化工设计竞赛3-2 换热器设计说明书

O寸前油大克.)

HENGYI

“东华科技-恒通石化杯”

全国大学生化工设计竞赛

趣热器设计说明书

苏里格天然气处理厂分厂设计团队：化成天下

指导老师：黄兴亮邓春孟祥海

乙块法制备六4万吨/年杜巍徐建

硝酸乙烯酯项目团队成员：张新意张翔瑞王敏萱

刘雅陈闯

目录

第一章总述.................................................................................4

1.1说明书..............................................................................4

1.1换热器概述.........................................................................4

1.2设计依据...........................................................................4

第二章换热器选择..........................................................................6

2.1换热器类型的选择...................................................................6

2.2换热管规格的选取...................................................................7

2.3工艺条件的选择.....................................................................7

2.3.1温度..........................................................................7

2.3.2压力..........................................................................8

2.3.3流体流程原则依据.............................................................8

2.3.4流体流速的选择...............................................................9

2.4换热器型号表示方法.................................................................9

2.5换热器选型软件....................................................................10

第三章E0219换热器设计...................................................................11

3.1工艺参数..........................................................................11

3.2类型选择..........................................................................11

3.2.1管壳程选择.......................................................................11

3.2.2温度.........................................................................12

3.2.3压力.........................................................................12

3.2.4传热系数....................................................................12

3.2.5换热器尺寸..................................................................12

3.3设计条件.....................................................................12

3.4EDR选型结果.....................................................................13

3.5换热器详细尺寸....................................................................17

3.6强度校核..........................................................................18

第四章E0102换热器设计...................................................................35

4.1工艺参数...........................................................................35

4.2类型选择..........................................................................36

4.2.1管壳程选择..................................................................36

4.2.2温度.........................................................................36

4.2.3压力........................................................................36

4.2.4传热系数....................................................................37

4.2.5换热器尺寸..................................................................37

4.3设计条件..........................................................................37

4.4EDR选型结果.....................................................................38

3.5换热器详细尺寸....................................................................40

3.6强度校核..........................................................................41

第五章HITAN绕丝花环....................................................................58

第六章螺旋扁管式换热器...................................................................59

第七章新型板翅式空冷器...................................................................60

第一章总述

1.1说明书

1.1换热器概述

换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的换热

器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。因此,针对具体情况正确地

选择换热器的类型，是很重要的。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)换热环境要求

在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、加工条件、密封

性、安全性等方面加以考虑。所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化

加以解决。

针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，

以实现降低成本的目的。因此应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换

热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。对工程技术人员而言，在设计换热器时，对

于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时还得通过计算来

进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。

1.2设计依据

本项目设计依据见表1-1。

表L1换热器设计依据

设计依据名称标准号(出版日期)

