压力容器设备基础知识(换热器塔设备)

设备基础知识换热器塔设备 传热原理 间壁式 混合式 蓄热式 列管式 板式 翅片式 换热器的类型 套管式 固定管板式 浮头式 U型管式 一 套管式换热器套管式换热器是由大小不同的直管制成的同心套管 并由U型弯头连接而成 每一段套管称为一程 优点 构造较简单 能耐高压 传热面积可根据需要增减 应用方便 缺点 管间接头多 易泄露 占地较大 单位传热面消耗的金属量大 因此它较适用于流量不大 所需传热面积不多而要求压强较高的场合 二 列管式换热器优点 单位体积所具有的传热面积大 结构紧凑 传热效果好 能用多种材料制造 故适用性较强 操作弹性较大 尤其在高温 高压和大型装置中多采用列管式换热器 在列管式换热器中 若两流体的温差较大 就可能由于热应力而引起设备变形 管子弯曲 甚至破裂或从管板上松脱 因此 当两流体的温差超过50 时 就应采用热补偿的措施 1 固定管板式特点 两端管板和壳体制成一体 具有结构简单和成本低的优点 但是壳程清洗和检修困难 要求壳程流体必须是洁净而不易结垢的物料 当两流体的温差较大时 应考虑热补偿 但不宜应用两流体温差过大 应不大于70 和壳程流体压强过高的场合 具有补偿圈的固定管板式换热器1一挡板2 补偿圈3 放气嘴 图4 45浮头式换热器1一管程隔板2一壳程隔板3一浮头 2 浮头式换热器特点 有一端管板不与外壳连为一体 可以沿轴向自由浮动 这种结构不但完全消除了热应力的影响 且由于固定端的管板以法兰与壳体连接 整个管束可以从壳体中抽出 因此便于清洗和检修 故浮头式换热器应用较为普遍 但它的结构比较复杂 造价较高 3 U型管式换热器特点 每根管子都弯成U型 进出口分别安装在同一管板的两侧 封头用隔板分成两室 每根管子可以自由伸缩 这种换热器结构比浮头式简单 重量轻 但管程不易清洗 只适用于洁净而不易结垢的流体 如高压气体的换热 图4 44U型管换热器1一U型管2一壳程隔板3一管程隔板 4 饱和蒸汽宜走壳程 因为饱和蒸汽比较清净 对流传热系数与流速无关且冷凝液易排出 5 被冷却的液体宜走壳程 便于散热 6 若两流体温差较大 对于刚性结构的换热器 宜将对流传热系数大的流体通入壳程 可减少热应力 7 流量小而粘度大的液体一般宜走壳程 因在壳程Re 100即可达到湍流 但这不是绝对 如流动阻力损失允许 将这种流体通入管内并采用多管程结构 反而能得到更多的对流传热系数 三 翅片式换热器1 翅片管换热器翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成 翅片与管表面的连接应紧密无间 否则连接处的接触热阻很大 影响传热效果 常用的连接方法有热套 镶钳 张力缠绕和焊接等方法 此外 翅片管也可采用整体轧制 整体铸造或机械加工等方法制造 当两种流体的对流传热系数相差较大时 在传热系数较小的一侧加翅片可以强化传热 图4 49翅片式换热器 a 翅片式换热器 b 翅片管断面 图4 50常见的翅片形式 板翅式换热器板翅式换热器是一种更为高效 紧凑 轻巧的换热器 板翅式换热器的结构是在两块平行的薄金属板之间 加入波纹状或其它形状的金属翅片 将两侧面封死 即成为一个换热基本元件 将各基本元件进行不同的叠积和适当的排列 并用钎焊固定 即可制成并流 逆流或错流的板束 或称芯部 然后再将带由流体进出口的接管的集流箱焊在板束上 即成为板翅式换热器 目前常用的翅片形式有光直型翅片 锯齿型翅片和多孔型翅片三种 图4 51板翅式换热器的板束 图4 52板翅式换热器的翅片形式 a 光直翅片 b 锯齿翅片 c 多孔翅片 板翅式换热器的优点 结构紧密 轻巧 导热系数高 而且在零度以下操作时 其延性和抗拉强度都很高 适用于低温和超低温的场合 故操作范围广 可在 200 至绝对零度范围内使用 同时因翅片对隔板有支撑作用 板翅式换热器允许操作压强也比较高 可达5MPa 铝合金制造 故重量轻 在相同的传热面下 其重量约为列管式的十分之一 由于翅片促进了流体的湍动并破坏了热边界层的发展 故其传热系数较高 缺点 设备流道很小 易堵塞 且清洗和检修困难 故所处理的物料应较洁净或预先净制 另外由于隔板的翅片均由薄铝板制称成 故要求介质对铝不腐蚀 制造成本较高 塔设备板式塔为逐级接触式气液传质设备 它主要由圆柱形壳体 塔板 溢流堰 降液管及受液盘等部件构成 塔板主要有泡罩塔板 筛孔塔板 浮阀塔 舌型塔板 斜孔塔板 泡罩塔板泡罩塔板是工业上应用最早的塔板 其结构主要由升气管及泡罩构成 泡罩的下部周边开有很多齿缝 齿缝一般为三角形 矩形或梯形 泡罩在塔板上为正三角形排列 操作时 液体横向流过塔板 靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层 齿缝浸没于液层之中而形成液封 升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿 以防止液体从中漏下 上升气体通过齿缝进入液层时 被分散成许多细小的气泡或流股 在板上形成鼓泡层 为气液两相的传热和传质提供大量的界面 泡罩塔板的结构 泡罩塔板的优点及缺点泡罩塔板的优点是操作弹性较大 塔板不易堵塞 缺点是结构复杂 造价高 板上液层厚 塔板压降大 生产能力及板效率较低 泡罩塔板已逐渐被筛板 浮阀塔板所取代 