重沸器零部件的结构尺寸设计.docx

1、重沸器零部件的结构尺寸设计第三章 重沸器零部件的结构尺寸设计 3.1 换热管3.1.1 换热管的型式和尺寸换热管有光管、焊接管、螺纹管、波节管、波纹管、三维内外肋管等，选则换热管不仅考虑其传热效率，同时也要考虑其经济性。在没有特殊要求的情况下，一般选用光管因为光滑管加工方便、价格便宜，本换热器采用光管。选择管径时，应尽可能使流速高些，这样有利于提高其传热效率，但一般不应超过规定的流速范围。容易结垢、粘度较大的液体宜采用较大的管径，减小其压力损失。我国目前试用的列管式换热器系列标准中仅有252.5mm及192mm等规格的管子。本换热器选用的是252.5mm管子，根据GB150-2011要求，换热

2、管不能选用GB/T8163标准的管子，考虑经济性，管子标准选GB9948-2006。管长的选择是以清洗方便和尺寸合理及合理使用管材等为原则。长管不便于清洗，且小换热面积的换热器没有必要用长管。我国生产的标准钢管长度为6000mm，当选取管长时，可以根据钢管长度规格，合理裁减，避免材料的浪费。由前面章节可知本装置选用了3000mm长的换热管。本装置的换热管采用252mm，3000mm的光管。3.1.2 换热管的材料常用材料有碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金、铝合金、钛有色金属等。此外还有一些非金属材料，如石墨、陶瓷等。由于本设备没有特殊要求，根据工作压力、温度合介质腐蚀性等选用GB9948

3、-2006石油裂化用无缝钢管标准的20钢。3.2.3 布管换热管标准的排列方式一般有正三角形、正方形、转角三角形和转角正方形排列等四种方式，如图3-1所示。传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上可以均匀分布，同时还要考虑流体的性质，管箱结构及加工和制造等方面的问题。其中正三角形排列最为普遍，其优点是: 在同一直径的管板上可以排列最多的管子数，而且管板的强度高；流体流动短路的机会少，壳程流体扰动大，因而对流传热系数较高；但是正三角形排列的换热管管外机械清洗较为困难，其用于壳程介质较清洁，可以进行化学清洗或者换热管外不需清洁的情况下。正方形排列有利于换热管外壁的机械清洗，适用于壳程流体易产生污垢的

4、场合；但是其在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少。此外还有同心圆排列方式，其优点是靠近壳体的地方管子分布较均匀，管子排列紧凑，在管板直径较小的换热器中可以排列的传热管数比三角形排列还多。考虑到本重沸器要排列的管子较多，流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此采用正三角形排列，如图3-1 （a）所示。 图3.1-1 管子的排列方式换热管中心距确定，管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，以及是否有分程隔板等，此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。根据GB151-1999 规定管心距S不小于1.25倍换热管外径，所以有S=1.25d=1.25X25=31.25mm，取32mm。

5、3.2 管板结构尺寸管板在换热器的制造成本中占有相当大的比重，近年来也有不少对薄管板进行研究以节约成本。管板设计与管板上的孔数、孔径、孔间距、开孔方式以及管子的连接方式有关。1、 选用固定管板兼作法兰形式的管板，图3.2-1 固定管板式换热器管板尺寸这种管板结构尺寸的确定先按第二章确定的壳体内径，在依据确定的设计压力，壳体内径和压力等级来设计法兰，然后根据法兰相应结构尺寸确定管板的最大外径，密封面位置、宽度、螺栓直径、位置、个数等，根据上述确定的壳体内径D=1000mm和设计压力PN0.7MPa，由JB/T 4702-2000选择PN1.6乙型平焊法兰，从而确定管板尺寸如图3-9所示，管板重量

