3-2 换热器设计说明书

烟台大学Muse团队 目录2017年“东华科技陕鼓杯”第十一全国大学生化工设计竞赛烟台火电厂烟气深度脱硫及年产2.2万吨硫化氢项目换热器设计说明书设计单位烟台大学化学化工学院设计团队MUSE成员姓名唐泽彬 李知谦 盛 磊 刘 莹 毕晓琳指导教师田 晖 赵 旗 杜玉朋 任万忠2017年6月30日换热器设计说明书一. 概述41.1 项目设计概述41.2 夹点技术41.3 Aspen Energy Analyzer41.4 换热网络设计主要步骤4二. 换热网络设计62.1 物流流股提取62.2 夹点温度确定82.3 确定换热目标82.4 构建换热网络92.5 换热网络优化10三. 换热器选型143.1 换热器概述143.2 选型设计依据143.3 选型设计原则143.4 换热器类型比较153.5 管壳式换热器优缺点对比163.6 工艺条件的选定193.7 结构参数的选用21五.换热器设计软件235.1 换热器设计使用软件列表235.2 换热器选型示例235.3 换热器强度校核25六. 换热器选型一览表336.1 换热器一览表336.2 冷器一览表3437烟台大学Muse团队 第一章 概述一. 概述1.1 项目设计概述本章将整个工艺流程中深度脱硫单元、克劳斯反应单元及硫化氢制备单元的冷热流股进行热交换匹配，进而构建换热网络.换热网络与热集成是降低生产成本的重要手段。本设计通过Aspen Energy Analyzer软件，结合夹点技术，将可回收的能量最大化，从而减少公用工程用量，达到节能减排的目标。1.2 夹点技术夹点技术从整个过程系统出发，选用年总费用最低、设备投资费用最少、热量回收率最大，换热器数目最少等作为经济目标函数，首先通过经验法或数学优化估算确定夹点温差，采用组合温-焓曲线或问题表法得出夹点温度，从而确定最小热公用工程量及最小冷公用工程量，通过夹点设计准则找出流程中不合理的换热过程及换热设备进行改进，从而使换热网络达到最优。1.3 Aspen Energy AnalyzerAspen Energy Analyzer为Aspen One工程的能量分析模块，目的为帮助用户实现热集成及换热网络的优化，其在较早期的版本中称为Aspen Pinch。应用Aspen Energy Analyzer进行换热网络的合成与优化主要基于夹点技术。在用户指定的夹点温度下，可自动合成多套换热网络备选方案。但在实际使用过程当中，Aspen Energy Analyzer并不能为我们生成最佳的换热网络，仍需要对计算机生成的网络进行人工优化。计算机模拟生成最优换热网络是近几年来热门的研究课题，基于Grossmann的超结构模型的改进算法、神经网络算法、模拟退火算法等被不断提出，但尚未有一种算法可确保对任意换热工况均可模拟得出最优网络。因此，Aspen Energy Analyzer只可应用于换热网络合成的初步设计。1.4 换热网络设计主要步骤本章利用Aspen Energy Analyzer进行换热流程设计和换热网络的优化，同时利用Aspen EDR进行换热器设计，校核换热网络实施的可行性，从而尽可能的实现内部能量集成和最大化利用，最大程度上提高经济效益。利用Aspen Energy Analyzer设计换热网络，其主要步骤如下：（1）确定流程中需要换热的冷流股和热流股；（2）利用物流数据做出冷热流股的温焓图和总组合曲线图；（3）确定最小传热温差；（4）找出夹点及最小冷、热公用工程用量；（5）构建优化换热网络。烟台大学Muse团队 第二章 换热网络设计二. 换热网络设计2.1 物流流股提取在本项目中需要进行换热的冷热流股及数据详见表2-1：表 21换热冷热流股一览表物流名称入口温度出口温度热负荷GJ/h86_To_87290.00228.8073.89305_To_306600.00150.007.2716_To_143400.00150.0025.21315_To_31688.4445.0016.28110_To_11190.8345.009.09207_To_145150.00270.001.64215_To_216150.0080.0014.75108_To_1255.3690.0025.51149_To_151150.00250.001.33307_To_308150.0045.001.5147_To_148350.00150.004.9203_To_204117.50290.002.98313_To_30251.36150.001.2414_To_126109.2845.0044.89318_To_79109.5545.0024.24120_To_121109.28109.48123.75152_To_214290.00150.002.53303_To_304150.32600.0033.22116_To_117101.3690.00102.14To ReboilerT-102_TO_115109.40109.8629.46To ReboilerT-105_TO_318Duplicate108.78109.5541.852.2 夹点温度确定 在换热网络的设计中，夹点温差的大小是一个关键的因素。