换热器设计方案指南汇总.docx

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换热器设计方案指南汇总

换热器设计指南

1总则

1.1目的

为规范本公司工艺设计人员设计管壳式换热器及校核管壳式换热器而编制。

1.2范围

1.2.1本规定规定了管壳式换热器的选型、设计、校核及材料选择。

1.2.2本规定适用于本公司所有的管壳式换热器。

1.3规范性引用文件

下列文件中的条款通过本规定的引用而成为本规定的条款，凡注日期的应用文件，其随后所有的修改单或修改版均不适用本规定。

凡不注日期或修改号（版次）的引用文件，其最新版本适用于本规定。

GB150-1999钢制压力容器

GB151-1999管壳式换热器

HTRI设计手册

Shell&tubeheatexchangers——JGC

石油化工设计手册第3卷——化学工业出版社（2002）

换热器设计手册——中国石化出版社（2004）

换热器设计手册——化学工业出版社（2002）

ShellandTubeHeatExchangersTechnicalSpecification——SHESLL（2004）

SHELLANDTUBEHEATEXCHANGERS——BP（1997）

ShellandTubeExchangerDesignandSelection——CHEVRONCOP.（1989）

HEATEXCHANGERS——FLUORDANIEL（1994）

ShellandTubeHeatExchangers——TOTAL（2002）

管壳式换热器工程规定——SEI（2005）

2设计基础

2.1传热过程名词定义

2.1.1无相变过程

加热：

用工艺流体或其他热流体加热另一工艺流体的过程。

冷却：

用工艺流体、冷却水或空气等冷剂冷却另一工艺流体的过程。

换热：

用工艺流体加热或冷却另外一股工艺流体的过程。

2.1.2沸腾过程

在传热过程中存在着相的变化—液体加热沸腾后一部分变为汽相。

此时除显热传递外，还有潜热的传递。

池沸过程：

用工艺流体、水蒸汽或其他热流体加热汽化大容积设备中的工艺流体过程。

流动沸腾：

用工艺流体、水蒸汽或其他热流体加热汽化狭窄流道中的工艺流体过程。

2.1.3冷凝过程

部分或全部流体被冷凝为液相,热流体的显热和潜热被冷流体带走，这一相变过程叫冷凝过程。

纯蒸汽或混合蒸汽冷凝：

用工艺流体、冷却水或空气，全部或部分冷凝另一工艺流体。

有不凝气的冷凝：

用工艺流体、冷却水或空气，部分冷凝工艺流体和同时冷却不凝性气体。

2.2换热器的术语及分类

2.2.1术语及定义

换热器装置：

为某个可能包括可替换操作条件的特定作业的一个或多个换热器；

位号：

设计人员对某一换热器单元的识别号；

有效表面：

进行热交换的管子外表面积；

管程：

介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分；

壳程：

介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分；

管程数：

介质沿换热管长度方向往、返的次数；

壳程数：

介质在壳程内沿壳体轴向往、返的次数；

公称长度：

以换热管的长度作为换热器的公称长度，换热管为直管时，取直管长度，换热管为U形管时取U形管直管段的长度；

计算换热面积：

以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度后，计算得到的管束外表面积，对于U形管式换热器，一般不包括U形弯管段的面积；

