化工机械基础-7

第五篇过程设备概论第十章传热与传质设备1换热设备的应用使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备定义应用它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备投资比重化工厂中，约占总投资的10%～20%；炼油厂中，约占总投资的35%～40%。工业使用使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。换热设备也是回收利用余热、废热特别是低位热能的有效装置。10.1换热设备10.1.1概述（1）按作用原理和传热方式分类一、直接接触式换热器（混合式）二、蓄热式换热器三、间壁式换热器2换热设备分类a、直接接触式换热器——又称混合式换热器，见下图。——利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体接触面积，充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。图17-1直接接触式换热器优点——传热效率高、单位容积传热面积大、设备结构简单、价格便宜等。但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合b、蓄热式换热器原理——又称回热式换热器

借助固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体，使热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。热流体热流体冷流体冷流体载热体图17-2蓄热式换热器优点——结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，适用于气—气热交换。如回转式空气预热器。局限——若两种流体不允许混合，不能采用蓄热式换热器过程设备设计一、管式换热器二、板面式换热器三、其它型式换热器管壳式换热器蛇管式换热器套管式换热器缠绕管式换热器板壳式换热器螺旋板式换热器板式换热器板翅式换热器伞板式换热器传热管的结构形式不同c间壁式换热器分类3换热器选型换热器选型主要因素：1.满足工艺要求（压力、温度及允许压力降的范围）；2.使用安全可靠；3.便于设备的安装、操作、清洗、维修的要求；4.经济合理（材料；价格、使用寿命等）。10.1.2管管壳式式换热热设备备基本类类型一、固固定管管板式式二、浮浮头式式三、U形管管式四、填填料函函式五、釜釜式重重沸器器（一））固定定管板板式换换热器器结构固定管管板式式换热热设备备立体体图(a)外形形图(b)剖面面图——适用用于壳侧侧介质清清洁且不不易结垢垢并能进进行溶解清洗，管、、壳程两侧温温差不大或温温差较大但壳壳侧压力不高的的场合。优点——结构简单单、紧凑、能能承受较高的的压力，造价价低，管程清洗洗方便，管子子损坏时易于于堵管或更换换。缺点——当管束与与壳体的壁温温或材料的线线膨胀系数相相差较大时，壳壳体和管束中中将产生较大大的热应力。。应用为减少热应力，通常在固定定管板式换热热器中设置柔柔性元件（如膨胀节、、挠性管板等等），来吸收收热膨胀差。。（二）浮头式式结构浮头端可自由由伸缩，无热热应力浮头端浮头式换热器器优点——管间和管管内清洗方便便，不会产生生热应力；缺点——结构复杂杂，造价比固固定管板式换换热器高，设备笨重，材材料消耗量大大，且浮头端端小盖在操作中无法法检查，制造造时对密封要要求较高。应用——壳体和管管束之间壁温温差较大或壳壳程介质易结垢的场合。。（三）U形管管式换热器结构U形管U形管式换热热器优点结结构比较简简单、价格便便宜，承压能能力强。受弯弯管管曲曲率率半半径径限限制制，，布布管管少少；；管束束最最内内层层管管间间距距大大，，管管板板利利用用率率低低；；缺点点壳壳程程流流体体易易短短路路，，传传热热不不利利。。当管管子子泄泄漏漏损损坏坏时时，，只只有有外外层层U形形管管可可更更换，，内内层层管管只只能能堵堵死死，，坏坏一一根根U形形管管相相当当于坏坏两两根根管管，，报报废废率率较较高高。。