6、209kg。2 、管板孔直径和允许公差，由GB151-1999的表417的管孔直径为25.4，允许偏差为3 、管板材料在选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响，此装置管板材料采用16Mn三级锻件。3.3 折流板列管式换热器的壳程流体流通截面积大，若不加折流板，其壳程流体很难进行有效的湍动。在壳程流体属对流传热条件时，为增大壳程流体的流速，加强其湍动程度，提高其表面传热系数，需要设置折流板。而折流板又有横向折流板和纵向折流板两类，单壳程的换热器仅需设置横向的折流板，横向折流板同时兼有支撑板的作用，还可以款热管防止产生振动作用。管壳式

7、换热器常用的有弓形和盘环形。在弓形折流板中，流体在板间交错的冲刷管子，而流经折流板弓形缺口时又是顺流经过管子外面后进入下一板间，改变方向，流动中死区很少，即使有死区，要会通过导流筒进行有效的导流，所以比较优越，结构比较简单，一般标准换热器中只采用这种。盘环形折流板制造和安装都不方便，流体在管束中为轴向流动，效率较低。而且要求介质必须是清洁的，否则沉淀物将会沉积在圆环后面，从而使传热面积失效，此外，如有惰性气体或溶解气体释放出来，它不能有效地从圆环上部排出，所以一般用于压力比较高而又清洁的介质。由于本设备直径不大，采用采用单弓形折流板。3.3.1 折流板的主要几何参数取弓形折流板圆缺高度为壳体内

8、径的25,则切去的圆缺高度为h=0.5x1000=250(mm)。取折流板间距B=0.5D,则B=0.5 X 1000=500（mm） 折流板数：图3.3-1 折流板几何参数3.3.3 折流板与壳体间隙折流板外边缘与壳体内径之间的间隙越小，壳程流体介质在此处的泄漏越小，使传热效率提高，但时间隙越小，给制造、安装带来困难。参考GB151-1999表41选取折流板名义外直径D=DN-6=1000-6=994mm。3.3.4 折流板厚度折流板厚度与壳体直径、换热管无支承长度有关，其厚度根据GB151表34,12mm。取16mm。3.3.5 折流板的管孔、折流板的管孔直径和公差 按GB151-1999

9、规定，级管束折流板管孔直径为d+0.7=25+0.7=25.7mm，及允许偏差为、管孔中心距 折流板上管孔中心距t=32,公差为相邻两孔，允许4%相邻两管孔中心距偏差0.5mm；任意两孔中心距偏差1mm管孔加工 折流板上管孔加工后两端必须倒角0.5X45。3.3.6 材料的选取设计温度170、由于折流板不是受压元件,选取Q235-B钢板。 3.4 拉杆、定距管3.4.1 拉杆的结构形式折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定方式有如下几种：a.焊接方式，如图3-2（c）拉杆一端插插进管板孔并与管板焊接，每块折流板间距固定后再把其与拉杆焊接固定。常用于拉杆与折流板为不锈钢结构

10、或换热管外径14mm的管束。b.采用拉杆定距管的结构，拉杆一端用螺纹螺孔的方式与管板连接，每两块折流板之间的间距用定距管控制，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接如图3-2（d）；也可以是最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热器后，各折流板都处于相对自由状态，是列管换热器最常用的形式如图3-2（b）所示。c.螺纹与焊接相结合，如图3-2（a）拉杆一端用螺纹螺孔与管板连接，然后将每块折流板焊在拉杆上，同样不需要定距管，适于换热管外径14mm的管束。d.定距螺栓拉杆，如图3-2（e）是依靠一节节定距螺栓将折流板夹持而达定距及固定折流板的目的。定距螺栓分为A、

11、B两种形式，A型是与管板连接的定距螺栓，其两端均为螺纹，B型是两折流板之间采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，该结构安装简单又方便，间距精确。换热器直径小于等于1000mm时，每台换热器只用两根拉杆固定即可。图3.4-1 拉杆的结构形式考虑到制造难度和经济性，本装置的换热管外径为25mm，换热器直径为1000mm，根据上述所说选用拉杆定距管结构。3.4.2 拉杆尺寸和数量、拉杆直径和数量 根据GB1511999规定，拉杆直径d16mm，拉杆数量可取为10根。、拉杆尺寸、公差和表面粗糙度 根据折流板的间距可以确定拉杆的长度， 其具体尺寸如图所示拉杆I结构尺寸及公差图3.4-2 拉杆II结构尺寸及

