焦炉煤气洗脱苯工段贫富油换热器的设计

本次设计来源于焦化厂，基于焦炉煤气洗脱苯工段进行分析，后进行了焦炉煤气洗脱苯工段贫富油换热器的设计。换热器在工业生产中，尤其是在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要补低温流体加热或把高温流体冷却，把液体气化或把蒸气冷凝。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来实现完成。可以说换终冷后的焦炉煤气煤中大部分的苯洗去，然后将煤气送往各用户使用；脱苯即将洗苯后的富油脱苯，所得粗苯分别装车外售，脱苯后的贫油返回洗苯塔循环使用。主要工艺流程及出的粗苯进入粗苯贮槽。脱苯塔下部的热贫油经由贫富油换热器，冷却换热器是在生产中为了实现物料之间热量传递过程的一种设备。换热器按传热面的形器的发展方向。但它们也具有不少缺点，板式换热器的处理量小，适应的操作压力也小，一般W难，且要求介质对铝不腐蚀。螺旋式换热器操作温度低，操作压力低，仅适用于PW20am,T采用管壳式换热器中的固(1)夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单;但其加热面受容当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管.夹套式换 (2)喷淋式换热器这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动,度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多.另外，这种换热器大多放置在空气流通之和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。 。长期在市效率在5000w/m。为提高管外流体给热系数,通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。2折流档板不仅可防止流体短路,增加流体速度,还迫使流体按规定路径多次错流通过管束， (5)管壳式换热器管壳式(又称列管式)换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、2 (6)双管板换热器称P型换热器，是在管壳式换热器的两头各加一个管板，可以有常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排温度也不同。如果两温度相管束与壳体温度差超过50℃时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采 (1)固定管板式换热器管束两端的管板与壳体联成一体，结构简单，但只适用于冷热流体温度差不大，且壳程不需机械清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高性的补偿圈，以减小热应力。 出口两室。温度(进口/出口)操作压力(MPa)流量(Kg/hr)27.6%富油:%7定性温度：可取流体进出口温度的平均值故壳程热贫油的定性温度为164.4+二126.45℃88.5T=----T=----根据定性温度，分别查取有关物性数据由制冷水和贫油的定性温度确定其各组分的黏度:126.45℃洗油(Pa•s)粗苯(Pa,s)101℃洗油(Pa•s)粗苯(Pa,s)sKg.Kg.℃)KJ(Kg22KJKg•℃)126.45℃组分组分洗油W/(m•℃)粗苯W/(m•℃)01℃51℃m3101℃33164.4^^富油用量(忽略热损失)62—140A"=78-.260x77.82结构尺寸.壳体内径匕的确定5t5折流板形式的选择安装折流板的目的是为了增大壳程流体的流速，使湍流程度加剧，以提高壳程对流传最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度h约为外壳内径的10%40%，一般取U高或过低都不利于传热。本次设计取h=20%Di=0.2X1100=220mm两相邻挡板的距离B为壳体内径的(0.21)倍。系列标准中采用的值为：固定管板式B数i i-i-2ii433iie-d-250流体通过管间最大截面积A=BD(1—4>)=0.6x1.1(1—"O))=0.144375m20，t0.0320「dupNoo九NN1eNwww)=0.95NwRs=0.00176m2.C/W对壳程热贫油Rso=0.00176m2.C/W-K-----w---+Rs+Rsoo—o+Rso+o+Rs+Kadid入doaoiiimo1Pa1PaNT壳程数NpT管程数二+二+AP1==5.等=0.005708^1^^”iAP2=0Pao12工疗12F.15Nr程数2Fr管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列F=0.5nr线的管子数cBNr折流挡板数Bo3oN1.5X10-3opU221ocBBD 0.82mtcmaomo=126.45-310(—1—+8.598x10-4)77.86937.2511―2.8.2壳体壁温当壳体温度接近环境温度时或传热条件使得圆筒壁温接近介质温度时，壳体壁温取壳。