管壳式换热器的结构设计.pdf

收稿日期2002-05-20作者简介唐淑萍(1965-),女,安徽宿县人,1987年毕业于郑州工学院化工系化工机械专业,工程师。管 壳 式 换 热 器 的 结 构 设 计唐淑萍(南化公司 催化剂厂,江苏 南京 210048)摘要 主要介绍了管壳式换热器的结构设计情况。关键词 换热器;结构设计;管板;强度中图分类号 TQ05115文献标识码 A文章编号 1006-7906(2002)05-0039-03 在换热设备中,应用最广泛的是管壳式换热器,它具有选材范围广,换热表面清洗较方便,适用性较强,处理能力大,能承受高温和高压等特点。管壳式换热器的结构设计,必须考虑诸多因素,如:材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等。在工程设计中,要按其特定的条件进行设计,以满足工艺上的要求。1 管壳式换热器的形式及结构管壳式换热器的形式大致分为固定管板式、釜式浮头式及U形管式等几种。最常见的是固定管板式。该换热器主要由管箱、筒体、管板、列管、折流板、拉杆、定距管以及其他附属零部件组成,见图1。图1 管壳式换热器的结构形式 本文介绍管板及管板与其他部件的连接和折流板结构形式。1.1 管 板1.1.1 管板受力分析管板是一个被密布的管孔削弱的圆平板,被支承在由管束构成的弹性基础上,该平板二侧作用有均布载荷。由于管子的端部是刚性固定在管板上,当管板受介质压力作用产生弯曲变形时,管束中每根管子亦要发生轴向变形,这样管板将受到每根管子的弹性反力1。管板、管束及壳体均是刚性连接,壳体管束的热变形及由介质压力引起的壳壁伸缩会受到管束和管板的约束,从而使管板受到壳体作用的力和力矩。当管板兼作法兰时,除管板对法兰有加强作用外,法兰力矩反过来使管板产生附加力矩。壁厚大于38mm的受压对接焊缝(A、B类)20%超声波检查,级合格。公称直径 150mm的接管与受压壳体焊接焊缝(D类)100%超声波检查,级合格。所有受压焊缝(A、B、C、D类)100%磁粉检查,级合格。裙座的纵、环焊缝20%射线检查,级合格。壳体上所焊的临时附件去除后,其焊接部位100%磁粉检查,级合格。水压试验后所有受压对接焊缝(A、B类)100%超声波检查,级合格。水压试验后公称直径 150mm的接管与受压壳体焊接焊缝(D类)100%超声波检查,级合格。水压试验后所有受压焊缝(A、B、C、D类)100%磁粉检查,级合格。焊后热处理后,焊缝和热影响区进行硬度检查:HB225。4 结 语聚乙烯反应器属第一次在国内制造,难度相当大。无论是成型,还是焊接、热处理,我厂均在事前进行了反复论证,其中一些工艺步骤事先进行了试验,并与意大利方及扬子设计院进行了多次技术探讨。制造工艺和检验程序均由我厂编制,检验程序、焊接工艺评定和焊接工艺由意大利方认可。反应器的制作成功为今后此类设备制造国产化打下了基础。932002年第23卷第5期化学工业与工程技术1.1.2 管板设计a)材料:管板材料应根据工艺介质来选择。b)外形尺寸:管板的外行尺寸应满足工艺等专业条件,同时还应考虑与管板匹配的法兰结构。c)管板的厚度:其应设计压力等参数通过计算来确定。管板与换热管焊接时,管板的最小厚度除满足计算要求外,还应满足结构要求。d)布管:换热管的排列方式有正三角形、正方形和同心圆形,其中正三角形由于管距都相同,在同一管板面积上可排列最多的管数,故正三角形排列方式应用最为普遍。e)拉杆孔:拉杆与管板焊接时,拉杆孔尺寸如图2所示。其值为:d1=d+1,l1=d1其中,d 拉杆直径,mm;d1 拉杆孔直径,mm;l1 拉杆孔深度,mm图2 拉杆与管板焊接结构 拉杆与管板螺纹连接时,螺孔尺寸如图3所示。其值为:l2=1.5dn式中,l2 螺纹深度,mm;dn 拉杆螺孔公称直径,mm图3 拉杆与管板螺纹连接时螺孔结构1.1.3 壳体与管板的连接固定管板式换热器的连接形式是不可拆式,壳体与管板采用焊接连接。由于设备直径的大小、壳体壁的厚薄以及管板的形式(如管板兼作法兰)各不相同,所以必须考虑采用不同的焊接形式及焊接点。由于温度、压力及物料性质各异,所以管板与壳体的结构形式要求不尽相同。对不可拆式的固定管板换热器,有两种形式:一种管板兼作法兰;另一种壳体直径大于600mm时,采用图4所示之两种焊接结构的组合,当壳体直径小于600mm时,壳体两端与管板的焊接形式可采用图4所示之(b)结构,该结构焊接质量易保证,一般允许使用于操作压力4MPa的场合。图4 壳体与管板的连接结构1.1.4 管板与法兰的连接固定管板式换热器的管板可兼作法兰。作法兰时,除要满足工艺规定的密封面形式外,还应按压力、温度选用法兰的结构形式。图5(a)所示之结构形式使用于壳程与管程的操作压力为01.6MPa,且对气密性要求不高的情况下。当气密性要求较高时,可选用图5(b)所示之结构形式,该结构榫槽密封面具有良好的密封性能,但制造要求较高,加工困难,垫片窄,安装不便。一般情况下,可采用凹凸面形式来代替,如图5(c)所示。1.1.5 管子与管板的连接在管壳式换热器设计中,管子与管板的连接是较重要的结构部分。不仅加工工作量大,而且必须使每一连接处在设备的运行中,保证介质无泄漏及具有承受介质压力的能力。