换热器的设计说明书.docx
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换热器的设计说明书
换热器的设计
1.1换热器概述换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备,在生产中占有重要地位。
换热器种类很多,但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即:
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中,间壁式换热器应用最多。
换热器随着换热目的的不同,具体可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器,再沸器和热交换器等。
由于使用条件的不同,换热设备又有各种各样的形式和结构。
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设备结构、材料、尺寸、重量;
6价格、使用安全性和寿命;按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热器。
其中,管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、适应高温高压等优点,应用最为广泛。
管型换热器主要有以下几种形式:
(1)固定管板式换热器:
当冷热流体温差不大时,可采用固定管板的结构型式,这种换热器的特点是结构简单,制造成本低。
但由于壳程不易清洗或检修,管外物料应是比较清洁、不易结垢的。
对于温差较大而壳体承受压力较低时,可在壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力。
(2)浮头式换热器:
两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接,称为固定端。
另一端管板不与壳体连接而可相对滑动,称为浮头端。
因此,管束的热膨胀不受壳体的约束,检修和清洗时只要将整个管束抽出即可。
适用于冷热流体温差较大,壳程介质腐蚀性强、易结垢的情况。
(3)U形管式换热器换:
热效率高,传热面积大。
结构较浮头简单,但是管程不易清洗,且每根管流程不同,不均匀
表1-1换热器特点一览表
分
类
名称
特性
固定
冈『性结构用于管壳温差较小的情况(一般W50。
C),管间不能
管板
清洗
管
式
带膨胀节:
有一定的温度补偿能力,壳程只能承受较低的压力
壳
浮头
管内外均能承受高压,壳层易清洗,管壳两物料温差>120C;
式
式
内垫片易渗漏
U型管
制造、安装方便,造价较低,管程耐压高;但结构不糸凑、
管
式
管子不易更换和不易机械清洗
式
填料
函式
内填料函:
密封性能差,只能用于压差较小场合
外填料函:
管间容易泄露,不易处理易挥发、易爆易燃及压
力较咼场合
釜式
壳体上都有个烝发空间,用于烝汽与液相分离
套
管
式
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
能逆流操作,用于传热面积较小的冷却器、冷凝器及预热器
板
式
板式
拆洗方便,传热面能调整,主要用于粘性加大的液体间换热
螺旋板板
制造简单,紧凑,可用于带颗粒物料,温位利用好;不易检修
伞板式
制造简单、紧凑、成本低、易清洗,使用压力不大于1.2Mpa,
使用温度不大于150C
板壳式
板数类似管束,可抽出清洗检查,压力不能太高
蓄
执
八、、
式
回旋式
盘式
传热效率咼,用于咼温烟气冷却等
鼓式
用于空气预热器等
固疋格至式
紧凑
式
适用于低温到咼温的各种条件
非紧
凑式
适用于咼温及腐蚀性气体场合
表面
扩展
式
板翅式
紧凑、效率高。
可多股物流同时换热,使用温度不大于150C,主要
用于粘性加大的液体间换热
管翅式
咼效而紧凑,换热面积大,传热效果好
在过程工业中,由于管壳式换热器具有制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方
便,适应性强,处理量大,工作可靠,且能适应高温高压等众多优点,管壳式换热器被使用
最多。
工业中使用的换热器超过90躺E是管壳式换热器,在工业过程热量传递中是应用
最为广泛的一种换热器。
结合上述优点和本工艺的特点,本工艺的换热器主要选用管壳式换
热器。
1.2管壳式换热器的选用
1.2.1结构参数的确定
⑴管径
管径越小换热器越紧凑、便宜,但压力降会增加。
为了满足允许的压降,一般选用
19mr的管子;对于物流流量较大的,采用25mm以上的管子。
⑵管长
无相变传热时,管子长则换热系数增加,对于相同的换热面积,管子长则管程数减
小,使得压力降减小,每平方米传热面积比降低。
我国生产的标准钢管长度为6m故系列标
准中管长有1.5m,2m,3m,6m和9m五种。
因此,一般管长取4-6m,对大面积,无相变换热器管长可取至8?
9m
⑶管子配布
换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和转角正三角形、转角
正方形。
正三角形排列形式最为普遍,由于管距都相等,可以在同样的管板面积上排列最
多的管数。
但因管外不易清洗,其适用场合受到限制,主要适用于壳程介质污垢少,且不需
要进行机械清洗的场合。
而采用正方形和转角正方形排列的管束,能够使管间小桥形成一条
直线通道,便于管外机械清洗。
⑷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。
故一般选用范围
为1.25?
1.5d(d为管外径)。
表1-2换热管管心距
换热管外径/mm
19
25
32
38
换热管中心距/mm
25
32
40
48
分程隔板槽两侧相邻管中心距/mm
38
44
52
60
⑸管程数
管程数增加,管内流速增加,传热系数增加。
管程数一般有1、2、4、&8、
10、12等七种。
但管程数不能分得太多,以免压力降过大,且隔板要占用相当大
的布管面积。
⑹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,提高流速,从而增加流体流动的湍流程度,获得较好的传热效果。
折流板型式可分为圆缺形(弓形)折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。
表1-3折流板间距常用数值
管长(mm)
折流板间距(mm)
<3000
100
200
300
450
600
4500?
