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文档简介
随着石油化行业的迅速发展,换热器在石化行业设备中占着重要的部分和地位。换器是一种实现物料之间能量传递的设备,本设主要是针对的浮头式换热器,头式换热器属于管壳式换热器的一种,是利用壁使高温流体和低温流体进行流传热从而实现物料间的热量传递。在设计的整过程中,严格按照GB150-1998《制压力容器》和GB151-1999《管壳式换器》等标准进行设计和计算。以及对换热器的度,刚度和稳定性的校核。本设计包括个部分:说明部分;计算部分;绘图部分和翻部分。说明部分主要阐述浮头式换热器的工艺流程及其在炼油化工生产的地位,换热器设备及其发展状和国内外换热器的最新发展趋势,同时介绍换热器的结构设计,换热器主要部件结构的设计及压力容器常用材料等。最后压力容器的制造,检验和验收问题也作了简单的介绍。计算部分主要针对筒,封头,和法兰进行了详细计,并对其进行了水压试验校核,还对换热器的板,折流板,鞍座等进行了相的设计计算。除此之外,还参阅相关的设计手及大量的文献,完成了各个零图的绘制,还对两万字符的外文进行了翻译等作。因此,这是份比较具有创性的毕业设计。关键词:浮头式热器;筒体;压力试验;校核1
AbstractWiththeoilofrapidofindustry,inpetrochemicalindustryanimportantpartexchangerbetweenofequipment,foroffloatingheadheatexchanger,headheatexchangersareheatuseofpartitionsthatfluidandfluidforconvectiveheattransferintoachieveheattransferbetweenIntheofwholeinstrictwithPressureandGB151-1999"shellandheatexchanger"andstandardsfordesigncalculation.welltheheatoftheincludesthatpartofit;part;mappingandofNoteonsomeofmainheadapplicationintheprocessofrefiningtheofchemicalexchangerandofandheatexchangersabroadtrends,attheintroducedthestructureofheatexchangerdesign,heatexchangerdesignoftheofthecomponentsandcommonlyusedmaterials.Finally,andacceptanceofissuesmadebriefintroduction.forofthecarriedadetailedcalculationflange,2
hydraulictestalsoontheheattubesheet,asdesigncalculation.Inaddition,relatedmanualsandlotofmappingofvariousparts,butalsoonthe20,000foreign-languagecharactersforwork.Therefore,itaofgraduateswithdesign.Keywords
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Floatingexchanger;3
1言..........................................................11.1管壳式换热器的分类..........................................11.2管壳式换热器的结构..........................................21.2.1管束....................................................21.2.2壳程....................................................31.2.3管子排列方式..........................................31.2.4管板....................................................31.2.5折流与折流杆..........................................31.3管壳式换热器相关分析........................................1.3.1传热数................................................1.3.2平均差................................................1.3.3流体速................................................1.3.4流体降................................................1.3.5振动....................................................41.3.6其他....................................................41.4提高管壳式换热器传热能力措施..............................1.5管壳式换热器工作原理........................................1.6管壳式换热器的发展..........................................71.6.1板式承结构的发展......................................71.6.2杆式承结构的发展......................................74
