8-换热器设计说明书

扬子石化年产15万吨醋酸乙烯酯生产装置项目太行之巅2019“东华科技-恒逸石化杯”第十三届全国大学生化工设计竞赛扬子石化年产15万吨醋酸乙烯酯生产装置项目团队成员：王励卓沈坤杰王腾乐侯世欣宋 川指导教师：王艳红李同川郭 婧赵慧鹏马忠平换热器设计说明书目录1 换热器设计11.1 换热器的选型设计依据11.2 换热器类型简介11.3 换热器的选用原则41.3.1 基本要求41.3.2 介质流程41.3.3 终端温差51.3.4 流速选择51.3.5 压力降61.3.6 传热膜系数61.3.7 污垢系数71.3.8 换热管71.4 换热器型号的表示方法81.5 换热器设计示例（以E0201为例）81.5.1 换热器的设计步骤81.5.2 工艺参数确定91.5.3 换热器结构参数的确定101.6 换热器计算与校核小结181.7 换热器条件图191.8 换热器装配图201.9 SW6强度校核21671 换热器设计1.1 换热器的选型设计依据化工设备设计全书-换热器 2003-5石油化工设备选型手册-换热器 2009-1化工工艺设计手册（第四版） 2009-6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 3405-2012热交换器型式与基本参数 GBT 28712.1-20121.2 换热器类型简介换热器结构分类如表1-1所示：表1-1 换热器的结构分类 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套管式釜式壳体上都有个蒸发空间，用于蒸汽与液相分离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续表1-1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式类似于管束，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，故死区较大续表1-2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DN325-1800 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）、Re10000（气相）热效率较低；造价提高3%-5%新结构高效换热器液相传热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 倍以上；适用于带固体颗粒的场合；抗垢性能优良；适用于低温位冷却场合不适用于有相变传热；压降比折流杆式换热器大续表1-2高效重沸器有自清洁作用；给热系数比光管提高3.3-10倍以上；总传热系数提高40%以上；节约设备重量25%以上；适用于塔底重沸器、侧线虹吸式重沸器；适用于化工、制冷系统重沸器或再沸器；抗腐蚀性能良好在重油设备上，如渣油、原油设备无应用历史；造价上升10%-15%；不适用于有湿硫化氢场合1.3 换热器的选用原则1.3.1 基本要求换热器的类型很多，每种型式都有特定的应用范围。在某一种场合下性能很好的换热器，如果换到另一种场合可能传热效果和性能会有很大的改变。因此，针对具体情况正确地选择换热器的类型是很重要的。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。1.3.2 介质流程根据设计的要求和规定，存在一些经验规律如下：（1）为了节省保温层和减少壳体厚度，高温物流一般走管层，但如果为了物料的冷却，也可使高温的物料走壳程； （2）较高压力的物流应走管程；（3）黏度较大的物流应走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数； （4）腐蚀性较强的物流应走管程； （5）对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小；（6）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，并采用可拆式（浮头式、填料函式、U形管式）换热器；（7）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；（8）传热膜系数较小的物流（如气体）应走壳程，易于提高传热膜系数。1.3.3 终端温差换热器的终端温差通常由工艺过程的需要而定，但在确定温差时，应考虑到对换热器的经济性和传热效率的影响。在工艺过程设计时，应使换热器在较佳范围内操作，一般认为理想终端温差如下：（1）热端的温差，应在20以上；（2）用水或其他冷却介质冷却时，冷端温差可以小一些，但不要低于5；（3）当用冷却剂冷凝工艺流体时，冷却剂的进口温度应当高于工艺流体中最高凝点组分的凝点5以上；（4）空冷器的最小温差应大于20；（5）冷凝含有惰性气体的流体时，冷却剂出口温度至少比冷凝组分露点低5。1.3.4 流速选择流速提高，流体湍流程度增加，可以提高传热效率有利于冲刷污垢和沉积，但流速过大，磨损严重，甚至造成设备振动，影响操作和使用寿命，能量消耗亦将增加。因此，主张有一个恰当的流速，根据文献，一般主张流体流速范围如下：表1-3 常见流速表 流体在直管内常见适宜流速壳程内的常见适宜流速物质流速（m/s）物质流速（m/s）冷却用水1.03.5冷却用水0.51.5新鲜水0.81.5新鲜水0.51.5循环水1.02.0循环水0.51.5低粘度油0.81.8低粘度油0.41.0高粘度油0.51.5高粘度油0.30.8油类气5.015.0油类气3.06.0气体530气体315气液混合流体2.06.0气液混合流体0.53.01.3.5 压力降压力降一般考虑随设备压力不同而有一个大致的范围。压力降的影响因素较多，但希望换热器的压力降在下述参考范围内或附近。壳侧压力降调节措施：（1）调整折流板间距（2）调整折流板圆缺率（3）改变折流板型式（4）改变管子排列方式或管间距（5）改变壳体型式管侧压力降调节措施：如果管径和管长已定，可改变管程数（如果管程数增加N，那么压力降约增加N3）。若未规定管径和管长，要将管侧压力降调整到理想范围，管长和管径都要发生变化，允许压力降范围如表1-4所示：表1-4 允许的压力降范围 设备压力P/MPa允许压力降P/MPa真空0壳径的一半0壳径的一半0.25（单相流）0.400.45（多相流）0.15（弓形区不排管）本换热器的圆缺率经调整取为25%。（3）折流板缺口方向横缺形折流板适用于无相变的对流传热过程，可以防止壳程流体平行于管束流动，减小壳程底部液体的沉积。而在带有悬浮物或结构严重的流体所使用的卧式冷凝器，换热器中一般采用竖缺形折流板。本换热器无结垢倾向，同时不带有悬浮物，因此选择横缺形折流板。1.5.3.6 接管接管经圆整如下图所示：图1-4 壳体接管直径圆整值图1-5 管侧接管圆整值1.5.3.7 换热器结构校核（1）圆整后结构参数图1-6 圆整后结构参数经圆整后，该换热器的壳径取为800mm，管径为19mm，管长为2000mm，管程数为6，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25%。