夹点温差越小，热回收量越多，则所需的热、冷公用工程量就越少，即运行中的能量费用越低；但夹点温差越小，整个换热网络各处的传热温差均相应减小，使换热面积加大，造成换热网络投资费用加大。因此对一个确定的系统，存在一个总费用最小的夹点温差，换热网络的设计应在此最优夹点温度下进行。用Aspen Energy Analyzer自带的经济衡算数据库对系统的物流进行初步分析，作出总投资费用和操作费用与最小传热温差的关系图，如图2-1所示。图2-1 总投资费用和操作费用与最小传热温差的关系图2.3 确定换热目标采用Aspen Energy Analyzer V8.4进行系统能量消耗分析，得出的组合曲线和总组合曲线如下图所示：图2-2 组合曲线图图2-3 总组合曲线图由上图可以看出，所需最小热公用工程为157.0 GJ/h，最小冷公用工程用量为222.7GJ/h。2.4 构建换热网络通过软件确定出夹点温度和换热目标后，即可进行流股间的匹配换热。为了减少换热面积和投资费用，利用Aspen Energy Analyzer导入文件，得到一种换热网络集成方案。如图2-4所示：图24初始换热网络2.5 换热网络优化2.5.1 改造换热网络在某些热集成网络方案中，会出现含热回路（Loops）或路径（Paths）的换热网络。包含以上两种情况的热集成网络方案都存在设备投资大、热集成网络效率低、不稳定的问题。对于这类热集成网络都需要进行人工改造以消除如上两种路径。此外，热集成网络仅考虑了流股间温焓关系，没有考虑换热器设计的可行性，因此，在改造热集成网络方案时，我们同时利用Aspen自带的换热器设计软件Aspen EDR对得到的换热网络进行校核的结果反馈到换热网络，以达到最高的经济效益。通过综合考虑流股间温焓关系及换热器设计的可行性，对初始换热网络进行改造，形成了优化后的换热网络。如图所示：图 25优化后的换热网2.5.2 节能效果节能效果如表2-2所示：表 22节能效果项目冷公用工程GJ/h热公用工程GJ/h换热器数目换热面积m2匹配前326.7222.731.8261.02124600匹配后157.02118500节能效果%39.8由此可以看出，进行冷热流股匹配后，全流程公用工程消耗量明显下降，能够节省热消耗量39.8%，节省冷消耗量31.8%，达到了较好的节能效果。表2-3换热网络详细说明表换热器热流股入口温度出口温度冷流股入口温度出口温度热负荷GJ/hE-0304307_To_308150.0045.00Cooling Water23.3423.421.50E-0301Fired Heat (1000)1000.00400.00303_To_304150.32600.0033.22E-0203152_To_214218.73150.00Cooling Water23.4223.471.20E-0104110_To_11190.8345.00Cooling Water20.7921.239.09E-0202147_To_148285.05150.00Cooling Water23.4723.633.26E-010386_To_87255.33230.93To ReboilerT-102_TO_115109.40109.8629.46E-020116_To_143369.12150.00Cooling Water23.6324.7122.23A-0201215_To_216150.0080.00Air34.2734.8914.75E-0303305_To_306523.23150.00Cooling Water24.7125.006.03E-0205147_To_148350.00285.05207_To_145150.00270.001.64E-030586_To_87290.00255.33To ReboilerT-105_TO_318Duplicate108.78109.5541.85A-030186_To_87230.93228.80Air34.8935.002.57E-020416_To_143400.00369.12203_To_204117.50290.002.98E-0307318_To_79109.5545.00Cooling Water22.1723.3424.24E-010214_To_126109.2872.75108_To_1255.3690.0025.51E-0302305_To_306600.00523.23313_To_30251.36150.001.24E-0105LP Steam125.00124.00120_To_121109.28109.48123.75E-010114_To_12672.7545.00Cooling Water21.2322.1719.38E-0206152_To_214290.00218.73149_To_151150.00250.001.33A-0101116_To_117101.3690.00Air30.0034.27102.14E-0306315_To_31688.4445.00Cooling Water20.0020.7916.28烟台大学Muse团队 第三章 换热器选型三. 