列管式换热器的工艺设计毕业论文

西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页第二章 列管式换热器的工艺设计第一节 概述换热器是石油、化工、轻工等行业的常用设备，在工艺流程中起到为化学反应过程和物理操作过程创造必要条件、提高热量综合利用和回收余热的作用。在化工建设投资中，换热器约占总投资的 11。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的 20%。若按工艺设备重量统计，换热器在石油化工装置中约占 40%左右，由此可见换热设备在化工设备中的地位。工业换热器的种类繁多，其中以列管式技术最为成熟，同时具有适用范围广、耐压性能好、便于强化传热等优点，故迄今为止仍以列管式换热器占绝大多数。本章就列管式换热器的工艺设计问题进行介绍。一、列管式换热器的结构类型列管式换热器又称管壳式换热器，是一种通用标准换热设备。虽然在换热效率、紧凑性、材料消耗等方面不及新型换热器，但由于其具有结构简单、牢固耐用、适应性强、操作弹性大等优点，故在石化、轻工等行业工业换热设备中仍占主导地位。列管式换热器根据结构特点分为以下几种。（一）固定管板式换热器 固定管板式换热器结构如图 2-1 所示。其结构特点是两块管板分别焊接于壳体的两端，管束两端固定在管板上，具有结构简单、紧凑，造价低等优点。缺点是：（1）除非割开管板壳程无法清洗；（2）当壳体与换热管的温差较大时（一般以 50为限） ，因壳体与换热管的热膨胀性差异导致的温差应力（又称热应力）具有破坏性，需在壳体上设置膨胀节（又称热补偿圈） ，但壳程压力对膨胀节强度及伸缩均有影响，一般不建议采用。因此，其适用于壳方流体洁净且不易结垢、两流体温差不大或温差虽大但壳程压力不高的场合。图 2-1 固定管板式换热器(立式)1折流挡板；2管束；3壳体；4封头；5接管；6管板；7悬挂式支座（二）浮头式换热器西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页浮头式换热器结构如图 2-2 所示。其结构特点是换热器一端管板用法兰与壳体固定，另一端管板用一内封头封住管程流体并可在壳体内沿轴向自由伸缩，故称该端为浮头。优点是管束可以从壳体中抽出，便于清洗管间；管束的膨胀不受壳体的约束，因而壳体与管束之间不会产生温差应力，也即具有自热补偿功能。缺点是：结构复杂，浮头密封要求高，用材量大、造价高，故适用于壳体与管束温差较大及管壳方均易结垢的场合。很显然，浮头式换热器的管程数一定为偶数。图 2-2 浮头式换热器1壳盖；2固定管板；3隔板；4浮头勾圈法兰；5浮动管板；6浮头盖（三）U 型管换热器U 型管换热器的结构如图 2-3 所示。其结构特点是：管子折成 U 形后固定在同一管板上，管束末端也可以自由伸缩，具有自热补偿功能，管程数也为偶数。U 型管式换热器的优点是：结构简单、造价低，一般化工厂的附属机修车间就能自制；只有一个管板，密封面少，耐压性能好，运行可靠；管间清洗较方便。其缺点是：因管束存在回弯部分，易阻塞，故管程清洗较困难；可排管子数目较少，其管束最内层管间距大，壳程流体易走短路，一般用于管、壳程温差较大且管程介质不易结垢的场合。图 2-3 U 型管换热器（四）填料函式换热器 填料函式换热器又称外浮头式换热器，其结构如图 2-4 所示，类似浮头式换热器，不过浮头部分伸出壳体外，浮头与壳体间的间隙用填料函密封。它具有浮头式换热器的优点，但结构比浮头式换热器简单，制造方便，易于检修清西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页洗。常用于一些腐蚀严重，需要经常更换管束的场合。但由于壳程介质有可能通过填料函外漏，故不宜走易燃、易爆或有毒的流体，壳程压力一般要小于4MPa。受填料密封性能的限制，直径一般在 700mm 以下。图 2-4 填料函式换热器1-活动管板； 2-填料压盖；3-填料；4- 填料函； 5-纵向隔板（五）釜式换热器 釜式换热器结构如图 2-5 所示。其结构特点是在壳体上部设置蒸发空间，管束可以为固定管板式、浮头式或 U 型管式，适用于壳程液体吸热汽化的过程，可作为简单的废热锅炉。图 2-5 釜式换热器二、列管换热器的型号与规格（一）基本参数列管换热器的基本参数主要有：1、公称直径 DN对卷制圆筒，以圆筒内直径(mm)作为换热器的公称直径。