折流板间距为340mm，在理论值范围之内。 （2）选型结果用EDR进行校核，得结果如下：图1-7 换热器E0201计算结果根据GB/T28712-2012.2热交换器形式与基本参数第2 部分：固定管板式热交换器对模拟数据进行圆整，并且考虑到热损失等，换热器面积选有余量。换热面积为87m2，设计余量42%。壳程流速0.5m/s，管程流速0.37m/s，满足经济流速范围，满足管壳程流速在湍流态。流态分布合理，无气液混合进出料；壳程压降0.004218MPa，压力降低4.218%，管程压降为0.004559MPa，压力降低4.559%，出口绝压小于0.1MPa，压降不大于进口压强的40%，压降在可接受范围内。传热系数基于传热膜系数、固壁热阻和垢层热阻计算得到，管层污垢热阻0.00035W/(m2K)，壳层污垢热阻0.00017W/(m2K)，总传热系数267.5W/(m2K)。换热器型号为：（3）详细尺寸图1-8 E0201设备图图1-9 E0201管板布置图1.6 换热器计算与校核小结表1-12 换热器计算以及校核小结换热器E0201壳程管程设计压力Ps0.11MPa设计压力Ps0.11MPa设计温度Ts60设计温度Ts140壳程直径Di800mm换热器换热管详情换热管直径192mm管心距25mm管长3000mm官子排列方式正三角形管数目754折流板间距340mm计算结果前端管箱筒体名义厚度n=10mm后端管箱筒体名义厚度n=10mm壳程圆筒名义厚度n=10mm前端管箱封头名义厚度n=10mm后端管箱封头名义厚度n=10mm管板厚度n=30mm校核项目壳程圆筒校核计算、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、管板校核计算校核结果校核合格法兰校核结果校核合格接管尺寸水平扬子石化年产15万吨醋酸乙烯酯生产装置项目1.7 换热器条件图换热器条件图如图1-10所示：图1-10 换热器条件图1.8 换热器装配图换热器装配图如图1-11所示：图1-11 换热器装配图扬子石化年产15万吨醋酸乙烯酯生产装置项目1.9 SW6强度校核固定管板换热器设计计算计算单位中北大学-太行之巅设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.11MPa设计压力 0.11MPa设计温度 60设计温度 140壳程圆筒内径Di800 mm管箱圆筒内径Di800mm材料名称Q345R材料名称Q345R试验压力0.1MPa试验压力0.1MPa 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中北大学-太行之巅计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 0.11MPa设计温度 t 140.00 C内径 Di 800.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ReL 345.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.27mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 399.50Kg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 = 0.1000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ReL = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.17 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= = 3.06303MPa设计温度下计算应力 st = = 5.77MPastf 160.65MPa校核条件stf st结论 合格前端管箱封头计算计算单位 中北大学-太行之巅计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 0.11MPa设计温度 t 140.00 C内径 Di 800.00mm曲面深度 hi 200.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm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 = 1.25p= 0.1000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ReL = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 6.14MPa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 = = 0.27mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 59.26 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 3.07770MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位中北大学-太行之巅计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 0.11MPa设计温度 t 140.00 C内径 Di 800.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ReL 345.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.27mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 399.50Kg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 = 0.1000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ReL = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.17 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= = 3.06303MPa设计温度下计算应力 st = = 5.77MPastf 160.65MPa校核条件stf st结论 合格后端管箱封头计算计算单位 中北大学-太行之巅计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 0.21MPa设计温度 t 140.00 C内径 Di 800.00mm曲面深度 hi 200.