管壳式换热器的工艺设计

1、18CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2009,19(3管壳式换热器的工艺设计芮胜波。李峥王克立李彩艳兖矿鲁南化肥厂滕州277527摘要介绍在工艺设计中如何确定管壳式换热器程数,以及如何降低换热器的压力降。关键词管壳式换热器程数压降设计在化工、石油、动力、制冷以及食品等行业中,换热器属于常用而又重要的工艺设备,换热器的设计应满足特定工况和苛刻操作条件的要求。具体说满足工艺过程的要求,在工作压力下具有一定的强度,结构简单、紧凑,便于安装和维修,并考虑造价要低,运行安全可靠。新型换热器提高了传热效率。比如板式换热器和螺旋板式换热器具有传热效果好、结构紧凑等优点,能满足在

2、温度和压力不太高的工况下运行;板翅式换热器是一种轻巧、紧凑、高效换热器,广泛应用于石油化工、天然气液化、气体分离等行业中;此外,空气冷却器以空气为冷却剂在翅片管外流过,用以冷却或冷凝管内通过的流体,尤其适用于缺水地区,由于管外装置了翅片,既增强了管外流体的湍流程度,又增大了传热面积,这样,可以减少两边对流传热系数过于悬殊的影响,从而提高换热器的传热效能。目前,管壳式换热器具有结构坚固、操作弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点,所以在工程中仍得到普遍使用。尽管设计人员已能用专用软件HTFS进行设计计算,但为了使设计出来的换热器能更好地满足各种工况,仍然有许多方面需在设计时充分加以考虑。1程数的选

3、择1.1管程管程程数的选择,关键要比较管程与壳程的给热系数。如果单管程时管程流体的给热系数小于壳程流体给热系数,则应改用双管程,管程给热系数会因此显著增大,并且总传热系数也会有大幅提高。例如,一台单管程换热器,管程给热系数为990W/(m2,壳程给热系数为5010 W/(m2,总传热系数为794W/(n12,在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后,管程给热系数变为1680W/(n12,增大了70%,总传热系数变为1176W/ (m2,增大了48%,显然此时选用双管程换热器有利。反之,如果单管程时管程的给热系数大于壳程给热系数,当改用双管程时,虽然管程给热系数也会显著增大,但总传热系数则

4、增幅不明显。例如,一单管程换热器,管程给热系数为2276W/(In2,壳程给热系数为2104 W/(m2,总传热系数为1040W/(m2,在换热器的外形尺寸保持不变的情况下改为双管程后,管程给热系数变为4147W/(m2,增大了82%,总传热系数变为1280W/ (n12,只增大了23%。此处由于双管程换热器中分程挡板的存在,减少了换热管的排管数量,所以,有时传热系数增大的幅度尚不足以补偿因换热管的减少而损失的换热面积,在这种情况下则不宜采用双管程结构。从结构上看,双管程要比单管程复杂,制造难度大,所以在换热面积相当时,以选单管程换热器为宜。1.2壳程换热器壳程程数的选择,应从两个方面考虑,首

5、先,对于换热管很长的换热器,如果为了芮胜波:工程师。1996年毕业于华东理工大学化学工程专业,2006年毕业于华东理工大学化学工程专业获工程硕士学位。现从事煤化工项目研发及建设工作。联系电话:(06322363395。万方数据芮胜波等管壳式换热器的5-艺设计19减少占地面积,可以采用双壳程结构。例如一台单管程、单壳程的换热器外形尺寸为m1000×6000,若改用双管程双壳程结构,则西1400×3000可满足要求,长度方向减少了一半,从占地角度考虑是很有意义的;其次,如果壳程流体流量较小,造成壳程给热系数较小,单纯靠扩大壳体直径虽然会增大传热面积,但是由于流速降低而导致总传热

6、系数的减小,甚至不能补偿增大的传热面积,此时,除了可以选用几台小直径的换热器串联外,也可以考虑选用双壳程结构。但是双壳程设计需要在壳程设置纵向隔板,增加了换热器本身结构的复杂性和制造成本,而且壳程介质容易发生短路,降低换热效率,一般不宜采用。2压力降的设计换热器的压力降不仅受到动力消耗的限制,有时工艺过程也要求压力降不能太大,例如热虹吸式再沸器,其工作原理就是靠再沸器与塔之间的静压差,使工艺物料在蒸馏塔与再沸器之间构成循环,如果工艺流体的压力降过大,使静压差不足以克服压力降从而导致精馏塔不能正常操作。2.1影响因素影响压力降的因素很多,其中物料流速关系较大,增加物料流速,可增大传热系数,使换热

