换热器的设计说明书.docx

换热器的设计说明书.docx

《换热器的设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《换热器的设计说明书.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

换热器的设计说明书

换热器的设计

1.1换热器概述

换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：

间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

换热器随着换热目的的不同，具体可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器，再沸器和热交换器等。

由于使用条件的不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。

换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有：

1热负荷及流量大小；

2流体的性质；

3温度、压力及允许压降的范围；

4对清洗、维修的要求；

5设备结构、材料、尺寸、重量；

6价格、使用安全性和寿命；

按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热器。

其中，管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、适应高温高压等优点，应用最为广泛。

管型换热器主要有以下几种形式：

（1）固定管板式换热器：

当冷热流体温差不大时，可采用固定管板的结构型式，这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。

但由于壳程不易清洗或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。

对于温差较大而壳体承受压力较低时，可在壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力。

（2）浮头式换热器：

两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，称为固定端。

另一端管板不与壳体连接而可相对滑动，称为浮头端。

因此，管束的热膨胀不受壳体的约束，检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。

适用于冷热流体温差较大，壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。

（3）U形管式换热器换：

热效率高，传热面积大。

结构较浮头简单，但是管

程不易清洗，且每根管流程不同，不均匀

表1-1换热器特点一览表

分

类

管

式

管

壳

式

名称

特性

固定

管板

式

冈『性结构用于管壳温差较小的情况（一般W50。

C），管间不能清洗

带膨胀节：

有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低的压力

浮头

式

管内外均能承受高压，壳层易清洗，管壳两物料温差＞120C；

内垫片易渗漏

U型管

式

制造、安装方便，造价较低，管程耐压高；但结构不紧凑、

管子不易更换和不易机械清洗

填料

函式

内填料函：

密封性能差，只能用于压差较小场合

外填料函：

管间容易泄露，不易处理易挥发、易爆易燃及压

力较咼场合

釜式

壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离

套

管

式

双套

管式

结构比较复杂，主要用于高温高压场合或固定床反应器中

套管

式

能逆流操作，用于传热面积较小的冷却器、冷凝器及预热器

板

式

板式

拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性加大的液体间换热

螺旋板板

制造简单，紧凑，可用于带颗粒物料，温位利用好；不易检

修

伞板式

制造简单、紧凑、成本低、易清洗，使用压力不大于1.2Mpa,

使用温度不大于150C

板壳式

板数类似管束，可抽出清洗检查，压力不能太高

蓄

热

式

回旋式

盘式

传热效率咼，用于咼温烟气冷却等

鼓式

用于空气预热器等

固定格室式

紧凑

式

适用于低温到高温的各种条件

非紧

凑式

适用于咼温及腐蚀性气体场合

表面扩展式

板翅式

紧凑、效率高。

可多股物流同时换热，使用温度不大于150C,主要用于粘性加大的液体间换热

管翅式

咼效而紧凑，换热面积大，传热效果好

在过程工业中，由于管壳式换热器具有制造容易，生产成本低，选材范围广,清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多优点，管壳式换热器被使用最多。

工业中使用的换热器超过90躺E是管壳式换热器，在工业过程热量传递中是应用最为广泛的一种换热器。

结合上述优点和本工艺的特点，本工艺的换热器主要选用管壳式换热器。

1.2管壳式换热器的选用

1.2.1结构参数的确定

⑴管径

管径越小换热器越紧凑、便宜，但压力降会增加。

为了满足允许的压降，一般选用19mr的管子；对于物流流量较大的，采用25mm以上的管子。

⑵管长

无相变传热时，管子长则换热系数增加，对于相同的换热面积，管子长则管程数减小，使得压力降减小，每平方米传热面积比降低。

我国生产的标准钢管长度为6m故系列标准中管长有1.5m，2m，3m，6m和9m五种。

因此，一般管长取4-6m,对大面积，无相变换热器管长可取至8〜9m

⑶管子配布

换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角

正方形。

正三角形排列形式最为普遍，由于管距都相等，可以在同样的管板面积上排列最多的管数。

但因管外不易清洗，其适用场合受到限制，主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。

而采用正方形和转角正方形排列的管束，能够使管间小桥形成一条直线通道，便于管外机械清洗。

⑷管心距

管心距小设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。

故一般选用范围为1.25〜1.5d（d为管外径）。

表1-2换热管管心距

换热管外径/mm

19

25

32

38

换热管中心距/mm

25

32

40

48

分程隔板槽两侧相邻管中心距/mm

38

44

52

60

⑸管程数

管程数增加，管内流速增加，传热系数增加。

管程数一般有1、2、4、&8、

10、12等七种。

但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相当大

的布管面积。

⑹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，提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。