换热器选型3.1 换热器概述换热设备是化工工业应用典型的工艺设备，是用于实现热量传递，使热量由高温流体传给低温物体。一般来说，换热设备在化工厂装置中所占的比例在建设费用方面高达10%40%。因此从能源节省以及工厂投资的角度来讲，合理地选择和使用换热设备，可节省投资，降低能耗，具有重要意义。在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低，吸热。在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理与前一致。化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。3.2 选型设计依据固定管板式换热器型式与基本参数GB/T28712.22012立式热虹吸式重沸器型式与基本参数GB/T28712.42012U形管式换热器型式与基本参数GB/T28712.32012空冷式换热器型式与基本参数GB/T28712.62012管壳式换热器用金属包垫片GB/T29463.12012管壳式换热器用缠绕垫片GB/T29463.22012管壳式换热器用非金属垫片GB/T29463.32012化工工艺设计手册（第四版）ISBN:7-5025-4371-6/TQ1694换热器设计手册ISBN:7-5025-3828-3/TQ1532冷换设备工艺计算手册ISBN:978-7-80229-541-4新编换热器选型设计与制造工艺实用全书ISBN:7-5648-1307-5浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数GB/T28712.52012管壳式换热器GB151-20143.3 选型设计原则换热器选型设计原则换热器包括过程流股的加热器，塔的再沸器和冷凝器。根据工艺衡算和工艺物料的要求，掌握物料流量、温度、压力、化学性质、物性参数等特性，结合Aspen Energy Analyzer以及Aspen Plus模拟得出的有关设备负荷、传热面积、流程中的位置等来明确设计任务，选择换热器型式。在设计过程中，需满足如下几个方面的要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件。（2） 结构安全可靠。（3） 便于制造、安装、操作和维修。（4） 设备经济上合理。在换热器选型过程中，除考虑上述因素外，还应对材料的结构强度、材料的来源，加工条件，密封性、安全性等方面加以考虑。这些又常常是相互制约、相互影响的，所以通过设计的优化来加以解决。针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以降低成本。所以，这就需要我们综合考虑工艺条件和机械设计的要求，选择合适的换热器型式来有效的减少工艺过程中的能量消耗。对于工程技术人员来说，在设计换热器时，要对于换热器型式进行合理的选择、在经济运行和降低成本等方面都应该做到足够的重视，必要时还得通过一定的化学化工计算来进行技术经济指标分析、进行投资和操作费用的确切对比，进行经济方面的核算，从而使实际设计方案达到该具体条件下的最佳设计方案。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） 冷热流体的性质（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、使用安全性和寿命在换热器选型中，除考虑上述因素外，还应对结构强度、材料来源、加工条件、密封性、安全性等方面加以考虑。所有这些又常常是相互制约、相互影响的，通过设计的优化加以解决。针对不同的工艺条件及操作工况，我们有时使用特殊型式的换热器或特殊的换热管，以实现降低成本的目的。因此，应综合考虑工艺条件和机械设计的要求，正确选择合适的换热器型式来有效地减少工艺过程的能量消耗。对工程技术人员而言，在设计换热器时，对于型式的合理选择、经济运行和降低成本等方面应有足够的重视，必要时，还得通过计算来进行技术经济指标分析、投资和操作费用对比，从而使设计达到该具体条件下的最佳设计。3.4 换热器类型比较换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%45%。今年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。主要通过传热原理、传热种类和结构进行分类。（1）按作用原理和实现传热的方式分类 混合式换热器； 蓄热式换热器； 间壁式换热器（2）其中间壁式换热器按传热面的形状和结构分类： 管壳式：固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式； 板式：板翅式、平板式、螺旋板式； 管式：空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式； 液膜式：升降膜式、括板薄膜式、离心薄膜式； 其他型式：板壳式、热管（3）按换热器服务类型分类： 交换器：在两侧流体间传递热量。 冷却器：用制冷剂冷却流体。制冷剂有液氨、乙烯、丙烯、冷却水或盐水。 