固定管板换热器设计.doc

1 1 换热器壳体壁厚计算换热器壳体壁厚计算 1 选择钢材 壳程介质为煤油 煤油为易燃易爆液体 危害毒性为轻度 IV 级 根据 SH3075 1995 石油化工钢制压力容器材料选用标准 中表 4 1 1 选 Q235 B 钢材作为壳体材料 2 确定各设计参数 根据 GB151 1999 管壳式换热器 3 12 1 的规定选 取设计温度 t 110 查 GB150 2 2011 压力容器 第二部分材料表 D 1 并进 行差值计算得 Q235 B 的许用应力 t 112MP 按表 2 10 面对接焊采用双 面局部无损探伤 焊接接头系数 0 85 根据 GB151 1999 管壳式换热器 查钢板厚度负偏差 0 8 假设其钢板名义厚度为 8 25 腐蚀裕量 1 C 2 厚度附加量 C 2 6 取 Pc 1 1Pw Pw 0 1P 可得 Pc 2 C 1 C 2 C 1 1 0 1 0 11MPa 3 计算壁厚 5 78mm c t ic 2P DP 有效厚度 12 5 782 88 58 n CCmm 按钢板厚度规格向上圆整后 取壳体名义厚度为 10mm 此值在初始假设厚 度范围 故得10 n mm 2 2 换热器封头的壁厚计算换热器封头的壁厚计算 由于 Di 2hi 2 时 椭圆形封头的应力分布较好 且封头的壁厚与相连的筒 体厚度大致相等 便于焊接 经济 合理 适用于低压容器 所以选择标准椭 圆形封头 其形状系数 K 1 0 由公式得 KP D 1 0 0 11 1000 c i 5 779mm t 2 112 0 85 0 5 0 11 2 0 5Pc 有效壁厚 5 7792 88 579 n Cmm 按钢板厚度规格向上圆整后取得名义厚度10 n mm 根据 JB T25198 2010 标准 标准椭圆形封头为 DN1000 10 曲面高度 1 h 275mm 直边高度 40mm 如图所示 材料选用 Q235 B 2 h 椭圆形封头直边高度椭圆形封头直边高度 h h 的选用的选用 封头材料碳素钢 普通低合金钢 复合钢板不锈钢 耐酸钢 封头厚度4 810 18 20 3 910 18 20 n 直边高度 h 254050254050 3 3 压力试验及其强度校核压力试验及其强度校核 根据公式确定水压试验压力 T P1 25P1 25 0 11 10 1375 Ct MP 再根据公式校核壳体强度 T T P D 0 9 2 ie s e 钢板在试验压力下的屈服极限MPa245 s 可计算出 T T 08 P D 9 603MP 22102 8 ie e a 0 2 0 90 9 0 85 245187 425MP s a 由于 所以液压试验时壳体强度满足要求 ST 0 9 4 4 换热器压力容器法兰的选择与计算换热器压力容器法兰的选择与计算 1 由壳体的设计压力 0 11MPa 按照设计压力公称压力的原则 就进 c P 确定法兰公称压力为 0 25MP 为保证安全 所以就进提高一个公称压力等级 暂定法兰公称压力为 0 6MPa 2 根据容器法兰公称直径等于其相连的壳体内径 可得法兰的公称直径 DN 1000mm 同时由设计温度 t 110 和以上的初定的公称压力 PN 0 6MPa 根据 JB T4700 2000 压力容器法兰分类与技术条件 表 1 初步选取甲型平焊法兰 3 根据介质特性及壳体材料确定法兰材料为 Q235 B 并根据 t 110 和 PN 0 6MP 根据 NB T47020 2012 压力容器法兰分类与技术条件 表 6 查得其 最大允许工作压力为 0 4MP 4 由于 0 4MP 0 11MP 即法兰最大允许工作压力大于设计压力 所以选 择公称直径 DN 1000mm 公称压力 PN 0 6MP 材料为 Q235 B 的甲型平焊法兰 5 由于工作介质为煤油 根据 过程设备设计 表 4 11 选择突面密封面 确定垫片为耐油橡胶石棉板 根据 NB T 47020 2012 压力容器法兰分类与技 术条件 表 2 选取螺栓材料为 20 号钢 螺柱材料为 35 号钢 查 JB T4701 2000 表 1 查得法兰的结构尺寸如表所示 法兰 mm螺柱公称 直径 DN 公称 压力 PN D 1 D 2 D 3 D 4 D d 规格数量 1000 0 6 113010901055104510424823M2036 