管式换热器所以只能选择单管程

　　本文是生产能力24万吨/年的甲醇精馏工段预塔冷凝器设计，并应用ANSYS 有限元分析软件进行强度分析校核。本文主要研究在给定条件下，如何选择结构 形式及各种附件，以在满足任务要求的前提下设计出既经济又合理的冷凝器。对 冷凝器零部件的工艺结构、机械结构、法兰，鞍座等的选型等都进行了相关校核， 后应用ANSYS 有限元分析软件对壳体开口接管处的应力，法兰连接强度以及管 箱短节与封头连接处不连续应力等做了分析。 关键字：列管式冷凝器，强度校核，ANSYS 有限元分析 ABSTRACT 24tonnes yearmethanol distillation tower condenser section pre-calculation,meanwhile, applying ANSYSSOFTWARE correction.We were mainly discussing how bestchoice accessories,determining mosteconomic reasonablecondenser under givenconditions. Furthermore, designincluding condenserparts processstructure, mechanicalstructure design flanges,saddles, etc. Finally finiteelement analysis software ANSYS stressanalysis shellopenings, strength analysis flangeconnections, pipe junction box non-continuousstress analysis, etc. Key words: shell-and-tube condenser,strength check, ANSYS finite element analysis 上篇换热器设计 章换热器概述 1.1换热器的简介与应用 1.2列管式换热器设计简介 第二章冷凝器零部件的工艺结构设计 2.1设计任务和设计条件 2.1管程和壳程 2.1.1管程数 2.2管子排列 2.3管板结构尺寸 102.3.1 固定管板兼做法兰的尺寸确定 102.4 管箱容器法兰 112.4.1 法兰的基本形式 112.4.2 法兰选择 122.4.3 容器法兰的匹配与材料选用 142.5 法兰连接 152.5.1 等长双头螺柱................................................................................... 15 2.5.2 非金属软件片................................................................................... 16 2.5.3 六角法兰面螺母 162.6 接管............................................................................................................ 18 2.6.1 接管的一般要求 182.6.2 接管高度（伸出长度）确定 192.6.3 接管位置小尺寸 192.6.4 接管法兰的要求 212.6.5 接管法兰选择................................................................................... 21 2.7 支持板（折流板） 222.7.1 232.7.2 弓形折流板的主要几何参数 232.7.3 弓形折流板排列方式确定 262.7.4 折流板与壳体间隙 272.7.5 折流板厚度 272.7.6 折流板的管孔................................................................................... 27 2.7.6.1 折流板的管孔直径和公差 272.7.6.2 管孔中心距 282.7.6.3 管孔加工 282.8 拉杆、定距管 292.8.1 拉杆的结构形式 292.8.2 拉杆的结构和数量 302.8.3 拉杆尺寸 302.8.4 拉杆的布置 312.9.1 旁路挡板 312.9.2 333.1 传热管与管板连接 343.1.1 管子和管板的强度胀接连接 353.1.2 管子与管板的强度焊接连接 353.1.3 353.2 管板与壳体及管箱的连接 363.2.1 管板与壳体的连接 363.2.2 383.3 管箱结构形式 39第四章 冷凝器机械设计 414.1 筒体强度计算 414.1.1 筒体材料选择.................................................................................... 41 4.1.2 筒体厚度计算................................................................................... 41 4.1.3 筒体内压力实验 424.2 封头强度计算 434.2.1 封头厚度计算................................................................................... 43 4.2.2 封头内压力试验 434.3 管箱短节强度计算 444.3.1 管箱短节厚度计算 444.3.2 管箱短节压力试验 454.4 开孔补强校核 464.4.1 464.4.2 壳体开孔补强校核 47第五章 鞍座选择 505.1 鞍式支座的选取 50下篇 ANSYS 软件应用 53第六章 ANSYS 软件在压力容器中应用简介........................................................ 53 第七章 冷凝器开孔接管区的应力分析 557.1 题目描述 557.2 问题分析 557.3 命令流分析过程 567.4 结果处理与讨论 60第八章 法兰连接中的接触分析 638.1 题目描述 638.2 分析说明 648.3 命令流分析过程 648.4 结果分析与讨论 79第九章 冷凝器管箱短节与封头的连接区的应力分析 829.1 题目描述 829.2 分析问题 829.3 命令流分析过程 839.4 结果与讨论 87参考文献 88文献翻译 95北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 本设计题目是根据工程实践，经由指导老师的假拟而成的。本设计紧贴过程装备与控制工程专业，充分发掘本专业的主干知识，同时应用当下较为前沿的 ANSYS 有限元分析软件做应力分析更是与实际生产的相结合。在毕业设计中是 一种尝试与创新，有很好的研究价值。 本设计的主要内容有冷凝器设备设计和ANSYS 软件的应用。