《热交换器》GB/T151-2014

《热交换器形式与基本参数》GB/T28712.2-2012

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列》HG/T20553-2011

《钢制管法兰、垫片和紧固件》HG/T20592-20635-2009

《容器支座》JB/T4712-2007

《补偿圈》JB/T4712-2007

第二章换热器选择

2.1换热器类型的选择

当换热流股不允许进行混合时，就要求在间壁式换热器中进行。目前，在换热设备中，

使用量最大的是管壳式换热器，它是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器，适

用的操作温度与压力范围较大，制造成本低，清洗方便，处理量大，工作可靠，本项目中均

使用间壁式换热器中的管壳式换热器。换热器型式如表2-1所示。

表2-1换热器类型

换热器型式换热器特点

刚性结构：用于管壳温差较小的情况，管间不能清洗

固定管板式

带膨胀节：有一定的温度补偿能力，壳程只能承受较低压力

浮头式管内外均能承受高压，可用于高温高压场合

U型管式管内外均能承受高压，管内清洗及检修困难

管壳式

外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发、易爆易燃及压力较高

填料函式的介质

内填料函：密封性能差，只能用于压差较小的场合

釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离

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

套管式能逆流操作，用于传热面较小的冷却器、冷凝器或预热器

螺旋浸没式用于管内流体的冷却、冷凝，或者管外流体的加热

盘管式喷淋式只用于管内流体的冷却或冷凝

板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热

螺旋板可进行严格的逆流操作，有自洁作用，可回收低温热能

伞板式伞形传热板结构紧凑，通道较小，易堵，要求流体干净

板壳式板束类似于管束，可抽出清洗检修，压力不能太高

板翅式结构十分紧凑，传热效率高，流体阻力大

适用于气体和液体之间传热，传热效率高，用于化工、动力、空

管翅式

调、制冷工业

回旋式盘式传热效率高，用于高温烟气冷却等

鼓式用于空气预热器等

固定格紧凑式适用于低温到高温的各种条件

非紧凑式可用于高温及腐蚀性气体场合

2.2换热管规格的选取

管子的外形：列管换热器的管子外形有光滑管和螺纹管两种。一般按光滑管设计。当

壳程膜系数低，采取其他措施效果不显著时，可选用螺纹管，它能强化壳程的传热效果，

减少结垢的影响。

管子的排列方式：相同壳径时，采用正三角形排列要比正方形排列可多排布管子，使

单位传热面积的金属耗量降低。一般壳程流体不易结垢或可以进行化学清洗的场合下，推

荐用正三角形排列。必须进行机械清洗的场合，则采用正方形排列。

管子直径：管径越小换热器越紧凑、越便宜。但是，管径越小换热器的压降越大，为了

满足允许的压力降一般选用①19mm的管子。对于易结垢的物料，为方便清洗，采用外径为

25mm的管子。对于有气液两相流的工艺物流，一般选用较大的管径。直径小的管子可以

承受更大的压力，而管壁较薄，有利传热；相同的壳径，可以排较多的小管子，使传热面积

增大，单位传热面积的金属耗量降低。所以，在管程结垢不是很严重，又允许压力降较高

的情况下，采用中19mmx2mm的管子是合理的。

管长：无相变换热时，管子较长，传热系数增加。在相同传热面时，采用长管管程数较

少，压力降小，而且每平方米传热面的比价也低。但是，管子过长给制造带来困难。壳径较

大的换热器采用较长的管子可降低单位传热面积的金属耗量，更为经济。因此，一般选用

管长4~6m。对于大面积或无相变的热器可以选用8~9m的管长。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，一般选用范围为管外径的1.25-1.5