公称换热面积：

经圆整后的计算换热面积；

2.2.2换热器分类

根据不同的分类方法定义换热器类型如表2-1所示。

表2-1换热器类型

换热器的分类

换热器名称

按用途分（3）

预热器

加热器

过热器

蒸发器

再沸器

冷却器

冷凝器

深冷器

冷却冷凝器等

按结构型式分（3）

管壳式换热器

套管式换热器

螺旋板式换热器

板翅式换热器

板式换热器

夹套式换热器

空冷器等

2.3换热器的选择原则

根据工艺条件，采用图2-1进行初步的换热器选型。

图2-1　换热器型式初选图

注：

本图及其它图中的压力均指绝压

2.4工艺设计程序

2.4.1设计输入

●工艺条件

管壳式换热器设计所需数据，如流量、温度、压力等，需要从如下文件获得：

——PFD，包括质量、热量平衡；基本的工程设计参数；

——PID及总图；设备数据表；

——选材及管材。

●输入数据

操作参数：

项目号、设备位号、流量、操作条件、物性，样表如附件1所示。

●结构参数

安装形式（卧式、立式、倾斜）、设计压力、设计温度、材质、腐蚀余量、TEMA等级、适用标准、管口等级及密封面、操作工况。

●设计要求

允许压降、允许流速（若有规定）。

2.4.2设计输出

●物热平衡、计算假设、程序计算结果，如下参数要填入表中：

基于管外表面的管侧传热膜系数、垂直方向确定布管型式。

●列管式换热器数据表

除上述参数外，还有：

物性（水除外）、混合物ρV2（采用均相密度）、管嘴尺寸、流体流向、折流板数量、折流板类型、折流板中心间距。

2.4.3设计步骤

●准备数据并输入如2.4.1说明的数据；

●选择TEMA等级并对换热器选型；

●通过程序校核计算；

●判定计算结果，如传热系数、压降等，根据参数确定换热器设备结构；

通过调整单程管数来获得合适的压力梯度，若要增大换热面积，可增大管长、

增加并联台数（只有单台换热器很大，且压降难以克服才使用）或增加管程数，但典型管程数为双管程，增大管程数会提高压降；壳侧压力梯度要调节折流板间距，要增大换热面积，需增大管长或增加串联台数。

当壳侧压降较大，则将壳体形式从E型变为J或X型。

当压降要求严格时可考虑采用壳侧并联/串联混合配置、管侧采用多管程形式，但此时温效降低，最低F-因子不低于0.85。

●填写数据表。

2.4.4计算过程

下表列出设计管壳式换热器计算机程序，HTRI是常用软件、当客户和使用者要求时，才使用HTFS。

表2-2常用计算软件

程序编号

描述

备注

HTRI

ST

设计/校核单相管壳换热器

严格用于冷凝和再沸

CST

设计管壳式换热器

用于再沸

RKH

设计/校核壳侧沸腾设备

卧式；可计算K式壳体直径

RTF

设计/校核管侧沸腾设备

仅适用于单管程

IST

校核单相和冷凝器

HTFS

TASC

设计/校核管壳式换热器

注：

HTRI:

HEATTRANSFERRESEARCHINC;HTFS:

HEATTRANSFER&FLUIDFLOWSERVICE

2.5工艺设计考虑因素

TEMA设置了三种换热器机械标准，反映了不同的严格性。

对于多数炼厂，运用最严格的R级；对其他诸如化学品厂，运用C或B级；通常R级有较厚的壳体、更大更厚的封头、较厚换热管及其他更大的部件。

影响换热流股的最优搭配的因素有：

夹点温度、压降、调控要求下限负荷、占地限制条件、现有设备的改进等。

工艺目标值确定后，与设备人员协作可以高效地设计一个换热体系。

2.5.1夹点温度、夹点技术及换热网络分析

夹点温度

对单个换热器而言，换热的冷、热流冷端和热端温差中较小者称接近温差。

对一个换热网络而言，所有换热设备的接近温差中最小值称为最小接近温差，也称夹点温差。

冷热物流的匹配取决于可达到的温差，逆流换热器的夹点温度是热物流出口温度与冷物流入口温度之差，或热物流入口温度与冷物流出口温度之差，取较小值。

一般温差越小、回收能量越大、换热面积越大，从而投资越高；因此，夹点温度要通过能量回收和投资相结合来确定。

夹点技术

夹点技术是由原英国曼彻斯特大学理工学院教授B.Linnhoff领导下的研究小组在Huang与Elshout及Umeda等分别于1976和1978年提出“夹点”和“复合线”概念基础上发展起来的。

