04-3换热器设计说明书

热交换器设计指南New Blood2017年“同化技术陕西鼓杯”第11届全国大学生化学设计竞赛川宁生物制药废气深度脱硫工程换热器设计手册2017年8月设计单位：河北工业大学化学学院设计团队：New Blood成员名称：德蒙廷王晨秀芳萧一亭周静导师：李春丽王红海防郑文林智俊杰目录第一章换热器设计41.1设计标准41.2换热器类型选择51.3换热器选型设计71.3.1传热介质工序71.3.2换热器终点温差81.3.3换热器流量81.3.4换热器壳程和管层压降91.3.5传热膜系数101.3.6灰尘系数101.4换热器设计11第二章E0106凝汽器选型设计122.1确定流程参数122.2 Design设计122.3 Rating/Checking检查模式152.4舍入172.5 SW6检查结果202.6设计结果表37第三章E0505降膜蒸发器选型设计403.1概述403.2选择胶片413.3薄膜厚度计算423.4周期计算433.5创新设计443.6使用Aspen EDR进行设计检查453.6.1 Design设计453.6.2 Rating/Checking检查模式483.6.3舍入503.6.4 SW6检查543.7设计结果表69第一章换热器设计传热装置是化学工业常用的工艺设备，能使传热，将热量从热流体传递到低温物体。一般来说，传热设备在化工厂设备中所占的比例在建筑费方面达到10%到40%。因此，在节能和工厂投资方面，合理选择和使用换热设备，节约投资，减少能源消耗是非常重要的。本项目以川宁生物为例，旨在制药行业含硫废气的深度脱硫处理和年产量11000吨二甲基亚砜项目，包括2个降膜蒸发器、6个浮头换热器、11个固定管板式换热器、5个垂直热虹吸再沸器，共22个。该项目使用国家机械设备设计中心开发的SW6软件进行机械强度校核，以使用aspen tech的Exchanger Design Rating选择和会计换热器。1.1设计标准固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0004-2009压力容器 GB150-2011化工工艺设计手册 2003-8热交换器型式与基本参数：浮头式热交换器 GBT 28712.1-2012热交换器型式与基本参数：固定管板换热器 GBT 28712.2-2012热交换器型式与基本参数：U形管式热交换器 GBT 28712.3-2012热交换器型式与基本参数：立式热虹吸式重沸器 GBT 28712.4-2012化工工艺设计手册 2003-8热交换器1.2换热器类型的选择如果热流交换股不允许混合，则应在中间壁换热器中进行。目前最常用的换热器是管壳式换热器，是工业工艺传热中最广泛使用的换热器之一，操作温度和压力范围大，制造成本低，清洁方便，吞吐量大，工作稳定，本项目均采用中间壁换热器的管壳式换热器。换热器类型分类见下表1-1。表1-1换热器的结构分类换热器类型换热器特性薄壳和细管固定管板钢结构：如果薄壳和管的温差小，则无法清理管使用膨胀节：具有恒温补偿功能，在外壳流程中只能承受较低的压力浮子样式管子内部和外部可以承受高压，可以用于高温和高压情况。u形管管内外可承受高压、管清洁和维护困难。库珀格式外部包装函：管道容易泄漏，不能处理挥发性、爆炸性和压力高的介质内部包装函：密封性能差，只能在差压低的情况下使用簿记壳体具有蒸汽和液相分离的蒸发空间。套管样式双套管结构比较复杂，主要用于高温高压情况或固定床反应器套管样式传热面用于小型冷却器、冷凝器或预热器的逆流操作螺旋潜水式用于冷却、冷凝或加热管外流体线圈式喷雾仅用于管内流体的冷却或冷凝板式易于拆除，可以调整传热面，主要用于粘性大的液体间传热螺旋板可以进行低温热回收的严格逆流操作雨伞板Umbelliferal传热板紧凑，通道小，容易堵塞，流体干净五角形束类似于管束，可萃取和修复，压力不能太高板翅式结构很小，传热效率高，流体阻力大管翅适用于气体和液体之间的传热，传热效率高，用于化学、动力、空调、制冷行业回旋加速器磁盘高温烟气冷却等应用的高传热效率北风用于空气预热器等固定网格紧凑的风格适用于从低温到高温的各种条件方阵不是小的可用于高温和腐蚀性气体表1-2管壳式换热器优缺点比较种类优点缺点浮头换热器管束很容易取出和清洗。