换热器的设计说明书.docx

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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

名称

特性

固定

冈『性结构用于管壳温差较小的情况（一般W50。

C），管间不能

管板

清洗

管

式

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

壳

浮头

管内外均能承受高压，壳层易清洗，管壳两物料温差>120C;

式

式

内垫片易渗漏

U型管

制造、安装方便，造价较低，管程耐压高；但结构不糸凑、

管

式

管子不易更换和不易机械清洗

式

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

壳体上都有个烝发空间，用于烝汽与液相分离

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

执

八、、

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

固疋格至式

紧凑

式

适用于低温到咼温的各种条件

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

_ocalion

3

SeivireofUnit:

OurReferenee:

4

1ternNOJ丫ourReferencei

5

Da

RBVNQ-JobNa.:

G

Size750-5950mmTypeBETHoiConnectedin1parallel1swifts

7

SuHg曲]1736nPShels/unit15urF/shel（eff.）1736

0

PERFORMANCEOFONEUNll

9

zluidAlocation

ShelSide

TubeSidle

HJ

zluidFWfts

:

令却冰

甲苯塔据底去一级皓晶

11

zluidquantityATotal

95.4E

533

23.3693

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$CA$A

/1.0214

/eise

/.2272

/.574S

20

Moteoiarwt.Vap

丨

MolecJarvjt,NC

22

Spedficheat

/4.S39

/4.832

/2.12

/1.E81

TheimalconductiviA

/.5991

/.6132

/.1042

/■伽

24

atentheat

巧

Piessne（ab$）

3

272566

2.07

258C26

26

Velocitym/s

5

1.35

77

PrKSWdrop,alloA./calc

.527414

4

.28374

28

zouingresist,[min]

.00017

.0001?

.00022Acbased

严

Healexchanged46147MTDcotrected3497

30

Transferrate.Service760.1Dirtv7G7.3Clean10976

筍

CONSTRUCTIONOFONESHELLSketch

32

She!

Side

FiteSide

tfr

JJ

Dejign/vAc/testpressureg

4/

4/i

34

Designtemperature

E5

170

35

Numberpassespershell

1

4

霑1

匚onsionjllowanee

A18

118

37'

Comimections

nmm

1304.3/

11524/

JU:

Size/iAUng

Oul

1254/

l1S24/

39

Nominal

nteriwiJAte

f

/

4U'

TubeNo.514OD19TksAvg2mmLength5850mmPitch25

-11-

「ubeiyptPlainMaterialCarbonSled1Tubepattern30

42:

ShelCarbonSteelID750OD774

ShellcoverCarbonSteell

4J「

ChannelorbonnetCabonSttftl

ChannslcoverCarbonSteel

44'

「ubesheet-AtationaryCaibcmSteel-

TijbeAheet-floatingCarbonSt@el

45

:

loatingheadcoverCaiitnnSteel

ImpingementproteclionNone

常

B-afrlt'CtossingCarbonSte?

lTypsSinglesegmentalCoi（Ad）39.15HApdcing:

c/c525

47

BaffleJong-Sealtppe|Inlet46E.48

4U:

Supp

4A

日ypasswalTube-tubesheetjo?

nrExp.

50

Expansioinjoint?

TypeNone

51

：

lhcV2'ldetnozzle1714Bundteentranee8G3Bunde?

Kit2394

52'

Gaskets-ShellsideFJatMetalJacketFibeTubeSideFlatMetalJacketFibe

FloatingheadFhtMetalJacketFibe

利「

CodelequirementsASMECadeSecVIIIDiv1TEMAclassR-refineryservice

55'

WeiATShell52297Fifedwith775313Bundle2974.1

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

C

nsidediameter

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

ExternalenPiAricement

Intefnalenhancement

图1-2换热管基本参数

ocrooocooAooooo<>o

loe&oc_o

2>oo

00000000000I

OOOOOOOOQOO

oo&eoo&oeooo

OOOOOOOOCOOO.000000000000

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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

BAflehole-tubeoddiamclearanee

mm

.4

Endlengthatrearhead

mm

611

Shelid-baffleoddiamclearanee

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

Bundie

ShellIDtocenter1sttuberow

mm

Tubepasses

z

Fromtop

4599

Tubep力口glayout

Mixed（H）

Frombottom

110.94

Tubepass□ne"tion

ndard（harizontal）

Fromright

71.47

UAbendorientation

undefined

FromLeft

71.47

Horizontalpa铀lane刊with

mm

19.06

mpingementproteclion

None

Verticalp*sglanewidth

mm

iaos

mpingementdistanee

mm

Interpas;tubealignment

No

mpingernenlplatediameter

mm

Deviationin讪女口pm舞

a56

mpingementplatewidth

mmi

Outerhislimit

mm

619

mpingernenlplatelength

mm

Shelid-bundleotldiamdearanee

mm

1131

mpingementplatethickness

mm

Tierodnumber

6

Grasssurfaceareaiperihell

m?

179.5

Tieroddiar*eter

mm

12.7

EffectivesurfaceareaperAhell

m?

173.6

Seafing曲ips（pairs）

3

j

BaretubeareapersTiel

m?

1736

Tubetobubesheeljoint

Exp.

tinnedareaperdieN

m?

0

TubeproiecticnfromfrontM

mm

3

UattendAieapershell

m?

0

Tubepiojeclionfromreartsht

mm

3

j

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

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