这是过程能量综合领域中一种实用方法，可以优化复杂工艺的换热过程。

一个待优化的换热网络在T-H图上可用冷、热流复合线来表示。

复合线就是将多个热流或冷流的T-H线复合在一起的折线，是换热网络优化合成的“夹点技术”中的一个重要工具。

将冷、热流的复合线画在一个T-H图上，热流的复合线一定要位于冷流的上方。

沿横坐标H左右移动两条复合线，找到一处两条线垂直距离最短，该处即为夹点或窄点。

夹点技术三个基本原则：

不通过夹点传递热量、夹点以上部分不使用冷公用工程、夹点以下热源部分不使用热公用工程。

如图2-2～3所示，当夹点处的传热温差等于给定的夹点温度时，冷、热物流复合线的高温段在水平方向未重叠部分投影于横坐标上的一段即为对应于给定夹点温差下的最小热公用工程消耗Qhu,min；而两者低温段未重叠部分则为给定夹点温差下的最小冷公用工程消耗Qcu,min，而两条复合线沿横轴方向重叠部分就是最大热回收量。

图2-2复合线示意图图2-3夹点与最小公用工程消耗图

夹点将换热网络分解为两个区域，热端——夹点之上，它包括比夹点温度高的工艺物流及其间的热交换，只要求公用设施加热物流输入热量，可称为热阱；而冷端包括比夹点温度低的工艺物流及其间的热交换，并只要求公用设施冷却物流取出热量，可称为热源。

