0204换热器工艺设计.docx
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0204换热器工艺设计
换热器工艺设计
目次
1总则
1.1目的
1.2范围
1.3规范性引用文件
2设计总则
2.1设计标准
2.2安装方式
2.3管壳式换热器
3管壳式换热器的选型
3.1壳体的选择
3.2封头的选择
4管壳式换热器机械参数的确定
4.1设计压力
4.2设计温度
4.3管子及管束
4.4壳径
4.5折流板和支撑板
4.6防冲板
4.7接管
5管壳式换热器的传热计算
5.1设计余量
5.2压降
5.3流速
5.4管口流速
5.5KETTLE式换热器
5.6污垢系数
5.7腐蚀余量
5.8管束振动及噪声分析
1总则
1.1目的
为规范各项目的换热器的流体力学及传热计算而编制。
1.2范围
1.2.1本规定规定了管壳式换热器的选型和设计的工艺要求。
1.2.2本规定适用于各项目中传热面积大于0.5耐的管壳式换热器、板式换热器、套管式（Doublepipe）和多管式套管（Hair-pin）换热器，但不适
用于蒸汽表面冷凝器。
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。
凡注日期的引用文件，其随后所有的修改单或修改版均不适用本规定。
凡是不注日期或修改号（版次）的引用文件，其最新版本适用于本规定。
1.3.1GB151-1999（2002）管壳式换热器（附加2002年第1号修改单）
1.3.2TEMA管壳式换热器制造协会标准
1.3.3API660ShellandTubeHeatExchangers
2设计总则
2.1设计标准
2.1.1对于国内设计、加工或制造的管壳式换热器应严格依据GB151标准；国外设计、加工或制造的管壳式换热器应严格依据TEMA或API标准。
2.2.2对于TEMA等级如无说明应采用“R”级。
2.1.3对于立式换热器，制造商应在换热器上配备吊装用吊耳。
2.2安装方式
换热器通常应采用卧式，对于工艺上特殊要求、或清洗和维修、或安装空间限制的情况可采用立式安装。
2.3水冷却器
对于冷却介质是水的换热器应满足如下规定：
（1）如无特别工艺要求冷却水通常应走管内，并采用下进上出形式以防止不凝气体聚积。
（2）管内冷却水的流速不应小于0.9m/s。
（3）对于开放式循环水系统，冷却水出口温度不应高于42℃。
2.4套管换热器
对于套管换热器和多管式套管换热器，外管直径不应大于DN150，并且还需要满足如下规定：
（1）氢气不能走管外，氢气分压小于0.69MPa（A）时可视作非氢体系。
（2）未经业主同意，不得采用差压设计。
（3）制造商提交PMC的技术资料应包括流体诱导振动和声振校核内容。
（4）如果蒸汽作为热介质走管外时，其过热度不应大于30℃。
（5）对于管外易结垢、或者管外需要机械清洗时，不应采用翅片管。
（6）如果采用翅片管时，翅片的材质应有较好的抗腐蚀性。
（7）套管换热器（Doublepipe）的材质应选择无缝或焊接钢管系列。
（8）多管式套管换热器（Hair-pin）由制造商负责设计并提供设计规范。
2.5再沸器
热虹吸式再沸器相对简单和经济，因此在设计时应作为首选类型。
但在下列条件下不宜使用。
（1）高粘度液体。
（2）易结垢物系。
（3）操作负荷变化很大和需要调节比例的环境。
对于高真空条件下再沸器，应选择强制循环式或立式降膜式。
2.6板式换热器
板式换热器，由制造商根据工艺条件负责设计并提供设计规范。
同时要满足以下要求：
·每台板式换热器均应有静电接地防护。
业主根据工况确定是否需要防火罩。
当下列两个条件同时存在时，应设置防火罩:
1）换热器有可燃液体与橡胶密封垫直接接触。
2）换热器距有着火隐患的设备6m以内。
·防火罩上设置泄放口。
·如果有防火罩的要求，制造商应提供防火试验证明。
防火试验条件为:
1）测试板片不少于100块，换热器试验台应足以使整个换热器置于火焰之中；
2）两侧均充满不低于150psig（10barg）、静止的煤油；
3）换热器置于火焰之中至少1小时；
最大可见泄漏为1gpm（0.23m3/hr）。
3管壳式换热器的选型
管壳式换热器通常分为固定管板式、U形管式和浮头式。
满足以下列出的条件时可选择固定管板式换热器：