介质温度不受限制。可在高温高压下工作，一般温度450，压力6.4 MPa；可以在更严重的情况下使用。可以在管道工艺容易腐蚀的情况下使用。小浮头容易发生内部泄漏。金属材料消耗很多，成本高20%。结构复杂固定管板换热器传热面积比浮动头换热器大20% 30%。旁路泄漏很小。锻件用得少，成本低20%以上。没有内部泄漏。外壳和管壁的温差通常小于50 ，大于50 时，必须在外壳上安装膨胀节。管板与管头之间的温差应力容易损坏。外壳不能机械清洁。管腐蚀后的壳体报废，壳体零件寿命取决于管寿命，寿命相对较低；不适用于壳程犯规环境。u形管换热器管束可以提取机械清洗。壳体和管壁不受温差限制。可以在高温高压下工作，一般温度 500，压力10MPa适合。可以在壳体结构污垢更严重的情况下使用。可以在管道工艺容易腐蚀的情况下使用。管的u形侵蚀需要控制管的流速。管道不适用于较重的缩放。单管换热器不适用。不适用于内部导向器，因此死区更大。可充电热交换器管束可以提取机器清洗。介质之间的温差不受限制。可以在管道腐蚀严重的情况下使用。适用温度最高为200 ，压力最高为2.5MPa密封容易泄漏。不适用于毒性、易燃、爆炸性、挥发性和珍贵的介质。在这个项目中，塔底再沸器的情况下，根据气化率进行选择。如果气化率大，则选择釜式再沸器，如果气化率低，则选择立式热红真空再沸器，水平热红真空再沸器。剩下的换热器根据传热温差和传热温度选择浮头换热器和固定管板换热器。1.3换热器选型设计1.3.1传热介质工艺媒体是管道路径还是外壳路径，要根据媒体的特性和工艺要求综合选择。以下是典型的媒体进程数组：(1)腐蚀性介质必须通过管道，以降低对外部外壳材料的要求。(2)有毒介质走管道，泄漏概率小。(3)容易清洁和清洁的结垢介质；(4)高压力介质移动，降低壳体的机械强度要求；(5)温度高的介质经过管道过程后，可以改变材料以满足介质的要求；此外，由于流体可以轻松地到达外壳内的湍流(Re100将是管道内流动的Re10000是湍流)，因此声称，如果在外壳路径中选择粘度大、流速小的介质，传热系数可以提高。从压力降考虑，雷诺数较小的薄壳路径也有利。本项目的换热器设计为符合上述原则，传热的介质工艺参考了换热器选择对照表。1.3.2换热器终点温差换热器的终端温差一般取决于工艺过程的需要，但在确定温差时，必须考虑换热器的经济性和传热效率的影响。在工艺设计中，热交换器必须在更好的范围内工作，通常认为理想的终端温差是：(1)热端的温差必须在20以上。(2)水或其他冷却介质冷却时，冷端温差可以小一些，但不能小于5；(3)用冷却剂冷凝过程流体时，冷却剂的进口温度必须高于过程流体中最高凝点成分的凝点5 。(4)空冷器的最低温差必须大于20 。(5)凝结含有惰性气体的流体，冷却剂出口温度至少比冷凝成分露点低5 。本项目中，换热器设计遵循上述原则，循环水流入温度为30 ，循环水回流温度为40 ，低温水流入温度为7，低温水回流温度为20 。高温介质采用基于整个工厂换热器网络的热回收、回收方式，原料气体预热、供给预热等级联冷却原则。1.3.3换热器流量流量增加，流体湍流程度增加，可以提高传热效率，有助于冲洗土壤和沉积物，但流速过高，磨损严重，导致设备振动，影响运行和使用寿命，能量消耗也增加。传热介质的经验流速见表1-3。在本项目设计中，选择换热器时，控制换热器的流速在经验范围内，换热器内的冷却、热流单元的流动模式必须是湍流。