1.6.3空心支承结构..........................................81.6.4管式支承..............................................91.7管壳式换热器特点...........................................101.8管壳式与其他换热器的比较...................................111.9腐蚀与防护.................................................1.9.1换热腐蚀的原因.......................................141.9.2管壳换热器的防腐措施...............................161.10换热设计软件简介........................................191.10.1HTFS...................................................1.10.2HTRI..................................................211.10.3ASPENB—JAC.....................................221.11结语.....................................................232计部.....................................................242.1浮头式换热器筒体的计算:...................................242.1.1计算件242.1.2厚度计算242.2前后端管箱封头的计算.......................................252.2.1设计件252.2.2厚度算252.2.3压力验应力校核.......................................262.2.4压力验应力校核.......................................275
2.3带法兰无折边球形封头及法计算.............................272.3.1设计件272.3.2厚度算282.4管子排列方式的设计.........................................312.5开孔补强的计算312.5.1筒体孔所需的补强积要求.............................322.5.2在有补强范围内作补强的截面积.......................2.5.3选择强圈补强.........................................332.6外头盖法兰厚度计算.........................................332.6.1设计件332.6.2厚度算342.7管板的厚度计算382.7.1设计件382.7.2计算参数392.7.3厚度算412.7.4校核热管轴向力.......................................423致
谢......................................................454参考献....................................................466
1前言换热器是一实现物料之间热量传递的节能设备,在石油、工、冶金、电力轻工食品等行业应普遍在炼油化工装置中换热器占总设备数量的40%左右,占总资的0%~45%。尤其换热器在化生产装置中应用十分广,是化工操作元中的重要组成部分。随着工业装置的大型化高效率化,换热器也趋于大型。目前在大型化工生产装置中,各种换热设备数量占工艺设备数量的30%以上。因此,了解换热器各方知识是很有要的。换热器种类多,形式各异,如管壳式、釜式、板式、板翅、螺旋板式、空冷器、套式、蛇管式、升降膜式等。由于管壳式换热器于制造、适应性强、处理量大、本较低以及可供选用的材料范围广泛,仍是当应用最广,理论研究和设计技最完善,性能可靠的一类换热器,所以这里我重点研究这它们。管式热的类根据管壳式热器的结构特点,可分为固定管板式、浮头式U形管式、填料函式及釜式沸器等五类,每种结构形式各自发挥不同的作。固定管板式热器它结构简单、紧凑、造价低,往往是管板法兰,适用于管、壳程温不大或管、壳程温差大,但压力不高,壳程介干净或虽结垢但通过化学清洗清除的场合。其主要缺点是当壳体与管子的壁或材料的线膨胀系数相差较大,在壳体与管中将产生很大的温差应力。浮头式换热管束一端的管板可以自由移动,不受温差应力影响,其结构复杂,内浮密封困难,锻件多,造价高。维修时可拆卸浮,抽出管束进行检修或更换,用于管、壳程温差大但工作压力不超过10MPa的工况,缺点需要7