（1）管子和壳体因热膨胀引起的应力不超过设计应力的范围，否则要选择浮头式或U形管式以保证管束可以自由伸缩。
（2）壳程介质不易结垢，或壳程污垢便于化学清洗。
（3）开、停车或其他工况下临时用的换热器。
满足以下列出的条件时可选择U形管式换热器：
（1）管侧不需要机械清洗或容易实现机械清洗时，可以采用U形管，但需要机械清洗时，U形转弯直径不得小于150mm。
（2）管程污垢便于化学清洗。
对于除上述各项条件以外，可选择浮头式换热器。
流体流径的选择
一般情况，下列介质应走管程：
（1）腐蚀性介质
（2）有毒介质
（3）易结垢介质
（4）温度或压力高的介质（必须增加厚度或由碳钢改合金钢时，否则此条不必作为主要矛盾考虑）
当上述情况排除后，介质走管程还是走壳程一般要考虑能够提高传热系数和充分利用压降。
3.1壳体的选择
3.1.1壳体通常应选择“E”型，以下情况除外；
3.1.2当换热器内发生温度交叉时，需要两台或两台以上的多管程换热器串联才能满足要求，此时为减少串联换热器的台数，可选择“F”型。
3.1.3当壳程流体的允许压降较小，且“E”或“F”型不能满足要求时，可采用“J”、或“X”、或“H”型。
3.1.4对于壳程沸腾且汽化率大于50～100%时，可考虑用“K”型。
3.2封头的选择
3.2.1通常，选择“B”型作为前封头。
对于水冷却器，当管侧需要定期清洗，且管侧设计压力小于1MPa时，前封头可选择“A”型。
3.2.2对于固定管板式，宜选择“M”型作为后封头；而对于浮头式，应选择“S”型作为后封头。
3.2.3浮头式换热器的壳径应大于DN300。
3.2.4对于外填料式浮头“P”和外密封式浮头“W”型的换热器不能在中国设计和制造。
4管壳式换热器机械参数的确定
4.1设计压力
4.1.1换热器的设计压力规定为最大操作压力加上200KPa，或者等于1.1倍最大操作压力，二者取较大值。
4.1.2对于泵循环系统的换热器，其设计压力等于泵的出口关闭压力。
并与上一条比较，二者取较大值。
4.1.3对于塔釜再沸器，其设计压力等于塔的设计压力、塔的操作压降和静压头（塔釜高液位至再沸器入口之间的距离）三者之和。
4.1.4对于真空系统换热器，真空侧的设计压力按承受的外压考虑，当装有安全装置（如真空泄放阀）时，设计压力取1.25倍最大内外压力差，或0.1MPa两者中的较低值；当没有安全控制装置时取0.1MPa。
真空换热器非真空侧，同时受管、壳程压力作用的元件，其设计压力为内压侧和真空侧之和。
4.2设计温度
4.2.1换热器操作温度范围的在0～400℃时，其管侧或壳侧的设计温度应至少比最高操作温度高17℃。
4.2.2换热器操作温度高于400℃时，其管侧或壳侧的设计温度应至少比最高操作温度高出1%。
4.2.3换热器操作温度低于几0℃时，其管侧或壳侧的设计温度应至少为可能达到的最低操作温度。
4.2.4当换热器需要用蒸汽吹扫时，其设计温度不应低于150℃；若需要干燥时，其设计温度不应低于80℃。
4.2.5当几台换热器串联时，其设计温度应至少等于管、壳侧流体在上一台换热器中所能达到的最大温度。
4.2.6所有换热器的设计温度必须满足最小金属壁温。
4.2.7对于“F”型换热器，壳侧流体的进出口温度不得大于191℃（3500F）。
4.3管子及管束
4.3.1表4.3-1列出国外常用光管系列（英制）的外径、壁厚，包括铜、钢、铝和一些合金等不同材质。
表4.3-1
管子材料
外径
壁厚等级（SWG）
壁厚
mm
（inch）
mm
（inch）
铜或铜合金
15.87
（5/8）
16
1.626
（0.064）
19.05
（3/4）
16
1.626
（0.064）
25.40
（1）
14
2.032
（0.080）
31.75
（11/4）
12
2.642
（0.104）
38.10
（11/2）
12
2.642
（0.104）
钢、铝或铝合金
15.87
（5/8）
14
2.032
（0.080）
19.05
（3/4）
14
2.032
（0.080）
25.40
（1）
12
2.642
（0.104）
31.75
（11/4）
10
3.251
（0.128）
38.10
（11/2）
10
3.251
（0.128）
其他合金
15.87
（5/8）
16
1.626
（0.064）
19.05
（3/4）
16
1.626
