2023年E 换热器设计.pdf

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1、 E101 换热器设计 换热器类型 换热器选型时需要考虑的因素很多，主要是流体的性质；压力、温度及允许压力降得范围；对清洗、维修的要求；材料价格；使用寿命等。换热器种类很多，按热量交换原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。间壁式换热器有夹套式、管式和板式换热器。管壳式换热器又称列管式换热器，该类换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最广泛的应用。近年来，尽管受到了其他新型换热器的挑战，但反过来也促进其自身的发展。在换热器向高参数、大型化发展的今天，管壳式换热器仍占主导地位。列管式换热器可根据其结构特点，分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。各类换热

2、器特性如下表。表 1 管壳式换热器特性 分类 名称 特性 相对费用 耗用金属kg/m3 管壳式换热器 固定管板式 使用广泛；壳程不易清洗，管壳两物料温差大于 60时应设膨胀节，最大使用温差不应大于60 30 浮头式 壳程易清洗；管壳两物料温差可大于 120；内垫片易渗漏 46 调料函式 优缺点同浮头式；造价高，不宜制造大直径设备 U形管式 制造安装方便，造价较低；管程耐高压；结构不紧凑，管子不易更换，不易机械清洗 列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。一般要根据物流的性质、流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。从经济角度看，只要工艺条件

3、允许，应该优先选用固定管板式换热器。但遇到以下两种情况时，应选用浮头式换热器。壳壁与管壁的温差超过 70；壁温相差 5070。而壳程流体压力大于 MPa 时，不宜采用有波形膨胀节的固定管板式换热器。壳程流体易结垢或腐蚀性强时不能采用固定管板式换热器。综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面，本次设计主要采用浮头式和固定管板式换热器。根据工艺条件，热蒸汽使用 125（5 bar）和 175（bar）的饱和蒸汽，作为热公用工程。同时，选择温度为 20 的冷却水作为冷公用工程。一般情况下冷却水出口温度不高于60，避免结垢严重，高温端的温差不应小于 20，低温端的温差不应小于 5。当在两工艺物流之间进

4、行换热时，低温端的温差不应小于 20。当采用多管程、单壳程的管壳式换热器，并且用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。此外，部分物流温度要控制在 5 左右，选用氨作为制冷剂。对于高温物流一般走管程，从而节省保温层和减少壳体厚度，但是有时为了物料的散热，增强冷却效果，也可以使高温流体走壳程；对于压力较高的物流应该走管程；粘度较大的流体应该走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数；对于压力降有特定要求的工艺物流应走管程，因管程的传热系数和压降计算误差较小；流量较小的物流应走壳程，易使物流形成湍流状态，从而增加传热系数；对于具有腐蚀性的物流走管程，否则对壳程和管程都会造成腐蚀；对于

5、有毒流体宜走管程，使泄漏机会减少。换热管规格 一般换热管有表 6-34 中几种规格提供参考。表 2 换热管规格表 材料 换热管标准 管子规格/mm 外径 壁厚 热器有夹套式管式和板式换热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于浮头式壳程易清洗管壳两物料温碳钢 低合金钢 不锈钢 GB/T 8163 GB 9948 1430 2 3050 3 57 GB 13296 1430 GB 9

6、948 GB/T 14976 3050 57 铝 铝合金 GB/T 6893 34 3650 5055 铜 GB/T 1527 10 1118 1930 铜合金 GB/T 8890 1012 1218 1825 2528 钛 钛合金 GB/T 3625 1030 3040 4050 在选择管道规格时，通常选用 19 mm 的管子；对于易结垢的物料，为方便清洗，采用外径 25 mm 或 38 mm 的管子；对于有气液两相流的工艺物流或者物流流量较大工艺物流，一般选用较大的管径。2）管长 在满足设计要求的前提下，尽量选用较短的管子，以降低压降。3）管程数 随着管程数增加，管内流速和传热系数均相应的

7、增加，因此一般选在 1 2 或者 4 管程，热器有夹套式管式和板式换热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于浮头式壳程易清洗管壳两物料温不宜选用太高的管程数，以免压力降过大。4）换热管中心距 管心距为管径的倍，常用换热管中心距一般按照表 6-35 选取。表 3 换热管中心距/mm 换热管外径 19 25 32 38 换热管中心距 25 32 40 48 分程隔板槽两侧相邻管中心距