管、、壳壳壁壁温温差差较较大大或或壳壳程程介介质质易易结结垢垢需需要要应用用清清洗洗，，又又不不宜宜采采用用浮浮头头式式和和固固定定管管板板式式的的场合合。。特特别别适适用用于于管管内内走走清清洁洁而而不不易易结结垢垢的高温温、高高压、、腐蚀蚀性大大的物物料。。（四））填料料函式式结构填料函函式密密封优点结构较较浮头头式简简单，，加工工制造造方便便；节省材材料，，造价价比较较低廉廉;管束从从壳体体内可可抽出出;管内、、管间间都能能进行行清洗洗，维维修方方便。。缺点填料处处易泄泄漏。应用4MPa以下，，且不不适用用于易易挥发发、易易燃、、易爆、、有毒毒及贵贵重介介质，，使用用温度度受填填料的物物性限限制。。注：填填料函函式换换热器器现在在已很很少采采用。。（五））釜式式重沸沸器蒸发空间结构管束可可以为为浮头头式、、U形形管式式和固固定管管板式式结构构与浮头头式、、U形形管式式换热热器一一样，，清洗维维修方方便；；可处理理不清清洁、、易结结垢介介质，，能承受高高温、、高压压（无无温差差应力力）。。特点10.1.3管管壳式式换热热器结结构管程———与与管束束中流流体相相通的的空间间壳程———换换热管管外面面流体体及相相通空空间管程壳程管程（一））管程结结构一、换换热管管二、管管板三、管管箱四、管管束分分程五、换换热管管与管管板连连接1、换换热管管a.换换热管管型式式光管强化传传热管管翅片管管（在在给热热系数数低侧侧）螺旋槽槽管螺纹管管b.换换热管管尺寸寸φ19×2、φφ25×2.5和φφ38×2.5mm无缝缝钢管管φ25××2和和φ38××2.5mm不不锈钢钢管标准管管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等等2、管管板作用用来排排布换换热管管；将管程程和壳壳程流流体分分开，，避免免冷、、热流流体混混合；；承受管管程、、壳程程压力力和温温度的的载荷荷作用用。换热管管排列列形式式及中中心距距p三角形形布管管多，，但不不易清清洗；；正方形形及转转角正正方形形较易易清洗洗管桥强强度清洗通通道P≥1.25d0常用换换热管管中心心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距16192532404857723、管管箱作用———流流体送送入换换热管管和送送出换换热器器，在多管管程结结构中中，还还起到到改变变流体体流向向的作作用。。结构形式决定定因素——清清洗？管束分分程？(a)(b)(c)(d)换热器管箱4、换热管与与管板连接强度胀强度焊胀焊并用(1)强度胀胀保证换热管与与管板连接的的密封性能及抗拉脱强度的胀接设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈烈振动、无过过大温度波动动，及无明显应力力腐蚀等场合合。应用338300300Kδ1113003386K111δδ33863003111300K贴胀结构用于δ≤25mm的场合用于δ＞25mm的场合用于厚管板及及避免晶间腐腐蚀的场合强度胀接管孔孔结构300l机械胀接(2)强度焊焊保证换热管与与管板连接的的密封性能及抗抗拉脱强度的的焊接。用于整体管板板用于复合管板板强度焊接管孔孔结构优点焊接结构强度度高，抗拉脱脱力强度高。。高温下也能保保证连接处的的密封性能和和抗拉脱能力力。泄露处可补焊焊和更换。焊后，管子与与管板中存在在残余热应力力和应力集中中，运行时可能引引起应力腐蚀蚀与疲劳破坏坏；缝隙腐蚀。缺点除较大振动和和缝隙腐蚀场场合外，该方方法应用广泛泛;薄管板不能胀胀，只能焊。。应用3)胀焊并用用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等不仅能提高连连接处的抗疲疲劳性能，而且还可消除除应力腐蚀和和缝隙腐蚀，，提高使用寿命命应用：密封性能要求求较高；承受振动和疲疲劳载荷；有缝隙腐蚀；；需使用复合管管板等的场合合(二）壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结结构五、壳程分程程1、壳体（1）接管管（2）防防冲挡板（3）导导流筒焊在壳体上，，供壳程流体体进、出。