表1-3换热器经验流速流体在直管中通常具有适当的流速薄壳范围的一般适当流速物质流速(m/s)物质流速(m/s)冷却剂(淡水)0.7-3.5水和水溶液0.5至1.5冷却用海水0.7-2.5低粘度油0.4-1.0低粘度油0.8至1.8高粘度油类0.3至0.8高粘度油类0.5至1.5油类蒸汽3.0至6.0油类蒸汽5.0至15.0气液混合流体0.5-3.0气液混合流体2.0至6.01.3.4换热器壳程和管层压降压降通常根据工作压力考虑一般范围。压降的影响因素更多，但希望换热器的压降在以下参考范围内或附近。表1-4换热器通用压降表工作压力p压降 p真空(0-0.1 MPa绝对压力)P/100-0.7 (MPa表压力相等)P/20.07-1.00.035(低于MPa)1.0至3.00.035-0.183.0至8.00.07-0.25该项目设计确保出口绝对压力不超过0.1MPa(真空条件)，压降不超过进口压力的40%，出口绝对压力大于0.1MPa，压降不超过进口压力的20%。1.3.5传热膜系数如果传热面两侧的传热膜系数较大，则值较小的一方是控制传热效果的主要因素，设计换热器时，建议将这边的传热膜系数尽可能增大，使两侧的值几乎相等。计算传热面积时，通常基于较小的方面。增值方法包括：(1)为了增加流速，减少通道断面面积。(2)添加挡板或促进湍流的插入。(3)在导管壁上添加销，提高湍流度，传热面积也增加。(4)通过使传热表面粗糙，并使用槽或多孔表面，可以在具有冷凝、沸腾等相变的传热过程中获得较大的膜系数。本项目的传热系数是根据传热膜系数通过固定壁热阻和尺度热阻计算的。1.3.6灰尘系数使用热交换器时，墙面上可能会出现污垢，因此，一般来说，在设计热交换器时要慎重考虑。由于目前没有灰尘引起的热阻的可靠公式，因此无法进行定量计算，设计时必须慎重考虑流速和壁温的影响。选择过大的安全系数可能会产生反效果，如果传热区域的安全系数过大，流速会降低，自然“除垢”效果会减小，土壤会反过来增加。有时设计时考虑到有污物的最不利条件，但新开业的时间没有时间，出现过热，有时对实际结构更有利，必须慎重。设计时，应减少提高水质、去除死区、增加流速、防止部分过热等工序中的灰尘系数。1.4换热器设计此项目总共需要22个换热器，并根据Aspen energy analyzer设计的换热器网络选择了设备。但是，在实际选择过程中，将考虑经济流速和壳体侧压力降要求，对传热条件进行一些调整。选择过程主要使用Aspen plus模拟敏捷算法，将数据导入到Aspen Exchanger Design Rating中进行选择和检查。以下是冷凝器E0106和降膜蒸发器E0505的详细选择设计指南。第二章E0106凝汽器选型设计2.1确定流程参数以E0106选择过程为例。E0106用H2S可拆卸塔底部的热醇胺溶液和公共工程冷凝液(25)加热物流，以下是流动股票的传热对象。表2-1 E0106传热过程参数表串流股票名称主要组件压力/atm温度/cQ/kg/h气象分数壳进程入口(热醇胺溶液)热醇胺溶液1.151042083800壳进程出口(冷醇胺溶液)冷醇胺溶液1.048.352083800管道入口(公共事业)冷却水12515950000管道出口(公共事业)冷却水0.933215950000首先在Aspen plus中执行敏捷算法模拟，输入公共工程数据，然后运行初始结果。将其导入到Aspen Exchanger Design Rating中，以执行严格的选择计算。2.2设计热醇胺溶液应冷却，流速小，公用事业冷却水流量大，允许压降低，综合考虑传热系数提高和压降的充分使用，并选择醇胺溶液为壳体路径，冷却水迁移路径。醇胺溶液浓度低，但考虑到其腐蚀性，使用06Cr19Ni10。检查一般流体的污垢热阻，外壳二乙醇胺溶液(水)污垢热阻0.00018，管道冷凝液污垢热阻0.0009。两个流体出口绝对压力决定压力降允许的压力降。也