换热器、板式塔和搅拌装置讲义

第十六章管壳式换热器

（shellandtubeheatexchanger）第一节总体结构管壳式换热器是把换热管束与管板连接后，再用筒体与管箱包起来，形成两个独立的空间。管内的通道及与其相贯通的管箱称为管程；管外的通道及与其相贯通的部分称为壳程。主要分为:固定管板换热器;浮头式换热器;U形管式换热器以及填料函式换热器.2024/2/191Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/192Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/193Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/194Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/195Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/196Qingdaouniversityofscienceandtechnology（1）固定管板换热器两端管板采用焊接方式与壳体连接固定。优点为:结构简单、管板有管子支承，比较薄，管子方便更换清洗。缺点：管外清洗困难，热应力比较大。它适用于壳体与管子温差小的场合；当壳体与管子温差大时，可在壳体上设置膨胀节，以减小两者因温差而产生的热应力。

2024/2/197Qingdaouniversityofscienceandtechnology（2）浮头式换热器两端管箱一个是固定的，另一个则是浮动的；设计目的为：⑴管束可从壳体内抽出，便于清洗；⑵管束可自由伸缩，消除了热应力。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。缺点：该设备结构复杂，造价高，排管数少，增大了旁路流路，影响了热效率，而且浮头处的泄露不易发现。2024/2/198Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/199Qingdaouniversityofscienceandtechnology（3）U形管式换热器可弥补浮头式换热器结构复杂、造价高的不足，同时又保留换热管束可以抽出，热应力可以消除的优点。这种换热器只有一块管板，换热管弯成U形，管子的两端均固定在这一块管板上，中间用分程隔板隔开。该换热器中间空隙较大，易短路，内层换热管一旦发生泄漏，只能堵塞而不能更换，只适合于管壳程温差较大的场合。2024/2/1910Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1911Qingdaouniversityofscienceandtechnology（4）填料函式换热器是浮头式换热器的一种改型结构，它把原置于壳程内部的浮头移至体外，用填料函来密封壳程内介质的外泄。因此由原先的静密封改为了动密封，易发生泄漏。2024/2/1912Qingdaouniversityofscienceandtechnology第二节管壳式换热器的主要零部件1、壳体

固定管板换热器的管束与管板、管束与壳体均为刚性连接，在工作时，若管束壁温与壳体壁温存在较大温差，就会产生温差应力，再与介质压力产生的应力叠加起来，可能会造成管子的弯曲或使管子与管板连接处发生泄漏，甚至会使壳体或管子上的应力超过许用应力或造成管子从管板上拉脱。因此，必须对管子、壳体进行轴向受力分析与轴向力校核。

2024/2/1913Qingdaouniversityofscienceandtechnology流体压力引起的轴向力2024/2/1914Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1915Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1916Qingdaouniversityofscienceandtechnology管壁与壳壁因温差引起的轴向力2024/2/1917Qingdaouniversityofscienceandtechnology壳体壁厚的确定壳体的壁厚是由环向薄膜应力决定的，按薄膜理论的应力计算公式即可求得。对于固定管板换热器由于有热应力的存在，所以按环向薄膜应力确定壁厚以后还应视情况校核其轴向应力。壳体的壁厚应不小于换热器壳体所规定的最小壁厚。2024/2/1918Qingdaouniversityofscienceandtechnology2、管箱管箱是由封头、管箱短节、法兰连接、分程隔板等组成。增加短节的目的是保证管箱有必要的深度安放接管和改善流体分布。分程隔板厚度的计算及其与管板间的垫片密封结构应符合GB151-1999的规定。2024/2/1919Qingdaouniversityofscienceandtechnology3、管束（tubebundle）⑴换热管的尺寸规格：换热管是用于传热的主要元件，管子尺寸对传热有很大影响，采用小直径管子时，单位体积的换热面积会大一些，管内传热系数得到提高，但制造麻烦、费用高，而且流体阻力大，易堵塞。2024/2/1920Qingdaouniversityofscienceandtechnology⑵换热管的排列方式（tubepattern）

管子的排列方式有正三角形排列和正方形排列两种。在管间距和布管区均相同的条件下，三角形排列的布管数较多，而正方形排列的管束在相邻的两排管子之间具有一条直线通道，便于用机械方法清洗管间，三角形排列不具有这种直线通道，因而只适用于清洁的壳程介质。不同的排列方式将会影响到对流传热系数的大小，采用正三角形排列会获得较高的对流传热系数，而正方形排列的对流传热系数最低。2024/2/1921Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1922Qingdaouniversityofscienceandtechnology⑶管间距（Tubepitch）管间距指的是相邻两根管子的中心距，减小管间距可提高对流传热系数，但受到管板强度和管子与管板连接工艺要求的限制，其管间距不得小于GB151-1999所规定的距离。