抽出管束。有一种浮头式换热器也称为填料函式换热器,管束可自由伸缩,壳程和管程可以拆开清洗,结构简单,适用管、壳程温差工况,但其耐压、耐温及密封力差,目前只是在低压与小直径的场合下使用U形管式换热器管束可自由伸缩只一块管板密封面少管束与壳体分离,消除了温差力,可抽芯检修更换。适用场合为管、壳程温大,高温,高压。壳程需抽芯洗,要求管内介质干净或虽会结垢但通过化学洗能清除。其他类型就不予解。管式热的构图1.管壳式热器示意图管束在管壳式换器中最简单的是单管程的换热器,如需增加传面,一般采用增加管数的法,管数增加后可将管束分程,以防止管数增后引起管内流速以8
及传热系数降低,从制造、安装、操作的角度考虑,一般用偶数管程且程数不宜太多。壳程图2.列出几种代号的壳程型式。E型是最通的一种,壳是单程的,程可为单程也为多程;F型为二壳程的换热,是在壳体中入了一块平于管子轴线方向的向隔板;G型也为二壳程的换器,纵向隔板管板的一段开使壳程流得以分;H与型相,但进出口接与向隔板均多倍图2.换热器壳程型式管子的列式管子在管板的排列方式最常见的有种:正三角排列、转正三角形排、正方形排列转角正方形排列。管板管板是换热的重要部件之一,用来排布换热管并起着分隔程、壳程空间的作用。薄板有着节省材料的优点,是用于中、低压换热中;椭圆形管板与换热器的壳接在一起,受力条件较好,适用于高压、大直的换热器。折流板折杆折流板体有于提高壳程的流速,增强湍动,改善传热,在式换热器中起支承管束的用。常用的折流板有单弓形、双弓形、三重弓等。折流杆是一种9
新型支承管的结构,其优点:在传热量相同的情况下,其力降比弓形折流板的换热器降50%以上没有传热死区垢速率慢防止了横向流诱发的振动。管式热相分传热系在管侧热阻壳侧热阻、污垢热阻和管壁热阻中分析导致热的主要原因。一般管壳式热器的管壁热阻在总热阻中只占很小的比例,传热系数影响不大。如是管侧热或壳侧热阻起决定作用,应该采取措施有效地强湍动效果以提高传热系数,是污垢热阻起决定作用,应该采取措施使换热有效除垢以提高传热系数。平均温平均温差是数平均温差,但当多管程或多壳程时,需要修平均温差。流体流一般流体流都有合理的范围,特别是对于甲类和乙类流体有安全流速,因此要分析速是否合理,操作安全性是否可靠。流体压其实流体压与流速有密切关联,要分析压降是否合理,是满足工艺要求。振动振动对于操的安全性十分重要,因此对振动的分析也必不少。其他换热器的长比、介质走向、防冲板的设置、折流板间距、热器清洗等问题也要在设中加以注意。10
经过结果分后,一切参数均能满足工艺要求,换热器的工设计才能完成。提管壳式热传能的施管壳式换热的传热能力是由壳程换热系数、管程换热系数换热器冷、热介质的对数均温差决定的,因此,提高管壳式换热器传热力的措施包括以下几点。a.高管壳式换器冷、热介质的平对数温差。、热介质平均对数温差除直接受冷热介质进出口温度影响外,还受到冷、热介质流动方向和换热流程的影响。换热器冷、热流体的温度沿传热面变化时,两流体逆流平均温差最大,顺流均温差最小,在实际换热器设计中,冷、热流多采用交错流方式,其平均对数差介于逆流和顺流之间。因此,应尽量增加换器冷、热流体的逆流比例,提冷、热流体的对数平均温差,提高换热器的传能力。b.理确定管程壳程介质。在换热设计中,对壳程安装折流板的换热器来说,Re>100,壳程介质即达湍,因此,对流量小或粘度大的介质先考虑作为壳换热介质;由于管程清洗相对于壳程清洗要容,因此对于易结垢、有沉淀及杂的介质宜走管程;从经济性考虑,对于高温、压或腐蚀性强的介质,作为管换热介质更加合理;对于刚性结构的换热器,冷、热介质温差大,因壁面温度换热系数大的介质温度接近,为减小管束与壳的膨胀差,换热系数大的介质壳程更加合理,而冷、热介质温差小,两介质热系数相差大,换热系数大的质走管程更加合理。c.用强化管壳换热器传热的结构施。在换热设计中,通常采用强化传热的措施提高换热器的传热能力。强化传热的常用措施:采用高效能传热11
面、静电场化传热、粗糙壁面、搅拌等。管式换热工原图3为固定管板式换热器的构造。A流体从接管流入壳体内,通管间从接管2流出。B流从接管3流,过管内从接4流。如果A体的温度高B流体,热量便通过壁由A体传递给体;反之,通过管壁由B体传递给体。壳体以内、子和管箱以外的区域称为壳程,通过壳程的流称为壳程流体(A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成通常壳体为圆筒形;管子为直管U形管。为提高换热的传热效能,也可采用纹管、翅片等。管子的布置正上面所提到的有等边三角形、正方形、正方形转度同心圆形等多种形式前3种为常见。按角形布置时,在相同直的壳体内可列较多的管子,以加传热面积,但管间难以用机械方法清洗,流阻力也较大。管板和管子的总称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀两种。在管束中横向设置一些流板,引导壳程流体多次改变流动方向,有效冲刷管子,以提高传热效能,时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、形和矩形等。为减小壳程和管流体的流通截面、加快流速,以提高传热效能可在管箱和壳体内纵向设置分隔板,将壳程分为程和将管程分为程、程、程和8等。管壳式换热器的传系数水水换热时为400~2850瓦每方米每摄氏W/(m(℃)用水冷却气时,为10~280W/(m(℃);用冷凝水蒸汽,为570~)。12
管式热的展板式支结的发展传统的管壳换热器采用单弓形折流板支承,由于壳程流体转折和进出口两端涡流的留区易产生传热死区,传热面积无法得到充分用,并且当流体横向流过管束,流体在管子后方形成的卡门旋涡产生周期性变应力,使管子发生流体诱导动。为了使折流板性能得到改进,人们又出了多弓形流板、整圆形折流、异形孔折流板、网状板,偏心孔折流板。这新型折流板支承结构的出现主是为了使流体由横向流动变为纵向流动,从而可能消除死区,使得传热综合能得到提高,也使得管束的抗振性能得到增强杆式支结的发展美国菲利浦油公司于2O世纪O年代,为了改进板式热器中管子与流板的切割破坏流体诱导作用,开发了壳程流体纵流折流杆式热器,即在管子中插入网杆,仅解决了诱导振动问题,也使传热效率得到了高。这种壳程流体13