压力dd设计温度指容器在正常情况下，设定的元件金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作温选材B二PDcc+mRMnR16MnDR)等，可取C=0]。e体的强度校核P9MPaie计算5PDc d20R,16MnR和16MnDR)等，可取C=0]。e箱的强度校核252x6e[o]他=131X1.0=131MPa5t〈[o卜。P=一e=--------------------=1.42MPaD+81100+6选择D1DD234D238dM20量71.574.772.7DN，mmDdt31616203036螺图3.1管箱法兰螺柱结构LrLr364364625646,,AAd““L,mm偏差100±1.30.1330.2081100.1470.2291200.1600.2501400.1870.2911500.2000.312160±1.50.2130.3331700.2270.3451900.2530.3952000.4163000.625头的壁厚计算B二PDic .25mm，因此使用该标准中钢板厚度超过20R,16MnR和16MnDR)等，可取C1=0]。5mm时(如e45681416153.3176.0除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力安全性的影响，压力容器制造完毕后或是定期检验时，都要进行压力试验。常温时，水的压缩系数比液体要小得多，且来源丰富，因而是常用的试验介质。本次设备 (1)水压试验对于内压容器TT (2)应力校核为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力-TT282x6e杆的选材数拉杆的直径和数量按下表选取<<400400—700—900--700—9001300461012拉杆直久一一--直_径-1500-1800-.864444857布置布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处也应选择结构本设备选用管板兼作法兰管板一般有管板兼作法兰和管板不兼作法兰两种形式，实践表明管板兼作法兰易于对管口进行检查、整修，而且清洗管子也较方便，如无特殊要求，一般基于采用管板兼作法兰形式较kgf/cm2D2D4d2DiD3D5bfD规数PPts格量0.60.6110012301190115510971138110016.523M20484252心距的选取管限定圆对固定管板式换热器，布管限定圆的直径DL为DL=D-2b3b表面至内表面的最短距离，b=0.25d0，一般不小于8mm，3一义0I管孔直径计图3.4实际布管图根数壁厚偏差mm82112%-10%换热管规I换热管最小伸出长度最小坡口深度格l1l2l32⑴流体流速的选择流体为液体，管子为直管的换热器流速选用范围为''兀u^13.，6在试压或检修时，为了使卧式换热器的残液或残气排尽，需要在换热器壳程的最高和最低部位设置排气、排液管，这里为了制造方便，我们选取相同尺寸的排气、排液管，并为了保接管结构⑴法兰材料选择一致⑵法兰结构和尺寸根据相应的操作温度和最大操作压力的限制，法兰公称压力等级为P=1.0MPa。K280n88外径(钢管AdfCDH2212接管外伸长度⑴各接管尺寸设计其确定法参考如下:■-L,mmnDNmmrn的确定222f确定HL1三dH+(b—4)+C=+(52—4)+50=207.5mm3防冲挡板的设计14折流板的设计⑴折流板的选材⑵折流板的设计折流板的型式及其他参数工艺计算已给出折流板的布置一般应使靠近管板的折流板尽可能靠近壳程进、出口接管，其余按等距离布900〜1200400〜80086构设计接结构及零件图。的选择考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器采用电弧焊时所用焊E4303(GB/T5n7)E4315(GB/T5n7)E4315(GB/T5n7)HJ431HJ431HJ4316各零部件质量估算⑴壳程筒体质量的估算算1m封=2X64.6=129.2Kg算m2.5碳钢，低合金钢高合金钢0.8380.855计算m4.7x2T494Kg⑺管板质量的估算左管板质量:Q=—[(D2d2xn)xb+D2x6+D2x4+D2xh-d2xbxnd2xlxn]xr4一一22f45311422f4x4+D2xh-d2xbxn]xr5nT换热管数;1-一一一一一、一⑻折流板的质量估算折4兀2—400000--900--4000--400046124646有有有A结构图如下:图3.8支座结构图允许h载荷QKN11003102008201701281851402008129035087066069l25弧长3bb2腹板54l5l4233鞍式支座材料为Q235A,垫板材料与筒体一致为Q245。L~L1参考标准，查的L=5400mm,L=L=1800mm。'ABB鞍m=69+9=78Kg。鞍兀兀.封换热管接管法兰管箱法折支M=m+m+m+m+m.封换热管接管法兰管箱法折支4.1固定管板换热器设计计算固定管板换热器设计计算计算单位压力容器专用计算软件？壳件程管程iRaC简Pt设计温度'tDi图RaCIlYrV!