【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 脹 之 差 較 大 時(shí) ， 可 在 殼體 上 設(shè) 置 膨 脹 節(jié) ， 以 減 少 因 管 、 殼 程 溫 差 而 產(chǎn) 生 的 熱 應(yīng) 力 。固 定 管 板 式 換 熱 器 的 特 點(diǎn) 是 ： 旁 路 滲 流 較 小 ； 造 價(jià) 低 ； 無(wú) 內(nèi) 漏 ； 穩(wěn) 定 性 好 。 固 定 管 板 式 換 熱 器 的 缺 點(diǎn) 是 ： 殼 體 和 管 壁 的 溫 差 較 大 ， 易 產(chǎn)生 溫 差 力 ， 殼 程 無(wú) 法 清 洗 ， 管 子 腐 蝕 后 連 同 殼 體 報(bào) 廢 ， 設(shè) 備 壽 命 較 低 ， 不 適用 于 殼 程 易 結(jié) 垢 的 場(chǎng) 合 。 對(duì)于固定管板式換熱器，常見(jiàn)的流型有三種：并流，逆流和折流。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減??；若傳熱面積不變，采用逆流可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。前者可節(jié)省設(shè)備費(fèi)，后者可節(jié)省操作費(fèi)，故在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)使用中應(yīng)盡量采用逆流換熱。 列管式換熱器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收必須遵循中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“鋼制管殼式（即列管式）換熱器” （GB151)執(zhí)行。按該標(biāo)準(zhǔn)，換熱器的公稱(chēng)直徑做出如下規(guī)定：卷制圓筒，一圓筒內(nèi)徑作為換熱器的公稱(chēng)直徑，mm；鋼管制圓筒，以鋼管外徑作為換熱器的公稱(chēng)直徑，mm。換熱器的傳熱面積：計(jì)算傳熱面積，是以傳熱管外徑為基準(zhǔn)，扣除伸入管板內(nèi)的換熱管長(zhǎng)度后，計(jì)算所得的管束外表面積的總和，m 2。公稱(chēng)傳熱面積，指圓整后的計(jì)算傳熱面積。...傳熱管公稱(chēng)長(zhǎng)度：以以換熱管長(zhǎng)度(m)作為換熱器的公稱(chēng)長(zhǎng)度。傳熱管為直管時(shí)，取直管長(zhǎng)度；傳熱管為 U 型管時(shí)，取 U 型管的直管長(zhǎng)度。該標(biāo)準(zhǔn)還將列管式換熱器的主要組合部件分為前端管箱、殼體和后端結(jié)構(gòu)（包括管束）三部分。該標(biāo)準(zhǔn)將換熱器分為Ⅰ、Ⅱ兩級(jí)，Ⅰ級(jí)換熱器較高級(jí)冷拔傳熱管，適用于無(wú)相變傳熱和易產(chǎn)生振動(dòng)的場(chǎng)合。Ⅱ級(jí)換熱器采用普通級(jí)冷拔傳熱管，適用于重沸，冷凝和無(wú)振動(dòng)的一般場(chǎng)合。列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括下列內(nèi)容：⑴ 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案；⑵ 初步確定換熱器結(jié)構(gòu)和尺寸；⑶ 核算換熱器的傳熱能力和流體阻力；⑷ 確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)方案已定為固定管板式冷凝器，屬于Ⅱ級(jí)換熱器，其他工藝要求已給定，所以工藝計(jì)算省略。... 第 2 章 冷凝器零部件的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件焦?fàn)t氣制甲醇生產(chǎn)工藝是將來(lái)自焦化廠經(jīng)過(guò)預(yù)處理的焦?fàn)t煤氣送進(jìn)儲(chǔ)氣罐緩沖穩(wěn)壓、壓縮增壓，接著進(jìn)行加氫轉(zhuǎn)化精脫硫，即焦?fàn)t煤氣的凈化；然后通過(guò)催化或非催化方法將焦?fàn)t煤氣中的 CHC mHn 轉(zhuǎn)化為合成甲醇的有效氣體組分(H 2 + CO)，再通過(guò)補(bǔ)碳調(diào)整原料氣的氫碳比，就制成了氫碳比符合甲醇合成所需的合成氣；將合成氣壓縮增壓后送入甲醇合成塔進(jìn)行合成反應(yīng)，生成粗甲醇，然后對(duì)粗甲醇進(jìn)行精餾，就制成了煤基清潔能源和用途廣泛的有機(jī)化工原料精甲醇。