当通过夹点的热物流为零时，公用设施加热及冷却负荷最小，即热回收最大。

换热网络分析

换热网络的设计越发复杂，目前已有多种换热网络优化技术，包括计算机程序，如Hysim,sPinch。

一般设计步骤如下：

●做冷热物流T-H曲线，生成复合线，确定夹点；

●指定一个最小夹点温度；

●求出夹点及最小的公用工程；

●计算总投资和年操作费用；

●改变冷热物流匹配；

●重复上述步骤直到找到最小的年操作费用，确定最优网络。

2.5.2空冷器、水冷器的选择

冷却器中冷却介质的选择需要考虑：

水源、水费、电费、安装费用、维护费用、占地等。

水冷工艺出口温度

理论上水冷方式出口温度受环境湿球温度限制，实际上不低于冷却塔出口温度（新鲜水49℃、海水43℃）。

对于塔顶项目，水质等其他因素也会影响出口温度。

因此冷却水费用是制约因素。

空冷工艺出口温度

理论上受环境干球温度限制，但高于湿球温度。

同水冷相比，出口温度稍高。

夏季，设计干球温度接近于湿球温度，两者差别由环境湿度决定。

举例如下表：

相对湿度

15%

30%

45%

60%

湿球温度-干球温度

-2.8℃

2.8℃

7.2℃

11℃

空冷器空气出口温度无上限值，在其他因素合理的情况下，工艺流体出口温度可达到空气入口设计温度。

LMTD的提高，导致传热面积和摩擦系数的减小，并且入口空气流量减小。

因此，设备投资及电耗降低。

设备费用是空冷器年费用的主要部分，而水冷器中水冷是年费用主要部分。

若两种方式工艺出口温度相同，空冷费用为水冷方式的1～1.5倍。

空冷水冷相结合的分割温度

若工艺入口温度较高，适于空冷；工艺出口温度较低，适于水冷；冷却负荷足够大，则空冷与水冷相结合是一种经济设计方法。

这样用空冷以较低公用工程消耗移除较高等级热量，再用水冷达到工艺流体出口温度。

基于水耗、电耗、设备费用等，空冷、水冷分割温度在54～63℃之间比较经济。

除预算设计，应当从经济上用既定项目的数据确定该温度。

2.5.3设计余量

从设计的角度，有一定余量的换热器更好运行。

相对于设计值，新换热器污垢很低，面积就有富余。

实际操作中通过调节流量及入口状态来消除偏差。

污垢热阻是在设计条件下操作所能达到的极限情况。

随意给定设计余量会带来各种问题，在此，首先按照设计值计算清洁情况下所需换热面积，然后根据污垢或设计规模增加面积，从而确定余量。

因此：

面积余量大到不能通过控制手段来消除；

热流体出口温度比设定值低时，粘度增大，压降增大；

对于冷凝器，余量会造成塔与回流液难以达到平衡；

管内流速及流动特性同校核工况存在较大差别，如立式热虹吸式换热器，在上升管中存在两相流，流率的变化引起流型的改变，从而导致腾涌和振动；

发现硫磺厂低压蒸汽废热锅炉的面积余量会引起换热管内柱塞流。

业主从可操作性、进料状态的不精确性，或物性不准确性等方面考虑，换热器需要有一定的余量。

2.5.4换热器安装形式

实际生产中，换热器有水平或竖直安装，特别从经济型和易于维护的角度，水平安装更常用。

立式安装用于如下情况：

大型再沸器受空间限制而采用立式安装；再沸器管材等级较高，立式安装因管束紧凑而可以节省投资。

2.6设计参数

2.6.1设计压力

设计压力指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。

对于同时受管、壳程压力作用的元件，仅在能保证管、壳程同时升、降压时，才可以按压差设计，否则应分别按管、壳程工作压力确定设计压力，并考虑可能存在的最苛刻压力组合。

按压差设计时，压差的取值还应考虑在压力试验过程中可能出现的最大压差值，同时设计者应提出压力试验的步进程序。

管侧、壳侧设计压力一般设定为设备安全阀泄放压力加静压头，若没有安全阀，则按照如下情况取大值：

I在泵的关闭压力下，若换热器能够关闭，则设计压力取上游泵的关闭压力；

注：

如果在项目前期没有泵的曲线，则关闭压力取正常压差的1.25倍。

II一般上游泵的压差是泵的泄放吸入压头，当确定泵吸入压头时考虑泄放状态下的压力曲线；

III遵循如下列表：

最大操作压力MPa

全真空或部分真空

0-25

0.172-1.72

1.72-3.445

3.445-6.89

>8.9

设计压力，MPa

外部0.103/内部0.3445

0.344

操作压力+0.17

操作压力的1.1倍

操作压力+0.3445

操作压力的1.05倍，但不超过最大操作压力0.89MPa

IV水冷器水侧设计压力为0.89MPa或工艺介质侧操作压力的2/3，两者取大值。

真空换热器真空侧的设计压力按承受外压考虑，承受内压且连接在压缩机入口或其他抽气设备上的换热器，外压设计需要做特殊考虑。

预防性的操作指令需成册，以防没有泄放设施的换热器意外长时间堵塞。

排凝液很重要，以防外部火灾引起超压。

2.6.2设计温度

设计温度指换热器在正常情况下，设定元件金属温度（沿原件金属横截面的温度平均值）。

任何情况下元件金属的表面温度不得超过材料的允许使用温度，设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。

对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

正常情况下，壳侧、管侧设计温度遵循下表，特殊情况做特殊分析。

对某些大型换热器，如转化设备进出口换热器，壳体的不同部分，设计温度随板材、板厚、法兰等级等有较大差异，因此当法兰等级、壳体厚度有较大影响时，设计温度需要精确分段。

最大操作温度℃

107.2

107.2-315.6

>315.6

热侧设计温度℃

121

操作温度+25

操作温度+50

最大操作温度℃

-9.4～环境温度

-10～-23

-23～-62

<-62

冷侧设计温度℃

操作温度-31.7

操作温度-29

操作温度-23

操作温度

有时，一台换热器必须用两种不同工况来校核，例如，换热器正常操作时，温度、压力分别为65.6℃、1.78MPa，而在催化剂再生时，温度、压力分别为343℃、大气压。