防止进口流体体直接冲击管管束造成管子子的侵蚀和振动，在壳程程进口接管处处安装，也叫叫缓冲板。焊接在拉杆、、定距管、I折流板上焊接在圆筒上上用U型螺栓固固定在换热管管上固定形式减少流体滞留留区，改善两两端流体的分分布，增加换热管的的有效换热长长度，提高传传热效率；起防冲挡板的的作用。导流筒2折流板1)作用提高壳程流流体流速，，增加湍动动程度；使壳程流体体垂直冲刷刷管束，提提高壳程传传热系数；；减少结垢。。2.结构形式（（见图）弓形圆盘-圆环环形(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓形缺口高高度h应使流体流流过缺口时时与横向流流过管束时时的流速相相近缺口大小用用弓形弦高高占壳体内内直径的百百分比来表表示，如单弓形折折流板，h一般取0.20～～0.45Di，最最常用0.25Di。折流板形式式弓形折流板板结构示意意图弓形缺口及及通液口设设置壳程为单相相清洁液体体时，折流流板缺口上上下布置折流板缺口口布置通液口通气口折流板缺口口垂直左右右布置折流板3.折流板的固固定B、换热管外径径≤14mm时——点焊结构A、换热管外径径＞14mm时——拉杆-定距距管结构dndn拉杆结构4、膨胀节膨胀节是一一种能够自自由伸缩的的弹性补偿偿元件，由由于它的轴轴向柔度大大，当管管束束和和壳壳体体由由于于壁壁温温不不同同而而产产生生膨膨胀胀差差时时，，可可以以通通过过膨膨胀胀节节有有效效地地起起到到补补偿偿轴轴向向变变形形的的作作用用，，从从而而降降低低温温差差应应力力。。膨胀胀节节的的结结构构形形式式有有U形形膨膨胀胀节节、、平平板板膨膨胀胀节节和和ΩΩ形形膨膨胀胀节节等等，，如如下下图图所所示示。。U形形膨膨胀胀节节由由于于结结构构简简单单、、补补偿偿能能力力大大、、价价格格便便宜宜，，故故应应用用最最为为普普遍遍，，一一般般适适用用于于设设计计压压力力p≤≤2.5MPa。。有关关膨膨胀胀节节的的设设计计计计算算参参见见GB16749《《压压力力容容器器波波形形膨膨胀胀节节》》。。管壳式换热热设备的设设计内容包包括两部分分：(1)一是管壳式式换热设备备的工艺设设计，根据据过程原理理和生产工工艺要求进进行设计；；(2)二是管壳壳式换热热设备的的机械设设计，应应根据GB151《《管壳式式换热器器》的规规定和要要求进行行设计。。10.1.4设设计简简介(1)管壳式换换热设备备工艺设设计的主主要步骤骤:①根据据冷、热热流体的的流量、、进出口口温度、、工作压压力等工工艺条件件计算出出换热设设备所需需的传热热量；②根据流量量、压力力、温度度、介质质性质、、传递热热量大小小以及考考虑制造造、安装装和维修修方便等等多种因因素，选选择换热热设备的的类型与与主要结结构；③确定定换热设设备内冷冷、热流流体的流流动通道道、流向向(并流、逆逆流或错错流)和流程程等；④根据据换热设设备所需需的传热热量，计计算出要要求的换换热面积积，并初初步确定定换热设设备的基基本参数数(换热管尺尺寸、数数量，管管程数，，壳体直直径，壳壳程数等等)；⑤核算算换热设设备的传传热能力力和流体体阻力；；⑥根据据标准选选用管壳壳式换热热设备的的型号。。(2)管壳式换换热设备备机械设设计的主主要步骤骤:①根据据压力、、温度、、介质性性质(主要是腐腐蚀性)、材料料的焊接接性能以以及制造造工艺等等选择换换热设备备各零部部件合适适的材料料；②壳体、封封头的选选型和强强度计算算；③管箱箱的选择择，支座座的选用用；④压力力容器法法兰的选选择，接接管、管管法兰的的选用及及开孔补补强设计计；⑤管板板计算；；⑥折流流板的选选择与计计算。10.2塔设备的的应用装置名称塔设备投资的比例(%)装置名称塔设备重量的比例(%)化工及石油化工25.460万吨，120万吨/年催化裂化48.9炼油及煤化工34.8530万吨/年乙烯25.3化纤44.94.5万吨/年丁二烯54表10-1塔塔设备的的投资及及重量在在过程设设备中所所占的比比例化工、炼炼油、石石油化工工、医药药、食品品及环境境保护等等工业部部门。