7、器结构紧凑,但增加流速同时增大了换热器的压力降。管程压力降的降低主要就是靠减小流体流速即增大换热管的流通面积,如减少管程数、选用大直径的壳体从而增加换热管数等。壳程压力降除了与壳体直径有关外,换热器的内部结构比如折流板的形式及切口宽度、换热管的间距及排列方式等也会对压力降造成不同程度的影响,如果选择得当,将会大大降低壳程的压力降,壳程为气相冷凝时常遇到这种情况。2.2设折流挡板为了提高壳程流体的流速,往往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板,这样可使流体沿规定路径多次横向流过管束,增加湍流程度,提高管问对流传热系数。常用的折流板有以下两种形式:(1圆缺形折流板,大部分换热器采用此种形式。

8、又可分为单圆缺和双圆缺,单圆缺形折流板的缺口宽度可为直径的15%一45%,其在壳程内的放置形式有两种,一种是上下方向排列,可造成液体剧烈扰动,以增大传热系数;另一种是左右方向排列,当设备中伴随有气相的吸收冷凝时,有利于冷凝液与气体的流动。对双圆缺形折流板,每块圆缺的缺口宽度可为直径的15%一25%。(2环盘形折流板,此种折流板允许通过的流量大,压降小,但传热效率不如圆缺形折流板,因此这种折流板多用于要求压降小的情况。对于壳程为气相冷凝的冷凝器,折流板的具体形式对壳程压降有很大影响,为了降低压降,在满足换热效果的前提下,可以增大单圆缺折流板的切口宽度,也可以选用双圆缺折流板或者环盘形折流板。此外

9、调整折流板之间的间距以及第一块折流板与管板之间的距离,也会减小壳程压降。一般情况下,对同一台换热器,习惯采用相同切口宽度的折流板,对壳程没有相变的换热器来说,这样做没有问题,但是对壳程为气相冷凝的冷凝冷却器来讲,就会存在一定的弊病,如果采用较小的圆缺切口宽度,则在壳程进口处的几块折流板处必然会产生较大的压降;反之,如果为了降低压降而采用很大的圆缺切口宽度,那么经过一定数量的折流板后,大部分气体冷凝造成流体体积急剧减小,从而导致液体通道相对太大而影响换热效果。实际上,为了解决这个问题,可以对壳程进口处的几块折流板采用较大的切口宽度,而后逐渐减小切口宽度,这样既能满足压降的要求,又能使冷凝液也能有

10、较大的传热系数,但是HTFS软件中没有提供这种计算模式,所以,折流板的切口宽度将如何渐变,渐变后壳程内不同部位流体的给热系数如何分布,计算起来将比较复杂,有待于在实际工作中进一步寻求经验。万方数据CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计2009,19(33遵循的原则在管壳式换热器的设计中,还有一些常规问题需要考虑。比如在物流的安排上,一般应遵循以下原则:(1不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧。(2需要提高流速以增大对流传热系数的流体应当走管程。(3具有腐蚀性的物料走管程。(4压力高的物料走管程,以使外壳不承受高压。(5温度很高(或很低的物料走管程,以减少热量(或

11、冷量的散失,如果为了更好地散热,则应让高温物料走壳程。(6蒸汽一般通人壳程,以便于排除冷凝液,而且蒸汽较清洁,其对流传热系数又与流速关系较小。(7粘度大的流体(斗>1.5×10一Pas一般走壳程,因为在设有挡板的壳程中流动时,流道截面和流向都在不断改变,在低Re数(Re >100下即可达到湍流,有利于提高壳程流体的对流传热系数。4结语在进行管壳式换热器的设计时,必须综合考虑各种因素的影响,只有这样,才能使换热器的设计既能满足工艺过程本身的要求,又能满足结构、维修、造价等各方面的综合要求。通过合理的工艺设计,有效地提高传热效率,减少传热面积,降低压降,提高能源的利用率,最终