图图 3 23 2 容器法兰 图面形式 容器法兰 图面形式 6 压力容器法兰标记为 法兰 FM1000 0 6 JB T 4703 2000 5 5 管板的选择与尺寸计算管板的选择与尺寸计算 管程工作压力为 0 1 可算管程的设计压力 Pt 1 1Pw 0 11MPa 取管板的公 称压力为 0 6MPa 的管板 材料为 16Mn 根据 换热器设计手册 表 1 6 9 可查得 在公称直径 DN 1000mm 壳程 公称压力 Ps 1 0MPa Pt 下的管板尺寸如下表所示 表表 3 23 2 管板尺寸管板尺寸 Ps MPa Pt MPa DNDD1D2D3D4D5d2 规 格 数 量 bfb 备 注 0 60 610001130109010559971042100023M20364252 6 6 分程隔板的选择分程隔板的选择 根据 化工单元过程及设备课程设计 表 4 1 查得 1200 DN 600 时 隔板最小厚度为 10mm 材料为 Q235 B 根据 GB151 1999 中 5 6 6 2 确定分程 隔板槽深 5mm 宽 12mm 拐角处倒成圆角 4mm 45 7 7 膨胀节的选用与计算膨胀节的选用与计算 固定管板式换热器在换热过程中 管束与壳体有一定的温差存在 而管板 管束与壳体是刚性连接在一起 当温差达到某一个温度直时 由于过大的温差 应力往往会引起壳体的破坏和管束的弯曲 需设置补偿装置 如膨胀节 膨胀 节是安装在固定管板式换热器上的挠性构件 对管束与壳体间的变形差进行补 偿 以此来消除壳体与管束间因温差而引起的温差应力 膨胀节的型式较多 通常有波形膨胀节 平板膨胀节 形膨胀节等 而 在生产实践中 应用最多的 最普遍的是波形膨胀节 根据 GB151 1999 附录 F 的计算方法进行换热管壁温的计算 从设备的具体操作 情况 可以假定 K q 和 a 保持不变 进行简化计算 d r 热流体的平均温度为 m T 11 1003567 5 22 mio TTT 冷流体的平均温度为 m t 11 254032 5 22 o mio tttC 则 即换热管壁温为 50 11 67 532 550 22 o tmm tTtC C o 圆筒壁温的计算 应外部有良好的保温 故壳体壁温可取壳层流体的平 s t 均温度 32 5o sm ttC 管壳层温差 51 2532 518 7550 oo ts tttCC 由于管束与壳体温差小于 50 所以不需要设置膨胀节 8 8 折流板的设计与计算折流板的设计与计算 在壳程管束中 一般都装有横向折流板 用以引导流体横向流过管束 增 加流体速度 以增强传热 同时起支撑管束 防止管束振动和管子弯曲的作用 折流板的型式有圆缺型 环盘型和孔流型等 圆缺形折流挡板在流动中死区较少 比较优越 结构比较简单 所以采用 圆缺形折流挡板 去折流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去的圆缺高度为 故可取 502000125 0 hmmh502 取折流板间距 B 0 3D 则 B 可取 B 为 mm03000013 0 mm030 折流板数目291 300 9000 1NB 折流板间距 传热管长 根据 GB151 1999 表 34 查得 折流板最小厚度为 16mm 由表 41 查得 折流 板名义外径为 DN 6 964mm 材料为 Q235 B 折流板圆缺面水平装配 见图 9 9 接管的选择接管的选择 1 管程接管的选择与计算 Shc x 1000 x 1000 x 7 53 P 0 11 146 所以根据 过程装备成套技术设计指南 表 9 8 应选用 Shc 10 系列的管子 其设计压力为 0 11MPa 材料为 20 号钢 其公称直径 DN150 查表得外径为 168 3mm 壁厚为 5mm 根据 换热器设计手册 表 1 6 6 查得管子的外伸长度 为 200mm 2 壳程接管的选择与计算 Shc x 1000 x 1000 x 7 53 P 0 11 146 根据 过程装备成套技术设计指南 表 9 8 应选用 Shc 10 系列 公称直径 DN100 外径为 114 3mm 壁厚为 4 5 mm 的管子 根据 换热器设计手册 表 1 6 6 查得管子的外伸长度为 150mm 1010 接管法兰的选择与计算接管法兰的选择与计算 