本設(shè)計(jì)項(xiàng)目為 24 萬(wàn)噸/年甲醇精餾工段預(yù)塔冷凝器的設(shè)計(jì)及 ANSYS軟件的應(yīng)用。 題目已知參數(shù)為（1）規(guī)格：φ12007795（2）列管：φ192，L=6000，n=1914 根，F(xiàn)=673m 2（3）操作溫度：管程：32/42℃ 殼程： 75/70℃（4）操作壓力（表壓）：管程： 殼程： （5）設(shè)計(jì)溫度：管程：60℃ 殼程：90℃（6）設(shè)計(jì)壓力（表壓）：管程： 殼程：（7）物料名稱(chēng)：管程：冷卻水 殼程：粗甲醇 再假定接管尺寸如下：殼程粗甲醇入口接管 φ4789殼程冷凝液出口接管 φ2199管程冷卻水出入接管 φ3779殼程排氣孔接管 φ57 管程和殼程... 管程數(shù)在換管內(nèi)流動(dòng)的流體從管子的一端流到另一端，稱(chēng)為一個(gè)管程。在管殼式換熱器中，最簡(jiǎn)單最常用的是單管程的換熱器。如果根據(jù)換熱器的工藝設(shè)計(jì)要求，需要加大換熱面積時(shí)，可以采用增加管長(zhǎng)或者管數(shù)的方法。但前者受到加工、運(yùn)輸、安裝以及維修等方面的限制，故常采用后一種方法。在本設(shè)計(jì)中，省去了工藝計(jì)算，所以由已知：殼體內(nèi)徑 DN=1200mm,換熱管為：φ192，L=6m，n=1914．可以看出相對(duì)殼體內(nèi)徑而言換熱管數(shù)多，而又知公稱(chēng)直徑 DN=1200mm，換熱管為 φ192 時(shí)，單程管板最大開(kāi)空數(shù)是 1945，雙管程管板最大開(kāi)孔數(shù)是 1922，本設(shè)計(jì)要求換熱管數(shù)是 1914（不含拉桿數(shù)） ，同時(shí)考慮到管板的利用率不會(huì)達(dá)到 100%，所以只能選擇單管程，而且必須采用正三角形排管方式。 殼程數(shù)殼程是指介質(zhì)流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通的部分。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，或?yàn)樵龃髿こ塘黧w傳熱系數(shù)，也可將換熱器分為多程的結(jié)構(gòu)。當(dāng)按熱系數(shù)不是很小，流體雷諾數(shù)不小于50到100時(shí)，一般都不需要增加殼程數(shù)，采用單殼程就可以滿(mǎn)足要求。本題目中流體處理量較大，傳熱面積也較大，所以可以直接選用單殼程。亦可以用如下方法確定殼程數(shù)：首先，在坐標(biāo)上做 QT 和 Qt線，有熱量衡算方程知，若兩流體的熱容量流率不變，則 QT 和 Qt 線都是直線。依據(jù)兩流體進(jìn)出口溫度，可在坐標(biāo)紙上做出兩條直線，如圖11所示。然后從冷流體出口溫度 t2開(kāi)始作水平線與 QT 線相交，在交點(diǎn)處向下作垂直線與 Qt 線相交，重復(fù)以上步驟，直至垂線與 Qt 線交點(diǎn)的溫度等于或低于冷流體的進(jìn)口溫度，此時(shí)圖中水平線數(shù)目就是所需殼程數(shù)，圖21所示的情況正好與前面所述的單殼程相吻合。所以殼程是單殼程。... 管子排列圖21 殼程數(shù)的確定 傳熱管排列方式傳熱管在管板上的排列有三種基本形式，即正三角形、正四邊形和同心圓排列。如圖12所示。傳熱管的排列應(yīng)使其在整個(gè)換熱器圓截面上均勻而緊湊地分布，同時(shí)還要考慮流體性質(zhì)，管箱結(jié)構(gòu)及加工制造等方面的問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，正三角形排列在相同的管板面積上課排列較多的管子，而且管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，但正三角形排列時(shí)管外機(jī)械清洗較為困難，而且管外流體的流動(dòng)阻力也較大。