纵流折流杆换热器与传统的板换热器相比,具有传热率高、流体力小、有效消除流诱导振动的优点,且不易结垢、质量轻、使用命长、设备投资及操作费用低优点。因此世界各对该类型的换器进行了深入的研,出现了一种新的振结构的直扁钢条;后来又有一些单位把圆杆成波形扁钢;由于圆杆在安装比较闲难,又有一些单位提出了把圆杆变为椭截面的杆。空环支承构空心环支承(图4)是华南理工大化学工程研究所邓先和首先研究的它是由直径较的钢管截成短节,均匀分布在换热管之间的同截面上,呈线性接触,在紧固置螺栓力的作用下,使管束对紧密固定。由于体纵向冲刷管束,因此壳程具流体阻力小、传热性能好及抗振能力强等特点研究表明,当支承同样的强化束横纹管束),空心环支结构更能使粗糙管束获得更好的强化效果,在等壳程条件下给热系数高50%上,并且壳程压力更小。空心环支承的绕流作不如折流杆支承,而且管束固定工艺相对较复。图4.空心环撑结构14
管自支承管子自支承共同特点是靠管子自身变形的突出部位相互支,无需其它支承物。因此管子排列紧凑,单位体积内的换热面积增大,子间距小,可提高壳程流速,承点干扰流体并分割流体边界层,从而增强湍度,使传热边界层减薄。传热的截面形状的变化对管内、外流体的传热都具强化作用。管式自支承结构主有三种形式:刺孔膜片式,螺旋扁管式和变截管式。(1)刺孔膜片式(图5a)在每根换热管两侧相距180开沟槽,沟槽嵌焊冲有孔和毛刺膜片。膜片上的毛刺具有扰流作用,增大了流湍流程度;同时,使得流体通i实现了合。由于刺膜片嵌焊在管壁上,是管壁延伸,增大了单位积的有效传热面积。刺和孔不断使换热表面上边界层更新,使层流厚度减薄提高传热系数,壳程流体完全纵向流动,阻力要是液体的粘性力,因此壳程压变得很低。(2)螺旋扁管式(5b)。把圆管轧制或圆管扭曲成一定导的螺旋扁管靠相邻的管长处的点接触支承管子。壳程流体大体上呈纵向动,同时伴随有横向螺旋运动这种流速和流向的周期性改变加强了流体的轴混合和湍流度。同时,流体流相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾,增加了流体自身的湍流度,坏了流体在管壁上的传热边界层,从而强化了热。(3)变截面管式(5c)。变截面管是普圆管压制而成的,隔一定间距子被压制成互0度三角形布管0度正方形布管扁圆形截面。这种管通过变径部分的接触支承管子,同时组成壳程的绕流元件。因,管子排列紧凑,单位体积内换热面积增大。由于管问距小,使得壳程流速以提高,从而增强15
湍流度,使管壁上的传热边界层减薄。同时,换热管的截形状的变化对管内、外流体的传都具有强化作用。图5.自支承及其自支承结构总体来说,壳式换热器的发展总体上是支承形式的发展,板式支承到折流杆式支承再到空心环支承,最后到管子的自支承当然其也有交错发展的情况。随着支形式的发展,管壳式换热器的壳程给热系数呈不断提高的趋势,压降呈现不下降的趋势,换热器的传热综合性能得到很大提高。从管壳式换热器的发展知,新的支承结构的出现,绝大多数是为了使体的流动方式尽可能变为纵向,这样有利于管程和壳程的热交换,从而提高热系数,同时伴随着压降的降,使得传热综合性能得到很大的提高。管式换热特16
管壳式换热是换热器的基本类型之一,19世纪80代开始就已应用在工业上。这种换器结构坚固,处能力大、选材范围广适应性强,于制造,产成本较低,洗较方便,在高温高压下也能适用。但在传热能、紧凑性和金属消耗量方面及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器高效能换热器先进。管式与其换器比这里我们主研究管壳式与板式换热器的不同点。(1)流动热设计比较管壳式换热的管子是换热器的基本构件,它为在管内流过种流体和穿越管外的另一流体之间提供传热面。根据两侧流体的性质决管子材料,将具有腐蚀性,水差的介质放在管内流动,水质较好的介质放在子外壳侧,这样管子只需采用海水腐蚀的铜官或钛管,同时清洗污垢较为方,管径从传热流体力学角度考,在给定壳体内使用小直径管子,可以得到更的表面密度,但大多数流体会管子表面上沉积污垢层,尤其管内水质较差,能会在管壁上形成沉积物,将热恶化并使定期的清洗工作成为必要,管子清限制管径最小约为Φ17mm对给定的流体,污垢形成主要受管壁温度和流速的响,为得到合的维修周期,内侧水的流速应在左右。对管壳式热器,应根据质含杂量情况需设置球清洗装置进行定期清洗。板式换热器两种热交换介质分别在波纹板的两侧对流,波采用人字形波纹,这样既强了刚度以防止板片受压变形,同时也增强了体的湍流程度,并加大了传热积。这些传热板的波纹斜交,即在相邻的传热上具有倾斜角相同而方向不同波纹。沿流动方向横截面积是恒定的,但是由流动方向不断变化17
致使流道形改变,而引起湍流。板片是传热元件,一般由0.6~0.8mm的属板压制成波纹,传热板的波纹深度为3~湍流区流速约为3~0.8m/s,相邻板间要有多接触点,以承受正常的工作压力,相邻的板相反方向的人字形沟槽,两种槽的交叉点就形成接触点,这样还可消除振动并且在促进湍流和热交换的同,消除了由于疲劳裂缝引起的内部泄漏。人字波纹板湍流度较高,高湍流还能分发挥清洗作用,可以特别有效的将沉积污垢至最小,但是波纹板的接触点多,当液体水质差,含有悬浮的固体颗粒、杂和水草等时,由于板间隙很窄所以要尽可能地保证将所有mm以上颗粒在进人换热以前,都要过滤掉,假如滤网不能有效地发挥作用,容易发生堵塞。(2)传热系数的比较管壳式换热中,一种流体横向掠过管子通过管壁与管内流的另一种流体彼此垂直交流动其传热系数k值一般为1000~3000w/(mk)板式换热器中,冷却水侧与冷却水侧流动均匀湍流,两种流体逆向流动,于波纹的作用引起湍流,从而生高传热率,并抑制了污垢在传热面上形成。传热系数一般为3500w/(m2.k),故传热系数高,阻力损失并不大。此外,污垢热阻也较小。(3)占地面积比较用于同一工的板式换热器的占地面积,约为管壳式换热器五分之一左右,这是因为板换热器的总传热系数高,减少了换热面积,并板式换热器本身结构紧凑,单体积内的换热面积,约为管壳式换热器的2倍又不需附加检修场地。18