6000
1500?
6000
150
200
300
450
600
<6000
200
300
450
600
7500,9000
750
6000
300
450
600
750
7500,9000
6000?
9000
450
600
750
1.3换热器详细设计
本工艺共有41台换热设备(换热器、再沸器、冷凝器、预热器),这里我们以浮头式
换热器(E0602)详细设计为例。
热物流经该换热器换热温度降至目标温度,冷却物流为循
环冷却水。
由Aspen软件得到冷热工艺物流数据:
表1-4工艺操作参数
操作参数
参数
壳程
管程
介质
循环冷却水
甲苯回收塔塔底去一级结晶
质量流量(Kg/h)
343740.0
84194.9
入口温度(C)
20.00
138.00
出口温度(C)
30.00
34.00
入口压力(bar)
3.00
2.87
出口压力(bar)
2.87
2.7413
初步选择换热器的形式后,根据任务要求利用AspenExchangerDesign&
RatingV7.2进行模拟计算,模拟出来的换热器工艺参数如图1-1所示:
1
Cornog-
2
_ocalion
3
SeivireofUnit:
OurReferenee:
4
1ternNOJ丫ourReferencei
5
Da RBVNQ-JobNa.: G Size750-5950mmTypeBETHoiConnectedin1parallel1swifts 7 SuHg曲]1736nPShels/unit15urF/shel(eff.)1736 0 PERFORMANCEOFONEUNll 9 zluidAlocation ShelSide TubeSidle HJ zluidFWfts : 令却冰 甲苯塔据底去一级皓晶 11 zluidquantityATotal 95.4E 533 23.3693 V4PO4(In/Out) 0 0 0 0 13 Liqud 95.4335 35.4535 213693 Z3L3E93 14 Moncondsnsable 0 0 0 0 15 1R TempefJture(In/Out) 20 30 134 30 17 Dew/Bubblepoint 18 VapoiAiquidkg/mi? /saa.st /389.22 f759.9 /857.77 1J Vi$CA$A /1.0214 /eise /.2272 /.574S 20 Moteoiarwt.Vap 丨 MolecJarvjt,NC 22 Spedficheat /4.S39 /4.832 /2.12 /1.E81 TheimalconductiviA /.5991 /.6132 /.1042 /■伽 24 atentheat 巧 Piessne(ab$) 3 272566 2.07 258C26 26 Velocitym/s 5 1.35 77 PrKSWdrop,alloA./calc .527414 4 .28374 28 zouingresist,[min] .00017 .0001? .00022Acbased 严 Healexchanged46147MTDcotrected3497 30 Transferrate.Service760.1Dirtv7G7.3Clean10976 筍 CONSTRUCTIONOFONESHELLSketch 32 She! Side FiteSide tfr JJ Dejign/vAc/testpressureg 4/ 4/i 34 Designtemperature E5 170 35 Numberpassespershell 1 4 霑1 匚onsionjllowanee A18 118 37' Comimections nmm 1304.3/ 11524/ JU: Size/iAUng Oul 1254/ l1S24/ 39 Nominal nteriwiJAte f / 4U' TubeNo.514OD19TksAvg2mmLength5850mmPitch25 -11- 「ubeiyptPlainMaterialCarbonSled1Tubepattern30 42: ShelCarbonSteelID750OD774 ShellcoverCarbonSteell 4J「 ChannelorbonnetCabonSttftl ChannslcoverCarbonSteel 44' 「ubesheet-AtationaryCaibcmSteel- TijbeAheet-floatingCarbonSt@el 45 : loatingheadcoverCaiitnnSteel ImpingementproteclionNone 常 B-afrlt'CtossingCarbonSte? lTypsSinglesegmentalCoi(Ad)39.15HApdcing: c/c525 47 BaffleJong-Sealtppe|Inlet46E.48 4U: Supp 4A 日ypasswalTube-tubesheetjo? nrExp. 50 Expansioinjoint? TypeNone 51 : lhcV2'ldetnozzle1714Bundteentranee8G3Bunde? Kit2394 52' Gaskets-ShellsideFJatMetalJacketFibeTubeSideFlatMetalJacketFibe FloatingheadFhtMetalJacketFibe 利「 CodelequirementsASMECadeSecVIIIDiv1TEMAclassR-refineryservice 55' WeiATShell52297Fifedwith775313Bundle2974.1 Rem#k$ 57 ba 图1-1换热器工艺参数 ⑴结构设计利用AspenExchangerDesign&RatingV7.2软件也可以对换热器进行结构 设计,模拟出来的结果如下 1换热管设计 Tubes Type Plain Totalriumber 514 Outsidediameter mm 19 Numberoftubesplugged C nsidediameter mm 15 Tubelengthactual mm 5950 Wallthickness mm 2 Tubelengtheffective mm 5650 ArearatioAoMi 127 Tubeiheetthickness mm 44.52 Pitch mm 25 Material CarbonSteel Pattern 30 Thermalconductivity 艸EK) 517845 ExternalenPiAricement Intefnalenhancement 图1-2换热管基本参数 ocrooocooAooooo<>o loe&oc_o 2>oo 00000000000I OOOOOOOOQOO oo&eoo&oeooo OOOOOOOOCOOO.000000000000 Bn*1l.b Fni「「呻 匕亠屮Ml Ml 倬 ▼jfcaBn- ran -A. ■4声戶 rw kuUJdXM ■ T*raafrf-inMr -■ft-'L-J RW ? 