倍。

上述情况，在选用标准系列设备或设计非定型设备时，结合任务的要求，作出适当的

选择。

2.3工艺条件的选择

2.3.1温度

根据工艺条件，热蒸汽使用125℃(2.5bar)和170℃(8.0bar)的饱和蒸汽，作为热公

用工程。

同时，选择温度为2(rc的冷却水作为冷公用工程。一般情况下冷却水出口温度不高于

60℃,避免结垢严重，高温端的温差不应小于20C,低温端的温差不应小于5。＜3。当在两

工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于2(rc。当采用多管程、单壳程的管壳式

换热器，并且用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。

2.3.2压力

管壳式换热器工作时，增加工艺流体的流速，可相应增加传热膜的传热系数，从而提

高总的传热系数，使换热器结构更紧凑。但流速增加后将相应增大换热器的压力降，从而

加剧换热器的磨蚀和振动破坏等；同时，压力降的增大也使得换热器运行过程中的动力消

耗增大。所以，一般应限制管壳式换热器的最大压力降，表2-2列出了允许的压力降范围。

表2-2压力降允许范围

工艺流体的压力/Pa允许的压力降AP/Pa

<9.8x1049.8xlO3

9.8xl04~16.7xl043.9X103~3.3X104

>16.7xl04<9.8x104

2.3.3流体流程原则依据

为保证传热效果及安全问题，流体的流程选择依照以下一系列原则：

a.高温物流，一般走管程，除此有时为了节省保温层和减少壳体厚度，也可以使高温物

流走壳程。

b.较高压的物流应走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数。

c.较粘的物流应走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数。

d.腐蚀性较强的物流应位于管程。

e.对压力降有特定要求的工艺物流，应位于管程，因管程的传热系数和压降计算误差小。

£较脏和易结垢的物流应走管程，以便清洗和控制结垢。若必须走壳程，则应采用正方

形管子排列，并可用可拆式(浮头式、填料函式、U形管式)换热器。

g.流量较少的物流应走壳程，因为在壳程易使物流成为湍流状态，从而增加传热系数。

h.给热系数较小的物流，像气体，应走壳程，易于提高给热系数。

2.3.4流体流速的选择

水和相类似的液体流速一般取l~2.5m/s；气体和蒸汽的流速可在8~30m/s的范围内选

取。一般流体流速选取如下：

表2-3流体流速范围

流速,m/s

流体类型管型

管程壳程

直管0.5-3

液体0.27.5

盘管0.3-0.8

直管5〜30

气体2〜15

盘管3~10

2.4换热器型号表示方法

本法来自于GB151,适用于卧式和立式换热器。

示例说明：型号：AES700-1.8-58-6/25-2I

其中：

A：表示前端管箱形式为平盖管箱；

E：表示壳体形式为单进单出冷凝器壳体；

S：表示后端结构型式为浮头式；

500：表示公称直径为500mm；

1.6：表示公称压力1.6MPa；

54：表示公称换热面积为54m2；

6：表示公称长度为6m；

25：表示换热管外径为25mm；

4：表示管程数为4；

I：表示管束为I级，采用较高级冷拔钢管

这个型号代表平盖管箱，公称直径700mm,管程和壳程设计压力均为1.8MPa,公称换

热面积58m2,碳素钢较高级冷拔换热管外径25mm,管长6m,2管程，单壳程的浮头式换

热器。

2.5换热器选型软件

表2-4换热器选型软件

名称用途来源

AspenPlusvlO换热器工艺参数设计AspenTech公司

ExchangerDesignandRating换热器结构设计AspenTech公司

在对工艺流程的换热器设计和选型中，先按照实际工业实施情况及成本因素，对车间

进行了热集成，优化了换热网络，然后针对特定的换热任务，确定合适的换热工艺参数，

并进行换热费用的优化，再根据国家标准GB/T151-2014《热交换器》以及《化工工艺设计

手册（下）》第四版，使用ExchangerDesignandRatingV10进行换热设备的设计，以此为

参考从工艺手册上选取换热器。

第三章E0219换热器设计

3.1工艺参数

以E0304换热器为示例进行设计。

根据AspenPlus中设计出的工艺参数分别输入冷端物流与热端物流的质量流量以及出

口、入口温差以及压降，这里需要注意的是换热器中是否发生相变对最终结果的准确性有

很大影响，具体参数输入如图3-1所示：

HotStream(1)ColdStream(2)

