《苯酚生产中的换热器设备设计案例综述》5300字

苯酚生产中的换热器设备设计案例综述目录TOC\o"1-2"\h\u16240苯酚生产中的换热器设备设计案例综述 1169631.1概述 1264531.2选型依据 2221201.2.1选型原则 2311081.2.2换热器类型 3239701.2.3换热管规格选择 4116851.2.4换热面积 6231601.2.5折流板 619441.3流股条件 617571.4计算传热面积 6206901.5换热管选取 7185761.5.1换热管规格及流速选定 765761.5.2管程流通截面积 745301.5.3单程管数 7271941.5.4管程数 8222511.5.5换热管排列方式 8179651.6再沸器壳体内径计算 9204351.7再沸器进口管径选取 916171.8直流板的选取 970291.9总传热系数校核 1122873则选定K值为 11概述两个或多个温度不同的物体温度趋向于相同温度的装置叫做换热器。换热器的本质是把热量相对较高的物体温度转移到温度较低的物体身上。换热器是作为不同温度物体之间的桥梁。换热器是日常生活中都会接触到的事物，在各个领域中占有重要地位。随着不可再生资源的消耗，不可再生资源的价格上涨，是人们意识到了资源利用率的重要性。换热器是节能技术的关键，正因如此更高效的换热器的开发显得越来越重要。换热器的使用普遍性，适用范围广，换热效率微小的提升就会节约大量的能源。换热器在工业中的主要作用是回收生产中的热量，进行下一能级的加热，或者进行发电。因为金属材料优秀的导热性能，换热器的主材料多由金属构成。中低高压和特种散热器的工作条件不同，构成材料也不同。目前非金属换热器也用在一些特种工作环境中。选型依据表5-1换热器选型依据名称标准号《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》JB/T4716-92《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》JB/T4714-92《管壳式换热器》GB151-1999《固定管板式换热器型式与基本参数》JB/T4715-92《U形管式换热器型式与基本参数》JB/T4717—92《管壳式换热器用缠绕垫片》JB/T4719—92选型原则在换热器的实际选型上，需要综合考虑各种因素，如：物料的压力、温度等因素，还有允许的物料压力下降范围、设备的清洗便捷性、制造成本和使用寿命等。不同的工艺条件和操作条件，根据实际的机械设计需求，因地制宜，选择最适合的换热器类型，就能有效降低能耗。对于专业的工程技术从业人员，换热器类型的合理选择应当得到足够的重视，综合考虑经济因素和成本因素，再三分析，得出实际条件下的最佳、最合理的设计方案。实际选型过程，要符合一下几个要求：（1）在工艺和操作上首先要保证的是设计出来的换热器和工艺要求上一致，质量必须达标，并且操作稳定。还需配备阀门和计量相关的仪表，并能对实时变化的流体的流量、压力、温度等参数做出反应，以控制换热器处于稳定状态。其次，当换热器发生故障时，还需及时检修。（2）在经济上达到设计要求后，还需考虑一定的经济因素。比如结构件安装简单，材料获取途径丰富、成本低廉实惠等。同时，尽量做到节能环保，充分利用已有的资源，比如利用废热等。（3）在安全上考虑极端的生产状况，若生产流程或操作不当引起的爆炸、毒害气体时，要及时采取安全措施。例如在设备的材料强度验算上，除了规定一定的安全系数外，还需考虑因故障导致的压力极端变化造成的超高压或者真空，因此，还需加装安全阀来应对这种情况。换热器类型换热器类型多，根据传热方式的不同，主要有三种类型：壁间型、蓄热型以及混合型。其中，间壁型换热器又有板式、夹套式和管式之分。壳管式换热器的可靠性很高，适应性相比其他类型的换热器广，已经在工业领域得到广分应用。虽然近几年换热器的种类日新月异，技术也有较大的突破，但是管壳式换热器仍然处于主导地位。（1）管壳式换热器管壳式换热器主要由换热管、封头、挡板、壳体和管板组成。其中，不锈钢、铜或普通碳钢这些材料在工业上被广泛地运用到换热器的材料上。管程的流体一般从封头连接管进入，充分换热后，从另一头流出；而壳程流体从壳程直接进入接管，充分换热后流出。壳管式换热器兼具适应性强、取材广泛、加工能力大、成本低廉以及制造简单的特点，它的设计工艺相对完善，运行的可靠性也优于其他换热器。