哈雷釬焊板式換熱器
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                新型單管程浮頭式換熱器的結構設計

                點擊:2026 日期:[ 2014-04-26 22:05:49 ]
                                             新型單管程浮頭式換熱器的結構設計                          段晉海1,黨戰偉2,王運波2,任永泉2,柏海燕2,謝培軍2 (1.華陸工程科技有限責任公司,陜西西安 710054;2.蘭州石油機械研究所,甘肅蘭州 730050) 摘要:介紹了在管程不能使用填料函的情況下,單管程浮頭式換熱器管程出口設置波紋管膨脹節 的新型結構。 關鍵詞:浮頭式換熱器;單管程;結構;設計 中圖分類號:TQ051·501 文獻標志碼:A 在煉油、化工生產領域所使用的換熱設備中,管 殼式換熱器以其結構簡單、可靠程度高、使用范圍 廣、操作彈性大等特點得到了廣泛的應用并占據著 主導地位。單管程浮頭式換熱器是管殼式換熱器的 一種,其常見的結構形式是在管程出口處設置填料 函。但填料函結構不適用于易揮發、易燃、易爆以及 有毒等介質,且壓力一般不高于2.5MPa。筆者在 設計某公司50×104t/a甲醇項目中的原料氣預熱 器時,根據工藝條件,采用在管程出口設置波紋管膨 脹節的方法,設計了一種新型單管程浮頭式換熱器 很好地解決了填料函結構不適合工藝要求的問題 滿足了生產實際的需要,取得了較為理想的效果。 1 設計參數 某公司50×104t/a甲醇項目中原料氣預熱器 的工藝條件為,殼程設計壓力6.7MPa,工作壓力 6.19MPa,設計溫度400℃,工作溫度(進口/出口)368℃/303℃;管程設計壓力為6.7MPa,工作 壓力6.23MPa,設計溫度400℃,工作溫度(進口/ 出口)368℃/303℃。殼程介質為變換氣,管程介 質為粗煤氣,介質特性為易燃、易爆及中度危害。換 熱面積525m2,主要受壓元件材料為15CrMoR和 0Cr18Ni9。 2 結構選型 由工藝條件可知,該設備換熱面積大,管、殼程 壓力高,換熱介質不僅溫度高、易燃、易爆、中度危 害,而且不潔凈、易結垢。 通過分析各種結構形式換熱器的優缺點可以看 到,固定管板式換熱器和U形管式換熱器都存在清 洗困難的缺陷,而填料函式換熱器雖然便于清洗,但 其密封形式不能滿足原料氣預熱器設計條件的要 求,所以需要設計一種新結構形式的單管程浮頭式 換熱器。 根據國內外換熱器的設計經驗,可在管程出口 處設置波紋管膨脹節來消除管、殼程溫差帶來的應 力。對于文中的原料氣預熱器,采用管程出口處設 置波紋管膨脹節的結構,可以解決密封泄漏和清洗 困難等問題。這種結構既區別于傳統的浮頭式換熱 器,又不同于填料函式換熱器,兼顧了兩者的優點, 彌補了各自的不足。 3 結構設計 單管程的浮頭接管結構由球冠形封頭、波紋膨 脹節、筒節、平蓋、法蘭A、法蘭B、法蘭C、緊固件 AB、緊固件BC、錐體及管程出口法蘭所組成,見圖 1。在球冠形封頭上開孔并設一短節,通過該短節與 波紋膨脹節連接,波紋膨脹節通過另一短節與法蘭 A連為一體,法蘭A與法蘭B通過緊固件AB聯 接。法蘭C由緊固件BC壓緊法蘭B的前后密封面 與平蓋連成整體結構,這種結構不僅便于安裝和拆 卸,而且能很好地解決管、殼程之間的溫差應力。 由于原料氣預熱器的管、殼程壓力和溫度都較 高,設計時將管板、浮頭及浮頭接管(包括膨脹節部 分)按照管、殼程最大壓差1.0MPa進行設計,這樣 既可保證設備安全又可最大程度節省成本。 波紋管膨脹節設計參數為,設計壓力1.0MPa, 設計溫度400℃,材質0Cr18Ni9。波紋管膨脹節結 構尺寸為,波根外徑510mm,波高50mm,波數6, 層數2,單層厚度2.5mm。 根據文獻[1],膨脹節位移量按下式確定: e=[αt-(tt-to)-αs(ts-to)]L 式中,αt為換熱管材料在設計溫度與20℃之間的平 均線膨脹系數,αs為殼體材料在設計溫度與20℃之間的平均線膨脹系數,10mm/(mm·℃);tt為 換熱管設計溫度,ts為殼體設計溫度,to為制造環境 溫度,℃;L為膨脹節兩側固定端長度,mm。 將本例數值代入上式可得e=3.2mm。 本例中波紋管的材質為0Cr18Ni9,其[σ]t= 111MPa。根據文獻[2]中式(6-1)~式(6-7),可 得出內壓引起的波紋管直邊段的周向薄膜應力σz< 3·9MPa<[σ]t=111MPa,內壓引起的直邊段加強 圈周向薄膜應力σc<13·7MPa<[σ]t=111MPa, 內壓引起的波紋管周向薄膜應力σ2=40·3MPa< [σ]t=111MPa,內壓引起的波紋管經向薄膜應力 σ2=8·47MPa<[σ]t=111MPa,內壓引起的波紋 管彎曲應力σ3=111MPa,軸向位移引起的波紋管 經向薄膜應力σ4=1·53MPa,軸向位移引起的波紋 管經向彎曲應力σ5=85·6MPa。組合應力σp= σ2+σ3=119·47MPa<1·5σts=184·5MPa,σR= 0·7σp+σ4+σ5=129MPa<2σts=246MPa。 按照上述計算結果,該膨脹節滿足強度要求,能 夠承擔管、殼程產生的溫差應力。經計算選取的原 料氣預熱器膨脹節為ZXW(B)500-1.6-2×2.5× 6(T)。 也可以通過SW6、Lansys等壓力容器強度計算 軟件進行設計校核計算。 其余元件按照文獻[1~3]中的有關規定進行強 度計算和設計。 4 結語 對于單管程浮頭式換熱器,在管程為高壓、高 溫、溫差較大、介質易燃和易爆等工況不能使用填料 函的情況下,通過在管程出口設置波紋管膨脹節的 結構,可解決傳統單管程浮頭式換熱器的很多缺陷, 滿足復雜工藝條件的要求。按文中所述設計制造的 原料氣預熱器———單管程浮頭式換熱器,既具有浮 頭式換熱器的優點,又克服了填料函式換熱器的缺 點,結構簡單,制造方便,易于檢修和清洗,實際運行 效果良好。 參考文獻: [1] GB151-1999,管殼式換熱器[S]. [2] GB16749-1997,壓力容器波形膨脹節[S]. [3] GB150-1998,鋼制壓力容器[S]. (杜編) 
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