如果两种工况不同时出现，则应当分别列出。

此外，在高温高压下，应当选择高等级法兰及较厚的材料。

2.6.3最小设计金属温度MDMT

设计金属温度需要标示在铭牌上及制造商数据表中，相关工艺人员必须将该值体现在所有工艺数据表中。

最小设计金属温度不高于：

●开停车或正常工况下介质最低温度

考虑到开停车组分不稳定，或其它经济优势、系统安全等，一般MDMT要低于正常温度10℃

●预期的非设计工况下介质最低温度

正常操作工况的环境温度下容器达到平衡（如，压力容器），MDMT不高于最低设计温度，且与设计压力相匹配。

若提供了最小设计金属温度MDMT，则取与容器设计压力相一致的最低日平均环境温度为MDMT。

设计中不可完全遵从如上指导，也可参考操作规程。

2.6.4泄放阀

压力泄放

ASME标准要求所有压力容器安装压力泄放装置以防超压，当压力容器的压力是自外压，且安全阀与容器之间管段没有任何阀门时，保护措施可不直接安装在容器上。

相应，多数换热器上没有泄放设施，但其受超压保护。

一般压力源为泵或压缩机。

过热泄放

在如下情况下，ASME标准要求安装过热泄放阀：

管侧或壳侧组分因另一端热量输入而超压；组分可通过阀门与关键压力安全阀隔离；组分不受PSV保护。

在安全阀泄放过程中，为使热泄放阀最小，TRV可定为设计压力的110%（基于ASME标准）。

若多个串联换热器之间没有切断阀，一个热泄放阀可作为的它们保护措施。

爆破压力

所有低压侧充有液相或气液两相的换热器，应当设置管子破裂安全阀。

低压侧的设计压力等于最大正常操作压力加上一根换热管完全破裂的初始腾涌压力。

管子上的泄放设施防止压力传递。

管板、壳体、圆筒、管箱等应按照该腾涌压力设计。

主体法兰也应当符合ASME标准，但不可超过设计压力下的密封性要求。

管子破裂问题在高压气体/低压冷却水换热器中尤为突出。

2.7材质

2.7.1选材原则

换热器用钢的标准、冶炼方法、热处理状态、许用应力均按GB150-1999第4章及其附录A的规定。

设计温度低于或等于-20℃时，GB150-1999附录A选择低温用钢；设计金属温度低于-60℃，由工艺工程师与设备工程师确定用材。

钢板中添加镍可提高低温金属韧性：

0.5%Ni承受LT60、1.5%Ni承受LT80、3.5%Ni承受LT80/100、5%Ni承受LT120、9%Ni承受LT196。

碳钢或碳锰钢的最高设计温度为425℃，但超过400℃，这些材质就不再适用。

设计温度超过425℃的容器选用1Cr1/2Mo或更高等级的合金钢。

一般不用C1/2Mo钢，除非另有说明；碳钼合金钢不用于含氢系统。

换热器用有色金属的冶炼方法、热处理状态、许用应力按相应的国家标准、行业标准或参照GB150-1999附录D选取。

有色金属的使用范围规定如下：

●铝和铝合金设计压力应不大于8MPa，设计温度为-269～200℃，当设计温度高于65℃时，不宜选用含镁量大于3%的镁铝合金；

●铜和铜合金应在退火状态下使用。

纯铜设计温度不高于150℃；铜合金应不高于200℃；

●纯钛和钛合金材料的设计温度不高于300℃；钛复合板应不高于350℃。

2.7.2圆筒及封头

●用于制造换热器圆筒或封头的钢板应符合GB150的规定；

●用作换热器圆筒的碳素钢、低合金钢钢管应采用无缝钢管；

●符合GB150-1998A4.2的奥氏体不锈钢焊接钢管，可用作换热器圆筒。

2.7.3换热管

●常用换热管可按下列标准选用：

GB/T1527《铜及铜合金拉制管》

GB/T3625《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》

GB/T6893《工业用铝及铝合金拉（轧）制管》

GB/T8163《输送流体用无缝钢管》

GB/T8890《热交换器用铜合金管》

GB9948《石油裂化用无缝钢管》

GB13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》

GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》

●符合GB151-1999附录C的奥氏体不锈钢焊接钢管可用作换热管，但不得用于极度危害介质的工况，设计参数为：

设计压力不大于6.4MPa；使用温度与相应钢号的无缝管相同。

●允许使用螺纹管（整体低翅片管）和波纹管等强化传热管。

当有成熟使用经验时，也可选用其他牌号或其他材料的换热管。

2.7.4其他特殊选材

●苛刻环境下的材质

湿的酸性介质：

碳钢或碳锰钢的抗张强度不超过585N/mm2；容器要有应力放松；钢材硬度不超过248Hv10。

有否硫化氢的含氢系统：

当氢分压≥5bar（a）时定义为含氢物系；对于含氢物系，设计温度高于230℃时可用碳锰钢；根据氢分压大小，高于230℃～260℃可用Cr-Mo合金钢；强化的21/4Cr1Mo限制于425℃；设计温度介于425℃～454℃情况，可用21/4Cr1Mo或V改性的CrMo合金钢；设计温度介于454℃～482℃情况，可用V改性的CrMo合金钢；硫化氢浓度超过0.02mole%的含氢系统且设计温度高于260℃，将用奥氏体不锈钢（321或347）。