2024/2/1923Qingdaouniversityofscienceandtechnology（4）最大布管限定圆直径（Outertube

limit）最大布管圆直径应在GB151-1999所规定的限定圆直径范围内。2024/2/1924Qingdaouniversityofscienceandtechnology（5）换热管与管板的连接

其连接形式有胀接、焊接、胀焊并用三种。

⑴胀接：管子与管板的连接靠的是管板孔收缩产生的残余应力而箍紧管子，因此它会随着温度的升高而降低，所以胀接连接的使用温度不大于300℃，设计压力不超过4Mpa。采用胀接时，管板的硬度应大于换热管的硬度以保证管子发生塑性变形时管板仅发生弹性变形。

2024/2/1925Qingdaouniversityofscienceandtechnology

⑵焊接：其优点：①管孔不需开槽，其表面粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，制造简便。②强度高，抗拉脱力强，可保证气密性要求。缺点是管子更换困难，一般都堵死；焊接的残余应力和应力集中有可能带来应力腐蚀与疲劳破坏。⑶胀焊并用：其结构分为两种①强度胀加密封焊，对胀接的要求是承受管子拉脱力，同时保证连接处的密封，焊接仅起到辅助防漏的作用。②强度焊加贴胀，用焊接保证连接处的强度和密封，贴胀是为了消除换热管与管孔间的环隙，防止间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏的能力。2024/2/1926Qingdaouniversityofscienceandtechnology4、管板（tube-sheet）换热器管板的计算所涉及的因素非常多，所以非常复杂，一般采用计算机计算。管板与壳体的连接以及管板与管箱的密封连接分别见下图。2024/2/1927Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1928Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1929Qingdaouniversityofscienceandtechnology5、波形膨胀节1.波形膨胀节的作用：

在固定管板换热器中可消除或降低热应力。当壳体和管子之间的温差较大(60~70℃)且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。2.波形膨胀节的设置条件需从管束与壳体轴向强度、稳定性及管板连接处的拉脱力三方面考虑。3.波形膨胀节的结构形式形式较多，主要为U形。U形膨胀节每一个波的补偿能力与使用压力、膨胀节的材料及波高、波长等因素有关。增加波高，补偿能力加大但耐压性能降低。

2024/2/1930Qingdaouniversityofscienceandtechnology6、折流板和支持板结构1.作用与结构形式①作用：折流板是为了提高壳程介质流速，强化传热；对于卧式换热器，还有支撑管束的作用。支持板是为了支撑管束，防止产生过大的挠度变形。②结构形式：弓形和圆环形。缺口面积根据流速决定。2.间距折流板间距过大会影响传热效果，支持板间距过大会使换热管产生过大的挠度，其最大间距不得超过GB151的规定。3.固定折流板和支持板是用拉杆固定的，拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，拉杆的数量与筒体直径及拉杆直径有关。2024/2/1931Qingdaouniversityofscienceandtechnology圆缺形加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的α多管程：增大管内流体u，提高管内的α圆盘形2024/2/1932Qingdaouniversityofscienceandtechnology圆盘形圆缺形2024/2/1933Qingdaouniversityofscienceandtechnology7其他防冲板与导流板为防止壳程的接管进口处壳程流体对换热管直接冲刷，应设置壳程的防冲板与导流板。扩大管壳程介质为蒸汽，可采用扩大管起缓冲作用。排液口与排气口换热器壳程与管程的最高点设排气口，最低点应设排液口。2024/2/1934Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1935Qingdaouniversityofscienceandtechnology第十七章板式塔第一节概述板式塔为逐级接触式气液传质设备，其结构如图所示，主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。由于塔身高大且多露天放置，其受力状况为：（1）操作压力；不会传递给裙座；（2）自身重力，不同工况受力不同（3）风载荷，流体诱发振动；（4）地震载荷。水平方向运动重要2024/2/1936Qingdaouniversityofscienceandtechnology板式塔内流体的流动操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等），分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。2024/2/1937Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1938Qingdaouniversityofscienceandtechnology板上气液两相的接触状态两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现四种不同的接触状态。2024/2/1939Qingdaouniversityofscienceandtechnology（1）鼓泡接触状态当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。2024/2/1940Qingdaouniversityofscienceandtechnology（2）蜂窝状接触状态随着气速的增加，气泡的数量不断增加。当气泡的形成速度大于气泡的浮升速度时，气泡在液层中累积。气泡之间相互碰撞，形成各种多面体的大气泡，板上为以气体为主的气液混合物。由于气泡不易破裂，表面得不到更新，所以此种状态不利于传热和传质。2024/2/1941Qingdaouniversityofscienceandtechnology（3）泡沫接触状态