管子与管板的连接结构形式主要有三种:胀接、焊接及胀焊结合。(a)平面密封(b)榫槽密封面(c)凹凸密封面图5 管板与法兰的连接结构 胀接:用于管壳之间介质渗漏不会引起不良后果的情况,结构简单,管子易修补。为提高胀管质量,管板材料的硬度要求高于管子端部的硬度,这样才能保证胀接强度和紧密性。结合面的粗糙度对胀管质量也有一定的影响。结合面粗糙,可产生较大的摩擦力,胀接后不易拉脱;太光滑则易拉脱,但不易产生泄漏,一般粗糙度为1215。当胀接时,管端胀成圆锥形,由于翻边的作用,可使管子与管板结合得更为牢固,抗拉脱力的能力更强。当管束承受压力时,则不可采用翻边的结构形式。焊接:管子与管板焊接时,对管孔的粗糙度要求04化学工业与工程技术2002年第23卷第5期 不高,管子的端部不需退火和磨光,因此制造加工简便,焊接结构强度高,抗拉脱力强,当焊接部分渗漏时,可以补焊。如须调换管子,可采用专用刀具拆卸焊接的破漏管,这比拆卸胀管方便。胀焊结合:对于压力高、渗透性强,或在一侧有腐蚀性的介质,为保证不致泄漏后污染另一侧物料,要求管子与管板的连接处绝对不漏。胀焊结合的结构,从加工工艺过程看,有先胀后焊、先焊后胀、焊后胀接及贴胀等几种形式。1.2 折流板折流板是壳程内的主要元件,其作用主要是增加管间流速,提高传热效果。折流板常用的形式是弓形,其他形式也允许采用。折流板的布置:靠近管板的第一块折流板应尽可能靠近壳程接管,折流板缺口应靠近管排或管程间通道的中心线。其它除有特殊要求外,一般在换热管的有效长度上等距离布置。折流板与支撑板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定,其固定形式有如下几种:a)采用全焊接方法,拉杆一端插入管板并与管板焊接,每块折流板与拉杆焊接固定。b)拉杆与定距管固定,拉杆一端用螺纹拧入管板,每两块折流板之间用定距管固定,每一拉杆上最后的一块折流板与拉杆焊接。c)螺纹与焊接相结合,拉杆一端用螺纹拧入管板,然后将每块折流板焊在拉杆上。d)拉杆的一端用螺纹拧入管板,中间用定距管将折流板固定,最后一块折流板用两螺母锁紧并点焊固定。2 圆筒壁厚的确定内压按式S=PDi/2t-P+C计算;真空按外压容器设计。式中,S 筒体壁厚,mm;P 设计压力,MPa;Di 圆筒的内径,mm;t 设计温度下内筒材料的许用应力,MPa;焊缝系数;C 厚度附加量,mm。此计算出的圆筒厚度只能满足强度要求。要考虑圆筒刚度必须满足其最小厚度。3 固定管板式换热器管板的强度计算管板的强度计算理论一般分为两类:一类是将管板当作受均布载荷的实心圆板,以按弹性理论得到的圆平板最大弯曲应力为主要依据,并加入适当的修正系数以考虑管板开孔削弱和管束的实际支撑作用。此法计算的结果偏于安全,但准确性较差。另一类是将管束当作弹性支撑,而管板则作为放置于这种弹性基础上的圆板,然后根据载荷的大小、管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力,此法全面考虑了管束的支承和温差等影响,因而计算结果较精确,GB151-89采用的就是这种算法。4 结 语在换热设备中应用最为广泛的是管壳式换热器。由于现代化工厂的生产规模日益扩大,换热设备也相应向大型化方向发展,以降低动力消耗,减少占地面积和金属消耗。管壳式结构的换热器也能满足这一要求,但也不可避免地存在不足。如目前国内使用的固定管板式换热器大多为厚管板,由于管板较厚,且管板与法兰为一体,造成管板材料供应困难。同时厚管板的加工量大,材料浪费多增加了制造成本。尽管如此,至今仍无一种更好的换热设备来代替固定管板式换热器。简 讯全国气体净化技术协作网2002年技术交流会召开本刊讯 全国气体净化技术协作网2002年技术交流会于9月14日18日在福建武夷山召开,来自全国各地从事气体净化及与气体净化有关的科研、设计院所、高等学校,设备、催化剂等制造商、技术应用厂家共45个单位近100名代表参加了会议。本次会议共录用论文37篇。大会报告了近年来国内在气体净化领域取得的科研成果和新技术的应用情况,内容丰富,主要涉及合成氨、甲醇、石油化工等生产过程中的脱硫、脱碳、变换技术及气液传质设备、脱氯、脱砷、加氢精制催化剂等。在分组讨论会上,大家就技术应用厂家提出的生产问题进行了讨论和答疑。会议期间,还同时召开了第一届理事会第三次会议和第三次技术委员会联席会议。代表们分别从不同的角度、不同的方向、不同的技术领域进行了研讨和分析,为我国气体净化技术行业的发展和产业化各抒己见、献计献策。