3-3换热器设计说明书

扬子石化5.5104 t/a高活性聚异丁烯分厂 换热器设计说明书目录换热器选型31.1 换热器设计依据31.2 换热器简介31.2.1换热器种类31.2.2管壳式换热器优缺点41.2.3管壳式换热器的主要组合部件61.3 换热器选用原则81.3.1 基本要求81.3.2 介质流程91.3.3 终端温差91.3.4 流速101.3.5 压力降101.3.6 传热膜系数111.3.7 污垢系数111.3.8 换热管121.3.10 裕量141.3.11 换热器型号表示方法141.4 换热器选型示例一（以E0102为例）151.4.1 选型用软件一览表151.4.2 工艺参数确定161.4.3 工艺过程计算171.4.4 EDR计算结果251.3.9壳程折流板271.4.5 SW6校核291.5 换热器选型示例二（以E0104为例）401.5.1 选型用软件一览表401.5.2 工艺参数确定411.5.3 工艺过程计算421.5.4 EDR计算结果501.5.6 SW6校核521.6 换热器选型结果601.6.1 E0102换热器选型结果601.6.2 E0104换热器选型结果601.6.3 E0301换热器选型结果611.7 各换热器选型结果汇总63 中国矿业大学（北京）Alpha.团队 II扬子石化5.5104 t/a高活性聚异丁烯分厂 换热器设计说明书换热器选型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 3405-20121.2 换热器简介化工生产中传热过程十分普遍，传热设备在化工厂占有极为重要的位置。物料的加热、冷却、蒸发、冷凝、蒸馏等都需要通过换热器进行热交换，换热器是应用最广泛的设备之一，大部分换热器已经标准化、系列化。已经列入标准的换热器可以直接选用，未列入标准的换热器需要进行设计。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。1.2.1换热器种类换热器种类很多，按热量交换原理和方式，可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。间壁式换热器有夹套式、管式和板式换热器。管壳式换热器又称列管式换热器，该类换热器具有可靠性高、适应性广等优点，在各工业领域中得到最广泛的应用。列管式换热器可根据其结构特点，分为固定管板式、浮头式、U形管式、料函式和釜式重沸器五类。各类换热器特性如下表：表1-1 换热器的结构分类换热器型式换热器热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1.2.2管壳式换热器优缺点表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2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）、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Re10000f0=5Re0-0.228=565311-0.228=0.399所以p1=0.50.5568+1980.0348.5222=8764Pap2=83.5-20.60.6980.0348.5222=7653Pap0=8764+76531.151=18764Pa故壳程流体压力降满足设计要求。管程流体压力降管程压力降公式pi=p1+p2FtNpNs其中，p1、p2:直管及弯管中因摩擦阻力引起的压力降；：结垢矫正系数,对2025mm的管子，取1.4；：管程数；：串联的壳程数。所以有，p1=Ldiui22p2=3(u022)其中Ft=1.4 ,NP=2，NS=1管程流通面积 Ai=4di2nNP=40.0226052=0.095m2ui=mS=5.5697941.8310.095=32.27m/s取材料的管壁粗糙度为0.1mm，则d=0.005，由湍流系数和管壁粗糙度查摩擦系数图得=0.032，有p1=0.032600020941.83125.3922=8741Pap2=3941.83125.3922=9815Papi=8741+98151.421=16895Pa故管程流体压力降也满足设计要求。1.4.4 EDR计算结果 由上述校核结果可以看出：换热面积余量为30.59%，符合设计要求（介于30%和50%之间）；由管壳程的雷诺数判断，管壳程流体均为湍流形态，符合要求；热流体通道侧压降为2.08kPa，冷流体通道侧压降为2.14 kPa，均小于进口压强的20%，符合要求； 总传热系数为355.3W/(m2K)，在经验范围之内，并且基于传热膜系数、污垢热阻和固壁热阻得到，符合要求。得到的换热器型号为： BEM300-7.6-21.5-4.5/25-11.3.9壳程折流板折流板可以改变壳程流体的流动方向，使其垂直于管束流动，获得较好的传热效果。以下是几种常见折流板的优缺点。表1-9 常见折流板的优缺点折流板类型优点缺点单弓形折流板传热效率高；价廉；易于生产压力降最高；不适用于高粘度流体双弓形折流板压力降较单弓形折流板小传热效率比单弓形折流板低三弓形折流板压力降较双弓.形折流板小传热效率比双弓形折流板低弓形区不排管所有的管子都得到支撑，叫嚣管子振动；比单弓形折流板更加有效的将压力降转移到热传递需要较小的官署或者更大的壳径；壳径增大导致费用增加孔式折流板流体穿过折流板孔和管子之间的缝隙流动，以增加传热效率压力降较大，仅适用于较清洁的流体折流杆流体纵向穿过折流杆于换热管之间的间隙，压力降小；能有效地将压力降转移到热传递；为换热管提供支撑要求流量大，管子排列方式较少螺旋形折流板壳侧不易结垢；压力降与传热效率适中；减小或消除滞留面积；减小或消除管子振动不易制造，设计方法没有标准化；质量流率较大时管束和壳体之间的旁路流较大。盘环形折流板径向对称流分布；减小旁路流；在相同压力降下，传热效率比双弓形折流板好；使用于气-气场合造价比传统双弓形折流板高；与三角形和正方形排管方式相比，径向排列制造方式不常见；管子径向排列时，靠近壳体的角度间隙要比靠近中间的管子大，这就需要在径向管排间增加额外的非径向排列折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，获得较好的传热效果。（1）折流板间距折流板间距影响到壳程流体流动方向和流速，从而影响到传热效率。最小折流板间距为壳体内径的1/5，不应该小于50mm。折流板间距太小会引起较大压力降，导致过量泄露和旁路流动，并使管外的机械清洁比较困难。