新型单管程浮头式换热器的结构设计

点击：2444 日期：[ 2014-04-26 22:05:49 ]

新型单管程浮头式换热器的结构设计段晋海1,党战伟2,王运波2,任永泉2,柏海燕2,谢培军2 (1.华陆工程科技有限责任公司,陕西西安　710054;2.兰州石油机械研究所,甘肃兰州　730050) 摘要:介绍了在管程不能使用填料函的情况下,单管程浮头式换热器管程出口设置波纹管膨胀节的新型结构。关键词:浮头式换热器;单管程;结构;设计中图分类号:TQ051·501　文献标志码:A 在炼油、化工生产领域所使用的换热设备中,管壳式换热器以其结构简单、可靠程度高、使用范围广、操作弹性大等特点得到了广泛的应用并占据着主导地位。单管程浮头式换热器是管壳式换热器的一种,其常见的结构形式是在管程出口处设置填料函。但填料函结构不适用于易挥发、易燃、易爆以及有毒等介质,且压力一般不高于2.5MPa。笔者在设计某公司50×104t/a甲醇项目中的原料气预热器时,根据工艺条件,采用在管程出口设置波纹管膨胀节的方法,设计了一种新型单管程浮头式换热器很好地解决了填料函结构不适合工艺要求的问题满足了生产实际的需要,取得了较为理想的效果。 1　设计参数某公司50×104t/a甲醇项目中原料气预热器的工艺条件为,壳程设计压力6.7MPa,工作压力 6.19MPa,设计温度400℃,工作温度(进口/出口)368℃/303℃;管程设计压力为6.7MPa,工作压力6.23MPa,设计温度400℃,工作温度(进口/ 出口)368℃/303℃。壳程介质为变换气,管程介质为粗煤气,介质特性为易燃、易爆及中度危害。换热面积525m2,主要受压元件材料为15CrMoR和 0Cr18Ni9。 2　结构选型由工艺条件可知,该设备换热面积大,管、壳程压力高,换热介质不仅温度高、易燃、易爆、中度危害,而且不洁净、易结垢。通过分析各种结构形式换热器的优缺点可以看到,固定管板式换热器和U形管式换热器都存在清洗困难的缺陷,而填料函式换热器虽然便于清洗,但其密封形式不能满足原料气预热器设计条件的要求,所以需要设计一种新结构形式的单管程浮头式换热器。根据国内外换热器的设计经验,可在管程出口处设置波纹管膨胀节来消除管、壳程温差带来的应力。对于文中的原料气预热器,采用管程出口处设置波纹管膨胀节的结构,可以解决密封泄漏和清洗困难等问题。这种结构既区别于传统的浮头式换热器,又不同于填料函式换热器,兼顾了两者的优点, 弥补了各自的不足。 3　结构设计单管程的浮头接管结构由球冠形封头、波纹膨胀节、筒节、平盖、法兰A、法兰B、法兰C、紧固件 AB、紧固件BC、锥体及管程出口法兰所组成,见图 1。在球冠形封头上开孔并设一短节,通过该短节与波纹膨胀节连接,波纹膨胀节通过另一短节与法兰 A连为一体,法兰A与法兰B通过紧固件AB联接。法兰C由紧固件BC压紧法兰B的前后密封面与平盖连成整体结构,这种结构不仅便于安装和拆卸,而且能很好地解决管、壳程之间的温差应力。由于原料气预热器的管、壳程压力和温度都较高,设计时将管板、浮头及浮头接管(包括膨胀节部分)按照管、壳程最大压差1.0MPa进行设计,这样既可保证设备安全又可最大程度节省成本。波纹管膨胀节设计参数为,设计压力1.0MPa, 设计温度400℃,材质0Cr18Ni9。波纹管膨胀节结构尺寸为,波根外径510mm,波高50mm,波数6, 层数2,单层厚度2.5mm。根据文献[1],膨胀节位移量按下式确定: e=[αt-(tt-to)-αs(ts-to)]L 式中,αt为换热管材料在设计温度与20℃之间的平均线膨胀系数,αs为壳体材料在设计温度与20℃之间的平均线膨胀系数,10mm/(mm·℃);tt为换热管设计温度,ts为壳体设计温度,to为制造环境温度,℃;L为膨胀节两侧固定端长度,mm。将本例数值代入上式可得e=3.2mm。本例中波纹管的材质为0Cr18Ni9,其[σ]t= 111MPa。根据文献[2]中式(6-1)~式(6-7),可得出内压引起的波纹管直边段的周向薄膜应力σz< 3·9MPa<[σ]t=111MPa,内压引起的直边段加强圈周向薄膜应力σc<13·7MPa<[σ]t=111MPa, 内压引起的波纹管周向薄膜应力σ2=40·3MPa< [σ]t=111MPa,内压引起的波纹管经向薄膜应力 σ2=8·47MPa<[σ]t=111MPa,内压引起的波纹管弯曲应力σ3=111MPa,轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力σ4=1·53MPa,轴向位移引起的波纹管经向弯曲应力σ5=85·6MPa。组合应力σp= σ2+σ3=119·47MPa<1·5σts=184·5MPa,σR= 0·7σp+σ4+σ5=129MPa<2σts=246MPa。按照上述计算结果,该膨胀节满足强度要求,能够承担管、壳程产生的温差应力。经计算选取的原料气预热器膨胀节为ZXW(B)500-1.6-2×2.5× 6(T)。也可以通过SW6、Lansys等压力容器强度计算软件进行设计校核计算。其余元件按照文献[1~3]中的有关规定进行强度计算和设计。 4　结语对于单管程浮头式换热器,在管程为高压、高温、温差较大、介质易燃和易爆等工况不能使用填料函的情况下,通过在管程出口设置波纹管膨胀节的结构,可解决传统单管程浮头式换热器的很多缺陷, 满足复杂工艺条件的要求。按文中所述设计制造的原料气预热器———单管程浮头式换热器,既具有浮头式换热器的优点,又克服了填料函式换热器的缺点,结构简单,制造方便,易于检修和清洗,实际运行效果良好。参考文献: [1]　GB151-1999,管壳式换热器[S]. [2]　GB16749-1997,压力容器波形膨胀节[S]. [3]　GB150-1998,钢制压力容器[S]. (杜编)

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