冷凝器设备设计 包括冷凝器设备结构设计，冷凝器零附件件选型，及设备强度校核；ANSYS 软件 应用是利用ANSYS 有限元分析软件做强度与应力分析，这也是本设计的亮点与核 心部分。应用ANSYS 有限元软件做强度与应力分析由于本软件是自学与首次应用 所以只是做了简单的设备部件接触应力分析与连接强度分析以及开孔应力分析 等等较为简单的研究，旨在通过ANSYS 有限元软件对设计的校核检验与说明设计 的安全可行性。 本设计主要依据GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999《列管式换热 器》的设计规范与《压力容器安全技术监察规程》的要求。同时结合本设计的自 身特点在规范要求与允许条件下有不少的灵活的变通与个人设计特点。 同时，由于只是纯粹的理论知识没有具体的实践，所以设计难免有与实际不 是很切合的地方，但在设计中已力求既满足设计要求又很好的切合实际,努力做 得更好。 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 上篇换热器设计 章 换热器概述 1.1 换热器的简介与应用 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器 的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和 航天 火箭上的油冷却器等，管式换热器都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能 等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时 是提高能源利用率的主要设备之一。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一 工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且 传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形 成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较 好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。 二十世纪 20 年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换 热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30 年代初，瑞典首 次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板 翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30 年代末，瑞典又制造出台板壳式 换热器，用于纸浆工。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对 新型材料制成的换热器开始注意。 60 年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能 紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到 进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 60 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式 换热器也得到了进一步的发展。70 年代中期，为了强化传热，在研究和发展热 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 管的基础上又创制出热管式换热器。换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器， 又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、 液两流体之间的换热。例如，化工和发电所用的凉水塔中，热水由上往下喷 淋，而冷空气自下而上吸入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷 空气相互接触进行换热，热水被冷却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密 度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面，从 而进行热量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用 于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于 空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换 热器，因此又称表面式换热器，这类换热器应用广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式 换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热 器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅 式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要 求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。 管壳式换热器一般有固定管板式，浮头式，U 形管式，釜式重沸器，填料函 式等。固定管板式换热器以结构简单，操作弹性大，可靠程度高，造价低等优点 而广泛被使用。管式换热器固定管板式换热器的两端管板，采用焊接方式与壳体连接固定。 其简单的结构形式如图1-1 所示： 1-1固定管板式换热器的结构 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或 胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程 的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的 进出口管直接和管箱焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折 流板，用以增大湍动程度，提高传热系数。这种换热器管程可以用隔板分 成任何程数。 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以 分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳 程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时， 可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。 