8、 38 44 52 60 5）排列方式 正三角形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，而正方形排列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转 45 放置，也可提高给热系数。6）折流板 折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，获得较好的传热效果。表 4 折流板间距/mm 公称直径 管长 折流板间距 500 3000 100 200 300 450 600 4500-6000 600-800 1500-6000 150 200 300 450 600 900-1300 6000 200 300 450 600 7500，9000 750 1400-1600 6000 3

9、00 450 600 750 7500，9000 1700-1800 6000-9000 450 600 750 依据表 6-36 中的数据，可以确定折流板数目。对于 DN500 mm，选择一对；对于 DN500 1000 mm，选择两对；对于 DN 1000 mm，选择三对以上。热器有夹套式管式和板式换热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于浮头式壳程易清洗管壳两物料温)(15

10、88.0 K m WC)a(10 9.95s PC 7）裕量 对于工艺物流间的换热，留有 40%50%的裕量；对于工艺物流与公用工程间的换热，留有 15%25%的裕量。换热器的选型计算 设计条件的确定 表 1 操作参数 操作条件 参数 管程 壳程 介质 热物料 冷物料 物流名称 脱丙烷塔冷凝液 预热器 E0101 质量流量/（kg/h）675000 675000 进口温度/62-42 出口温度/-10-10 进口压力/MPa 出口压力/MPa 确定主要物性数据 壳程的定性温度为：管程的定性温度为 流体有关物性数据 1）壳程凝液在定性温度 t 下的物性数据：热导率：粘度：热器有夹套式管式和板式换

11、热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于浮头式壳程易清洗管壳两物料温)/(669.2 k kg kj Cpc 3/493 m kg pc)/(01811.0 k m wb s pab 710 61.86)/(693.1 kj kg kj Cpb 3/826.1 m kg pb104)()(ln)()(1 22 11 2 2 1 t Tt Tt T t Ttm比热：密度：2）管程流

12、体在定性温度 T 下的物性数据：热导率：粘度：比热：密度：工艺过程计 1）热流量 Q 由公式可以确定此换热器所通过的热流量为 2）计算平均传热温差 其中：3）换热面积的计算 其中：壳程流体的热导率，K)W/(m；ed当量直径，m；0Re管外流动雷诺数；Pr流体在定性温度下的普朗特数；流体在定性温度下的粘度，s Pa；热器有夹套式管式和板式换热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于

13、浮头式壳程易清洗管壳两物料温278.2161507 10410 4.3mKtQAm mm 250 1000 25.0%25 D h95004500 BLNB折流板间距传热管长w流体在壁温下的粘度，s Pa。由上式可求得 得出了换热面积为。根据以上进出口温度参数及平均传热温差，选择浮头是换热器。参阅相关化工与石油化工单元设备标准 JBT 4715-92 固定管板式式换热器型式与基本参数，初步选定换热器换热面积为，其中公称直径 DN=1000mm，传热管规格为 25x2mm，传热管总长 L=4500mm，传热管排管数 NT为 1267 根，中心排管数为 39，折流板间距为 450mm,换热器长为。

14、4）传热管排列方式及管心距 传热管按正三角形排列，如图所示。根据 25 2mm 的传热管规格，取常用的管心距 t 为。图 1 传热管正三角形排列方式 5）壳体内径 换热器壳体内径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。选用标准换热器，忽略壳体壁厚，其壳体内径约为 D=1000mm，采用无缝钢管制作筒体。6）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 30%，切去的圆缺高度为：取折流板间距为：折流板数BN为：折流板块数为 9热器有夹套式管式和板式换热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于浮头式壳程易清洗管壳两物料温E0101 装配图 热器有夹套式管式和板式换热器管壳式换热器又称列管式换热器该类换热器具有可靠性高适应性广等优点在各工业领 大型化发展的今管壳式换热器仍占主导地位列管式换热器可根据其结构特点分为固定管板式浮头式形管式填料函式和 板式使用广泛壳程不易清洗管壳两物料温差大于时应设膨胀节最大使用温差不应大于浮头式壳程易清洗管壳两物料温