3-2 换热器设备设计说明书

广西广维化工有限责任分公司 10万吨/年VAC项目 换热器设备设计说明书72目录1换热器设备设计说明书31.1 换热器设计依据31.2 换热器简介31.3 换热器选用原则61.3.1 基本要求61.3.2 介质流程61.3.3 终端温差71.3.4 流速71.3.5 压力降81.3.6 传热膜系数81.3.7 污垢系数81.3.8 换热管91.4 换热器型号表示方法111.5 换热器选型示例（以E0104为例）121.5.1 选型用软件一览121.5.2 设计条件确定121.5.3 换热器结构参数的确定151.5.4 换热器结构校核221.6 换热器选型示例（以E0311为例）261.6.1 选型用软件一览261.6.2 设计条件确定261.6.3 换热器结构参数的确定291.6.4 换热器结构校核321.7 换热器强度校核361.7.1 换热器机械强度校核（E0103）361.7.2 换热器机械强度校核(E0201)511.8 小结681.8.1 换热器强度计算与校核小结(E0104)681.8.2 换热器强度计算与校核小结(E0311)691.9.1 换热器工艺条件图(E0103)701.9.2 换热器工艺条件图(E0201)701.10 装配图711.10.1 换热器装配图(E0103)711.10.2 换热器装配图(E0201)721.11 换热器选型一览表72换热器设备设计说明书1.1 换热器设计依据化工设备设计全书换热器 2003-5化工工艺设计手册（第四版） 2009-6换热器设计手册 2006-9固定式压力容器安全技术监察规程 TSG 21-2016压力容器 GB 150-2011热交换器 GB/T 151-2014化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 HG 20553-2011石油化工企业钢管尺寸系列 SH/T 3405-20171.2 换热器简介 换热器是化学、石油化学及石油炼制工业中以及其他一些行业中广泛使用的热量交换设备，它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是些化工单 元操作的重要附属设备，通常在化工厂的建设中换热器投资比例为11%，在炼油中高达40%。工业生产中换热的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。按冷热物流的接触方式，换热设备可分为直接接触式、蓄热式和间壁式三类。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单、制造容易等特点，但由于在换热过程中，高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。间壁式换热器从结构上大致可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器包括蛇管、套管和列管式换热器。板式换热器主要包括板式、螺旋板式、伞板式和板壳式换热器。一般来说，板式换热器单位体积的传热面积较大(250 1500m2 /m3)，材料耗量低(15kg/m3)，传热系数大，热损失小。但承压能力较差，处理量较小，且制造加工较复杂，成本较高。而管式换热器虽然在传热性能和设备的紧凑性上不及板式换热器，但具有结构简单，加工制造容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等突出优点，广泛应用于化工生产中，特别是列管式换热器应用最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比较成熟。常见换热器特性如下表：表1-1 换热器的结构分类及特点换热器型式换热器特点管式管壳式固定管板式刚性结构：用于管壳温差较小的情况（一般50），管间不能清洗带膨胀节：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填料函式外填料函：管间容易漏泄，不宜处理易挥发，易燃易爆及压力较高的介质内填料函：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、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能用于管内流体的冷却或冷凝板式板式拆洗方便，传热面能调整，主要用于粘性较大的液体间换热螺旋式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，拆洗方便，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，压力不能太高表1-2 管壳式换热器优缺点对比种类优点缺点浮头式换热器管束可以抽出，方便清洗；介质温度不受限制；可在高温高压下工作，一般温度450，压力6.4MPa；可用于结垢比较严重的场合小浮头易发生内漏；金属材料耗量大，成本高20%；结构复杂固定管板式换热器传热面积比浮头式换热器大20%30%；旁路漏流较小；锻件使用较少，成本低20%以上;没有内漏壳体和管子壁温差一般宜小于等于50，大于50时应在壳体上设置膨胀节；管板与管头之间易产生温差应力而损坏；壳程无法清洗；管子腐蚀后造成连同壳体报废、壳体部件寿命决定于管子寿命，故设备寿命相对较低；不适用于壳程易结垢场合U型管式换热器管束可抽出来机械清洗；壳体与管壁不受温差限制,可在高温、高压下工作，一般适用温度500，压力10MPa；可用于壳程结构结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合在管子的U形出冲蚀，应控制管内流速；管程不适用于结垢较严重的场合；单管程换热器不适用；不适用于内导流筒，故死区较大填料函式换热器管束可抽出机械清洗介质间温差不受限制可用于结构比较严重的场合；可用于管程腐蚀较重的场合；金属耗量较浮头低10%左右；适用温度可达200，压力可达2.5MPa密封处易漏；不适用于有毒、易燃、易爆、易挥发及贵重介质场合双壳程换热器传热面积可减少10%30%；减少设备数量和属耗量；传热效率提高；适用于大型化装置；适用于串联台数较多；适用于高温、高压场合壳程压降约提高4倍；分程隔板与壳体密封片处易泄露；壳体直径圆度要求较高外导流筒换热器进出口压降降低90%以上；进出口处流动死区，旁路漏流减小，可提高传热有效面积7%以上；在DN3251800 范围内，可增加5%16%传热面积；总传热效率相应提高12%23%金属耗量增加10%（按相同直径比较）；制造难度加大，外导流筒处焊缝要求100%射线探伤折流杆换热器不易发生诱导振动损失；传热死区小，传热效率提高20%以上；压降小；抗垢性能良好；适用于换热器大型化，特别是核电换热应用在低雷诺数Re6000（液相）、Re06000,且crossflow0.5，说明其流体形态为湍流，符合设计要求。