●高温硫化氢体系

含硫化氢不含氢物系可用如下材质：

5Cr1/2Mo；9Cr1Mo；405或410S；镀覆奥氏体不锈钢。

这些材质有效防止高温腐蚀，尤其适用于设计温度高于280℃，常用5Cr1/2Mo或碳钢镀覆12Cr，最终选用的材质由设计温度、硫化氢含量、成本等因素决定。

●环烷酸

对于含环烷酸的油品，设计温度高于220℃，采用至少含2.5%钼的316L合金刚。

通常总酸超过0.3mgKOH/g且流速超过50m/s时，采用316L合金钢。

3管壳式换热器的分类和选型

3.1　无相变管壳式换热器的分类和选择

3.1.1分类

常用的有以下三类：

　　1）　固定管板换热器（管侧可以清洗）；

　　2）　U型管换热器（壳侧可以清洗）；

　　3）　浮头式换热器（管侧、壳侧均可以清洗）。

3.1.2管壳式换热器中流体位置的选择

　　1）　易结垢的流体在管内，便于清洗，如冷凝器的冷却水一般走管内；

2）　流量小的流体在管内，可以采用多管程，以便选择理想流速；

3）　腐蚀性强的流体，尽可能在管内；

4）　压力高的流体在管内；

5）　两流体温差大时，给热系数大的流体在管间，以减小管壁和壳体壁间的温差；

6）　与外界温差大的流体在管内；

7）　相变流宜走壳侧，如饱和蒸汽的冷凝在壳侧，因为冷凝过程对流速和结垢无要求，且便于冷凝液的排放；

8）　粘度大的流体一般在壳侧，因为低Re数时壳侧的给热系数比管内高；

9）　给热系数低的流体在壳侧，可采用低翅片管强化传热；

10）立式热虹吸式再沸器中，工艺流体走管侧，加热介质走壳侧；

11）翅片管换热器中，高压、较脏或腐蚀性流体走翅片管，因为它相对便宜，且易于清洗，并比外管有更高的强度。

3.1.3选型

表3.1.1无相变换热器的选型⑵

工艺条件

换热器型式

E型·壳侧*

J型·壳侧

X型·壳侧

窗中无管·壳侧

管侧

压降：

中等压降

低压降

很低压降

很好

差

差

尚可

好

差

尚可

好—尚可

好

尚可

好

很好

好

好

好

结垢：

低—中等结垢

严重结垢

好

差

尚好

差

尚好—差

差

尚好—差

差

很好

很好

注：

①　换热器型式见最后附图：

管壳式换热器型式。

②　表3.2.3中用词从优到劣的排序（表3.3.2、表3.4亦同）：

很好→好→尚好→尚可→小心（要用心设计）→危险（由于相对缺少实验数据）→差（即操作性能差）。

图3.1.1无相变换热器的选择⑴

3.2　再沸器的分类、特点和选型

表3.2.1再沸器的型式及特性⑴

类型

优点

缺点

池

沸

釜式

容易维护和清洗

有汽液分离空间

相当于一块理论板（传热面积可以大）

需要较多的管线和空间

易结垢

由于较大的壳体，相对费用较贵

内置式

没有壳体—费用低

需要的管线少和空间小，本身有汽液分离空间

容易维护和清洗

易结垢

因塔径一定，大小有限制

水平热虹吸

不易结垢，（传热面积可以大）

需要较多的管线和空间

只有在高循环量时，相当于一块理论板

流

动

沸

腾

立式