正方形...排列在同樣的管板面積上可排列的傳熱管數(shù)最少，但管外易于進(jìn)行機(jī)械清洗，所以當(dāng)管子外壁需要機(jī)械清洗時(shí)常采用這種排列方法。同心圓排列方式的優(yōu)點(diǎn)在于靠近殼體的地方管子分布較為均勻，在殼體直徑很小的換熱器中可排的換熱管數(shù)較正三列還要多。結(jié)合已知題目換熱管數(shù)要求很多，而殼體直徑不是很大，所以綜上所述，應(yīng)該選擇正三角形排列方式排列。由圖12 可以看出，采用正三角形排列時(shí)管子排列面積是一個(gè)正六邊形，排在正六邊形內(nèi)的傳熱管數(shù)位NT=3a(a+1)+1若設(shè) b 是正三角形對(duì)角線上的管子數(shù)目，則b=2a+1式中 NT—排列的管子數(shù)目； a—正六角形的個(gè)數(shù)。采用正三角形排列，當(dāng)管子數(shù)目超過(guò)127根，即正六邊形的個(gè)數(shù) a6時(shí)。最外層六邊形和殼體間的弓形部分空間較大，也應(yīng)配置傳熱管，可排的管子數(shù)目見(jiàn)表11 。 可以從表中看到 NT=1657, a=23, b=47 管心距管板上兩傳熱管中心距離稱(chēng)為管心距。管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關(guān)，此外還要考慮到管板強(qiáng)度和清洗管外表面時(shí)所需的空間。傳熱管和管板的連接方法有脹接和焊接兩種，當(dāng)采用脹接法時(shí)，采用過(guò)小...的管心距，常會(huì)造成管板變形。而采用焊接法時(shí)，管心距過(guò)小，也很難保證焊接質(zhì)量，因此管心距應(yīng)有一定的數(shù)據(jù)范圍。一般情況下，脹接時(shí)，取管心距t=(～)d 0；焊接時(shí)，取 t=(d0為管子外徑） 。對(duì)于直徑較小的管子，要注意，管心距最小不能小于（d 0+6)mm，而且 t/d0值應(yīng)稍大些。常用管心距列于下表21 中。本題目中已知換熱管尺寸為：φ192，所以查表12知管心距 t=25mm。表21 常用管心距 /mm 管板結(jié)構(gòu)尺寸 管板的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一臺(tái)列管換熱器無(wú)論從設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，制造的成本，還是使用的可靠性都與管板的設(shè)計(jì)有關(guān)。在管板的設(shè)計(jì)中主要是選定合適的結(jié)構(gòu)形式后進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度尺寸確定。 固定管板兼做法蘭的尺寸確定這種結(jié)構(gòu)的管板，主要用于固定管板式換熱器上。這種管板結(jié)構(gòu)尺寸的確定可以根據(jù)殼體內(nèi)徑與設(shè)計(jì)壓力來(lái)設(shè)計(jì)或者選擇法蘭，然后根據(jù)法蘭相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸確定管板的最大外徑，密封面位置、寬度、螺栓直徑、位置、個(gè)數(shù)等。也可以查表22 固定管板式換熱器管板尺寸得到相關(guān)的尺寸。表22 固定管板式換熱器管板尺寸/mm換熱管外徑 d 10 14 19 25 32 38 45 57最大無(wú)支撐跨距 800 1100 1500 1900 2200 2500 2800 3200...公稱(chēng)直徑DND D1 D2 D3 D4 D5 = D6b c d 螺栓孔數(shù)nPN=800 930 890 790 798 843 800 40 10 23 361000 1130 1090 990 998 1043 1000 44 12 23 441200 1360 1310 1190 1198 1252 1200 48 12 27 441400 1560 1510 1390 1398 1452 1400 50 12 27 521600 1760 1710 1590 1598 1652 1600 56 14 27 601800 1960 1910 1790 1798 1850 1800 60 14 27 68所以,可以初步選擇上表中的加粗黑體管板尺寸做管板。 