12、公差3.4.3 拉杆的布置 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置，本换热器拉杆的布置位置参见管板的拉杆孔位置。3.5 定距管定距管的尺寸根据折流板的间距而定，第一块折流板与管板之间距离520mm，折流板间距616mm，拉杆数量10根，折流板数量4块，由此可计算的需要520mm定距管8根，1216mm定距管4根，600mm定距管18根，1136mm定距管2根。定距管采用253管子，材料选用20钢。由于定距管属于非受压元件，所以选用标准无特殊要求。3.6 防冲板为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，在必要时应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。设

13、置防冲板或导流筒时，接管处圆筒脮表面与防冲板或导流筒表面之间介质通过的面积需要大于壳程进出口处的流道面积；壳程进出口处设置防冲板时，至少要为管束进出口处流道面积为折流板与管板或折流板之间距内换热管之间的通道面积减去防冲板的投影面积。管程防冲板设置的条件是流速超过3m/s,设置防冲板可以减小管板冲蚀。壳程设置防冲挡板的条件是，对于非腐蚀的的流体。对其他流体1、 壳程进口防冲挡板本换热器是一再沸器， 防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的11.25倍。壳程进口防冲板规格取325mm380mm。根据GB151-1999规定，防冲板的固定形式有A） 防冲板

14、的两侧焊在定距管或拉杆上，也可同时焊在靠近管板的第一块折流板上；B） 防冲板焊在圆筒上；C）用U形螺栓将防冲板固定在换热器上。本装置才用防冲板焊在定距管上。其结构如图所示：图3.6-1 壳程进口防冲挡板结构尺寸根据GB151-1999规定，防冲板的最小厚度：当壳程进口接管直径小于300mm时，对碳钢、低和金钢取4.5mm；对不锈钢取3mm。当壳程进口接管直径大于300mm时，对碳钢、低合金钢取6mm；对不锈钢取4mm.本装置的壳程进口接管直径为325mm大于300mm，因为不是受压元件，防冲板的材料选为Q235-B，厚度取6mm。2、 管程进口防冲挡板流速超过3m/S，应设置防冲板，防冲板外径

15、大于接管外径50mm以上，接管外径219mm，取防冲板外径280，采用支筋支撑，直接焊接在封头上，高度取97mm，大于d接管符合最小流通截面积的要求，其中支筋采用100mm的8钢条，挡板厚度取6mm。其具体结构尺寸见图示。图3.6-2 管程防冲挡板结构尺寸 3.7 接管和法兰的选用 3.7.1接管和法兰的要求根据GB151-1999的要求接管（含内焊缝）不允许凸出壳体内表面，并在该部位打磨平滑，以免妨碍管束的拆装。接管应该尽管沿径向或轴向布置，（4管程的例外）以方便配管与检修。设计温度在300以上时，不允许使用平焊法兰，必须采用整体法兰。对利用接管（或接口）仍不能放气和排液的换热器，应在管程和

16、壳程的最高点设置放气口，最低点设计排液口或排污口，其最小公称尺寸为20mm。本装置选用DN20管子。操作允许时，一般是在高温、高压或不允许介质泄漏的场合，接管与外部管线的连接也可采用焊接形式。由于本装置压力温度较高高，介质易燃易爆，所以都采用带颈对焊法兰连接。必要是可设置温度计接口、压力表及液面计接口。3.7.2 接管高度（伸出长度）确定 接管伸出壳体外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆装，有无保温及保温厚度等一系列原因因素决定。一般最短应符合下式计算值l h + h1 + + 15 (mm)式中：h接管法兰厚度，mm； h1接管法兰的螺母厚度，mm； 保温层厚度，mm； l接管