(4)多种介质换热管壳式换热不能进行多种介质操作。在一台板式热器中,只要设置中间隔板,就可以进行多种质的换热,这一特点是管式换热器难以达到的。乳品、饮料行业中,利板式换热器这一优点,可用同台板式换热器来实现加热、杀菌、热回收等几操作。另外,可根据需要用调板片数目的办法来增减传热面积,或利用板片列方式不同来调节流道长短的法,来适应冷热流体流量和温度变化的要求。(5)对数平均温差△t
1m冷、热流体板式换热器的板间流动,是平行的流动,且一可以设计成逆流的方式,此温差修正系数高于管壳式换热器以错流为主流动方式的温差修正系数,其果是板式换热器的对数平均温差大于管壳式换器。(6)末端温差的比较末端温差是一流体人口温度与另一流体出口温度之差。管式换热器传热末端差难以到5℃以下。板式换热器流道是相互平行的,一程内的流体(程有多个流道)虽流量分配并不十均匀,但程与程之间不会有短路、旁路等现象流体在流道内的运动不会有任影响末端温差的现象。由于它的结构特点可以济地做到低至l的端差。(7)水量比较管壳式换热一般冷却水量和被冷却水量之比为1.2~2.5:1。板式换热器由于种介质流基本相同且传热效率高,因板式换热器大19
大降低冷却量,一般冷却水量和被冷却水量之比为~1.1:1,这样可以降低管道阀门和的安装运行费用。(8)安装检修的比较管壳式换热是由管束组成,自身重量体积都较大,在检修管时需要留出管束一样长距离,故占地较多,还需配备必要的起吊检修施。管壳式换热器的设计寿命般为30年,大修周期4年当换热器发泄漏时,(可是管子与管板间的泄漏是管子破裂引起的泄漏)以采用堵管办法在短时间内恢复工性能,管壳换热器允许有%的堵管裕。对于管内的清洗可以根据需要采用胶球清洗装置行定期的机械清洗。板式换热器有体积小,重量轻的特点,检修方便,不需设修起吊设施,故安装占地少。板式换热器的人工维护包括将整机折开,喷水枪和刷子清洗板和垫片,查板片和垫片,如有必要,更换板片和垫片。式换热器一般每年要清洗1次,并且无论是否实际需要都要。当应用河水、海水等水质较差的冷水时,由于沙和污物的存在,以及微生物的快速生长有引表面污染和堵塞的危险。在国,应用河水作冷却水时,清洗频率很高,平均年3.3次。腐与护换热器蚀原因管壳式换热和板式换热器腐蚀的类型基本相同,如表1所列。由表可见换热器中最严重腐蚀隐患之一是孔蚀,在换热管内常会产生由于污垢附着而引起的孔蚀。孔产生的原因多与卤素有,特别是Cl-和含l的离子,其以CuFe、等金属的氯物危害最为严重。介质的流动条件和管子的表状况也影响孔蚀的20
产生,介质流速高可以消除局部地方高度的Cl-从而降低腐蚀的倾,子表面光洁可增强耐孔蚀的能力。对于采用胀形式的接头,由于胀过程中存在残余应力,已胀和未胀段间的过渡区,管内外壁都存拉应力,应力腐蚀非常敏感。一旦具备发生应力腐蚀的温度介质条件,换热器就会发生应腐蚀破坏。应腐蚀破裂是于腐蚀和拉应力的同作用而造成的材料断裂。只有当拉应力超过体系的临界压,才会产生应力蚀破裂。腐蚀介质和循环应力的共同作用也能成腐蚀疲劳。如果换热器中的质是电解质溶液,氢以原子状态在金属表面析出,金属内部渗透,就会有氢破的可能,既可能产生鼓泡,又有可能导致氢。21
含固体悬浮的液体容易产生冲刷腐蚀,被冲刷腐蚀的部位常典型的沟状、洼状或纹状等外观特征。换热器入口管端,就在冲刷腐蚀,发在管壳式换热器管程体入口部分,距传热管管端3~4倍管径长度处。我国换热器接头多采用焊接形式,管子与管板之间存在间隙程介质进入到间隙死角,就形成缝隙腐。在换热器中,垢的附着部位也会产生缝隙腐蚀。缝隙腐与介质在这些部位的滞流有关。缝隙腐蚀与孔的机理相似一般出现孔蚀的地也常有缝隙腐蚀发生。缝隙腐蚀和孔蚀都有一孕育期,一旦过了孕育期,速度就会逐步增加。换热管若采奥氏体不锈钢管,如果在450~850℃温一定时间,造成敏化,使不锈钢具有晶间腐蚀的倾向,这可能与晶间的“贫铬”关。管式换热的防腐措施(1)操作工艺控制换热器开车,首先用喷管容器内的气体和冷凝水全排出,后将冷流体,关入口,后缓慢注流,注要使加热速度超过0.06℃·s使长度方向温度梯度不大于℃·m-1,总之,应尽量使导入流体而形成的子与壳体之间的热膨胀差为最小。停车时,应先热流体流速渐减小至零,后快速停止流体流动,样可使冷却程中的不等量收缩至最小。停机后,干燥的压缩气将换热器中的所有流体排出。样的开停车序,以将拉应力降最小,避免产生应力蚀。在换热器运中严格控制操作条件,免骤冷骤热导温差应力,生应力腐蚀。采定期清洗的方法降低污垢腐蚀。在运行中,可规定的时间内,瞬22
时增加流速操作,或者采用流清洗的操作,可用化学清的方法;停工时可采用喷射洗、机械清洗和化学清洗的方法。(2)维修工艺控制在试压或操中发现接头泄漏时,对接头胀管修复慎重。胀管对周围的管子也要行再次胀管,以形成间隙。管子泄漏采取堵管方也应慎重可以更换管时尽量换管,以免造成很大的温差应力导致应力腐蚀。保温层破损尽早使用防水分的施工方法修免壳体外积水分,腐蚀壳体。化学清洗清除换热器污垢时清后需将残留排出,因残留液会腐蚀换热器,换器长期不用也要在换热器清洗后,将残留液完排出。为避管端磨损冲,可用尼龙衬套防护(3)水处理工艺控制在循环冷却水中,可添加缓蚀剂降低腐蚀。通常将阻垢散剂、杀菌藻剂与缓蚀剂用,称水质稳定剂CrO2-4是种阳极抑制,与当的阴极抑剂合用时,可得到满的防腐蚀效,因此,常在水系统中使。铬酸盐-锌聚磷酸盐处理冷却,常于低碳钢、锈钢、海军铜和铜镍合金换热器,但不能用铝合金制换热。水处理方法还有软化、除氧、除铵、除磷酸及硫等,以控制水中的pH值和氧含量,以腐蚀。(4)电化学保护电化学保护为阳极保护和阴极保护。阳极保护多用于换热中工艺物料一侧。阳极保即通过外加电流使金属电位向正向移动,促使金钝化以进入化区,可以大大降腐蚀速度。硫酸工业中已广泛使用配有阳极保的不锈钢换热器。23