10.2.1概概述1、作用用实现气（（汽）相相-液相相或液相相-液相相之间的的充分接触，使使相际间间进行传传质及传传热。2、应用用蒸馏、吸吸收、介介吸（气气提）、、萃取、、气体的的洗涤、增湿湿及冷却却等单元元操作。。3、塔设备的的分类(3)按按内件件结构分分：填料料塔、板板式塔。。(1)按按操作作压力分分：加压压塔、常常压塔及及减压塔塔。(2)按按单元元操作分分：精馏馏塔、吸吸收塔、、介吸塔塔、萃取取塔、反应塔、、干燥塔塔等。4、塔设设备的选选型优先选用用填料塔塔：在分离程程度要求求高的情情况下，，因某些些新型填填料具有有很高的传质效效率，故故可采用用新型填填料以降降低塔的的高度；；(2)对对于热热敏性物物料的蒸蒸馏分离离，因新新型填料料的持液液量较小小，压降小，，故可优优先选择择真空操操作下的的填料塔塔；(3)具具有腐腐蚀性的的物料，，可选用用填料塔塔。因为为填料塔塔可采用用非金属材材料，如如陶瓷、、塑料等等；(4)容容易发发泡的物物料，宜宜选用填填料塔。。因为在在填料塔塔内，气气相主要不不以气泡泡形式通通过液相相，可减减少发泡泡的危险险，此外，填料料还可以以使泡沫沫破碎。。塔内液体体滞液量量较大，，操作负负荷变化化范围较较宽，对对进料浓浓度变化要求求不敏感感，操作作易于稳稳定；(2)液液相负负荷较小小。因为为这种情情况下，，填料塔塔会由于于填料表表面湿润不充分分而降低低其分离离效率；；(3)含含固体体颗粒，，容易结结垢，有有结晶的的物料，，因为板板式塔可可选用液流通道道较大的的塔板，，堵塞的的危险较较小；优先选用用板式塔塔：(5)在较较高压力下操操作的蒸馏塔塔仍多采用板板式塔，因为为压力较高时，，塔内气液比比过小，以及及由于气相返返混剧烈等原因，，应用填料塔塔分离效果往往往不佳。(4)在操操作过程中伴伴随有放热或或需要加热的的物料，需要要在塔内设置内内部换热组件件，如加热盘盘管；需要多多个进料口或多个个侧线出料口口。这是因为为一方面板式式塔的结构上容易易实现，此外外，塔板上有有较多的滞液液以便与加热或冷冷却管进行有有效地传热；；优先选用板式式塔：优先选用板式式塔：塔型项目填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小较大空塔气速小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大较大塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高较稳定、效率较高液-气比对液体量有一定要求适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低填料塔与板式式塔的比较各种塔设备除除内部结构差差异较大外，，其他结构基基本相同。塔塔设备的基本本结构可分为为如下几个部部分：(1)塔体--包括圆筒筒、封头及可可能采用的设设备法兰等。。(2)内件--填料及其其支承装置或或塔板及其附附件。(3)支座--它是塔体体与基础的连连接结构。(4)附件--包括人孔孔、手孔，物物料进出管，，仪表检测管管，液体的分分布装置和气气体进料分布布装置，以及及塔外的操作作平台、扶梯梯和吊柱等。。10.2.2塔设备的的总体结构板式塔立体图图(a)外形图(b)剖面图填料塔立体图图(a)外形图(b)剖面图塔盘结构1）板式塔塔盘结结构定距管管式塔塔板的的结构构如图图所示示。塔盘结结构泡罩筛板浮阀2)填填料塔塔常用填填料类类型①乱乱堆填填料的的类型型包括环环形填填料、、鞍形形填料料和鞍鞍环填填料。。②规规整填填料包括波波纹板板填料料(见图图示)和波纹纹网填填料两两种。。液体分分布装装置除沫器器用于捕捕集夹夹带在在气流流中的的液滴滴。除沫器器工作作性能能的好好坏对对除沫沫效率率、分分离效效果都都具有有较大大的影影响。。(a)缩径型(b)全径型丝网除沫器结构示意图吊柱安装于于塔顶顶，主主要用用于安安装、、检修修时吊吊运塔塔内件件。扶梯与与平台台10.2.3塔塔设设备设设计简简介塔设备备的设设计内内容包包括两两部分分：(1)一是塔塔设备备的工工艺设设计，，根据据过程程原理理和生生产工工艺要要求进进行