在新建塔设备中已很少采用 筛孔塔板筛孔塔板简称筛板 塔板上开有许多均匀的小孔 孔径一般为3 8mm 筛孔在塔板上为正三角形排列 塔板上设置溢流堰 使板上能保持一定厚度的液层 操作时 气体经筛孔分散成小股气流 鼓泡通过液层 气液间密切接触而进行传热和传质 在正常的操作条件下 通过筛孔上升的气流 应能阻止液体经筛孔向下泄漏 筛孔塔板结构 筛孔塔板优点及缺点筛板的优点是结构简单 造价低 板上液面落差小 气体压降低 生产能力大 传质效率高 其缺点是筛孔易堵塞 不宜处理易结焦 粘度大的物料 浮阀塔板浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点 应用广泛 浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔 每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片 阀片本身连有几个阀腿 插入阀孔后将阀腿底脚拨转90 以限制阀片升起的最大高度 并防止阀片被气体吹走 阀片周边冲出几个略向下弯的定距片 当气速很低时 由于定距片的作用 阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上 在一定程度上可防止阀片与板面的粘结 操作时 由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层 增加了气液接触时间 浮阀开度随气体负荷而变 浮阀塔板的结构 浮阀塔板优点及缺点浮阀塔板的优点是结构简单 造价低 生产能力大 操作弹性大 塔板效率较高 其缺点是处理易结焦 高粘度的物料时 阀片易与塔板粘结 在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象 使塔板效率和操作弹性下降 浮阀塔板的工作原理 舌型塔板舌型塔板塔板上冲出许多舌孔 方向朝塔板液体流出口一侧张开 舌片与板面成一定的角度 有18 20 25 三种 一般为20 舌孔按正三角形排列 塔板的液体流出口一侧不设溢流堰 只保留降液管 降液管截面积要比一般塔板设计得大些 操作时 上升的气流沿舌片喷出 其喷出速度可达20 30m s 当液体流过每排舌孔时 即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫 被斜向喷射到液层上方 喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中 流到下一层塔板 舌型塔板 舌型塔板优点及缺点舌型塔板的优点是 生产能力大 塔板压降低 传质效率较高 缺点是 操作弹性较小 气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板 从而降低塔板效率 浮舌塔板如与舌型塔板相比 浮舌塔板的特点是其舌片可上下浮动 因此 浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点 具有处理能力大 压降低 操作弹性大等优点 特别适宜于热敏性物系的减压分离过程 斜孔塔板斜孔塔板在板上开有斜孔 孔口向上与板面成一定角度 斜孔的开口方向与液流方向垂直 同一排孔的孔口方向一致 相邻两排开孔方向相反 使相邻两排孔的气体向相反的方向喷出 这样 气流不会对喷 既可得到水平方向较大的气速 又阻止了液沫夹带 使板面上液层低而均匀 气体和液体不断分散和聚集 其表面不断更新 气液接触良好 传质效率提高 斜孔塔板优点及缺点斜孔塔板克服了筛孔塔板 浮阀塔板和舌型塔板的某些缺点 斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30 左右 效率与之相当 且结构简单 加工制造方便 是一种性能优良的塔板 斜孔塔板 填料塔填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备 液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上 气体从塔底经气体分布装置分布后 与液体呈逆流连续通过填料层的空隙 在填料表面上 气液两相密切接触进行传质 当液体沿填料层向下流动时 有逐渐向塔壁集中的趋势 壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均 从而使传质效率下降 因此 当填料层较高时 需要进行分段 中间设置再分布装置 液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分 填料塔填料塔的塔身是一直立式圆筒 底部装有填料支承板 填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上 填料的上方安装填料压板 以防被上升气流吹动 填料1 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体 一般以随机的方式堆积在塔内 又称为乱堆填料或颗粒填料 散装填料根据结构特点不同 又可分为环形填料 鞍形填料 环鞍形填料及球形填料等 现介绍几种较为典型的散装填料 2 规整填料是按一定的几