对钢管制圆筒，以钢管外径(mm)作为换热器的公称直径。对釜式换热器，由于管箱和壳体直径不等，在直径表达时应以“管箱内径（mm）/壳体内径（mm） ”示之。2、设计压力 （管程） 、 （壳程）tpsp设计压力系指换热器在设计过程中对管程与壳程设定的最大压力（MPa） ，其值不得小于换热器的工作压力。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页3、公称换热面积 SN公称换热面积为计算换热面积的圆整值（m 2） 。其中，计算换热面积一般以换热管外径为基准，为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 U 形管式换热器，一般不包括 U 形弯管段的面积。4、公称长度 LN以换热管长度（m）为换热器的公称长度。其中，换热管为直管时，取直管长度；对 U 形管换热器，取 U 形管的直管段长度。5、换热管换热管多采用碳素钢、低合金钢冷拔钢管，也可根据需要采用 Al、Cu、Ni等合金管。壁厚随管径和管材质变化，一般在 13mm 之间。其中，直径为 19和 25mm、壁厚为 2mm（普通级）2.5mm（加强级）的冷拔无缝钢管最为常用，换热器系列标准中多为该两种规格管材。6、管程数 Nt、壳程数 Ns管程系指介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分；管程数 Nt 系指流体介质沿换热管长度方向往、返的次数，常用的有 1、2、4、6、8、10、12 七种。壳程系指介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分；壳程数 Ns 系指介质在壳程内沿壳体轴向往、返的次数，常见的有 14 四种。（二）型号表示方法列管换热器的型号表示方法为：西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页表 2-1 列管换热器结构代号西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页（三）型号表达示例1、浮头式换热器某浮头式换热器的结构为：平盖管箱，公称直径为 500mm，管、壳程设计压力均为 1.6MPa，公称换热面积为 54 m2，较高级碳素钢冷拔钢管，外径25mm，管长为 6m，4 管程、单壳程。其型号为：I6501.45AES西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页2、固定管板式换热器例如，某固定管板式换热器的结构为：封头管箱，公称直径为 700mm，管程设计压力为 2.5MPa、壳程设计压力为 1.6MPa，公称换热面积为 200 m2，较高级碳素钢冷拔钢管，外径 25mm，管长为 9m， 4 管程、单壳程。其型号为：I.5970216BEM3、U 形管式换热器例如，某 U 形管式换热器的结构为：封头管箱，公称直径为 500mm，管程设计压力为 4.0MPa、壳程设计压力为 1.6MPa，公称换热面积为 75 m2，不锈钢冷拔换热管，外径 19mm，管长为 6m，2 管程、单壳程。其型号为：4.065719BI4、釜式再沸器例如，某釜式再沸器的结构为：平盖管箱，管箱内直径为 600mm，壳体内直径为 1200mm，管程设计压力为 2.5MPa、壳程设计压力为 1.0MPa，公称换热面积为 90 m2，普通级碳素钢冷拔钢管，外径 25mm，管长为 6m，2 管程。其型号为：II60.56912AKT5、浮头式冷凝器例如，某浮头式冷凝器的结构为：封头管箱，公称直径为 1200mm，管程设计压力为 2.5MPa、壳程设计压力为 1.0MPa，公称换热面积为 610 m2，普通级碳素钢冷拔钢管，外径 25mm，管长为 9m，4 管程。其型号为：II2.59106BJS6、填料函式换热器例如，某填料函式换热器的结构为：平盖管箱，公称直径为 600mm，管程和壳程设计压力均为 1.0MPa，公称换热面积为 90m2，16Mn 较高级冷拔钢管，外径 25mm，管长为 6m，2 管程、2 壳程。其型号为：660.95AEP7、固定管板式铜管换热器例如，某固定管板式换热器的结构为：封头管箱，公称直径为 800mm，管程和壳程设计压力均为 0.6MPa，公称换热面积为 150m2，较高级 H68A 铜换热管，外径 22mm，管长为 6m，4 管程、单壳程。