折流板型式可分为圆缺形（弓形）折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。

表1-3折流板间距常用数值

管长（mm）

折流板间距（mm）

<3000

100

200

300

450

600

——

4500〜6000

——

1500〜6000

150

200

300

450

600

——

<6000

200

300

450

600

——

7500,9000

——

750

6000

300

450

600

750

7500,9000

——

6000〜9000

——

——

——

450

600

750

1.3换热器详细设计

本工艺共有41台换热设备（换热器、再沸器、冷凝器、预热器），这里我们以浮头式换热器（E0602）详细设计为例。

热物流经该换热器换热温度降至目标温度，冷却物流为循环冷却水。

由Aspen软件得到冷热工艺物流数据：

表1-4工艺操作参数

操作参数

参数

壳程

管程

介质

循环冷却水

甲苯回收塔塔底去一级结晶

质量流量（Kg/h）

343740.0

84194.9

入口温度（C）

20.00

138.00

出口温度（C）

30.00

34.00

入口压力（bar）

3.00

2.87

出口压力（bar）

2.87

2.7413

初步选择换热器的形式后，根据任务要求利用AspenExchangerDesign&

RatingV7.2进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图1-1所示：

1

Cornog-

2

Localion

3

SeivireofUnit:

OurReference：

4

1ternNoj丫ourReferencei

5

Da

RbvNq-JobNa.：

G

Size750-5950mmTypeBETHoi

Connectedin

1parallel

1swifts

7

SuHg曲]1736nPShels/unit1

5urF/shel（eff.）

1736

0

PERFORMANCEOFONEUNll

9

Fluid^location

ShelSide

TubeSidle

HJ

FluidFWfts

；令却冰

甲苯塔据底去一级皓晶

11

Fluidquantity^Total

95.4E

533

23.3693

I；

V4PO4（In/Out）

0

0

0

0

13

Liqud

95.4335

35.4535

213693

Z3L3E93

14

Moncondsnsable

0

0

0

0

15

1R

TempefJture（In/Out）

20

30

134

30

17

Dew/Bubblepoint

18

VapoiAiquidkg/mi?

/saa.st

/389.22

f759.9

/857.77

1J

Vi$CA$^

/1.0214

/eise

/.2272

/.574S

20

Moteoiarwt.Vap

丨

MolecJarvjt,NC

22

Spedficheat

/4.S39

/4.832

/2.12

/1.E81

Theimalconductivi^

/.5991

/.6132

/.1042

/■伽

24

Latentheat

巧

Piessne（ab$）

3

272566

2.07

258C26

26

Velocitym/s

5

1.35

77

PrKSWdrop,allo^./calc

.5

27414

4

.28374

28

Fouingresist,[min]

.00017

.0001?

.00022Acbased

严

Healexchanged46147

MTDcotrected

3497

30

Transferrate.Service760.1Dirtv

7G7.3

Clean10976

筍

CONSTRUCTIONOFONESHELL

Sketch

32

She!

Side

FiteSide

tfr

JJ

Dejign/vAc/testpressureg

4/

4/i

34

Designtemperature

E5

170

35

Numberpassespershell

1

4

霑

匚onsionjllowance

^18

118

37

Comimections

Inmm

1304.3/

11524/

JU

Size/iAUng

Oul

1254/

l1S24/

39

Nominal

InteriwiJ^te

f

/

4U

TubeNo.514OD19TksAvg2mmLength5850mmPitch25

-11

TubeiyptPlainMaterialCarbonSled1Tubepattern30

42

ShelCarbonSteelID750OD774

ShellcoverCarbonSteell

4J

ChannelorbonnetCabonSttftl

ChannslcoverCarbonSteel

44

Tubesheet-^tationaryCaibcmSteel-

Tijbe^heet-floatingCarbonSt@el

45

FloatingheadcoverCaiitnnSteel

ImpingementproteclionNone

常

B-afrlt'CtossingCarbonSte«lTypsSinglesegmentalCoi（^d）39.15H^pdcing:

c/c525

47

BaffleJong-Sealtppe|Inlet46E.48

4U

Supp

4A

日ypasswalTube-tubesheetjo«nrExp.

50

Expansioinjoint・TypeNone

51

FlhcV2'ldetnozzle1714Bundteentrance8G3Bunde«Kit2394

52

Gaskets-ShellsideFJatMetalJacketFibeTubeSideFlatMetalJacketFibe

FloatingheadFhtMetalJacketFibe

利

CodelequirementsASMECadeSecVIIIDiv1TEMAclassR-refineryservice

55

Wei^TShell52297Fifedwith775313Bundle2974.1

Rem#k$

57

ba

图1-1换热器工艺参数

⑴结构设计利用AspenExchangerDesign&RatingV7.2软件也可以对换热器进行结构

设计，模拟出来的结果如下:

1换热管设计

Tubes

Type

Plain

Totalriumber

514

Outsidediameter

mm

19

Numberoftubesplugged

0

Insidediameter

mm

15

Tubelengthactual

mm

5950

Wallthickness

mm

2

Tubelengtheffective

mm

5650

ArearatioAoMi

127

Tubeiheetthickness

mm

44.52

Pitch

mm

25

Material

CarbonSteel

Pattern

30

Thermalconductivity

艸EK）

517845

ExternalenPi^ricement

Intefnalenhancement

图1-2换热管基本参数

ocrooocoo^ooooo<>o

oo&eoo&oeoooloe&oc_o2>oo

00000000000I0OOO0OOOQOO

OOOOOOOOCOOO.000000000000

图1-3换热管排列方式

换热管为平滑管，外径19mm壁厚为2mm管间距为25mm管长

5850mm换热管根数514根。

管子排列方式为正三角形排列。

2折流板和管口设计

折流板的设置主要是为了提高壳程的流速，增加扰动，改善传热。

这里选择

单弓形折流板，并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的0.15〜0.45,折流板间距

般不小于圆筒内径的1/5。

折流板的数目及厚度等基本参数见图1-4所示

Baffles

Type

Singlesegmenkl

Dfllfiecwt-inner/outerfinterrn

Tutiesinwindow

Yes

Actual（Zdiameler]

/

39.15

/

Number

10

Nominal偽darneter）

/

40

/

Spacing（center-center）

mm

525

Actual[%area）

/

36.3

/

Spacingmtinlet

mm

45B.43

CUIorientation

H

Spaoingatoutlet

mm

4S6.48

Thickress

mm

a52

Spacingatcentralin/outforGXI」$hell$

mirn

TuterowsinIwffleoverlap

5

SpadingmtcenterofHshell

mm

Tuberowsinbafflewindow

11.5

Endlengtha*fronthead

rpj|rr|

514

B^flehole-tubeoddiamclearance

mm

.4

Endlengthatrearhead

mm

611

Shelid-baffleoddiamclearance

mm

4.7S

图1-4折流板基本参数

折流板数目为6,折流板型式为单弓形，切割率为39.15%。

折流板朝向为水

平，与进出口间隔（第一块与进口或最后一块与出口端面的距离）为466.48mm

两块板间隔为525.00mm

ShellSide

TubeSide

Nozzletype

Inlet

Outlet

IrJet

Outlet

Numberofnozzles

1

1

1

1

Actualoutsidediameler

mini

32395

27305

ica28

iee.28

Insidediameter

304,8

254.51

154.05

154.05

Heightundernozzle

mm

11a别

45.99

图1-5管口基本参数

管程进、出口管口各有一个。

其中，管程进口管口外径为168.28mm内径

154.05mm管程出口管口外径168.28mm内径154.05mm壳程进、出口管口亦各

有一个，壳程进口管口外径为323.85mm内径304.8mm壳程出口管口外径

273.05mm内径254.51mm

3管束

Bundle

ShellIDtocenter1sttuberow

mm

Tubepasses

4

Fromtop

4599

Tubep加glayout

Mixed（H）

Frombottom

110.94

Tubepass□ner^tion

ndard（harizontal）

Fromright

71.47

U^bendorientation

undefined

FromLeft

71.47

Horizontalpa铀lane刊with

mm

19.06

Impingementproteclion

None

Verticalp*sglanewidth

mm

iaos

Impingementdistance

mm

Interpas;tubealignment

No

Impingernenlplatediameter

mm

Deviationin讪如pm舞

a56

Impingementplatewidth

mmi

Outerhislimit

mm

619

Impingernenlplatelength

mm

Shelid-bundleotldiamdearance

mm

1131

Impingementplatethickness

mm

Tierodnumber

6

Grasssurfaceareaiperihell

m?

179.5

Tieroddiar*eter

mm

12.7

Effectivesurfaceareaper^hell

m?

173.6

Seafing曲ips（pairs）

3

BaretubeareapersTiel

m?

1736

Tubetobubesheeljoint

Exp.

FinnedareaperdieN

m?

0

TubeproiecticnfromfrontM

mm

3

UattendAieapershell

m?

0

Tubepiojeclionfromreartsht

mm

3

图1-6管束基本参数

如图为管束信息，主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图进行详细设置。

7ewgsa™A

——-A

=?

■

hr*丁SvU

--1

:

>™h.

1讨

■»

jn

Mm.

5mon

:

■:

!

F

1

A

SfieiBiTuoetxwarj=T

3£ptfti

Zoa

C

17C

Sr.m*rt二yf

IK=■；丁

■=」二亠5

:

1

Ti

-"

ISOEZ

Z-^DSW人.OAWZ：

—-

3l忸

11TB

SettngiPlan

ti

1忙F

询auc-sr

■:

X.r

:

W

J-1NT™J=rtT：

"

i

：

«■；-二疋TB

EFT7£D・SESfl

=^*=pgr^p-,

匸

Q

g

Q

■■?

?

*■?

'：

■尸■岩

Drar*irgN」mber

dscr^’=oeiJi=:

:

5

W呼邑4咱:

IttMV

・旳用£|

讣i■=■■*■

Fy

1

Cllkqi

xD'itr^

图1-7换热器结构尺寸

根据《JB/T4715-1992固定管板式换热器形式与基本参数》和《GB151-1999

管壳式换热器》对模拟的数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量,选定换热器的基本参数如下：

表1-5换热器基本参数

项目］

参数

公称直径/mm

800

管子规格/mm

©19X2

排列方式

正三角形

管中心距/mm

25

管长/mm

4500

公称压力/MPa

0.6

换热面积/m2

189.8

管程数

4

壳程数

1