参考化工工艺手册（下册），得E0103型号为 BEM8001.010.82-214.1-4.519-1-1.5.4.3 详细尺寸图1-11 E0309换热器尺寸图图1-12 管板布置图1.6 换热器选型示例（以E0311为例）1.6.1 选型用软件一览表1-14 软件一览表名称用途Aspen Plus V11换热器工艺参数设计Exchanger Design and Rating换热器结构设计SW6-2011换热器机械强度设计与校核1.6.2 设计条件确定1.6.2.1 流股参数确定表1-15 流股参数一览表流股名称压力/bar温度/质量流量/kg/s气相质量分率主要组成介质管程入口39.752501.58381水蒸汽热公用工程管程出口39.752491.58380水蒸汽热公用工程壳程入口10.1119.1913.3803093.2% wt醋酸6.7% wt水塔底馏出物（工艺液体）壳程出口10.1203.0713.3803093.2% wt醋酸6.7% wt水塔底馏出物（工艺液体）1.6.2.2 管程、壳程的设计压力及设计温度该换热器的壳程工作温度为119.19203.07，管程工作温度为250249,进出口温度大于15，符合本项目最经济温差。设计温度以工作温度为依据，一般为工作温度+（1530）。这里取壳程设计温度为220，管程设计温度为270。该换热器的操作压力为壳程1.01MPa，管程3.97MPa。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1.11MPa，管程设计压力为4.37MPa。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0.1MPa（真空条件），压降不大于进口压强的40%，出口绝压大于0.1MPa，压降不大于进口压强的20%。所以在EDR里设置管程允许压降为2.02bar，壳程允许压降为7.95bar。1.6.2.3 传热系数及污垢热阻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。该换热器为冷却换热器，壳程介质为乙烯；管程介质为醋酸、乙烯、氧气。根据化工工艺设计手册（第四版）给的污垢热阻经验系数，确定本换热器壳程介质污垢热阻为8.810-5m2K/W，管程介质污垢热阻均为1.7610-4m2K/W。1.6.2.4 流体空间选择根固定管板式换热器每根管子内侧都能进行清洗；但壳侧清洗较难，不能进行机械清洗，所以宜用于不易结垢和清洁的流体；高温流体一般走管程，可以节省保温层和减少壳体厚度。所以易结垢的高温反应产物走管程。1.6.2.5 选用材质由于壳侧为水蒸气，对碳钢耐腐蚀性能优良，考虑到综合强度及经济性，壳侧选择Q345R材料，管侧走醋酸和水，换热管选用SS304L钢管。1.6.2.6换热面积的确定根据Aspen Plus全流程模拟得到该换热器大约需要换热面积39.32m2，如下图所示。图1-13 模拟所得换热面积1.6.2.7 EDR数据输入图1-14 EDR工艺数据输入界面1.6.3 换热器结构参数的确定（1）前端管箱的选择为了易于清洗污垢，我们选用B型前端管箱。（2）壳体型式的选择我们选用选用使用最广泛的壳体型式，E型壳体。（3）后端管箱的选择后端管箱采取常用的M型管箱。1.6.3.2 EDR初步设计结果图1-15 EDR初步设计结构参数根据初步设计结果，对换热器各项数据进行调整，并对调整后的换热器进行校核。1.6.3.3 换热管选择（1）管子外形管子外形选择换热面积大的翅管。（2）换热管直径对比E0311，我们综合考虑，选用192mm的耐酸钢管。（3）管子排列方式和管间距此换热器要精确控制压力降，且需要清洗管子外部,因此考虑选用正三角形的排列方式。（4）换热管计算长度通过参考EDR初步设计的结果，考虑换热器需求的压力降以及管板安装要求，我们结合GB/T28712.2-2012固定管板式热交换器上推荐的标准换热器型号，采用的管长为3000mm。（5）管程数结合EDR初步计算结果，本换热器采取双管程。1.6.3.4 壳层直径经EDR多次校核后，我们考虑了压降大小及换热面积30%50%的裕量，本换热器壳径圆整为400mm。1.6.3.5 壳程折流板形式及间距本换热器污垢热阻较大，需要提高传热系数，在保证压力降的情况下，我们选择单弓形折流板。（1）折流板间距本换热器折流板间距根据EDR初步设计结果进行调整，最终调整为400mm。（2） 折流板圆缺率本换热器的圆缺率经EDR初步设计结果进行调整，取为40%。（3） 折流板缺口方向由于本换热器壳层是液体，无相变，因此选择横缺形折流板。1.6.3.6 接管尺寸接管参考HG/T20553-2011化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列上给出的标准型号，经圆整如下图所示：图1-16 壳体接管直径圆整值图1-17 管侧接管圆整值表1-16 换热器接管尺寸及方位汇总表接管名称接管尺寸方位图壳程进口管1686见JXUST-ZPT-05壳程出口管1146见JXUST-ZPT-05管程进口管895见JXUST-ZPT-05管程出口管423见JXUST-ZPT-051.6.4 换热器结构校核1.6.4.1 圆整后结构参数 图1-18 圆整后结构参数经圆整后，该换热器的壳径取为400mm，管径为19mm，管长为3000mm，管程数为双管程，管间距为25mm。折流板形式为单弓形折流板，折流板为横缺型，其圆缺率为40%。折流板间距为150mm，在理论值范围之内。1.6.4.2 选型结果图1-19计算结果图图1-20计算结果图图1-21流体分析结果由上述计算结果可以看到，换热器换热面积为32.2m2，设计余量为33%，符合设计要求；壳程流速为0.370.48m/s，管程流速为0.083.35m/s，满足经济流速范围；流态分布合理，无气液混合进出料；壳程压降为0.11bar，压力降低11%，管程压降为0.04bar，压力降低0.1%，压降在可接受范围内。总传热系数（含污垢热阻）为1436.4W/(m2K)，在经验值范围之内。换热器壳程和管程雷诺数Re6000,且crossflow0.5，说明其流体形态为湍流，符合设计要求。