当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。2024/2/1942Qingdaouniversityofscienceandtechnology（4）喷射接触状态

当气速继续增加，气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。此时塔板上的气体为连续相，液体为分散相，两相传质的面积是液滴的外表面。由于液滴回到塔板上又被分散，这种液滴的反复形成和聚集，使传质面积大大增加，而且表面不断更新，有利于传质与传热进行，也是一种较好的接触状态。2024/2/1943Qingdaouniversityofscienceandtechnology降液管(液体通道)平顶型溢流堰(液层气液接触面积)受液区开孔区(气体通道)一、板式塔类型、结构及特点：2024/2/1944Qingdaouniversityofscienceandtechnology优点：弹性大、操作稳定可靠。缺点：结构复杂，制造成本高，压降大，液泛气速低，故生产能力较小。板式塔2024/2/1945Qingdaouniversityofscienceandtechnology特点：结构简单、造价低、压降小、生产能力大、操作弹性可达2~3、板式塔2024/2/1946Qingdaouniversityofscienceandtechnology特点：结构上较泡罩简单，比筛板复杂，操作弹性大、生产能力大。板式塔2024/2/1947Qingdaouniversityofscienceandtechnology阀型：F1型、V型、T型、A型

各种浮阀：2024/2/1948Qingdaouniversityofscienceandtechnology压延孔板旋流塔板

斜孔塔板

板式塔2024/2/1949Qingdaouniversityofscienceandtechnology第二节整块式塔盘的板式塔塔径小于700mm时，塔盘作成整块式，根据塔盘的安装固定方式不同，整块式又分为：（1）定距管支承式塔盘；（2）重叠式塔盘；2024/2/1950Qingdaouniversityofscienceandtechnology（1）定距管支承式塔盘安装时先将拉杆的下端通过螺母固定在支座上，然后由下而上逐层安装塔盘及塔盘圈四周的密封装置，最后用两个螺母从上端拧紧。2024/2/1951Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1952Qingdaouniversityofscienceandtechnology（2）重叠式塔盘；它与定距管支撑式塔盘的区别在于，塔盘的支撑是焊在塔盘上的三根支柱和一个支撑板上。上层塔盘通过调节螺栓安放在下层塔盘的支撑板上。2024/2/1953Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1954Qingdaouniversityofscienceandtechnology塔盘圈与密封结构：2024/2/1955Qingdaouniversityofscienceandtechnology密封结构为了防止塔盘下面空间内的气态介质从塔盘四周逸入塔盘上层空间，需要将塔盘板四周与塔体内表面间的环隙用填料密封起来，结构如图所示：螺柱焊在塔盘圈内侧，装好填料、压圈和压板后，旋紧螺母对压板的垂直作用力通过压圈传到填料上去。2024/2/1956Qingdaouniversityofscienceandtechnology第三节分块式塔盘板式塔在直径较大的板式塔中，由于人能进入塔内，故都采用分块式塔盘，此时塔身为一焊制整体圆筒，不分塔节，而将塔盘板系分成数块，通过人孔送入塔内，装到焊在塔内壁上的塔盘固定件上。有单液流程和双液流程两种组装结构。2024/2/1957Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1958Qingdaouniversityofscienceandtechnology板式塔2024/2/1959Qingdaouniversityofscienceandtechnology支撑圈结构2024/2/1960Qingdaouniversityofscienceandtechnology塔盘边板与支撑圈的连接2024/2/1961Qingdaouniversityofscienceandtechnology相邻塔盘板之间的连接2024/2/1962Qingdaouniversityofscienceandtechnology塔盘板、出口堰板、降液板的连接2024/2/1963Qingdaouniversityofscienceandtechnology板式塔的其它结构（进料管）2024/2/1964Qingdaouniversityofscienceandtechnology整块塔板上的进料管2024/2/1965Qingdaouniversityofscienceandtechnology吊柱塔高在15m以上，为检修方便在塔的顶部都应设置吊柱。其参数是臂长和起吊重量。1.吊杆最好是整根的钢管。2.封板悬臂端加封板，防止雨水灌入吊柱引起生锈。3.吊钩4手柄，方便用力，用套筒。5.制动插销：起吊物体时，防止任意转动。6.支撑点结构。2024/2/1966Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1967Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1968Qingdaouniversityofscienceandtechnology塔的裙座由座圈、基础环和地脚螺栓座组成。座圈焊在基础环上，基础环作用：1传递力给基础，2上面焊制地脚螺栓座。地脚螺栓将基础环固定在基础上，基础上的地脚螺栓为预先填埋固定好的，所以为了安装，基础环上的地脚螺栓孔为开口的，装完后再焊上。2024/2/1969Qingdaouniversityofscienceandtechnology第十八章反应釜第一节反应釜的总体结构主要由釜体、传热装置和搅拌装置组成。釜体：它是物料进行化学反应的空间，由筒体和上下封头组成。多数釜体是密闭的，可承受一定的压力。传热装置:化学反应过程一般多伴有热效应——放热或吸热。进行加热或冷却都是为了使温度控制在反应所需要的范围内。搅拌装置:使参与反应的各种物质混合均匀，接触良好，加速反应。搅拌装置由搅拌轴和搅拌器组成，其转动装置由电机经减速机减速，再通过联轴器来带动。