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm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 = 1.25p= 0.1000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ReL = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 6.14MPa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 = = 0.52mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 7.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 10.00mm结论 满足最小厚度要求重量 59.26 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 3.07770MPa结论 合格内压圆筒校核计算单位中北大学-太行之巅计算所依据的标准GB/T 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 0.11MPa设计温度 t 60.00 C内径 Di 800.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ReL 345.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.27mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 399.50Kg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 = 0.1000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ReL = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.17 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= = 3.06303MPa设计温度下计算应力 st = = 5.77MPastf 160.65MPa校核条件stf st结论 合格开孔补强计算计算单位中北大学-太行之巅接 管: S1, 20010计算方法: GB/T 150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.21MPa设计温度60壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di800mm壳体开孔处名义厚度n10mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角() 0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角() 接管实际外伸长度 100mm接管连接型式 插入式接管接管实际内伸长度 100mm接管材料 Q345R接管焊接接头系数 0.85名称及类型 板材接管腐蚀裕量 2mm补强圈材料名称 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 mm补强圈外径 mm补强圈厚度 mm接管厚度负偏差 C1t 0.3mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t 189MPa补强圈许用应力t MPa开 孔 补 强 计 算非圆形开孔长直径 184.6mm开孔长径与短径之比 1 壳体计算厚度 0.5232mm接管计算厚度t 0.1177 mm补强圈强度削弱系数 frr 0接管材料强度削弱系数 fr 1开孔补强计算直径 d 184.6mm补强区有效宽度 B 369.2 mm接管有效外伸长度 h1 42.965mm接管有效内伸长度 h2 42.965 mm开孔削弱所需的补强面积A 97mm2壳体多余金属面积 A1 1325 mm2接管多余金属面积 A2 1141mm2补强区内的焊缝面积 A3 41 mm2A1+A2+A3= 2507mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格开孔补强计算计算单位中北大学-太行之巅接 管: S2, 20010计算方法: GB/T 150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.21MPa设计温度60壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di800mm壳体开孔处名义厚度n10mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角() 0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角() 接管实际外伸长度 100mm接管连接型式 插入式接管接管实际内伸长度 100mm接管材料 Q345R接管焊接接头系数 1名称及类型 板材接管腐蚀裕量 2mm补强圈材料名称 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 mm补强圈外径 mm补强圈厚度 mm接管厚度负偏差 C1t 0.3mm补强圈厚度负偏差 C1r mm接管材料许用应力t 189MPa补强圈许用应力t MPa开 孔 补 强 计 算非圆形开孔长直径 184.6mm开孔长径与短径之比 1 壳体计算厚度 0.5232mm接管计算厚度t 0.1001 mm补强圈强度削弱系数 frr 0接管材料强度削弱系数 fr 1开孔补强计算直径 d 184.6mm补强区有效宽度 B 369.2 mm接管有效外伸长度 h1 42.965mm接管有效内伸长度 h2 42.965 mm开孔削弱所需的补强面积A 97mm2壳体多余金属面积 A1 1325 mm2接管多余金属面积 A2 1143mm2补强区内的焊缝面积 A3 41 mm2A1+A2+A3= 2509mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 合格开孔补强计算计算单位中北大学-太行之巅接 管: T1, 804.5计算方法: GB/T 150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.21MPa设计温度140壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.85壳体内直径 Di800mm壳体开孔处名义厚度n10mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角() 0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角() 接管实际外伸长度 100mm接管连接型式 插入式接管接管