（0.064）
25.40
（1）
14
2.032
（0.080）
31.75
（11/4）
12
2.642
（0.104）
38.10
（11/2）
12
2.642
（0.104）
4.3.2表4.3-2列出国产光管系列的外径、壁厚，包括铜、钢、铝和一些合金等不同材质。
表4.3-2
材质
外径
壁厚
mm
mm
铜或铜合金
16
1.5
19
1.5
25
2.0
钢，铝或铝合金
16
2.0
19
2.0
25
2.5
32
3.0
38
3.0
其他合金
16
2.0
19
2.0
25
2.0
32
2.5
38
2.5
其中，
1）16mm的管子适用于进出料换热器，操作介质较为干净。
2）19mm的管子适用于以下情况：
管侧流体的污垢系数小于或等于0.00034m2·K/W
水做冷却介质走管内，且水的污垢没有严格要求。
3）25mm的管子适用于以下情况：
管侧流体的污垢系数大于或等于0.00034m2·K/W
出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。
4）32mm和38mm的管子只是出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。
5）未经业主和专利商同意，不得采用小于16mm的管子。
通常低翅片管只适用于污垢系数不大于0.00017m2·K/W的介质，且流体对翅片没有磨蚀作用。
翅片的直径不应大于其基管直径。
翅片管的壁厚通常指基管的壁厚。
在管壳式换热器中不使用高翅片管，但在套管式和多管式套管换热器中可以使用纵向高翅片管。
对于国内设计和制造的换热器，建议采用标准长度：
1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5，6.0，7.5，9和12m。
对于U形管，其长度是指直管段长度。
管子排列方式分30，60，90和45度，其中对于浮头式换热器多采用45和90度排列方式。
换热管中心距不宜小于1.25倍换热管外径，常用的换热管中心距见表4.3-3。
表4.3-3
外径（mm）
16
19
25
32
38
中心管间距（mm）
22
25
32
40
48
4.4壳径
管壳式换热器的公称直径不应小于150mm。
对于直径500mm以下，且材质为碳钢的壳体可以应用现有的管材，计算时应注意以管子的内径作为壳体直径。
根据GB151，国内设计和制造的换热器直径最大至2600mm。
否则需要国外设计和供货。
4.5折流板和支撑板
4.5.1对于壳侧是无相变的流体，折流板应采用水平切边；对于两相流流体或“F”型换热器，折流板应采用垂直切边。
4.5.2对于其他折流元件，如折流杆、折流环盘或螺旋折流板需要经过业主或工程承包商同意方可使用。
4.5.3对于管子无支撑跨距超过GB151或TEMA的规定值的0.8倍时，应在管束间设置支持板。
4.6防冲板
防冲板是为了防止壳侧流体对管束的直接冲击而设置。
对于壳侧入口是蒸汽或混相介质，应该在壳侧入口处设置防冲板。
对于无相变流体，当入口处的ρV2超过下列值时也应加防冲板，见表4.6。
表4.6
物性
ρV2（kg/（m·s2）
非腐蚀性，非腐蚀性单相流体
2230
其他液体，包括沸点下的液体
740
ρ-流体密度，kg/m3V-流体入口处流速，m/s
对于管侧流体，下而几种情况也应做特别考虑，以减少流体对管子末端的磨蚀。
对于气体和蒸汽，入口处的ρV2超过7000kg/（ms2）。
对于液体，入口处的ρV2超过9000kg/（ms2）。
4.7接管
换热器的物料进出口接管尺寸不应小于DN50，放空口和放净口除外。
所有管口连接采用法兰形式，并且要求在设备数据表中注明法兰规格。
接管尺寸未经允许不得随意修改。
5管壳式换热器的传热计算
管壳式换热器的传热设计和校核计算所采用的计算方法要求是被广泛应用的。
推荐使用HTRI
公司发布的HTRIXchangerSuite和HTFS
公司发布的TASC软件。
传热设计计算要求保证所计算的管子根数能够在壳体中完全排列，并且提供设备数据表和设备简图，并且包括以下结构参数：
（1）壳内径
（2）管子外径和壁厚及长度
（3）管子排列方式和管间距
（4）管子根数和程数
（5）是否需要设置防冲板
（6）是否需要设置旁路挡板
（7）折流板切口率和切边方向