冷凝器：在此单元中，制程蒸汽被全部或部分的转化成液体。 冷却器：用水或空气冷却，不发生相变化及热的再利用。 加热器：增加热函，通常没有相变化，用如热油作为热媒加热流体。 过热器：高于蒸汽的饱和蒸汽压进行加热。 再沸器：提供蒸馏潜热至分流塔的底部。 蒸汽发生器（废热锅炉）：用产生的蒸汽带走热流体中的热量。通常为满足制程需要后多余的热量。 蒸馏器：是一种将液体转化为蒸汽的交换器，通常限于除水以外的液体。 脱水器：将水蒸气浓缩为水溶液通过蒸发部分水分以浓缩水溶液。3.5 管壳式换热器优缺点对比表 3-1管壳式换热器的性能种类优点缺点浮头式换热器1. 管束可以抽出，方便清洗；2. 介质温度不受限制；3. 可在高温高压下工作，一般温 度450，压力6.4MPa；4. 可用于结垢比较严重的场合；5. 可用于管程易腐蚀场合。6. 小浮头易发生内漏；7. 金属材料耗量大，成本高 20%；8. 结构复杂。固定管板式换热器9. 传热面积比浮头式换热器20%30%；10. 旁路漏流较小；11. 锻件使用较少，成本低 20%以 上；没有内漏。12. 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；13. 管板与管头之间易产生温差应力而损坏； 壳程无法机械清洗；14. 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；15. 不适用于壳程易结垢场合；U 形管式换热器16. 管束可抽出来机械清洗；17. 壳体与管壁不受温差限制；18. 可在高温、高压下工作，一般适用于温度500，压力 10MPa；19. 可用于壳程结构结垢比较严重 的场合；20. 可用于管程易腐蚀场合。21. 在管子的U形处冲蚀，应控制管内流速； 管程不适用于结垢较重的场合；22. 单管程换热器不适用；23. 不适用于内导流筒，故死区较大。填料函式换热器24. 管束可抽出机械清洗；25. 介质间温差不受限制；26. 可用于结构比较严重的场合；27. 可用于管程腐蚀较重的场合；28. 金属耗量较浮头低 10%左右；29. 适用温度可达 200，压力可达 2.5MPa30. 密封处易漏；31. 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32. 传热面积可减少 10%30%；33. 减少设备数量和金属耗量；34. 传热效率提高；35. 适用于大型化装置；36. 适用于串联台数较多；37. 适用于高温、高压场合；38. 壳程压降约提高 4 倍；39. 分程隔板与壳体密封片处易泄露；40. 壳体直径圆度要求较高；外导流筒换热器41. 进出口压降降低 90%以上；42. 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；43. 在DN3251800范围内，可增 加5%16%传热面积；44. 总传热效率相应提高12%23%；45. 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46. 不易发生诱导振动损失；47. 传热死区小，传热效率提高 20%以上；48. 压降小； 抗垢性能良好；49. 适用于换热器大型化，特别是 核电换热应用；50. 在低雷诺数 Re6000（液相）、 Re10000（气相）热效率较低；51. 造价提高 3%5%。新结构高效换热器52. 液相传热 Re600，气相传热Re3000，传热效率提高 25% 以上； 压降比折流板式换热器小 1 倍上；53. 适用于带固体颗粒的场合；54. 抗垢性能优良；55. 适用于低温位冷却场合；56. 不适用于有相变传热；57. 压降比折流杆式换热器大。高效重沸器58. 有自清洁作用；59. 给热系数比光管提高 3.310 倍 以上；60. 总传热系数提高 40%以上； 节约设备重量 25%以上； 适61. 用于塔底重沸器、侧线虹吸式62. 在重油设备上，如渣油、原油设备无应用历史；63. 造价上升 10%15%；64. 不适用于有湿硫化氢场合。65. 重沸器；66. 适用于化工、制冷系统重沸器 或再沸器； 抗腐蚀性能良好；67.3.5.1 再沸器性能比较（1）立式热虹吸式优点： 传热系数大； 投资和运转费用属最便宜； 加热带滞留时间短； 结构紧凑,配管容易。缺点： 真空操作时，由于压降的影响需要较大的面积，对粘性液体和带固体物料不适用，由于垂直铺设； 要求塔裙的高度较大（2）卧式热虹吸式优点： 传热系数中等； 加热带停留时间短； 维护和清理方便； 适用于大面积的情况； 对塔的液面和流体压降。缺点： 占地面积大（3）强制循环优点： 适用于黏性液体及悬浊液； 长的显热段和低蒸发比的； 低压降系统； 可调节循环速度。缺点： 能量费用大； 投资（泵）大； 在泵的密封处易泄露。（4）凯特尔（Kettle式）优点： 维护清理方便； 适于污染性强的热媒； 相当于一块理论板。缺点： 传热系数小； 占地面积大； 加热带滞留时间长； 易结垢。