■1■■■■■■■■■■■■■MM■■■■■■HBM■■■■MBMMHm■■■■1S(1]11■I"A1-------------------------hr/计算内容n㈤口壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算管箱法兰校核计算开孔补强设计计算管板校核计算前端管箱筒体计算压力容器专用计算软件？PMPa1c°C|--|—■_x―^度t1100.00mmii材料Q245R(板材才)i试验温度许用应力61148.00MPa-Sn设计温度许用应力「5140.00MPa-■—Di—■---试验温度下屈服点O245.00MPas0.30mmi钢板负偏差C,12.00mm21.0021.00i计算厚度PDmmc有效厚度3=3-C-C=8.70mm名义厚度en12mmn核压力试验类型液压试验压力试验允许通过的应O]T[c]T<0.90os=220.50O]T二(+o=D3=9.88MPa试验压力下圆筒的应力ie?T23.4校核条件0T<[o]T校核结果合格最大允许工作压力MPa[P}=2De^=2.19717ie设计温度下计算应力P(D+3)ot=c23e=15.93MPae[O附140.00MPatt论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度前端管箱封头计算压力容器专用计算软件？椭圆封头简图\r----------------Di------------------- i o]t试验温度许用应力[可(板材)K=K=16,+2[、)2,+5=6.00满足最小厚度要求2[o]t忧后端管箱筒体计算c试验温度许用应力[C]sen12n压力试验时应力校核1ii!1-■—Di-■---ii—通过的应圆筒的应力(或由用户输入)(或由用户输入)T23.60T<[o1TD23[o16-_Dieeee后端管箱后端管箱封头计算--------------------c---------------------------o]t试验温度许用应力[可钢板负偏差G0.30(板材)」i椭圆封头简图-----------------Di--------------------]5---=5-C-C=3.70e满足最小厚度要求2[o]t忧- i citts腐蚀裕量C2(板/才)压力试验类型en12n.98压力试验时应力校核液压试验1ii!1-■—Di-■---iii通过的应试验压力下圆筒的应力ao=Di3e^=ii0T<[o1T23ttett筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度开孔补强计算计算单位设计条件计算压力pc0.25MPa设计温度150℃及类型Q245R板材1111壳体腐蚀裕量C22伸长度伸长度头系数开孔补强圈强度削弱系数frr0120补44简图.Ai—二1名称及类型16血(热轧)管材补强圈许用应力[o]t强计接管材料强度削弱系数f.10i开孔补强计算计算单位设pc计条件椭圆形封头℃R166----------------------------------------------------n------壳体腐蚀裕量C22封头长短轴之比伸长度伸长度头系数接管厚度负偏差C开孔补强圈强度削弱系数frr20120m44简图JJ,■1■X7Ml7■%■■A?■圈许用应力[o]t强计接管材料强度削弱系数f113算10开孔补强计算pc计pc计(P200x6件℃R11----------------------------------------------------n------壳体腐蚀裕量C22伸长度伸长度头系数t接管材料许用应力[。]t开孔补强圈强度削弱系数frr0120补m44简图JJ,■X%%A?■圈许用应力[o]t强计接管材料强度削弱系数f113算10开孔补强计算计算单位设计条件计算压力pc计算压力pc椭圆形封头166----------------------------------------------------n------壳体腐蚀裕量C22椭圆形封头长短轴之比2接管实际外伸长度200接管实际内伸长度0接管焊接接头系数1接管腐蚀裕量2t接管材料许用应力[。]t开孔补强圈强度削弱系数frr0m44简图JJ,■X%%A?■圈许用应力[o]t强计接管材料强度削弱系数f113算10开孔补强计算计算单位压力容器专用计算软件？p设pc计条件℃R11----------------------------------------------------n------壳体腐蚀裕量C22伸长度伸长度头系数开孔补强圈强度削弱系数frr0120补m44简图JJ,■1■X7Jl7J■A?