(梁 锋)14 唐淑萍管壳式换热器的结构设计Steady operation region design of DJ trays in de-CO2columns with benfield methodCHEN Ping,YU Xiao2mei,ZHU Ling2yu,ZHU Ju2xiang(Institute of Chemical Engineering,Zhejiang Univercityof T ech.,310014,China)AbstractBenfield method is a successful technology inde2CO2columns,widely used in fertilizer plants.High ratio ofliquid to vapor resulted in heavy liquid load in this system.Therefore,when revamping,heavy liquid loads should be paidspecial attention to in steady operation region design of tray.Inthis paper,design processes of steady operation region of traywere discussed in de2CO2columns of Shuanghuan chemical com2plex and Dachen Zidan chemical complex,including design cri2teria of open area,stability coefficient and downcomer dimen2sion.KeywordsBenfield method;Revamping;Steady oper2ation region;DowncomerDiscussion on the design of technical innovation for thedevice of chlorinated methanesHOU Zhang2de(Zhejiang Engineering Design CO.Ltd.,Quzhou,324004,China)AbstractThe principle of working out the scheme forthe technical innovation of chlorinated methanes device is pre2sented.The main points of design for technical innovation areintroduced,and the effects for technical innovation are ap2praised.Key wordsChlorinated methanes;Technical innova2tion;DesignSurvey of overhaul and technical innovation forin9 169mm18 550mm SO2converterZHANG Ming2tao(Phosphorus Fertilizer Plant of Nanjing ChemicalIndustry Co.Ltd.,Nanjing,210035,China)AbstractThe structure and main technical data of9169mm18 550mm SO2converter is introduced.The convert2er is overhauled without changing the main structure,and ap2plied in larger2scale production system used sulphur as feed ma2terial.Then,the investment of the technical innovation is econ2omized.Key WordConverter;Overhaul;InnovationManufacture for 200kt/a polyethylene reactorCHENG Lin,ZHA Yong2ming(Chemical Machinery Plant of Nanjing Chemical IndustryCo.,Ltd.,Nanjing,210048,China)AbstractThe main manufacture process such as form2ing,welding,heat treatment and inspection for the main equip2ment2polyethylene reactor of 200kt/a for Yangzi PetrochemicalIndustry Corporation are reviewed.Key wordsCO2removing;Polyethylene reactor;form2ing;Welding;Heat treatment;InspectionStructure design for pipe shell heat exchangerTANG Shu2ping(Catalyst Plant of Nanjing Chemical IindustryCo.,Ltd.,Nanjing,210048,China)AbstractStructure design of pipe shell heat ex2changer is introduced.Key wordsExchanger;Structure design;Pipe plate;StrengthApplication of floatation2bed