17、安装高度，根据公式，及参考HG/T20583化工容器结构设计规定，考虑到接管外观和规格同一，外伸长度都取为200mm。其接管长度由此计算可算得接管b、e管子（即装配图中件10）长度158mm。接管c即件(15-3）长度130mm. 3.7.3 接管位置最小尺寸 壳程接管位置最小尺寸见图3-5，按下式估算：无补强圈 L1do/2+(b-4)+C管程接管最小尺寸见图3-6，按下式估算：无补强圈 L1do/2+hf+C为考虑焊缝影响，一般取C3倍壳体壁厚且不小于50100mm。有时壳径较大且折流板间距也很大，则L1值在设计时尚应考虑第一块折流板与管板的间距，以使流体分布均匀。经过计算，得接管高度和位

18、置尺寸如下:表3.7-1 接管工艺安装尺寸循环液进/出口导热油进/出口排气口排污口外伸高度l/mm200200200位置尺寸L1/mm300见装配图节点见装配图节点材料202020203.7.4 排气，排液管为提高传热效率，排除或回收工作残液（气），凡是不能借助其他接管排气和排液的换热器应在其壳程和管程的最高，最低点，分别设置排气、排液接管，其接管的端部必须与壳体或管箱壳体内壁平齐。对高压立式换热设备中壳程的排气、排液口采用在管板上开设不小于16mm的孔，但是这种结构制造不方便，且堵塞后不易清洗。一般用于压力温度较高和较为清洁的场合。 另一种方式就是设置齐平管进行排液和排气，不然易堵塞而又不易

19、清理。由于此设备压力不高，可设置齐平接管作为排气和排污管。齐平接管的结构尺寸如图所示。图 3.7-1 齐平接管与筒体法兰连接结构图3.7-2 齐平接管尺寸结构3.8 管箱管箱的作用是把由管道流入的管程流体均匀分布到各传热管，把管内流体汇集在一起再送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。无论那一种管箱，其管箱的最小内侧深度应当满足这样的要求：使连接双程间流体流动的横截面至少大于或等于单管程通过的截面。3.8.1 管箱结构形式（1）、A型（平盖管箱）如图3-8（a）装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，

20、且尺寸较大是得用锻件，耗费大量机加工时，提高制造成本，并增加一道密封的泄漏可能。一一般多用于DN3mm，筒体材料又与支座材料相同或相近时，也可不要垫板，此设备DN=1000mm，需设置垫板。根据JB/T 4712.3-2007选用B型带垫板的结构，初选支座号4，支座筋板和底板材料选用Q345R。此型号支座本体允许载荷Q=90KN，适用容器公称直径DN10002000mm，高度H250mm，底板l1=200mm,b1=140mm,1=14mm,S1=70mm,筋板l2=290mm,b2=140,2=10mm,垫板l3=315mm,b3=250,3=8mm,e=40mm，螺栓d=30,螺纹M24，

21、支座质量15.7Kg。3.14 支撑选用耳式支座的支撑一般有钢框架支撑，水泥基础支撑，钢结构支撑等，本装置重量较小，采用槽钢支撑，支撑高度由耳座的安装位置和最下端接管的离地高度确定，其具体尺寸见零件图SCU-EQ-E106-2所示。3.15 吊耳设计在设备安装和检修的时候都需要对设备进行吊装，设置吊耳非常重要，吊耳种类较多，有侧壁式吊耳、轴式吊耳、而式吊耳等。侧壁吊耳不能安装在有法兰的设备上，轴式吊耳适用于重量较大、长度较长的长容器上，本设备直径和重量较小，可设置耳式吊耳。其结构尺寸见图。吊耳结构尺寸由于此吊耳仅作为安装时吊装上管箱所用，其受力情况不是很苛刻，所以不用加垫板，对其强度结构设计要求也不高，其安装尺寸见装配图SCU-EQ-E106-1所示。3.16 其他零部件的结构尺寸设计A） 拉筋的设置由于f接管外伸较长，且带有弯曲部分，其自重所产生的弯矩较大，对连接处的筒体影响较大，为减小其对筒体的弯矩，以及防止接管的水平度，在此接管上设置拉筋，原则上拉筋应尽量焊接在远离力矩中心的地方，但是考虑法兰的焊接和螺栓的安装等