其型号为：68.1542BEMCu西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页其它详见相关工业标准。第二节 列管式换热器工艺设计中的共性问题列管换热器的工艺设计包括标准设备的选型设计和非标准设备的工艺设计两类。由于有了系列标准，为便利和降低成本，原则上应尽可能选用标准设备。只有在实际要求与标准系列相差较大时，方需自行设计。然而，无论选型或自行设计都将涉及到一些共性问题，下面就这类问题作一简要介绍。一、加热剂或冷却剂的选择为实现工艺提出的换热任务要求，需解决的首要问题是选择合适的加热剂或冷却剂。表 2-2 载热体的种类及其适用范围西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 9 页续表加热剂或冷却剂的选择应以本着能量综合利用的原则来进行。也即，应尽可能选用工艺上要求冷却降温的高温流体作加热剂，选用工艺上要求加热升温的低温流体作冷却剂，以降低生产成本、提高经济效益。在加热剂或冷却剂的选用上需确保传热温差不至于过小（通常要求大于20） ，以降低设备投资、提高换热速率。同时，为确保安全生产、延长设备的使用寿命，应尽可能选用相对安全的介质作加热剂或冷却剂。当生产系统中无可利用为加热剂（或冷却剂）的流体时，一般场合下以水蒸汽为加热剂；在缺水地区一般用空气作冷却剂，反之一般用水作冷却剂。此外，还可根据具体情况选择其它介质，参见表 2-2。二、加热剂（或冷却剂）进、出口温度的确定通常，被加热（或冷却）流体进、出换热器的温度由工艺条件决定，但对加热剂（或冷却剂）而言，进、出口温度则需由设计者视具体情况而定。为确保设计出的换热器在所有气候条件下均能满足工艺要求，加热剂的进口温度应按使用所在地的冬季状况确定；冷却剂的进口温度应按使用所在地的夏季状况确定。若综合利用系统流体作加热剂（或冷却剂）时，因流量、入口温度已定，故出口温度可由热量衡算直接计算。当用蒸汽作加热剂时，蒸汽进、出口温度的确定要考虑蒸汽的来源、锅炉的耐压能力以及对换热过程的控制等，需由设计者视具体情况而定。在用水作冷却剂时，为便于循环操作、提高传热推动力，冷却水的进、出口温差一般控制在 510左右，对缺水地区出口温度可适当高些，以减少用水量（但不能超过 50，否则会生成水垢而影响传热） 。三、流动空间的选择流动空间选择是指换热器管程和壳程各走什么介质，此问题受多方因素制约，通常确定原则如下：（1）不洁净或易结垢的流体宜走管程；因为管程清洗较方便。（2）有腐蚀性的流体宜走管程；以免管子和壳体同时被腐蚀，且管子便于维修和更换。（3）有毒害的流体宜走管程；以减少直接泄漏，提高生产的安全性。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 10 页（4）高压流体宜走管程；以节省材料消耗、降低人员伤亡事故发生率。（5）高温加热剂与低温冷却剂宜走管程；以减少设备的热量或冷量的损失。（6）有相变流体宜走壳程；如冷凝传热过程，管壁面冷凝液厚度即传热膜的厚度，让蒸汽走壳程有利于及时排除冷凝液，从而提高冷凝传热膜系数。（7）被冷却流体宜走壳程；以便散热，增强冷却效果。（8）高粘度或低流量流体宜走壳程；流体在有折流挡板的壳程中流动时，因流速与流向不断改变，在 Re100 的情况下即可达到湍流，有利于提高此类流体的传热效果。（9）若两流体温差较大时，对流传热系数较大的流体宜走壳程；因管壁温度接近于 较大的流体，让 较大的流体走壳程可以减小管子与壳体的温差，从而减小温差应力。上述原则往往不能同时兼顾，在选择流动路径时，应视具体情况抓住主要矛盾。一般优先考虑操作压强、防腐及清洗等方面的要求。四、列管换热器的结构类型选择列管换热器的结构类型选择要考虑多方因素。与传热目的、所选择的加热剂或冷却剂的种类、流体在换热器中的相态有无变化、流量的大小、热补偿的需求等均有关。例如，用软水吸热副产蒸汽的废热回收过程，换热器的结构形式一般只能是釜式换热器。再如，用液氨作冷却剂的过程，其换热器的结构形式只能是工业氨冷器等。当换热器热、冷流体的传热平均温差在 50以内时，换热管壁与壳体之间因热膨胀性能不同造成的温差应力可不予考虑，无需热补偿。若换热器壳程流体洁净且不易结垢，此时可选用结构简单、价格低廉且管程易清洗的固定管板式换热器。当热、冷流体的传热平均温差超过 50时，需要考虑热补偿。由于带膨胀节的