ion exchange reactorin productionPI Jiao2wen,MA Zeng2gui,QI Guo2an(Research Institute of Nanjing Chemcal Industry Group,Nanjing,210048,China)AbstractThe principle,structural characteristic offloatation2bed ion exchange reactor and the regeneration statusof resin are introduced.Good results are achieved when thefloatation2bed ion exchange reactor has application in the pro2duction of desalting water,and it has rational structural,greatproduction ability,good quality water,low consumption of re2generant and the discharge water come up to the standard.Key wordsFloatation2bed ion exchange reactor;De2salting water;ProductionApplication summary of C306 type methanol systhsiscatalyst with low2pressureSONG Yu2qi,FENG Xue2wen,HAN Cai2ying(Shanxi Yulin Natural Gas Chemical Industry CO.,Ltd.,Yulin,719000,China)AbstactApplication statusfor the C306 type methanol syn2thesis catalyst with low2pressure in the methanol device usednatural gas as feed material is introduced,and the applied effectis appraised by motion and detection.Key wordsMathnol;Synthesis Catalyst;ApplicationsummaryTest running and operation status of Casale typeammonia synthesis towerL I Jie(Ningxia petrochemical industry compand,Yinchuan,750026,China)AbstractThe structure of the Casale type ammoniasynthesis tower,filling of catalyst,test running and operationstatus for a certain chemical fertilizer device is introduced.Key wordsAxial and radial;Catalyst;Filling;Tem2perature of bedDetermination of the content of silicon in the ammoniummetavanadate:Reducing silicomolybdenate SpectrophotometryL I Jing(Research Institute Nanjing Chemical Industry Group,Nanjing,200048,China)AbstractDetermination of the content of silicon of theammonium metavanadate by reducing silicomolybdenate spec2trophotometric is introduced.The effect of the absorbed wave2length,reduced regent,acid and screening agent on the deter2mination result is discussed.The results show that the deter2mined result of the content of silicon of the ammonium meta2vanadate by reducing silicomolybdenate spectrophotometry is ac2curate and reliable.Key wordsAmmonium metavanadate;Silicon;Silico2molybdicate;SpectrophotometryJournal of Chemical Industry&Engineering2002 Vol123 No.5