壳管式最关键的部件是换热管束，安装在换热器壳体内部，它的两端分别于管板两端固定在一起，具有结构性强、可选范围较广的结构材料、单位传热面积大的特点，但是，相比于其它换热器，壳管式的传热效率比较低。壳管式换热器细分之下，又有固定管板式，填料箱式，浮头式以及U形管这四种之分。要想选择合适的换热器，应当充分考虑流体的各种理化性质：流速，温度，腐蚀性、压降范围、操作温度等因素。但若从经济层面考虑，在允许的工艺条件下，固定管板式是优于其它类型的。（2）固定管板式换热器这类型的换热器结构简单，造型紧凑，成本低廉。由于结构限制，换热管的外侧的清洗方式比较特殊，不能直接进行机械清洗。内部的管束固定在管板端面，再将管板焊接到换热器外壳的两侧端面，而顶盖与顶部板相连接。流体流经顶盖和外壳，都配有出入口。与管束垂直的一系列挡板被安置在管外，管束、管板和外壳三者之间的连接是刚性连接，因此，管的内部和外部是两种温度不同的流体。当两侧温差足够大时，会产生可观的热膨胀差，从而形成较大的热应力，导致管束弯曲甚至扭曲，从而损坏换热器。对于上述情况，必须予以消除。解决办法是合理地利用温差补偿装置，尽量减小温度差的影响。通常情况，管壁和外壳之间的温差在50℃以内不会产生危害，若超出50℃，就必须使用温差补偿装置。若外壳的压力大于0.6MP，装置的补偿环可能会特别厚，导致扩张或收缩困难。（3）浮头式换热器当管板的一端固定，而另一端能自由膨胀或收缩的换热器，称之为浮头式换热器。它的管束能直接被拉出，从而方便清洁，并且，由于两侧温差存在，浮头能自由膨胀，温差应力大大减小，结构不容易损坏。但是，它的结构比较复杂，生产制造成本也相对较高。（4）填料函热交换器和浮头式类似，它的一端也能自由膨胀，但结构没有浮头式复杂，相应的成本也比浮头式的成本低廉。但是，壳程的流体存在泄漏的可能，这导致它的使用压力和使用温度受到限制。（5）U型管式换热器U型式的管束两端固定在同一块板，但中间段能自由膨胀收缩。它的管程至少是二，由于自由段较长，管束能直接拉出清洗。但是内壁不容易清洗到，容易凝结水垢。具有结构简单重量轻的特点，比较适合工作在高温高压的条件。换热管规格选择（1）管子的规格总的来说，换热管的直径越小，换热器的结构越紧凑，相应的价格也越便宜。而换热管的直径和换热器的压降参数之间是负相关的。为了满足压降的合适范围，通常使用外径为19mm的换热管。当流经的流体容易结构，为了方便清洗，应当使用25mm外径的换热管。由于外径大，壁厚也会增加，能承受更大的压力。相应的，小管径的换热管的管壁较薄，更有利于热量交换。因此，应合理选择换热管径（2）换热管的外形换热管的外形主要有光滑管和螺纹管之分。一般采用光滑管。若壳程膜系数较低，采取惯常的措施影响不大时，可以试试螺纹管。由于螺纹管具有较大的表面积，因此传热效果优于光滑管。（3）管子的排列方式壳径相同时，正三角形的排列方式的容积率最大，能排布更多的换热管，从而单位传热面积，消耗金属的质量较低。当流体不易结垢或者能方便进行化学清洗的情况下，优先采用正三角形排列。若需要较频繁机械清洗，则应当采用正方形排列。（4）管长管长的选取，主要从管子的基础标准以及清洗难度来考虑。同时，按照我国的标准钢管长6m，一般能取9m，6m，3m，2m，1.5m五种规格。（5）管间距的确定管间距是指相邻两根管子中心的距离。当管间距较小时，有利于提高传热系数，导致设备的结构更为紧凑。常见的管间距取值见下表：表5-2常用的d0与t的对比关系换热管外径do/mm1014192532384557换热管中心距t/mm1419253240485772（6）管程数的确定当换热器核算的换热面积较大时，且管长有限，这时需要布置更多的换热管来满足换热面积。考虑到管中流体的流速，则管束被分割成多个区域。管程数在管壳式换热器的标准一般取1,2,4和6。管程数有如下公式计算：式中，L总——换热管的总长度，m；L——单程换热管长度，m。（7）壳程数的确定若温差校正系数ϕ∆t小于0.8时，应该优先采用多程壳程。安装互相平行的挡板能实现壳侧数量，那么，流体通过管的次数就称为壳程数。但从安装和维护方面考虑，它不适用于壳侧隔板。一般用使用几个换热器串联的方式来解决这个问题。换热面积当换热面积较大时，为避免流经压力过大，影响传热系数，一般能采用多个换热器并联的方式来分摊换热面积。折流板安装挡板时，能增加壳侧流体的流速，同时也能增加湍流的程度，用以改善壳侧对流热的传递系数。