TubeSideShellSide

FluidnameS0428

InOutInOut

Massflowratekg/s，9.8363

Temperature℃▼121.02452025

Vapormassfraction

Pressure(absolute)bar▼3029.243.86

Pressureatliquidsurfaceincolumn

HeatexchangedkW▼

Exchangereffectiveness

Adjustifover-specifiedHeatloadHeatload▼

Estimatedpressuredropbar▼0.80.14

Allowablepressuredropbar▼0.80.49987

Foulingresistancem2-K/W▼0.00020.000176

图3-1E0219换热器工艺参数输入

3.2类型选择

选择工业上应用最为广泛的管壳式换热器中的管板式换热器，封头为椭圆形封头，单

管程，后管箱为椭圆形。

3.2.1管壳程选择

该换热器的作用是将从T0203深冷塔出来的混合物用冷却水冷却至45。（2。由于物流压

力相比较冷却水压力很大，且根据TEMA工业流体污垢热阻查得污垢热阻较大，更容易结

垢，综合多方面因素，选择冷却水走壳程。

3.2.2温度

该换热器的壳程工作温度为20。（2~25。（3,管程工作温度为121。045匕，进出口最小温

差大于10℃,符合工业实际。设计温度以工作温度为依据，一般为工作温度+（15。030。0。

这里取壳程的设计温度为45。（2,管程设计温度为65。（2。

3.2.3压力

该换热器的操作压力为壳程0.4MPa,管程3MPa。换热器的设计压力为设计温度下的

最大工作压力，一般为正常工作压力的1.1倍。这里取壳程设计压力为0.44MPa,管程设计

压力为3.3MPa。

EDR中换热器的压降设置为自动默认值，也可自己设置压降，出口绝压小于O.IMPa

（真空条件），压降不大于进口压强的40%,出口绝压大于O.IMPa,压降不大于进口压强

的20%o

3.2.4传热系数

传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算得到。其中传热膜系数和固壁热

阻为EDR自动默认值。

该换热器壳程为冷却水，根据《GB/T151-2014》，水温52t以下，流速大于lm/s的河

水最小污垢系数为0.000176m2.K/W,管程为工艺物流，查得标准上的有机物气体的污垢系

数为0.0002m2K/W„

3.2.5换热器尺寸

根据EDR推荐的设计方案，选择其中较为合理的一组。结合JB/T4715-92规定，选择

换热管内径为19mm,管厚2mm,管心距25mm,排列方式为正三角形。壳程公称直径（内

径）为700mm,壁厚11mm,换热管长度3000mm。折流板间距为300mm,折流挡板数量

为4块，换热管数量为574根。其余参数为EDR默认值。

3.3设计条件

换热器设计条件见表3-1。

表3-1E0219换热器设计条件

工艺参数

项目管程壳程项目管程壳程单位

介质名称混合气冷却水进出温度121/4525/20℃

操作压力30.4MPa

介质组成

CO,H2混H2O材料名称2020-

合气设计温度6545℃

设计压力3.30.44MPa

换热器结构参数

换热器结构形式固定管板式壳程公称直径700mm

折流挡板形式单弓形，水平切口管直径X壁厚19x2mm

折流挡板间距300mm换热管计算长度3000mm

接管尺寸

项目壳程入口壳程出口管程入口管程出口

公称直径150mm150mm150mm150mm

开口方位BottomTopTopBottom

3.4EDR选型结果

在使用EDR进行Design后，将EDR改为Rating/Checking模式，并将设计条件表中的

尺寸数据在Geometry选项卡中输入。得到结果见图3-2、3-3、3-4。

HeatExchangerSpecificationSheet

1Company:

2Location:

3ServiceofUnit:OurReference:

4ItemNo.:YourReference:

5Date:RevNo.:JobNo.:

6Size:711-3000mmType:BEMHorizontalConnectedin:1parallel1series

7Surf/unit(eff.)98.7m2Shells/unit1Surf/shell(eff.)98.7m2

8PERFORMANCEOFONEUNIT

9FluidallocationShellSideTubeSide

10FluidnameS0428

11Fluidquantity,Totalkq/s109.9389.8363

12V叩or(In/Out)kq/s009.83639.8363

13Liquidkg/s109.938109.93800

14Noncondensablekg/s0000

15

16Temperature(In/Out)℃2025121.0245

17Bubble/Dewpoint℃////

18DensityVapor/Liquidkg/m3/998.86/994.058.01/9.85/

19ViscositymPa-s/1.0214/0.91250.0176/0.0152/

20Molecularwt,Vap8.878.87

21Molecularwt,NC

22SpecificheatkJ/(kq-K)/4.526/4.5243.333/3.317/

23ThermalconductivityW/(m-K)/0.5991/0.60630.1491/0.1256/

24LatentheatkJ/kg

25Pressure(abs)bar43.877783029.77752

26Velocity(Mean/Max)m/s0.5/0.9622.35/25.05

27Pressuredrop,allow./calc.bar0.499870.122220.80.22248

28Foulingresistance(min)m2-K/W0.000180.00020.00026Aobased

29Heatexchanged2486.1kWMTD(corrected)51.49℃

30Transferrate.Service489.4Dirty732.8Clean1073.4W/(m2-K)

31CONSTRUCTIONOFONESHELLSketch

32ShellSideTubeSide

33Design/Vacuum/testpressurebar4.82633/33.0948/

34Designtemperature℃60160

35Numberpassespershell12

36Corrosionallowancemm3.183.18JLJ

37ConnectionsInmm1304.8/1254.51/M

38Size/RatingOut1254.51/-1254.51f

39IDIntermediateValue:254.51

40Tube#574OD:19Tks.Average2.11Description:mmTubepattern:30

41Tubetype:PlainInsert:NoneNozzlediameter(outlet)forTemasheet-Shellside:CarbonSteel

