列管式石墨换热器
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绕管式换热器的设计点击：2434 日期：[ 2014-04-26 21:35:47 ] |
| 绕管式换热器的设计 阚红元 (中国石化集团宁波工程有限公司,浙江宁波,315103) 摘要：绕管式换热器由于其结构紧凑、换热效率高而被广泛应用于空分和化肥等装置中,近年来通过国内科研、设计和制造单位的努力,该类设备已实现国产化。本文着重就大化肥低温甲醇洗单元绕管式换热器的发展情况和设计特点进行叙述。 关键词：低温甲醇洗 绕管式 换热器 1·概述 我国20世纪70年代末引进的大化肥装置中采用德国林德公司低温甲醇洗工艺单元中各有6台绕管式换热器;90年代初引进的德国鲁奇公司低温甲醇洗工艺单元中各有2台绕管式换热器。由于当时我国尚未掌握绕管式换热器的设计和制造技术,这些引进的装置中绕管式换热器完全依赖国外进口,设备费用昂贵。并且随着我国合成氨工业的发展,对低温甲醇洗装置的需求量增加,对现有装置进行技术改造实现增产的要求也与日剧增,在此形势下完成绕管式换热器的国产化、系列化具有重要的意义。 绕管式换热器的主要优点:①管程可采用多股物流与壳程的单股物流进行传热,可同时实现多个普通管式换热器的功能;②适用于大负荷物流传热;③适用于高压物流的传热。其缺点主要为检修、清理困难,所以一般用于较清洁的工艺介质。绕管式换热器按其结构特点分为两类:管程单股物流流道型(称为单股流绕管式换热器),管程多股物流流道型(称为多股流绕管式换热器)。中国石化集团公司曾于“八·五”期间进行了单股流绕管式换热器的研究开发,并在镇海炼化股份有限公司的化肥装置中进行了实验模拟件的侧线并网试验,获得成功。在此基础上根据研究成果,进行了进一步工业应用试验,并根据宁夏化工厂化肥装置增产的要求进行了新换热器的设计和制造,通过工业应用考核新换热器完全满足宁夏化工厂化肥装置工艺和增产要求。 目前,经过国内科研、设计和制造单位许多年的研究和开发,已基本掌握了绕管式换热器的工艺计算、设备设计和制造,实现了国产化。 2·工艺研究 采用工艺模拟试验和计算机对比模拟计算是开展绕管式换热器工艺研究的一种手段,通过试验和计算建立物流传热和流动模型,为设备的设计奠定基础,并通过工业应用试验验证和修正所建立的计算模型,使其工艺计算更加完善和优化。低温甲醇洗装置内绕管式换热器的工艺研究主要包括以下几部分内容: 1)低温甲醇洗多组分物料物性数据收集和计算,建立物性数据库,解决物性数据计算方法。 2)进行物流传热和阻力特性的研究和试验,提供设计依据。 3)进行传热计算,确定不同结构、几何参数对传热的影响。提供传热计算基础数据及公式,确定传热系数和传热面积。进行热—温分析和温层分析。 4)阻力计算,确定流动阻力和压力损失。 5)进行结构数据计算,确定绕管束特性数据。包括各层管数、螺旋升角等。 6)管束振动分析,确定防止管束振动的措施。 林德低温甲醇洗工艺中的6台绕管式换热器的主要工艺参数如表1、表2所示。 3·结构设计 图1和图2分别为典型单股流和多股流绕管式换热器主体结构图。主要由中心筒、绕管束、壳体、上下管板、导流装置、防震装置和管箱组成。 20世纪70年代末引进的6台绕管式换热器的结构参数如表3和表4所示。 绕管式换热器的结构尺寸主要取决于绕管束的结构尺寸,绕管束中心筒在制造中起支承作用,因而要求有一定的强度和刚度,中心筒的外径由换热管的最小弯曲半径决定。管束由多层螺旋缠绕的换热管组构成,每层换热管以相反的方向缠绕,每层换热管用垫条隔开,垫条厚度由工艺计算的流体通道要求确定,并采用异型垫条控制换热管的螺旋升角。在设计盘管时同一层使用相同长度的管子绕制,在同一管程的流道上管子应均匀布置。在多股物流时,各个通道本身应有相同的管长,同时可根据工艺要求选择各通道管子的长度,这样就大大地增加了调整各股物流传热面积的适应性和灵活性。 绕管束绕制完成后用薄钢板夹套捆扎包紧,由此夹套还起到导流作用,夹套与设备壳体间应保持一定的间隙。设备壳体的直径和高度取决于绕管束的外径和高度。上下管板及管箱的尺寸以管孔的排列、管程的程数和工艺流通面积而定。图3为单股流绕管换热器的绕管束的典型结构示意图。 图3中的定位销用于在制造过程中固定上、下中心筒,使中心筒不能上下窜动,管束制造完成后拔出定位销,去除中心筒对上、下管板的刚性支承作用。 绕管式换热器的结构设计还包括中心筒、夹套和垫条(特别是异型垫条)等结构元件的设计及中心筒与管板间、换热管与管板间、壳体与管板间等连接部位的焊接结构设计。这些部件和部位的设计可采用多种方案,选择何种方案则取决于换热器的操作条件、介质特性和管束结构特点,还应根据所设计的换热器的具体条件进行分析后而确定。 4 ·强度计算 除了壳体、管箱、换热管等受压部件要按照GB150、GB151进行常规强度计算外,绕管式换热器不同于一般管壳式换热器主要是中心筒的刚性和强度计算、管板的强度计算。作为绕管束的骨架,中心筒在绕制过程中需要承受管束重量和绕管机的拉力等载荷,并且不能出现挠曲。绕管试验证明,如果不能将中心筒的挠曲控制在一定的范围内,所绕出的管层外形不是均匀的圆型,而是呈多角型,这将严重影响下一层管子的绕制和换热器的工艺应用状态。因此对于中心筒的刚性和强度进行分析计算是十分必要的。中心筒的力学模型需要根据绕管机的转速、拉力和对管束的支承情况确定,其强度满足结构件强度要求,挠度范围控制在使最后一层绕管的外形不出现较大偏差为宜。 对于一般管壳式换热器中的固定管板式换热器,通常管板的计算考虑换热管对管板的支承作用和热膨胀引起的管—壳膨胀差;对于“U”型管类换热器由于换热管一端不固定,可自由膨胀,其管板计算不考虑换热管对管板的支承作用和管—壳膨胀差。绕管式换热器的管板受力状态介于二者之间,由于绕管束具有一定的弹性,既会在壳体内伸缩吸收一定的热膨胀和约束力,也会对管板起到一定的支承作用。绕管束对于管板有多少支承和约束(考虑热膨胀时)是进行管板计算的关键。对于低温甲醇洗单元的绕管式换热器而言多数是按照不考虑换热管的支承和约束来考虑的,这种方法显然不能反映管板的实际受力情况。为了绕管式换热器的发展和在工业领域里大量应用,有必要对绕管式换热器管板进行多方案力学分析,建立适合的力学模型和计算公式,使管板设计优化,从而大量节省管板锻件材料,降低设备费用。 5·结语 本文就国内绕管换热器的发展和设计特点进行了说明,目的在于使国内相关工业领域内更多的相关从业人员,对这类换热器有更加深刻的了解,从而推动绕管式换热器的应用和进一步的开发、研究,从而解决设计和制造过程中广泛出现的问题,使绕管式换热器的设计和制造能够规范化、标准化。 |
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