3.5.2 冷凝器性能比较（1）重力回流卧式优点：传热系数大，运费少，适于小量生产缺点：要求高位安装（2）重力回流立式优点：传热系数大，运费少，适于小量生产缺点：传热系数较小，可将其装在塔顶，但整个塔高增加（3）泵送回流式优点：安装比较容易，适于大规模生产缺点：运转费用大，占地面积较大3.6 工艺条件的选定3.6.1 公用工程冷却水的温度不宜高于60，以免结垢严重；高温端的温差不应小于20，低温端不应小于5；当两工艺流体之间进行热交换时，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，并用水作为冷却剂时，冷却剂的出口温度不应高于工艺流体的出口温度。在冷却或冷凝工艺流体时，冷却剂的入口温度应高于工艺流体中易结冻组分的冰点，一般应高于5；在对反应物进行冷却时，为了控制反应，应维持反应物流和冷却剂之间的温差不低于10。当冷凝带有惰性气体的工艺流体时，冷却剂的出口温度应该低于工艺流体的露点，一般低于5；换热器的设计温度应高于最大使用温度，一般高15。3.6.2 压力降管壳式换热器工作时，增加工艺流体的流速，可相应增加传热膜系数，从而提高总的传热系数，使换热器结构更紧凑。但流速增加后将相应增大换热器的压力降，从而加剧换热器的磨蚀和振动破坏等；同时，压力降的增大也使得换热器运行过程中的动力消耗增大。因此，一般应限制管壳式换热器的最大压力降，具体限制如下表所示：表 32工艺物流允许压降数据表工艺物料的压力状况允许压力降（kPaA）工艺气体真空3.5常压3.514低压1525高压3570 工艺液体70170应当注意的是，在确定换热器允许压降时，不应将某一个换热器从系统中孤立出来看，而是应从工艺流程的角度，合理分配每个换热器上的压力降。两侧流体的污垢系数，设计者可以查找相关资料获得根据实际操作数据得到的污垢系数。常用的污垢系数如蒸汽0.0001m2h/kcal、有机热载体与冷冻液0.0002m2h/kcal循环水0.0002m2h/kcal。3.6.3 流体空间的选择 高温物流，一般走管程，除此有时为了节省保温层和减少壳体厚度，也可以使高温物流走壳程。 较高压的物流应走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数。 较粘的物流应走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数。 腐蚀性较强的物流应位于管程。 对压力降有特定要求的工艺物流，应位于管程，因管程的传热系数和压降计算误差小。 较脏和易结垢的物流应走管程，以便清洗和控制结垢。若必须走壳程，则应采用正方形管子排列，并可用可拆式（浮头式、填料函式、U形管式）换热器。 流量较少的物流应走壳程，因为在壳程易使物流成为湍流状态，从而增加传热系数。 给热系数较小的物流，像气体，应走壳成，易于提高给热系数。3.6.4 流速常见换热器管程及壳程物流流速：液体常用流速范围：管程为0.33m/s，壳程0.21.5m/s；气体常用流速范围：管程为530m/s，壳程为215m/s；易结垢流体，在管内流速应大于1m/s，壳程流速应大于0.5m/s；流速应随流体粘度的高低作相应修改；为了避免设备的严重磨蚀，流速不应超过最大允许的经验值。工艺物流允许最大流速如表3-3所示：表 33工艺物流允许最大流速流体粘度 cP最大流速 m/s15000.6050015000.751005001.10351001.501351.5012.40烃类3.003.6.5 物流选择冷热物流的流动通道，对于管壳式换热器可根据以下原则选择： 压力较高的物流宜走管程，减小壳体壁厚。 腐蚀性、对材料有特殊要求的物流宜走管程。 不洁净和易结垢的物流宜走管程（U型管除外），以便清洗。必须走可壳程，推荐采用正方形管子排列，并采用可拆式结构（如浮头式、U型管式）。 饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽污垢热阻较小，给热系数较大一般与流速无关，而且冷凝液容易排出。被冷却的流体宜走壳程，便于散热。 流量小而粘度大的物流宜走壳程，因走壳程容易实现湍流，获得较高的给热系数。有相变的物流走壳层。3.7 结构参数的选用3.7.1 总体设计尺寸细长型的换热器比短粗型要经济，通常情况下管长和壳径之比为46，但有时根据实际需要，长径比可增到15或20，但不常见。可以参考标准换热器尺寸。3.7.2 换热管（1） 管径管子的尺寸和形状对传热有很大影响。采用小管径时，换热器单位体积的换热面积较大，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也高。据估算，将同直径换热器中的换热管由25mm改为19mm，其传热面积可增加40%左右，节约20%金属以上；但小管径增加了制造难度，且容易结垢，不易清洗。对于易结垢的物流（如立式热虹吸式再沸器）或有汽液两相流的工艺物流，一般选用较大管径。表 3-4换热管常用直径规格碳素钢、低合金钢192mm 252.5mm323mm 383mm不锈钢192mm252mm 322.5mm 382.5mm（2） 管长无相变换热时，管子较长则传热系数也增加。在满足换热面积和设计要求的条件下，尽量选用较短的管子，以降低压降。我国生产的标准钢管长度多为6m，故系列标准中管长有1.5m，2m，3m和6m四种。