管箱容器法蘭 法蘭的基本形式⑴ 整體法蘭 整體法蘭又稱(chēng)長(zhǎng)頸法蘭或者帶頸法蘭。整體法蘭往往與容器連成一個(gè)整體。⑵ 活套法蘭 法蘭只是松套在凸緣或者翻邊上，故又稱(chēng)自由法蘭。法蘭環(huán)與筒身或其他零部件間采用角焊、鉚接和螺紋連接的法蘭也屬于活套法蘭。這類(lèi)法蘭拆卸維修方便，但其強(qiáng)度較低，故多用于低壓和小尺寸的場(chǎng)合。⑶ 平焊法蘭 又稱(chēng)任意法蘭。在法蘭內(nèi)圓加工出坡口并與筒體或其他部件組焊。它具有較高的強(qiáng)度，所以設(shè)計(jì)時(shí)可采用與整體法蘭同樣的設(shè)計(jì)方法。但在低壓、小尺寸和操作溫度不高的情況下，可按活套法蘭進(jìn)行設(shè)計(jì)。在JB4700～JB4707《壓力容器法蘭 》標(biāo)準(zhǔn)中有甲型法蘭與乙型法蘭之分。甲型法...蘭的填角焊縫較小或不開(kāi)坡口焊接，不能保證法蘭與筒體同時(shí)受力，故按活套法蘭考慮。乙型平焊法蘭先于端節(jié)采用角焊連接，然后短節(jié)再與筒體對(duì)焊。因此，焊接強(qiáng)度可靠，能保證法蘭與筒體的同時(shí)受力，故按整體法蘭考慮。⑷ 角鋼法蘭 對(duì)于無(wú)密封要求的常壓容器，可采用角鋼法蘭，角鋼法蘭上的螺栓個(gè)數(shù)一般應(yīng)是四的倍數(shù)。⑸ 壓力容器法蘭應(yīng)按 JB4700～JB4707 標(biāo)準(zhǔn)選用。 法蘭選擇所以本設(shè)計(jì)選用乙型平焊法蘭。密封面采用凹凸密封面如圖22所示。...圖22 乙型平焊法蘭凹凸面密封所以，選擇凹面乙型平焊法蘭，相關(guān)尺寸列于表23之中表23 乙型平焊法蘭尺寸/mm因?yàn)榉ㄌm是標(biāo)準(zhǔn)件，而管板可以自己設(shè)計(jì)與選擇，所以可以按準(zhǔn)表2—3乙法蘭，mm 螺栓公稱(chēng)直徑 DN, mm D D1 D2 D3 D4 δ d H δt 規(guī)格 數(shù)量PN=1200 1360 1315 1276 1256 1253 66 27 265 16 M24 36...型法蘭尺寸對(duì)表22固定管板式換熱器管板尺寸稍作改變以使其與法蘭能夠配合連接?？紤]到殼體與管板的焊接，及管板上換熱管的拉脫力，所以最后可以選出管板幾何尺寸如表24管板幾何尺寸。表24 管板幾何尺寸/mm管板尺寸 螺栓公稱(chēng)直徑 DN D D1 D2 D3 D4 D5 b c d 規(guī)格 孔數(shù)PN=1200 1360 1315 1190 1188 1254 1200 50 6 27 M24 36 容器法蘭的匹配與材料選用 法蘭的匹配及材料選用如表24所示。表24 容器法蘭的匹配及材料選用匹配 墊片 匹配法蘭類(lèi)型 種類(lèi)溫度限 20℃至匹配法蘭材料匹配螺柱 材料溫度限20℃至螺母 材料300℃ Q235A 乙 型 法 蘭非金屬軟墊片GB539 耐油石棉橡膠板200℃任 意板材 GB3274 Q235A、B、C GB6654 20R 16MnR 鍛件 JB755 20 16Mn選表25螺柱材料35350℃ 15...所以可選 GB3985石棉橡膠板墊片，螺柱材料為40Cr, 螺母選擇40Mn ，法蘭材料選擇16MnR 板材。表25 容器法蘭螺柱材料選用表 法蘭連接 等長(zhǎng)雙頭螺柱查 JB/T47072022，選取 M20的等長(zhǎng)雙頭螺柱，其中標(biāo)記為：螺柱 M24180A JB/T47072022結(jié)構(gòu)與形式尺寸如圖23所示：GB3985 石棉橡膠板 350℃GB3077 40MnB 40Cr 40MnVB400℃35 45 40Mn公稱(chēng)壓力/MPa 容器法蘭公稱(chēng)直徑/mm35 2200～3200 1300～240040MnB 40Cr 300～2022 300～2022... 圖23 等雙頭螺柱 非金屬軟件