10.5 拉杆孔设计
拉杆与管板采用螺纹连接。由，螺纹深度。式中为拉杆孔直径。

拉杆孔结构图

3.10.6 管板尺寸
根据，由,查得管板尺寸和结构为：

管板尺寸

28.655
29.674
1400
1650
1580
1529
1509
1506
1400

螺柱

39
M36×60
5
122
182

管板结构图
3.11 实际布管
根据以上的尺寸设计，进行实际的布管，得到的实际管子数为1200根。
3.12 换热管设计
之前已经选定换热管的尺寸为，长度为。换热管的材料根据，应当选择16Mn作为换热管材料。
换热管与管板的连接采用强度焊接，根据，尺寸为
换热管尺寸及安装尺寸图
换热管规格
换热管最小伸出长度
最小坡口深度

1.5
2.5
2

4.15 接管设计
由之前的工艺计算得出管程接管的流速为，壳程接管流速为。

3.13 接管设计
3.13.1 管程接管设计
根据取管程材料为16Mn，，，接管内液体流速为，则接管内径为

根据，可以选取管程接管尺寸为：
管程接管尺寸
外径
壁厚
有效内截面积
每米管子重量
426
9
1310
92.55

3.13.2 壳程接管设计
壳程流体进出口接管：取接管内液体流速为，则接管内径为

根据，可以选取壳程接管尺寸为：
壳程接管尺寸
外径
壁厚
有效内截面积
每米管子重量
426
9
1310
92.55
3.13.3 排气管与降液管设计
考虑到对壳程的接管都安装在最高处或最低处，在最高点设置排气孔，在最低点设置降液管。根据，对放气口和降液口，其最小公称直径为。
根据，可以去排气管和降液管的尺寸为：
排气管和