（3） 排列方式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。正三角形排列形式使用最为普遍，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，其使用场合收到限制，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。（4） 管间中心距换热管中心要保证管子与管板连接时，管桥有足够的强度和刚度。管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。换热管中心距一般选用范围为1.251.5d（d为管外径），常用的换热管中心距如表3-5所示：表 3-5常用换热器中心距换热管外径/mm1014192532384557换热管中心距/mm1419253238455772（5） 管程数和壳层型式管程数有18程几种，常用的为2、4管程。管程数增加，管内流速增加，传热系数也增加。但管内流速要受到管程压力降的限制。在工业上常用的管内流速如下：水和相类似的液体流速一般取12.5m/s，对大冷凝器的冷却水流速可增加到3m/s，气体和蒸汽流速可830m/s在范围内选取。壳层型式大致分为：单壳层换热器、双壳层换热器、分流式换热器和双分流式换热器。当温度校正系数t0.8时，应采用壳方多程。3.7.3 换热面积 有些物流所需的换热面积大，采用多个换热器并联，而不采用串联，避免压力降过高，影响传热系数。 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。3.7.4 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，增加流体速度，以增强传热；同时起支撑管束、防止管束振动和管子弯曲的作用。 折流板型式折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流性等。折流板的型式有圆缺形、环盘形和孔流性等。通常为圆缺形折流板，并可分为单圆缺形、双圆缺形和三圆缺形。在要求压降小的情况下，也可选用环盘形折流板。在要求压降小的情况下，也可选用环盘形折流板，但传热较差，应用较少。孔流形折流板使流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，压降大，仅适用于清洁流体，应用较少。 折流板圆缺高度单圆缺型折流板的开口高度为直径的1045，双圆缺型折流板的开口高度为直径的1525。 折流板圆缺位置水平放置的折流板适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底部液体沉积。在壳程用于冷凝操作时横缺形折流板的底部应开排液孔。而在带有悬浮物或结垢严重的流体所使用的卧式冷凝器、换热器中，一般采用垂直型折流板。 折流板间距折流板的间距影响到壳程物流的流向和流速，从而影响到传热效率。最小的折流板间距为壳体直径的1/5并大于50mm。然而，对特殊的设计考虑可以取较小的间距。由于折流板有支撑管子的作用，所以，通常最大折流板间距为壳体直径的1/2并不大于TEMA规定的最大无支撑直管跨距的0.8倍。表 3-6折流板标准间距 公称直径mm管长mm折流板间距mm5003000100200300450600450060006008001500600015020030045060090013006000200300450600500，9007501400160060003504506007501700180060009000450600750烟台大学Muse团队 第四章 换热器设计软件四.换热器设计软件4.1 换热器设计使用软件列表名称用途来源Aspen Plus V8.4换热器工艺参数设计Aspen Tech公司Aspen EDR换热器结构设计Aspen Tech公司SW6-2011换热器强度结构设计全国化工设备设计技术中心站4.2 换热器选型示例以前面型式选择的结果为基础，使用Aspen EDR软件对脱氢反应产物与原料丙烷内部流股换热（E-0101AB）的换热器结构设计和校核，再用SW6-2011进行换热器强度校核，计算结果如下：4.2.1 换热器结构设计图 4-1换热器装配平面图图 4-2管束截面图图 4-3换热器设计表4.3 换热器强度校核以换热器设计的结果为基础，使用SW6-2011软件，对换热器的强度进行校核，计算结果如下：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 0.11MPa设计压力0.2MPa设计温度 42.48设计温度 88.44壳程圆筒内径Di800mm管箱圆筒内径Di800mm材料名称S30408材料名称S30408 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)校核计算管箱法兰校核计算开孔补强设计计算管板校核计算 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 0.20MPa设计温度 t 88.44 