管程接管法兰的选择与计算 管程接管法兰的选择与计算 1 接管法兰的公称直径 DN 150mm 2 根据介质特性 设计温度 t 150 和接管材料 选定接管法兰材料为 Q235 A 3 根据管法兰的材质和温度 t 150 按照设计压力不得高于对应工作温 度下无冲击工作压力的原则 根据 化工设备机械基础 查表 10 29 D 最高 无冲击工作压力得 管法兰的公称压力为 2 5MPa 4 根据 PN 2 5 MPa 和 DN 150mm 查 化工设备 表 4 6 确定法兰类型为板 式平焊法兰 查表 4 14 确定垫片为石棉橡胶板垫片 由表 4 15 和表 4 16 螺 栓为 A2 50 六角螺栓 螺母为 I 型六角螺母 5 PN 2 5 MPa 和 DN 150mm 查标准 HG20593 1997 确定法兰的结构尺寸 查压力容器设计手册表 3 2 5 得 DN 150mm 接管外径 A 159mm 法兰外径 D 285mm 螺孔中心圆直径 K 240mm 螺孔直径 L 22mm 螺孔数量 n 8 螺纹 Th M20mm 法兰内径 B 161mm 法兰厚度 C 24mm 法兰质量 7 61Kg 管法兰标记 HG20593 1997 法兰 PL150 2 5 RF Q235 A 壳程接管法兰的选择与计算 壳程接管法兰的选择与计算 1 接管法兰的公称直径 DN 200mm 2 根据介质特性 设计温度 t 150 和接管材料 选定接管法兰材料为 Q235 A 3 根据管法兰的材质和 t 150 按照设计压力不得高于对应工作温度下 无冲击工作压力的原则 根据 化工设备机械基础 查表 10 29 D 最高无冲 击工作压力得 管法兰的公称压力为 2 5MPa 4 根据 PN 2 5MPa 和 DN 200mm 查 化工设备 表 4 6 确定法兰类型为板 式平焊法兰 查表 4 14 确定垫片为石棉橡胶板垫片 由表 4 15 和表 4 16 螺 栓为 A2 50 六角螺栓 螺母为 I 型六角螺母 5 PN 2 5 MPa 和 DN 200mm 查标准 HG20593 1997 确定法兰的结构尺寸 查压力容器设计手册表 3 2 5 得 DN 200mm 接管外径 A 219mm 法兰外径 D 320mm 螺孔中心圆直径 K 280mm 螺孔直径 L 18mm 螺孔数量 n 8 螺纹 Th M16mm 法兰内径 B 222mm 法兰厚度 C 22mm 法兰质量 4 57Kg 管法兰标记 HG20593 1997 法兰 PL200 2 5 RF Q235 A 1111 接管开孔补强的计算接管开孔补强的计算 开孔补强的有关计算参数如下 1 计算开孔所需补强的面积 A 1 2 ret fdA 2 83 6 0 85571 478mm 式中 A 由于开孔所削弱的金属截面积 2 mm d 开孔直径 圆形孔 d 2C 200 2x 0 1x5 2 205 为管内径 i d i d mm 圆筒或球壳开孔处的计算厚度 mm 接管有效厚度 mm et 强度削弱系数 等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比 当 r f 时 取 1 0 1 故取 1 0 0 1 r f r f r f 146 112 计算筒体的壁厚 0 11 1000 5 78 2 1120 850 11 2 ci t c p D mm p 补强面积 2 205 5 781184 9Admm 2 有效补强范围 有效宽度 22 205410Bdmm 或222052 102 5235 nt Bdnmm 两者取最大值 B 410mm 有效高度 外侧高度 1 205 532 02 nt hdmm 或 接管实际外伸高度 200mm 1 h 两者取较小值 1 32 02hmm 内侧高度 2 205 532 02 nt hdmm 或mmh0 2 接管实际内伸高度 两者取较小值 0mm 3 有效补强面积 计算筒体有效厚度 10 0 82 7 2 en Cmm 选择与筒体相同的材料 Q235 B 进行补偿 故 1 所以 r f 1 2 1 fdBA ente 2 410205 7 25 78 0 291 1mm 接管多余金属的截面积 A2 接管计算厚度 1 84 150 1 11 2 1460 850 11 2 ci t t c p d mm p 接管多余金属面积 