12、使企业降低成本,提高效益。(收稿日期20090326内蒙古呼仑贝尔金新化工建设年产50万吨合成氨项目由云南云天化股份有限公司控股、香港金新集团参股的合资企业内蒙古呼仑贝尔金新化工有限公司,利用呼伦贝尔市丰富的煤炭资源和依托当地良好的投资环境,投资36亿元,在呼伦贝尔市陈巴尔虎旗工业园区内建设年产50万吨合成氨、80万吨尿素项目。该项目以宝日希勒煤田的褐煤为原料,年转化褐煤约200万吨,采用洁净煤气化技术生产出粗合成气,合成气精制后制氨,合成氨再与酸性气体脱除的二氧化碳反应生产尿素产品。项目总投资近31.5亿元,预计2010年底基本机械竣工,2011年6月前生产出产品,正常生产后可实现年销售收入

13、12.88亿元。(汪家铭中原大化建成国内首套蜜胺泡沫塑料生产装置国内首套年产lo万立方米蜜胺泡沫塑料装置日前在中原大化公司濮阳绿寰宇化工有限公司建成并投产。此项拥有完全自主知识产权的自主创新成果,打破了该技术被国外长期垄断的局面,填补了国内空白。在该项目的工业化过程中,濮阳绿寰宇化工有限公司利用中原大化公司的产业优势,以三聚氰胺为原料,经反复试验,优化工艺和配方,筛选出了专用助剂体系,研制出了连续发泡炉等专用装置,获得了10多项发明专利技术,实现了工业化连续生产。在目前国内三聚氰胺产能严重供大于求,国际市场需求疲软,产需形势异常严峻的情况下,该产品的投产,对中原大化公司延伸蜜胺产业链,优化产品

14、结构和提升企业的整体竞争力起到了重要的作用。蜜胺泡沫塑料是一种具有高开孔率的三维网格结构的新型泡沫塑料,具有优异的吸声性、阻燃性、隔热性、耐湿热稳定性、卫生安全性及良好的二次加工性能。在建筑材料、交通工具、航空航天、电子信息、家用电器等领域应用前景广阔,市场潜力巨大。(汪家铭万方数据 管壳式换热器的工艺设计作者:芮胜波, 李峥, 王克立, 李彩艳作者单位:兖矿鲁南化肥厂,滕州,277527刊名:化工设计英文刊名:CHEMICAL ENGINEERING DESIGN年,卷(期:2009,19(3引用次数:0次相似文献(6条根据行业标准JB/T4715-92,JB/T4716-92有关内容绘出公

15、式n=(D/ad2中系数a的变化曲线,从曲线分析结果中得出一些有价值的结论.2.学位论文黄阔螺旋及单弓折流板管壳式换热器壳程的传热与流速分布测量及阻力的实验研究2007管壳式换热器广泛地应用于动力、石油、冶金、化工、制冷、食品等工业领域,研究管壳式换热器的强化传热问题对于提高能量利用效率和降低工业部门的能耗有重要的意义。由于壳程结构的复杂性和加工工艺的程度不同,数值模拟应用于实际生产用换热器的壳程方面比较困难,且数值模拟的结果也需要通过实验测量加以验证,本文针对换热器壳程局部传热性能、流速分布、阻力性能的实验研究结果对于壳程数值模拟方面可提供有益的补充。 本文以空气为介质,对半圆形单弓形折流板

16、管壳式换热器壳程局部传热、阻力及流速分布进行了实验研究,结果表明:在雷诺数27731.7649324.78实验范围内,半圆形单弓形折流板管壳式换热器平均努塞尔准数的变化范围为48.2478.42;在雷诺数28731.5950172.03实验范围内,阻力系数变化范围为0.0391260.039081。同时发现其局部传热规律:从水平层面来看:从第一水平层面到第三水平层面,其局部传热系数最大点发生转移,同时不同水平层面的入口位置1和位置2,传热能力相差较大;从纵竖直面上的9个位置点,其努塞尔准数随雷诺准数的增加而增大。在同一雷诺准数下,其第三层面的传热能力最强,第一层面传热能力最弱;从横竖直面来看,

17、在两弓形板之间流体在对角线方向的传热最大,然后向两旁逐渐减小,在靠近弓形板角落传热性能最差。最后归纳出半圆形单弓形折流板管壳式换热器平均努塞尔准数与雷诺数的关系式和阻力系数与雷诺数的关系式。在对半圆形单弓形折流板管壳式换热器的壳程进行流场研究时,发现弓形折流板换热器的流场分布的规律性:在两弓形板之间流体在对角线方向的流速最大,然后向两旁逐渐减小,在靠近弓形板角落速度最小。这说明流场变化规律与半圆形单弓形折流板管壳式换热器的壳侧局部传热规律是相一致的。0.2100.199。同时发现其局部传热规律:从换热器轴向线到壳程边缘即沿径向方向,局部传热膜系数逐渐增大。最后归纳出螺旋折流板管壳式换热器平均努

