E101换热器设计.docx
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E101换热器设计
E101换热器设计
1.1换热器类型
换热器选型时需要考虑的因素很多,主要是流体的性质;压力、温度及允许压力降得围;对清洗、维修的要求;材料价格;使用寿命等。
换热器种类很多,按热量交换原理和方式,可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。
间壁式换热器有夹套式、管式和板式换热器。
管壳式换热器又称列管式换热器,该类换热器具有可靠性高、适应性广等优点,在各工业领域中得到最广泛的应用。
近年来,尽管受到了其他新型换热器的挑战,但反过来也促进其自身的发展。
在换热器向高参数、大型化发展的今天,管壳式换热器仍占主导地位。
列管式换热器可根据其结构特点,分为固定管板式、浮头式、U形管式、填料函式和釜式重沸器五类。
各类换热器特性如下表。
表1管壳式换热器特性
分类
名称
特性
相对费用
耗用金属kg/m³
管壳式换热器
固定管板式
使用广泛;壳程不易清洗,管壳两物料温差大于60℃时应设膨胀节,最大使用温差不应大于60℃
1.0
30
浮头式
壳程易清洗;管壳两物料温差可大于120℃;垫片易渗漏
1.22
46
调料函式
优缺点同浮头式;造价高,不宜制造大直径设备
1.28
U形管式
制造安装方便,造价较低;管程耐高压;结构不紧凑,管子不易更换,不易机械清洗
1.01
列管换热器中常用的是固定管板式和浮头式两种。
一般要根据物流的性质、流量、腐蚀性、允许压降、操作温度与压力、结垢情况和检修清洗等要素决定选用列管换热器的型式。
从经济角度看,只要工艺条件允许,应该优先选用固定管板式换热器。
但遇到以下两种情况时,应选用浮头式换热器。
壳壁与管壁的温差超过70℃;壁温相差50~70℃。
而壳程流体压力大于0.6MPa时,不宜采用有波形膨胀节的固定管板式换热器。
壳程流体易结垢或腐蚀性强时不能采用固定管板式换热器。
综合考虑本次设计任务及制造、经济等个方面,本次设计主要采用浮头式和固定管板式换热器。
根据工艺条件,热蒸汽使用125℃(5bar)和175℃(7.0bar)的饱和蒸汽,作为热公用工程。
同时,选择温度为20℃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20℃,低温端的温差不应小于5℃。
当在两工艺物流之间进行换热时,低温端的温差不应小于20℃。
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。
此外,部分物流温度要控制在5℃左右,选用氨作为制冷剂。
对于高温物流一般走管程,从而节省保温层和减少壳体厚度,但是有时为了物料的散热,增强冷却效果,也可以使高温流体走壳程;对于压力较高的物流应该走管程;粘度较大的流体应该走壳程,在壳程可以得到较高的传热系数;对于压力降有特定要求的工艺物流应走管程,因管程的传热系数和压降计算误差较小;流量较小的物流应走壳程,易使物流形成湍流状态,从而增加传热系数;对于具有腐蚀性的物流走管程,否则对壳程和管程都会造成腐蚀;对于有毒流体宜走管程,使泄漏机会减少。
1.2换热管规格
一般换热管有表6-34中几种规格提供参考。
表2换热管规格表
材料
换热管标准
管子规格/mm
外径
壁厚
碳钢
低合金钢
不锈钢
GB/T8163
GB9948
≥14~30
2~2.5
>30~50
2.5~3
57
3.5
GB13296
≥14~30
>1.0~2.0
GB9948
GB/T14976
>30~50
>2.0~3.0
57
铝
铝合金
GB/T6893
≤34
2.0~3.5
36~50
>50~55
铜
GB/T1527
10
1.0~3.0
11~18
19~30
铜合金
GB/T8890
10~12
1.0~3.0
>12~18
>18~25
>25~28
钛
钛合金
GB/T3625
10~30
0.5~2.5
>30~40
>40~50