（8）支撑板
（9）折流板或支撑板间距
（10）物料管口尺寸
（11）放空或放净管口尺寸
5.1设计余量
5.1.1换热器的设计余量一般应满足如下要求：
（1）最大操作热负荷或正常操作工况下≥10%的余量，二者中取大值。
（2）对于冷凝器和再沸器，如未说明还应满足120%正常操作热负荷。
5.2压降
换热器的合理压降可参照表5.2-1。
表5.2-1
操作情况
操作压力MPa（a）
合理的压降MPa
真空操作
P=0～0.1
ΔP=P/10
低压操作
P=0.1～0.17
P=0.17～1.1
ΔP=P/2
ΔP=0.035
中压操作
（包括用泵输送的流体）
P=1.1～3.1
ΔP=0.035～0.18
较高操作压力
P=3.1～8.1
ΔP=0.07～0.25
换热器传热计算时的压降都是清洁时的压降。
结垢以后，管、壳侧的压降都会增大，因此结垢以后的压降可以在清洁时的基础上乘以系数，见表5.2-2。
表5.2-2
污垢系数
放大倍数
0.00009-0.00033
1.10
0.00034-0.00085
1.20
大于0.00086
1.50
为了使换热器的面积最小，计算时应充分利用传热控制侧的压降。
5.3流速
管内液相油品：
合理流速一般为1.2-2.5m/s，最大允许流速一般为2.7-3m/s，含固体颗粒的油品其最大流速不能超过1.8m/s。
不同粘度下介质管内常用流速见表5.3-1。
表5.3-1
流体粘度，cp
>1500
1500-500
500-100
100-350
35-1
<1
烃类
最大流速，m/s
0.6
0.75
1.1
1.5
1.8
2.4
3
易结垢流体（污垢系数大0.0004m2·K/W，如冷却水）在管内流速应大于1m/s，见表5.3-2。
表5.3-2
类别
管材
最低流速，m/s
最高流速，m/s
适宜流速，m/s
凝结水
钢管
0.6-0.9
3.0
1.8-2.4
冷却水
钢管
0.6-0.9
3.7
1.8-2.4
管程气体：
常用流速范围5-30m/s。
壳程气体：
常用流速范围2-15m/s。
壳程液体：
最大允许流速一般约为管程的一半。
易结垢流体（如海水，河水）在壳程内流
速应大于0.5m/s。
5.4管口流速
表5.4列出管口的最大允许流速。
表5.4
介质
粘度，cp
管口的最大允许流速，m/s
液体
<1
2.5
35
2.0
35-100
1.5
100-500
0.75
500-1000
0.7
>1500
0.6
气体
相当于壳程气体最大流速的120%-140'%
5.5KETTLE式换热器
对于“K”式再沸器和蒸发器，釜体直径是由管束上方蒸汽的所需要的流通面积决定的，流通速度不应超过气相最大速度，即雾沫夹带时的速度。
最大气相速的计算方法应参考HTRI文献B-K-1/2中的说明。
设计时应考虑壳体内的清液层上方可能会存在一层液沫，液沫的允许厚度是125mm。
液沫层上方的气相流通所需要的高度至少是250mm。
气、液两相进料时，应从管束上方或壳体侧面进料，并设置防溅板保证气、液两者相能够分离，同时要注意出料管口应尽可能远离进料管口。
对于再沸器，液体进料管口放在靠近管板且尽量远离排液管处。
气相出料管口的速度压头ρV2不得高于3750kg/（m·S2）。
为使管束浸没在液体中，应在釜内设置堰或进行液位控制，堰至少要高出管束25mm。
除非工艺上有特殊要求，堰上不得开放净孔。
对于有液面控制的“K”式换热器，必须明确釜内液面控制方式，如果液面有波动，无法保证所有换热管都能够浸在液面以下时，为避免温差应力，应使用浮头或U形管束。
5.6污垢系数
常见装置中的物系的污垢系数可参照TEMA标准中的附录部分。
其他物系的污垢系数、或污垢系数有不同取值需经过业主或承包方认可方可使用。
5.7腐蚀余量
除非另有说明，碳钢和低合金钢的腐蚀余量是3mm，不锈钢和其他材质的腐蚀余量是0。
5.8管束振动及噪声分析
传热计算所使用的程序要求能够对换热器的机械性能、或可能存在的振动问题做出检验。
设计人员要求根据程序的警告信息，对计算结果进行合理的分析和适当的调试。
必要时应设置除噪声挡板来改变噪音的频率。
当换热器存在潜在的振动问题时，可以应用HTRI公司的VIB
程序检验。
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