新型单管程浮头式换热器结构设计.pdf

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第37卷第5期
石油化
Vol 37 No 5
2008年9月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Sept. 200
文章编号:1000-7466(2008)05-0015-02
新型单管程浮头式换热器结构设计
段晋海',党战伟,王运波,任永泉2,柏海燕,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
Structure Design on a New Type Single-tube Pass Heat Exchanger with Floating Head
DUAN Jin-hai, DANG Zhawei, WANG Yu-bo, REN Yong-quan, BAI Hai-yan, XIE Pei-jun
(1. Hualu Engineering and Technology Co, Ltd, Xi'an 730050, China;
2. Lanzhou Petroleum Machinery Research Institute, Lanzhou 730050, China
Abstract The new structure of bellow expansion joints set in the tube pass outlets of the single
tube pass heat exchanger with floating head is discussed when the application of stuffing boxes
are not suitable
Key words: heat exchanger with floating head; single tube pass; structure; design
在炼油、化工生产领域所使用的换热设备中,管口)368℃/303℃;管程设计压力为6.7MPa,工.作
売式换热器以其结构简单、可靠程度高、使用范围压力6.23MPa,设计温度400℃,工作温度(进口/
广、操作弹性大等特点得到了广泛的应用并占据着出口)368℃/303℃。壳程介质为变换气,管程介
主导地位。单管程浮头式换热器是管壳式换热器的质为粗煤气,介质特性为易燃、易爆及中度危害。换
种,其常见的结构形式是在管程出口处设置填料热面积525m2,主要受压元件材料为15 CRMOR和
函。但填料函结构不适用于易挥发、易燃、易爆以及0Cr18Ni9。
有毒等介质,且压力一般不高于2.5MPa。笔者在
设计某公司50×10t/a甲醇项目中的原料气预熱2结构选型
器时,根据工艺条件,采用在管程出口设置波纹管膨
由工艺条件可知,该设备换热面积大,管、売程
胀节的方法,设计了一种新型单管程浮头式换热器,压力高,换热介质不仅温度高、易燃、易爆、中度危
很好地解决了填料函结构不适合工艺要求的问题,害,而且不洁净、易结垢。
满足了生产实际的需要,取得了较为理想的效果。
通过分析各种结构形式换热器的优缺点可以看
设计参数
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
某公司50×104t/a甲醇项日中原料气预热器其密封形式不能满足原料气预热器设计条件的要
的工艺条件为,売程设计压力6.7MPa,工作压九求,所以需要设计一种新结构形式的单管程浮头式
6.19MPa,设计温度400℃,工作温度(进ロ/出换热器。
收稿日期:2008-04-15
作者简介:段晋海(1975-),男,陕西西安人,工程师,学士,从事化工设备的设计、研究与开发工作
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石油化工设备
2008年第37卷
根据国内外换热器的设计经验,可在管程出口之间的平均线膨胀系数,10°mm/(mm?℃);t为
处设置波纹管膨胀节来消除管、壳程温差带来的应换热管设计温度,、为壳体设计温度,。为制造环境
力。对于文中的原料气预热器,采用管程出ロ处设温度,℃;L为膨胀节两側固定端长度,mm。
置波纹管膨胀节的结构,可以解决密封泄漘和清洗
将本例数值代入上式可得e=3.2mm
困难等问题。这种结构既区别于传统的浮头式换热
本例中波纹管的材质为0Cr18Ni9,其[a
器,又不同于填料函式换热器,兼顾了两者的优点
111MPa。根据文献[2]中式(6-1)~式(6-7),可
弥补了各自的不足。
得出内压引起的波纹管直边段的周向薄膜应力<
3结构设计
3.9MPa单管程的浮头接管结构由球冠形封头、波纹膨
圈周向薄膜应力o.<13.7MPa胀节、筒节、平盖、法兰A、法兰B、法兰C、紧固件
内压引起的波纹管周向薄膜应力a2=40.3MPa<
AB、紧固件BC、锥体及管程出口法兰所组成,见图
o]=111MPa,内压引起的波纹管经向薄膜应力
1。在球冠形封头上开孔并设短节,通过该短节与
02=8.47MPa<[o'=111MPa,内压引起的波纹
波纹膨胀节连接,波纹膨胀节通过另一短节与法兰管弯曲应力.=11MPa,轴向位移引起的波纹管
A连为一体,法兰A与法兰B通过紧固件AB联经向薄膜应力ロ,=1.53MPa,轴向位移引起的波纹
接。法兰C由紧固件BC压紧法兰B的前后密封面管经向弯曲应力0;=85.6MPa。组合应力
与平盖连成整体结构,这种结构不仅便于安装和拆の2十a=119.47MPa<1.5パ、=184.5MPa,oR=
卸,而且能很好地解决管、壳程之间的温差应力。
129 Mpa<20=246 Mpa
按照上述计算结果,该膨胀节满足强度要求,能
封头臁盖节法兰A
法当B锥体管程出
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)500-1.6-2X2.5X
6(T)。
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也可以通过SW6、 Ansys等压力容器强度计算
管程介
质出国
软件进行设计校核计算
SIUUUU!
其余元件按照文献[1~3]中的有关规定进行强
べ紧固
度计算和设计。
紧件BC
4结语
1400
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对于单管程浮头式换热器,在管程为高压、高
图1单管程的浮头接管结构
温、温差较大、介质易燃和易爆等工况不能使用填料
由于原料气预热器的管、壳程压力和温度都较函的情况下,通过在管程出口设置波纹管膨胀节的
高,设计时将管板、浮头及浮头接管(包括膨胀节部结构,可解决传统单管程浮头式换热器的很多缺陷,
分)按照管、壳程最大压差1.0MPa进行设计,这样满足复杂工艺条件的要求。按文中所述设计制造的
既可保证设备安全又可最大程度节省成本
原料气预热器一单管程浮头式换热器,既具有浮
波纹管膨胀节设计参数为,设计压力1.0MPa,头式换热器的优点,又克服了填料函式换热