通常，两个相邻隔板间距是壳体内径的0.2到1倍。当板间距比较小，对制造和修理造成巨大的困扰，因此，应当取合适的板间距。其次，当板间距过大时，难以对流经的流体加以管束，这会导致对流热传递系数垂直流动。以上可以看出，挡板的设置对管外的供热系数有着增幅的作用。综上所述，必须按照实际情况，参考设计手册，合理选择最合适的参数。流股条件本次再沸器的热流股为T0201塔的塔底液相出料，塔底馏出流率F馏出=207.868kg/h，质量再沸比R=2.815，再沸器的进口质量流率F液=793.016kg/h，出口包含585.148kg/h的回流汽和207.868kg/h塔底馏出物的。再沸器的进口热流股压力规定为0.14MPa，进料温度为194.127℃，热负荷为7278.270kW。出料温度也为194.127℃。热公用工程采用热介质为1.7MPa蒸汽，温度为230.000℃。计算传热面积假设总传热系数为2100.000W/(m2℃)。热公用工程的热量利用完后变为饱和液相。逆流换热，热工程走管程，冷流股走壳程，计算平均换热温差∆再沸器的热负荷为7278.270kW，计算换热面积S=计算热公用工程的用量：查得饱和水蒸气在温度230.000℃下的焓值，液体为990.120kJ/kg，气体为2804.000kJ/kg，则热蒸汽的用量为：G=换热管选取换热管规格及流速选定换热管构成了换热器的传热面，按照实际环境的流体腐蚀性、毒性、工作压力、流体对材料的脆化作用、温度等因素，选取相应的材料以能承受相应的工况。通常选取的材料有石墨、铜、合金钢以及碳钢等。管壁相同时，管径较小的换热管能承受较大的工作压力；同时，当壳径一定时，换热管径小能排列更多的换热管，因此，具有更大的单位体积的传热面积，那么，单位传热面积所消耗的金属也更少。总而言之，在外部条件允许的情况下，应优先选用直径较小的换热管。表5-3换热管的规格及排列方式换热管外径×壁厚排列形式mm管心距mm碳素钢，低合金钢mm不锈耐酸钢mm25×2.525×2正三角形3219×219×225在此，选用Ø19×2的碳钢管，采用无缝焊接工艺。管程内的流体流速选用ω2=25.000m/s。管程流通截面积由以上计算结果可以算出管程所需流通截面:At=式中：At——表示管程流通面积；G——表示蒸汽量；ρ汽——表示蒸汽的密度；ω2——表示管程内水流速。单程管数根据传热管的内径和管程所需流通截面积，求单程管数：n=4式中：At——表示管程所需流通面积；di——表示传热管的内径。管程数按单程管计算，所需换热管长度：L=Sπ按单管程计算，传热管过长,宜采用多管程结构。工程上常用的有：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，现取管束长度为：l=9.000m。换热管程数为：24.914则传热管总根数为nt则换热器的传热面积为：S换热管排列方式下图是换热管常见的四种排列方式。当管程数较多时，可以考虑采用组合排列的方式。图5-1管子的排列方式本次设计的换热器的管程数为3，根据图5-1选取正三角形排列为换热管的排列方式。表5-4换热管中心距换热管外径19202225303235s25262832384044l38404244505256选取管中心距s=25mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距lE=38mm。再沸器壳体内径计算壳体内径可以用下述公式粗估：当管子按正三角形排列时，可以按上述公式计算：DD式中：Ds——表示壳体内径；nt——表示传热管根数；s——表示管中心距；η——管板利用效率，一般取0.6-0.8，本设计取0.8。计算得到的内径应圆整到标准尺寸，按照钢制压力容器标准可确定：壳体内径=500.00mm。再沸器进口管径选取确定连接管直径的基本公式仍可用连续性方程，经简化可以用以下公式：d2将结果圆整到最接近的标准管径，取Ø131mm×3。直流板的选取折流板除了改变流体流动外，还具有支撑管束、防止管束发生振动和弯曲的作用。在安装上，它没有安装纵向隔板那么困难，并且，安装后，可以令流体横穿流过管束，因此在换热器上得到广泛应用。常见的折流板有盘环形折流板和弓形折流板两大类，。在弓形折流板中，具有结构简单的特点，流体流动的死角较小，因而使用场景最为广泛。相对的，盘环形的结构比较复杂，而且不容易清洗干净