参考化工工艺手册（下册），得E0201型号为 BEM4003.971.0132.231911.6.4.3 详细尺寸图1-22 E0201换热器尺寸图图1-23 管板布置图1.7 换热器强度校核1.7.1 换热器机械强度校核（E0104）表1-17 E0104换热器强度校核固定管板换热器设计计算计算单位压力容器专用计算软件设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.902MPa设计压力 1.111MPa设计温度 160设计温度 300壳程圆筒内径Di800 mm管箱圆筒内径Di800mm材料名称S30408材料名称S31608 简 图计 算 内 容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算管板校核计算前端管箱筒体计算计算单位压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.11MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 800.00mm材料 S31608 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 118.00MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 3.78mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.70mm名义厚度 dn = 8.00mm重量 717.33Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 75.25 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 1.96008MPa设计温度下计算应力 st = = 66.88MPastf 118.00MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格前端管箱封头计算计算单位 压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.11MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 800.00mm曲面深度 hi 155.00mm材料 S31608 (板材)设计温度许用应力 st 118.00MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 108.02MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.4433计算厚度 dh = = 5.45mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 6.70mm最小厚度 dmin = 2.40mm名义厚度 dnh = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 41.55 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.36548MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.11MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 800.00mm材料 S30408 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 114.00MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 3.92mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.70mm名义厚度 dn = 8.00mm重量 717.33Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 75.25 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 1.89364MPa设计温度下计算应力 st = = 66.88MPastf 114.00MPa校核条件stf st结论 筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格后端管箱封头计算计算单位 压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.11MPa设计温度 t 300.00 C内径 Di 800.00mm曲面深度 hi 155.00mm材料 S31608 (板材)设计温度许用应力 st 118.00MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 1.2500 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 184.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 108.02MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.4433计算厚度 dh = = 5.45mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 6.70mm最小厚度 dmin = 2.40mm名义厚度 dnh = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 44.74 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.36548MPa结论 合格内压圆筒校核计算单位压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.90MPa设计温度 t 160.00 C内径 Di 800.00mm材料 S30408 ( 板材 )试验温度许用应力 s 137.00MPa设计温度许用应力 st 135.60MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 2.67mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.70mm名义厚度 dn = 8.00mm重量 717.33Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值