在选择管道规格时,通常选用Φ19mm的管子;对于易结垢的物料,为方便清洗,采用外径Φ25mm或Φ38mm的管子;对于有气液两相流的工艺物流或者物流流量较大工艺物流,一般选用较大的管径。
2)管长
在满足设计要求的前提下,尽量选用较短的管子,以降低压降。
3)管程数
随着管程数增加,管流速和传热系数均相应的增加,因此一般选在1~2或者4管程,不宜选用太高的管程数,以免压力降过大。
4)换热管中心距
管心距为管径的1.25~1.5倍,常用换热管中心距一般按照表6-35选取。
表3换热管中心距/mm
换热管外径
19
25
32
38
换热管中心距
25
32
40
48
分程隔板槽两侧相邻管中心距
38
44
52
60
5)排列方式
正三角形排列更为紧凑,管外流体的湍动程度高,给热系数大,而正方形排列的管束清洗方便,对易结垢流体更为适用,如将管束旋转45℃放置,也可提高给热系数。
6)折流板
折流板可以改变壳程流体的方向,使其垂直于管束流动,获得较好的传热效果。
表4折流板间距/mm
公称直径
管长
折流板间距
≤500
≤3000
100
200
300
450
600
—
4500-6000
—
600-800
1500-6000
150
200
300
450
600
—
900-1300
≤6000
—
200
300
450
600
—
7500,9000
—
750
1400-1600
6000
—
—
300
450
600
750
7500,9000
—
1700-1800
6000-9000
—
—
—
450
600
750
依据表6-36中的数据,可以确定折流板数目。
对于DN500mm,选择一对;对于DN500~1000mm,选择两对;对于DN>1000mm,选择三对以上。
7)裕量
对于工艺物流间的换热,留有40%−50%的裕量;对于工艺物流与公用工程间的换热,留有15%−25%的裕量。
2.1换热器的选型计算
2.1.1设计条件的确定
表1操作参数
操作条件
参数
管程
壳程
介质
热物料
冷物料
物流名称
脱丙烷塔冷凝液
预热器E0101
质量流量/(kg/h)
675000
675000
进口温度/℃
62
-42
出口温度/℃
-10
-10
进口压力/MPa
0.13
2.1
出口压力/MPa
0.01
2.0
2.1.2确定主要物性数据
壳程的定性温度为:
管程的定性温度为
流体有关物性数据
1)壳程凝液在定性温度t下的物性数据:
热导率:
粘度:
比热:
密度:
2)管程流体在定性温度T下的物性数据:
热导率:
粘度:
比热:
密度:
2.2工艺过程计
1)热流量Q
由公式可以确定此换热器所通过的热流量为
2)计算平均传热温差
其中:
3)换热面积的计算
其中:
——壳程流体的热导率,
;
——当量直径,
;
——管外流动雷诺数;
——流体在定性温度下的普朗特数;
——流体在定性温度下的粘度,
;
——流体在壁温下的粘度,
。
由上式可求得
得出了换热面积为216.8m2。
根据以上进出口温度参数及平均传热温差,选择浮头是换热器。
参阅相关化工与石油化工单元设备标准JBT4715-92《固定管板式式换热器型式与基本参数》,初步选定换热器换热面积为216.8m2,其中公称直径DN=1000mm,传热管规格为Φ25x2mm,传热管总长L=4500mm,传热管排管数NT为1267根,中心排管数为39,折流板间距为450mm,换热器长为7.37m。
4)传热管排列方式及管心距
传热管按正三角形排列,如图所示。
根据Φ25
2mm的传热管规格,取常用的管心距t为31.25mm。
图1传热管正三角形排列方式
5)壳体径
换热器壳体径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。
选用标准换热器,忽略壳体壁厚,其壳体径约为D=1000mm,采用无缝钢管制作筒体。
6)折流板
采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体径的30%,切去的圆缺高度为:
取折流板间距为:
折流板数
为:
折流板块数为9
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