在人造丝生中使用了阳极保护来防止钛制换热器的腐蚀。极保护常与保护性涂层联合使,如用淡水的冷器采用富锌涂料,与极保护联合用,简了辅助阳极的置,降所需的电流,得了很好的效果,认为是最经济的防腐蚀方法。大型热器常采用外加电流阴极保护,小型海水换热器多用牺牲阳的阴极保护。(5)设计、制造及安装工艺控制设计时应将汽放在管程侧并避免高速气体流经壳程。因为汽的冷凝液中溶解有O2和CO2,具较强的腐蚀性。安制造时管排略微倾斜,以便冷凝液及时排出。1.9.3板式换器的防腐蚀施板式换热器防腐蚀措施除可以采用以上方法外,还可采用以措施:(1)设计板片的成模时,采用残余应小的结构。板片的波纹断面、波纹的高度节距要合理。所有断面要圆弧过渡,钦圆角一般在R2~R2.5。为减小内部残余力,应采用整体切边高频振荡等措施。(2)为减轻对板片面的划伤对模具表面行抛光。成形时要涂润滑剂或加润滑,以减轻对板片的划。(3)板片与垫片的结剂,要采用过期和含有Cl-的结剂,防析出Cl-而引发腐蚀。(4)选择正确合理的板片结构正常速一般板平均流速为0.2~0.8m·s-1(主流线上的流速要比均值高倍)。流速低于0-1时流体达不到湍状态且会形成较大的死角区。正确合理选用流,也可减轻入口的板片腐蚀。24
(5)增加板片触点接触率,减磨振对触点破坏。人字形波纹板片的两相邻板片相倒置组合后纹相互接触在1~1.6cm2的积内(视波纹节距而定)就有一个支,且分布均匀,所以板片触点触率较高。水直波纹的支点较稀。日阪制作的X型板片,为了增支点,研制出格子状的平平直波纹板片。(6)板片换热器的封垫片也是键的零部件。取密封周边的长度(m)是热面积(m)的6~8倍。于在板片和密封压板的边缘,垫片沟槽和垫片之间存在缝隙造成缺氧形阳极而发生腐蚀破坏。所以垫片槽和垫片形状设计要合理密封垫片的截面必与板片沟槽截面吻合。目前密垫片广泛采弹性橡胶材料,对其力学性能和腐蚀性能有一定的要求,永久压缩变量控制在<20%,并热时效。垫片和板片夹后要尽量减少缝隙。这类垫片槽一般采用“粘型”密封结构。目前还发展易装卸的“按扣”和“搭扣”密封结构,可直接扣在板上,定位正确、牢,无需粘结剂此密封结构借助弹性材料的过盈量将其压紧总之设计合的密封结构和垫片形状可减少缝隙腐蚀。总之,随着热器应用领域扩大,介质多种多样这就需要研制更多的能抗各种介质腐蚀板材,并采取前几方面的防腐措施才在各行各业广泛应用使换热器发出更大的经济效益。换器设计件简介在初步选定热器形式后,就要确定换热器的几何参数。目国内使用的换热器计算软主要是HRFS(HeatTransferHuidHow和TRI(HeatTransferResearchInc.),也可以应用SPENPLUS中的B—JAC对换热器进行计、核算和拟,此外还有如换热器设计大师等。25
(1)软件介绍HTFS是英国热及流体流动学会推出的两相流管壳式换热器算程序。可以进行冷器、冷凝器、加热器、再沸器或冷凝冷却器、热器等不同作用的管壳式换热的计算。该程有三种计算模式设计型(DESIGN)校核型(CHECK)模拟型(SIMULATION).①设计型,一定限制条件下按面积最小进行设计.②校核型,算已知换热器是否能满足换热要求,计算结果实际面积/所需面积③模拟型,拟已知换热器,在给定的两侧流体的人口条件,模拟物料的出口条件。HTFS程序壳体形式为TEMA标准的、、J、和K型;管子有管和翅片管种类型,管数为~16折流板有单形、双弓形、无折板和折流杆多种形式。在EMA标准中有R和B三级别的管壳式换热器:①R适用于石油相关工艺工程中一般严格要求的非直接受火的管壳式换热器;C级适用于工业般工艺过程的等程度要求的非直接受火的管壳式换热器;③B适用于一般工过程的非直接火的管壳式换热器。根据具体情来选择不同级别的换热器。(2)应用26
在进行换热设计时,一般先用设计型初步计算出合适的换器形式和规格,然后经过圆,选择具体的换热器的几何尺寸,用校核型进核算,计算结果中实际面积/所需面积般为1.1~1.2。经核算表明完全满足工艺要求并具有良好传热性能的换热并不能保证操作中的安全,因为在换热器中流体流动可能会引起管子的动,进而引起换热器的机械故。因此还需对所选换热器进行振动计算,这就要用到该程序的模拟型计算模。如有明显的振动则需调整换热器的某些几何数甚至改变其结构形式,经过复的性能核算和振动计算,直至传热性能和振这一机械性能同时满足要求,热器的工艺设计才算完成。HTFS序中有常用分的物性数据库,计算时可根物料组成的不同利用数据库中的性数据,如数据库不足或数据不够准确,用户可自己输入物料的物性数据进计算。1.10.2HTRIHTRI美国热传递究公司推出换热器算程序,可进行管壳式换热器、板式换热器套管式换热器、加热炉、空冷器、螺旋板式换器等不同形式换热的计算。HTRI序中壳体形为TEMA准的E、G、、J21、和K,换热管有光管、低片管、纵向翅片管和维兰德“GEWAKS管等多种形式,管程数为~16折流板形式弓形、双弓形、窗不布管形、杆形、螺旋板形、双螺旋板形等多种形。同样HTRI程序有设计校核模拟三种计算模式使用条件和方法TFS27