固定管板式换热器的特点是：1、旁路渗流较小；2、造价低；3、无内漏； 4、稳定性好。固定管板式换热器的缺点是：壳体和管壁的温差较大，易产 生温差力，壳程无法清洗，管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低，不 适用于壳程易结垢的场合。 对于固定管板式换热器，常见的流型有三种：并流，逆流和折流。在完成同 样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传 热面积不变，采用逆流可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费， 后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 1.2 列管式换热器设计简介 列管式换热器的设计、制造、检验和验收必须遵循中华人民共和国国家标准 “钢制管壳式（即列管式）换热器”（GB151)执行。 按该标准，换热器的公称直径做出如下规定：卷制圆筒，一圆筒内径作为换 热器的公称直径，mm；钢管制圆筒，以钢管外径作为换热器的公称直径，mm。 换热器的传热面积：计算传热面积，是以传热管外径为基准，扣除伸入管板 内的换热管长度后，计算所得的管束外表面积的总和，m 。公称传热面积，指圆整后的计算传热面积。 传热管公称长度：以以换热管长度(m)作为换热器的公称长度。传热管为直 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 该标准还将列管式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端结构（包括管束）三部分。 该标准将换热器分为、两级，级换热器较高级冷拔传热管，适用于无 相变传热和易产生振动的场合。级换热器采用普通级冷拔传热管，适用于重沸， 冷凝和无振动的一般场合。 列管式换热器的工艺设计主要包括下列内容： 确定换热器的工艺结构。本设计方案已定为固定管板式冷凝器，属于级换热器，其他工艺要求已给 定，所以工艺计算省略。 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 第二章冷凝器零部件的工艺结构设计 2.1 设计任务和设计条件 焦炉气制甲醇生产工艺是将来自焦化经过预处理的焦炉煤气送进储气罐 缓冲稳压、压缩增压，接着进行加氢转化精脱硫，即焦炉煤气的净化；然后通过 催化或非催化方法将焦炉煤气中的 CH CO)，再通过补碳调整原料气的氢碳比，就制成了氢碳比符合甲醇合成所需的合成气；将合成气压缩增压后送入甲醇合成塔进行合成反应，管式换热器生成粗甲醇， 然后对粗甲醇进行精馏，就制成了煤基清洁能源和用途广泛的有机化工原料精甲 醇。本设计项目为24 万吨/年甲醇精馏工段预塔冷凝器的设计及ANSYS 软件的 应用。 题目已知参数为 （1）规格：φ 12007795 （2）列管：φ 192，L=6000，n=1914 根，F=673m （3）操作温度：管程：32/42壳程：75/70 （4）操作压力（表压）：管程：0.4MPa 壳程：0.03MPa （5）设计温度：管程：60 壳程：90 （6）设计压力（表压）：管程：0.5MPa 壳程：0.3MPa （7）物料名称：管程：冷却水 壳程：粗甲醇 再假定接管尺寸如下： 壳程粗甲醇入口接管φ 4789 壳程冷凝液出口接管φ 2199 管程冷却水出入接管φ 3779 壳程排气孔接管φ 573.5 2.1 管程和壳程 2.1.1 管程数 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 在换管内流动的流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。在管壳式换热器中，简单常用的是单管程的换热器。如果根据换热器的工艺设计要求， 需要加大换热面积时，可以采用增加管长或者管数的方法。但前者受到加工、运 输、安装以及维修等方面的限制，故常采用后一种方法。在本设计中，省去了工 艺计算，所以由已知： 壳体内径D =1200mm,换热管为：φ 192，L=6m，n=1914． 可以看出相对壳体内径而言换热管数多，而又知公称直径D 192时，单程管板开空数是1945，双管程管板开孔数是1922，本 设计要求换热管数是1914（不含拉杆数），同时考虑到管板的利用率不会达到 ，所以只能选择单管程，而且必须采用正三角形排管方式。 2.1.2 壳程是指介质流经换热管外的通道及与其相贯通的部分。根据工艺设计要求，或为增大壳程流体传热系数，也可将换热器分为多程的结构。当按热系数不 是很小，流体雷诺数不小于50到100时，一般都不需要增加壳程数，采用单壳程 就可以满足要求。本题目中流体处理量较大，传热面积也较大，所以可以直接选 用单壳程。亦可以用如下方法确定壳程数：首先，在坐标上做Q-T 和Q-t 热量衡算方程知，若两流体的热容量流率不变，则Q-T和Q-t 线都是直线。依据 两流体进出口温度，可在坐标纸上做出两条直线所示。 然后从冷流体出口温度t 开始作水平线与Q-T线相交，在交点处向下作垂直 线与Q-t 线相交，重复以上步骤，直至垂线与Q-t 线交点的温度等于或低于冷流 体的进口温度，此时图中水平线数目就是所需壳程数，图2-1所示的情况正好与 前面所述的单壳程相吻合。所以壳程是单壳程。 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 2.2管子排列 图2-1 壳程数的确定 2.2.1 传热管排列方式 传热管在管板上的排列有三种基本形式，即正三角形、正四边形和同心圆排 列。如图1-2所示。 传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀而紧凑地分布，同时还要考 虑流体性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。一般说来，正三角形排列在相 同的管板面积上课排列较多的管子，而且管外表面传热系数较大，但正三角形排 列时管外机械清洗较为困难，而且管外流体的流动阻力也较大。正方形排列在同 样的管板面积上可排列的传热管数少，但管外易于进行机械清洗，所以当管子 北方民族大学过程装备与控制工程专业2010 届毕业设计 外壁需要机械清洗时常采用这种排列方法。同心圆排列方式的优点在于靠近壳体的地方管子分布较为均匀，在壳体直径很小的换热器中可排的换热管数较正三列 还要多。 结合已知题目换热管数要求很多，而壳体直径不是很大，所以综上所述，应 该选择正三角形排列方式排列。 由图1-2可以看出，采用正三角形排列时管子排列面积是一个正六边形，排 在正六边形内的传热管数位 是正三角形对角线
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