折流板间距与壳径的关系见表：表1-10 折流板与壳径关系项目最小最大一般范围最佳值折流板间距/壳径1/5最大无支撑管束长度的一半0.30.61/3（单相流）常用的折流板间距如下：表1-11 折流板间距/mm公称直径管长折流板间距50030001002003004506004500-6000600-8001500-6000150200300450600900-130060002003004506007500，90007501400-160060003004506007507500，90001700-18006000-9000450600750依据表中的数据，可以确定折流板数目。对于DN500mm，选择一对；对于DN5001000mm，选择两对；对于DN1000mm，选择三对以上。单弓形折流板的缺口高度可为直径的10%45%，双弓形折流板的缺口高度为直径的15%25%。（2）折流板圆缺率圆缺率与壳径的关系见表：表1-12 圆缺率与壳径的关系最小最大一般范围最佳值圆缺率/壳径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）1.4.5 SW6校核固定管板换热器设计计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所设 计 计 算 条 件 壳 程管 程设计压力 0.686MPa设计压力 0.686MPa设计温度 120设计温度 199壳程圆筒内径Di300 mm管箱圆筒内径Di300mm材料名称Q345R材料名称Q345R 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设计计算前端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.69MPa设计温度 t 199.00 C内径 Di 300.00mm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 183.12MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 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 = = 0.66mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 392.94Kg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 = 0.2613 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.14 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= = 7.79019MPa设计温度下计算应力 st = = 13.71MPastf 155.65MPa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 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.69MPa设计温度 t 199.00 C内径 Di 300.00mm曲面深度 hi 100.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 183.12MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 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 = 1.25Pc= 0.2613 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 4.32MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.7083计算厚度 dh = = 0.47mm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 10.99 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 11.07946MPa结论 合格后端管箱筒体计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 0.69MPa设计温度 t 199.00 C内径 Di 300.00mm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 183.12MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 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 = = 0.66mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.70mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 392.94Kg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 = 0.2613 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 6.14 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= = 7.79019MPa设计温度下计算应力 st = = 13.71MPastf 155.65MPa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 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 0.69MPa设计温度 t 199.00 C内径 Di 300.00mm曲面深度 hi 100.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 183.12MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85压力