程序基本相。的性数据库比丰富,它有一余种常用单组分和合物的物性数据同时也能使用用户自定义物性数据。B—ASPEN—JAC是ASPEN工程软件包一部分,该软件包是一套用于工艺过程设计模拟及析的综合工具由三个程序组成的集成软件ASPENHETRANASPENAEROTRAN和ASPENTEAMS。ASPENB—程序用来设计在成本和性能方面最有效的热器。程序提供详细的投资本估算,包括材料及建筑成本。换热器部件的计与国际设计代码是一致的。计计算结果和图形可以直接给制造者用来换热的制造。ASPENB—程序供了一整套工具用来设计、核算及模各种管壳式、空冷式换热器ASPENHETRAN和ASPENTEAMS能够模拟所有主要TEMA管壳式换热器的加热、冷及蒸发过程。ASPENAEROTRAN能够模拟矩形管束换热器括强制式或吸入式空器以及加热炉及烟气节能器的对流段。ASPENHETR和ASPENAER0TRAN有三种用方式:①设计方式,程序搜索满足热负荷定及操作约束的最佳换热器;②核算方式,它于核算在指定操作条件下换热是如何表现的;③模拟方式,它确定在使用了有传热面积情况下,冷热侧流体口状况。ASPENHETR和ASPEN有个高级的优算法能够找到满足所有工艺要求的成本最低的换热器。程序可进行详细的成本计。用户可以交互式分析优化路和评价可选的设计方案。ASPENTEAMS做一个完的机械设计括综合应力分析及外部载计算,它28
括详细的代依从计算,详细材料及人工成本估算、比例放制造图。ASPENBJAC程序SPENPLUS集成在一起,使得用户可以在ASPENPLUS程中输人一ASPENB—JAC模型ASPENPLUS集使得用户能够确定换热器瓶颈预测当工艺件发生变化的换热器的性能,降低维护费用。热器的性能是根据在ASPENB的人文件中指定详细的换热几何尺寸以及用船PLUS提的物流及物数据来计算的。流程结果可从PLUS中浏览,详细结果可以从ASPENB—JAC中浏。结换热器是石、化工中重要的热工设备,其中管壳式换热器发展已经取得了巨大进步我们在了解管壳式换热器各方面性质后,也应注意到设计过程中可能出现的题,在实际应用过程中,还应该结合工程实际况,辅之以工程经验才能设计更合理的换热器,使设计的产品向安全、经济方向发展。29
2设计部分浮式热筒的算计算条计算压力:Pc=2.45mpa内径:Di=700mm材料名称:Q345R
设计温度:°钢板负偏差C1=0.3mm腐蚀裕度:C2=2mm操作温度许应力
]=170mpa设计温度下用应力
[
]t
=170mpa常温下屈服度=345mpas焊接系数=0.85厚度的算计算厚度:
PcDi2[tPc1700.852.45设计温度:
5.987.98mmd名义厚度:
mm有效厚度:
压力试应校核试验类型:压试验水压试验校PT
1.25P[170[t30
3.06
P(Die2
2.5(7007.7)
114.8
[t
170144.5
前端箱头计设计条计算压力:
P2.45MPa内径
D
i前
=700mm
D800mmi设计温度:200C°
材料名称:Q345R腐蚀裕度:
2mm2
钢板负偏差
0.3mm1常温下许用力
[
]170mpa设计温度下用应力:0.85焊接系数:
[
]
厚度计A前Di
Di2hi根据化工设手册查表得椭圆形封头形状系数计算厚度
KPcDi7005.95mmt231
TT设计厚度:名义厚度:有效厚度:
5.95mmdmm1mmn12压试验应校核类型:水压验允许最大压[]w
2[t0.85eKD700ie水压试验校1.25P[1.252.45C[tB后
3.06mpa<[P]wDii
i根据化工设手册得:K=1设计厚度
KPcDi6.8mmt22.45设计厚度:
d
6.88.8mm2名义厚度:
mmnd32
有效厚度:
e
n
7.7mm12压力试应校核类型:水压验允许最大压:[P]W
2[t20.857.7eKD7.7i水压试验校P
1.25P1.25170t
mpa带兰折球封及兰算设计条设计压力:
MPa
设计温度:200C°法兰厚度:
f
90mm
封头材料:Q345R许用应力:
[
]
法兰材料:16MnⅡ法兰材料设温度下许用应力:
[]135mpaf法兰常温下用应力:
[
]150mpaf螺栓:双头柱M24-220螺栓材料:40Cr螺栓材料常下许用应力:
[
]=212mpa设计温度下用应力:焊缝系数:
[
]b
180mpa33
00厚计算封头半径:R600mmiA.管程压力封头厚度
5600ii8.48mm6[t60.85设计厚度:名义厚度:
dn
mmB.壳程压力封头厚度封头有效厚:
7.7mm封头外径:R6007.700.125A=查图6-5得B=158封头许用外B158[]C.浮头法校核设计
浮头法兰厚
f
90mm
。球冠型封的外壁与法兰内壁交点距离法兰表面的距离l=16mm。管/壳程设计压力法兰材料16MnⅡ
P2.45MPa垫片外径
G0
垫片内径:
D668mmGi垫片系数m=2.5
垫片比压力y=20mpa34
aa垫片密封宽
(D)Gi
6mm垫片压紧力用中心圆直径
D
DG0Gi
垫片压紧力预紧状态下要的最小垫片压紧力F3.14Dby680G操作状态下要的最小垫片压紧力bmP6.286802.45156937.2GC螺栓载荷预紧状态下小螺栓载荷W3.14Dby=3.14操作状态下小螺栓载荷0.785D2P6.28DbmCG2.456.286802.45N预紧状态下需螺栓面积256244Aa1208.6mm[]b操作状态下需螺栓面积
2Ap
p[]b
235
AAaAAa所需螺栓面取和的最大值ap
取32个M20螺栓螺栓有效面
17.32234.9mm2实际螺栓总积
4
d
2
3.1417.34
2
234.9mm
2
>A预紧状态下螺栓载荷AA5289.367518W[]2操作状态下螺栓载荷952085.68Np
212N浮头法兰内法兰螺栓圆径法兰外径