18、塞尔数Nu与雷诺准数Re的关联式和阻力系数与雷诺数的关系式。在对螺旋折流板管壳式换热器壳程进行流场研究时,发现从换热器轴向线到壳程边缘即沿径向方向,动压逐渐增大,相应的速度逐渐增大。在本实验中所取六个测量位置分布较均匀,基本上能反映换热器局部流场规律,不存在流动死区,壳程中心区域与边缘区域的流体流速差别不大,即流场分布较为均匀。同时也说明流场规律与螺旋折流板管壳式换热器壳程局部传热规律是相一致的。任何一种管壳式换热器的性能优劣必须从多方面来综合评价,本文中利用一个评价换热器强化传热性能的准则同时对螺旋折流板管壳式换热器与半圆形单弓形折流板管壳式换热器进行了综合性能对比评价。评价结果表明,螺旋折

19、流板管壳式换热器的综合传热性能优于半圆形单弓形折流板管壳式换热器,在低雷诺数下尤其适用。论文为换热器壳程的传热机理研究与性能对比提供了实验数据,并且给工程设计提供了参考依据。对相同的换热器体积、相同折流板数、相同管程数的两壳程螺旋折流板换热器和两壳程弓形折流板换热器进行了对比性的数值模拟研究,结果表明:(1在相同壳程Re下,两壳程螺旋折流板换热器的换热系数h比两壳程弓形折流板换热器略低,压降DP比两壳程弓形折流板换热器低40%.(2在相同壳程流量G下,两壳程螺旋折流板换热器的换热能力比两壳程弓形折热器高60%,压降DP比两壳程弓形折热器高80%.(3在相同壳程压降DP下,两壳程螺旋折流板换热器

20、的换热系数h比两壳程弓形折流板换热器高30%.(4在允许的压降范围内,当换热要求较高时,多壳程的螺旋折流板管壳式换热器可强化换热,带走更多的热量,保证生产的安全.对相同的换热器体积、相同折流板数、相同管程数的两壳程螺旋折流板换热器和两壳程弓形折流板换热器进行了对比性的数值模拟研究,结果表明:(1在相同壳程Re下,两壳程螺旋折流板换热器的换热系数h比两壳程弓形折流板换热器略低,压降DP比两壳程弓形折流板换热器低40%.(2在相同壳程流量G下,两壳程螺旋折流板换热器的换热能力比两壳程弓形折热器高60%,压降DP比两壳程弓形折热器高80%.(3在相同壳程压降DP下,两壳程螺旋折流板换热器的换热系数h

21、比两壳程弓形折流板换热器高30%.(4在允许的压降范围内,当换热要求较高时,多壳程的螺旋折流板管壳式换热器可强化换热,带走更多的热量,保证生产的安全.6.学位论文徐伟四种管壳式换热器壳程流速分布、流动阻力及传热实验研究2006如何降低能耗,节约能源是企业未来发展的制约点与出发点。从传热学的角度讲,实现节能的途径无非是两条:强化传热与弱化传热。生产中的换热器是基本的传热设备,它不仅是工程设备正常运行的保障,同时,其动力消耗和投资在整个工程中占有重要的份额。因此,研究各种换热过程的强化问题来设计新型高效率的换热器,不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题,同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务。

22、管壳式换热器广泛的应用于动力、石油、冶金、化工、制冷、制药等工业领域,研究管壳式换热器的强化传热问题对于提高能量利用效率和降低工业部门的能耗有重要的意义。本文对四种不同支撑结构的管壳式换热器的壳程流速分布、阻力系数和管外传热膜系数分布首次做了实验研究,为四种换热器壳程的传热机理研究与性能对比提供了实验依据。针对半圆形空心环网板与旋流网板管壳式换热器的壳程结构进行了传热方面的研究,以空气为工质,在雷诺数1.471×10<'4>Re3.496×10<'4>范围内,空心环网板支撑结构的壳侧传热膜系数范围为54.909144.760 W/m<'2>