■强计接管材料强度削弱系数f113算109壳壳程管箱圆筒圆筒换热管设计计算条件设计压力ps设计温度设计温度s----------------------------------s--------------------------装配温度to材料名称设计温度下许用应力[叼]平均金属温度下弹性模量Es系数as55℃℃℃℃-----------------------------------------se----------------------------------------------------------------------------------------i壳程圆筒金属横截面积4=兀3s(Di+3S)材料名称管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)3h管箱圆筒有效厚度3he管箱法兰设计温度下弹性模量E”材料名称t材料名称"t设计温度下管子材料许用应力t------------------------------------------------------------------s------------------------------------------------------------------s--------------------------------------------------------------------------平均金属温度下管子材料弹性模量Et平均金属温度下管子材料热膨胀系数att简图℃℃°℃管子壁厚管子壁厚可换、tt管子有效长度(两管板内侧间距)L,dt管子受压失稳当量长度//(公殳T0^o4^-----------------------------------------------------cr-----------------------------------------------------------------------------------------crcr2(lii)2cr管=[1-j]2[2=[1-j]2[2CJrcrircrr材料名称管管p隔板槽面积(包括拉杆和假管区面积)Ad板管板强度削弱系数n管板刚度削弱系数目KDqEnaELnK=ttp管板和管子连接型式胀接许用拉脱应力[q]焊接许用拉脱应力[q]404℃ f-----i----------------------------------------------------------------------------------------管箱法兰壳体法兰材料名称-----------------------------------------------------------------------------------------基本法兰力矩Mm f------i---------------------------------------------------------------------------------------3旋转刚度K"=—[2Efbff12+Eh3"]3Di+bfD)iiJ材料名称fffsi旋转刚度K'=-1[2bff4K----------------------t-------------------------------f4K----------------------t-------------------------------k0N/mm2li)管管板参数系数计算系系1V=1VKKQE-naEA数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比Q=EtnaEsAs+KxL)eeEsAsKexL2系数(带膨胀节时Q代替Q)M=一m一ex12K(Q+G2)KQQG9 ex--------------------------------0.1919法兰力矩折减系数自=Kf/'(Kf+G3)=管板边缘力矩变化系数&M—1—1+K/K"算八算八"法兰力矩变化系数AM,MKjK管板布管区面积t2d A=nS2+A-----------------1---------d--------------------------------------------------------1-------------------------------------------------0.3095s11.4Q-1-i------------------0.481322仅有壳程压力尸。作用下的危险组合工况(P=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差~~M=Mm+(AM)M1m1+m2V1+Ve1e11e1i管板布管区周边处边处剪切应力系数O=3_m(1O=3_m(1+V)T=11+Vp4Q+G2P入rO'=aO|~DT「「2r九][o]trtr[o]tr[o]tr‘‘数3[o]t371.4r3[o]t371.4rtt'YM72o=M'YM721「G—Qv][o]tO=cP—r——P」tBcQ+Ga22136.3[o]tt-0.667622.76[o]crcr2ov)Ptts136.4409.2换热管与管板连接拉脱应力q=华[q]3[q]焊接dl冗0.0469441.601[q]胀接4不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差55有效压力组合Pa=-ZtPt+的Et-2.85-21.38操作情况下法兰力矩系数-0.005844-0.00077914MM=、p冗入DPpp3-0.005844-0.0007791p07管板边缘剪力系数v=wM管板总弯矩系数m=mi+m2V-0.36650.099541+V1eie1eie1o------or4Q+G2Q边数边数ws!p1管板径金向应力~k(边管板布管,区周边剪切应力工冗=冗=-y]M壳体法兰应力°,fP2484wsa,f换热管轴向应力°=cP—°=cA1(1+V)°=[P+'7P]cAt(Q+G)as2换热管与管板连接拉脱应力qt