D664mmfD730mmbD780mmf0Darcsinf133.4R1nF0.7852.45847953DfiF0.785(D)6642)2.4537438NtGfiF6.28GG36
ffFcotr
cot33.4
L)/2(730664)Dbf)/(33mmfDGLD)//25.75mmGLr
n2
操作工况下兰力矩LFLFpDttGrr1087007282809126080812预紧法兰力NaG管排方的计无缝钢管10材料:
#
19
L6000mm设计温度下用应力:
]t
按正方形旋45°排列由于换热器于炼油化工制品中,流体会给换热器内部留有余物质核材料和本身腐蚀生锈垢,需要用酸洗,因此用正方形旋转45°排列。换热面积换热管外径×3.14×6000×nn=461根开补的算37
筒体开所的补强积要求
)r
—圆筒开孔的计算厚度
=6mm
开孔直径:d=273mm接管材料:Q345R钢[t123[trn
/[A273补强有效宽max(2,d)ntd273546mm
有效高度:
h1
d
t
27350
2补强截面积
Ae
AA1在有效强围内作补强的面积A(f)1eter6.7(100.72)
2接管计算厚:f
Pc3.22[t38
PP接管有效厚:
n
mmh(f)f2tr2et
r50(6.73.2)mm
2mm3
2Amm1选择补圈强参照JB/T4736取补强圈补强圈外径:D=480mm内径:d=273+5=278mm厚度8mmb=D-d=480-278=202mm
2mm实满足补强要管箱采用整加厚补强外盖兰度算2.6.1设条设计压力=2.45mpac设计温度200C°法兰材料16MnⅡ螺栓材料40Cr腐蚀裕度239
垫片:金包垫垫片系数m=2.5比压力:y=20mmGO800Gi0
NDD866800GOGi4
由于密封宽有效密封宽
b6.402.53垫片中心圆径DDb866mmGi厚计算A.垫片压紧预紧状态下FDby3.14531288操作状态下FF6.28DP6.282.52.45NB.螺栓载荷40
appapp预紧状态下byaG3.14N操作状态下W0.75DpG1376500NC.螺栓面积双头螺栓M24×180个数:32
2
D设计温度下用应力:操作温度下用应力:
[]mpa[]b预紧状态下需最小面积531288a2505.8mm[]b操作状态下需最小面积
2WA[]b
1701913.9180
9455
2A2mp实际螺栓面41
aGGGGaGGGGb
4
d83804
2D.螺栓设计荷预紧状态下AWm[2
]b
94552
2121890510操作状态下W1701913.9p法兰力矩预紧状态下bDmPG211226779.6N
915242
TTF22.45NDiC800LL0.523.50.523.5D1MLDDDF2
)0.785(846C
2
800
2
)2.45145620.8NL
DD915G
LLL1G2
MFLNTtT操作工况下兰力矩MMD
11226779.6MPa形状系数Di0
0.3698DK0D800i10查GB150-19989-5,图9-3,9-4,得:43
F0.86f1.7510eHF0.86f1.7510eHT=1.84Z=5.40Y=10.47U=11.51F0.8610U0.01220.28设
f
0.09e
T1.74t1fM1.7502.2323.58001i合格管的度算设计条管/壳程设计压力:P=2.45MPa设计温度200C°腐蚀裕度244
f
管程数:2换热管外径:d=19mm管子壁厚
t
换热管根数:n=461换热管长度:l=6000mm受压失稳长:lmmcr换热管按正形旋转45°排列管间距:s=25mm隔板槽两侧邻管中心距:s25mmn管板上管程程隔板槽深:壳程结构槽:2换热管材料:10钢管板材料Q345R计各参数
mm1管板强度消系数
0.4无量纲压力板区内未被换热管支撑的面积(s)dn管板布管区积
2A246125t管板布管区量直径
245
4At
4293975
612mm垫片外径
DGO
692mm垫片内径
D
垫片密封宽:因为6.40DbGOGimm4所以有效宽b=6mm垫片压紧力用中心圆直径DDGGO
692假设管板名厚度
n
61管板材料在板设计温度下许用应力[tp
[141p'1860002.45P0.02671.50.4两管板内侧换热管长度L'60005878管束模数K'
En0tt146
~~1~~1
1860003.14(1960001907管板刚度消系数
管板材料在板设计温度下弹性模量E186000P管束无量纲度't系数
'1907E'0.4186000(K')/()20.0243/t1D680Dtl厚计算系数C是与管板周边支方式有关的数,用
1
t
和
(')t
/()
查GB151-199923得到C=0.38管板计算厚
CDP0.38612mma管板公称厚47
mm12管板最小厚
min
0.75取管板公称度
n
校换热管向力换热管材料管程设计温度下的屈服点
ts
换热管的回半径i0.25dd00
t
)
2
19
2
2
6.05系数r
2Ps
2186000162
150.5换热管的稳需用压应力L/i900/6.05148.76Ccrr换热管的稳许用应力/i[scr)]r148.76[1]150.54148
1~tcsttCt1~tcsttCt管板非开孔积A2/42939754613.14/4163335mm1t系数
2
49216.360.30A1系数
G
按
1
t
和
(K
t
3/(P)a
12
查GB151-199924得应力校核只有管程设压力时PPP(1ct1[PtA
G][3.1852.45)只有壳程压时
3.2]]tt(1Cst
)2.45MPa[P
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