42ShellCarbonSteelID700OD722mmShellcover-

43ChannelorbonnetCarbonSteelChannelcover-

44Tubesheet-stationaryCarbonSteelTubesheet-floating-

45Floatingheadcover-ImpingementprotectionNone

46Baffle-crossCarbonSteelTypeDoubleseqmentalCut(%d)25.26VSpacing:c/c300mm

47Baffle-long-SealType|Inlet463.55mm

48Supports-tubeU-bend0Type

49BypasssealTube-tubesheetjointExpandedonly(2qrooves)(App.A'i')

50Expansionjoint-TypeNone

51RhoV2-Inletnozzle2273Bundleentrance1570Bundleexit431kg/(m-s2)

52Gaskets-Shellside-TubesideFlatMetalJacketFibe

53Floatinghead

54CoderequirementsASMECodeSecVIIIDiv1TEMAclassR-refineryservice

55Weight/Shell3576.4Filledwithwater4950.5Bundle1918.9kg

图3-2E0219换热器TEMA表

Rating/CheckingShellSideTubeSide

Totalmassflowratekg/s1099389.8363

V叩ormassflowrate(In/Out)kg/s009.83639.8363

Liquidmassflowratekg/s109.938109.93800

Vapormassfraction0011

Temperatures℃2025121.0245

Bubble/Dewpoint℃////

OperatingPressuresbar43.877783029.77752

FilmcoefficientW/(m2-K)4495.21510.1

Foulingresistancem2-K/W0.000180.00026

Velocity(highest)m/s0.9625.05

Pressuredrop(allow./calc.)bar0.49987/0.122220.8/0.22248

TotalheatexchangedkW2486.1UnitBEM2pass1ser1par

Overallcleancoeff.(plain/finned)W/(m2-K)1073.4/Shellsize711-3000mmHor

Overalldirtycoeff.(plain/finned)W/(m2-K)732.8/TubesPlain

Effectivearea(plain/finned)m298.7/InsertNone

EffectiveMTD℃51.49No.574OD19Tks2.11mm

Actual/Requiredarearatio(dirty/clean)1.5/2.19Pattern30Pitch25mm

Vibrationproblem(HTFS)YesBafflesDoublesegmentalCut(%d)25.26

RhoV2problemYesTotalcost46069Dollar(US)

HeatTransferResistance

Shellside/Fouling/Wall/Fouling/Tubeside

ShellSide[|TubeSide

图3-3E0219换热器性能表

FilmcoefficientsW/(m2-K)ShellSideTubeSide

Barearea(OD)/FinnedareaBarearea(OD)/IDarea

Overallfilmcoefficients4495.2/1510.1/1940.8

Vaporsensible/1510.1/1940.8

Twophase//

Liquidsensible4495.2//

HeatTransferParametersInOutInOut

PrandtlnumbersVapor0.390.4

Liquid7.726.81

ReynoldsnumbersVaporNominal168208.5193438.8

LiquidNominal11527.2612902.48

FinEfficiency

图3-4E0219换热器性能表

由上述计算结果可以看到，①换热器换热面积为98.7m2,设计余量为50乐介于30%

和50%之间；②管程工艺流体流速为25.05m/s,壳程冷却水流速为0.96m/s,流速合理；

由管壳程的雷诺数判断，管壳程流体均为湍流形态，符合要求；③壳程压降为0.012MPa,

管程压降为0.022MPa,均小于进口压强的20%,符合要求。④总传热系数(含污垢热阻)

为732.8W/(m2.K),在经验范围之内，并且基于传热膜系数、污垢热阻和固壁热阻得到，符

合要求。参考GB/T28712.2-2012选择标准型号换热器，E0304换热器的型号为：BEM700-

3.3/0.44-98.7-3/19-23

3.5换热器详细尺寸

ViewsonarrowA

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3309locates.

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