fChfhA ettet 2 2 2212 0 2 1 fCh tm 2 2 32 02 2 5 1 1 84 056mm 接管区内焊缝截面积 A3 接管与壳体采用插入式焊接 焊脚取 2 3 1 23 5 3 512 25 2 Amm 0 7 3 5mm n 有效补强面积 A 2 123 291 1 84 056 12 25387 406 e AAAAmm 因为 所以需要补强AAe 所需另行补强截面积 A4 2 4 1184 9387 406797 494 e AAAmm 4 补强圈厚度 补强圈内径 外径 6 12 210 i Ddmm 400 o D 4 797 494 4 197 400210 oi A mm DD 考虑钢板负偏差并圆整 实取补强厚度 6mm 补强材料与壳体材料相同为 Q235B 1212 管箱的选择与计算管箱的选择与计算 1 管程接管位置的最小尺寸 C 4S S 为壳体壁厚 2 D150 L3032137 22 h f hCmm 所以 取 150mm 2 L 管程接管位置管程接管位置 2 壳程接管位置的最小尺寸 C 4S S 为壳体壁厚 1 200 LC3032162mm 22 h f d h 所以 取 200mm 1 L 3 根据管程接管到管板的位置最小尺寸为 137mm 可确定管箱的长度 300mm 1313 拉杆和定距管的选用拉杆和定距管的选用 拉杆的结构形式有两种 换热管大于或等于 19mm 的管束 采用图 a 所 示的拉杆定距杆结构 换热器外径小于等于 14mm 的管束 采用图 b 所示的 点焊结构 当管板较薄时 也可采用其他的结构形式 图 图 a a 拉杆定距管结构拉杆定距管结构 图图 b b 点焊结构点焊结构 定距管的作用是将折流板之间的距离固定下来 并保持它与换热管垂直 当换 热管外径大于等于 19mm 时 定距管外径与换热管相同 根据换热器设计手册 定距管的尺寸同换热管的尺寸相同 材料选用碳钢 Q235 B 外径为 19mm 2mm 折流杆换热器结构较紧凑 折流外圈 内径差值小 在选用 GB 151 1999 管壳式换 热器 所给定的拉杆总截面积的前提下 改变拉杆直径和数量 通常的做法是采用较多的 拉杆数量和较小的直径 但直径不得小于 10mm 数量不得小于 4 根 根据 换热器设计手册 查表 1 6 37 与表 1 6 38 得 拉杆的直径为 12mm 拉杆的数量为 10 根 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘 对大直径的换热器 在布管区或靠 近折流板缺口处应布置适当数量的拉杆 任何折流板应不少于 3 个支承点 根据折流板的间距为 300mm 初步确定折流板的块数为 29 个 可计算出拉 杆长度为 8400mm 根据 换热器设计手册 查表 1 6 36 得拉杆的连接尺寸按下表确定 定距 管长度按需要而定 拉杆的连接尺寸拉杆的连接尺寸 拉杆直径 d拉杆螺纹公称直径 dn LaLbb 121215 502 0 1414 选择换热器支座并核算承载能力选择换热器支座并核算承载能力 卧式换热器选用鞍式支座 JB T4712 1992 按照壳体公称直径 DN 1000 选 用重型带加强垫板的鞍座一对 其中 F 型和 S 型各一个 支座高度 H 200mm 标记为 JB T4712 1992 鞍座 B 450 F JB T4712 1992 鞍座 B 450 S 壳体总重包括筒体内的料重 水压试验的水重 筒体 封头 换热管重量 和附件的重量 根据 化工设备概论课程设计指导书 查附录 1 可查得 公称直径的 DN 1000mm 的筒体每立方米的容积 VT 0 785 m3 查附录 2 可查得 公称直径 为 1000mm 的椭圆形封头的容积 Vf 0 1505 m3 由上换热器的容积约为 V VT Vf 0 785 10 0 1505 2 8 151 m3 水压试验是筒体内的水重 W1 7987 98 查附录 1 可查得 公称直径 DN 1000mm 壁厚 8mm 的筒体每立方长的重 n 量为 197 192 查附录 3 可查得 封头的重量为 72 1 可算出壳体重量为 W2 197 192 10 72 1 2 2166 12 估计其他附件的重量为 200 换热器的总重量 W总 WI W2 W3 7987 98 2166 1