1.■? ”Ti Imm ~jba? rAr rvv X〕Lmrg","斑: 「八M- ? -s MM1 Mb iUM MaenEheiJ县Tqt la-■* w-””■■— TiMILta 二"仙 土左二4■二- 7011上-*arw.■: *-.CA Cilffl—fl] -*Hi.']二巳| 图1-3换热管排列方式 换热管为平滑管,外径 19mm壁厚为2mm管间距为25mm管长 5850mm换热管根数514根。 管子排列方式为正三角形排列。 2折流板和管口设计 折流板的设置主要是为了提高壳程的流速,增加扰动,改善传热。 这里选择 单弓形折流板,并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的0.15? 0.45,折流板间距 般不小于圆筒内径的1/5。 折流板的数目及厚度等基本参数见图1-4所示 Baffles Type Singlesegmenkl Dfllfiecwt-inner/outerfinterrn Tutiesinwindow Yes Actual(Zdiameler] / 39.15/ Number 10 Nominal偽darneter) / 40/ Spacing(center-center) mm 525 Actual[%area) / 36.3/ Spacingmtinlet mm 45B.43 CUIorientation H Spaoingatoutlet mm 4S6.48 Thickress mm a52 Spacingatcentralin/outforGXI 」$hell$ mirn TuterowsinIwffleoverlap 5 SpadingmtcenterofHshell mm Tuberowsinbafflewindow 11.5 Endlengtha*fronthead rpj|rr| 514 BAflehole-tubeoddiamclearanee mm .4 Endlengthatrearhead mm 611 Shelid-baffleoddiamclearanee mm 4.7S 图1-4折流板基本参数 折流板数目为6,折流板型式为单弓形,切割率为39.15%。 折流板朝向为水 平,与进出口间隔(第一块与进口或最后一块与出口端面的距离)为466.48mm 两块板间隔为525.00mm ShellSide TubeSide Nozzletype Inlet Outlet IrJet Outlet Numberofnozzles 1 1 1 1 Actualoutsidediameler mini 32395 27305 ica28 iee.28 Insidediameter 304,8 254.51 154.05 154.05 Heightundernozzle mm 11a别 45.99 图1-5管口基本参数 管程进、出口管口各有一个。 其中,管程进口管口外径为168.28mm内径 154.05mm管程出口管口外径168.28mm内径154.05mm壳程进、出口管口亦各 有一个,壳程进口管口外径为323.85mm内径304.8mm壳程出口管口外径 273.05mm内径254.51mm 3管束 Bundie ShellIDtocenter1sttuberow mm Tubepasses z Fromtop 4599 Tubep力口glayout Mixed(H) Frombottom 110.94 Tubepass□ne"tion ndard(harizontal) Fromright 71.47 UAbendorientation undefined FromLeft 71.47 Horizontalpa铀lane刊with mm 19.06 mpingementproteclion None Verticalp*sglanewidth mm iaos mpingementdistanee mm Interpas;tubealignment No mpingernenlplatediameter mm Deviationin讪女口pm舞 a56 mpingementplatewidth mmi Outerhislimit mm 619 mpingernenlplatelength mm Shelid-bundleotldiamdearanee mm 1131 mpingementplatethickness mm Tierodnumber 6 Grasssurfaceareaiperihell m? 179.5 Tieroddiar*eter mm 12.7 EffectivesurfaceareaperAhell m? 173.6 Seafing曲ips(pairs) 3 j BaretubeareapersTiel m? 1736 Tubetobubesheeljoint Exp. tinnedareaperdieN m? 0 TubeproiecticnfromfrontM mm 3 UattendAieapershell m? 0 Tubepiojeclionfromreartsht mm 3 j 图1-6管束基本参数 如图为管束信息,主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图进行详细设 hr*丁SvU --1 : >? H. SfieiBiTuoetxwarj=T 1讨 ■? jn Mm. 5Mon : ■: ! F 1 A “PT 3£FTI Zoa C 17C Sr.m*rt二yf IK=■;丁 ■=」一亠5 1 SettngiPlan EFT7£D? SESfl 「i ISOEZ HDSW人OAWZ: 11TB i 1忙F 询auc-sr ■: X.r : W J-1NI? J=rtl: " i ~: ? ■;-二疋TB~ =A*=pg「Ap-, 匸 Q g Q ■■? ? *■? ': ■尸■岩 Drar*irgN」mber dsci
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