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 137.00MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 3.18mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.69mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 11.52mm名义厚度 dn = 15.00mm重量 90.44Kg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 = 0.4485 (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 = = 18.58 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= = 3.30615MPa设计温度下计算应力 st = = 7.04MPastf 116.45MPa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9.18mm,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 0.25MPa设计温度 t 88.44 C内径 Di 800.00mm曲面深度 hi 200.00mm材料 S30408 (板材)设计温度许用应力 st 137.00MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 3.18mm焊接接头系数 f 0.85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= 0.4485 (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 = = 22.30MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 0.86mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 9.52mm最小厚度 dmin = 2.00mm名义厚度 dnh = 13.00mm结论 满足最小厚度要求重量 76.42 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.75512MPa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 0.20MPa设计温度 t 88.44 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 137.00MPa试验温度下屈服点 ss 205.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 3.18mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.69mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 11.52mm名义厚度 dn = 15.00mm重量 90.44Kg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 = 0.4485 (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 = = 18.58 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格最大允许工作压力 Pw= = 3.30615MPa设计温度下计算应力 st = = 7.04MPastf 116.45MPa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9.18mm,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 0.25MPa设计温度 t 88.44 C内径 Di 800.00mm曲面深度 hi 200.00mm材料 S30408 (板材)设计温度许用应力 st 137.00MPa试验温度许用应力 s 137.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 3.18mm焊接接头系数 f 0.85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= 0.4485 (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 = = 22.30MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重