2024/2/1970Qingdaouniversityofscienceandtechnology第二节釜体及传热装置2024/2/1971Qingdaouniversityofscienceandtechnology长径比主要考虑长径比对搅拌功率、传热以及物料反应的影响。⑴长径比对搅拌功率的影响搅拌器桨叶直径与搅拌釜内径有一定比例关系。在固定的搅拌轴转速下，搅拌功率与搅拌器桨叶直径的五次方，而搅拌器直径随釜内径增大要相应增大，因此长径比应考虑选的大一些。⑵长径比对传热的影响对夹套传热有显著影响。长径比越大，夹套传热面积越大，同时传热表面距釜体中心越近，物料温度梯度小，有利于提高传热效果。⑶物料反应对长径比的要求物料反应需要足够的液位高度，物料由充分的接触时间。需要长径比大些。工程实际中，可以根据表来进行选择。2024/2/1972Qingdaouniversityofscienceandtechnology3.釜体的壁厚当釜体是正压操作时，按薄膜理论的厚度计算公式进行强度计算，强度的计算压力不低于釜体的设计压力，带夹套的釜体还应按夹套压力作为外压，校核釜体的稳定性，此时的计算压力不得低于加套强度计算时的计算压力。当釜体为负压操作时，釜体的稳定计算压力取加套的计算压力再加上0.1Mpa。2024/2/1973Qingdaouniversityofscienceandtechnology二、釜体的传热装置釜体的传热装置有夹套和蛇管两类。在釜体外侧，以焊接或者法兰连接的方式设各种形状的外套，使其与釜体外表面形成密闭的空间，在此空间内通入载热流体，以加热或冷却物料，维持物料的温度在规定的范围，这种结构称为夹套。最常用的为B型。2024/2/1974Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1975Qingdaouniversityofscienceandtechnology根据釜体下端封头，有圆筒形和U形两种。夹套高度主要决定于传热面积的要求，一般不低于液面的高度，以保证充分换热。2024/2/1976Qingdaouniversityofscienceandtechnology其他类型的夹套整体夹套的压力一般不能超过1MPA，否则釜体的壁厚太厚。当反应釜直径较大或传热介质压力较高时，可采用焊接半圆管夹套、型钢夹套或蜂窝夹套，不但可提高传热介质流速，改善传热效果，还可提高筒体承受外压能力。如图所示：

2024/2/1977Qingdaouniversityofscienceandtechnology蛇管当需要的传热面积较大时，夹套传热不能满足要求时，可采用蛇管传热。它沉浸在物料中，热损失小，传热效果好，还能起到导流筒的作用，改变流体的流动状态，减小漩涡，强化搅拌程度。蛇管需设支架固定，用U型螺栓紧固，可防止振动。

2024/2/1978Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1979Qingdaouniversityofscienceandtechnology蛇管的固定2024/2/1980Qingdaouniversityofscienceandtechnology 第三节搅拌装置搅拌器的功能搅拌器是提供工艺过程所需要的能量和适宜的流动状态，以达到搅拌的目的。工艺过程对搅拌的要求可分为混合、搅动、悬浮和分散四种。混合:是通过搅拌作用，使相对密度、粘度不同的物料混合均匀。搅动:通过搅拌使物料强烈流动，以提高传热和传质速率。悬浮:是通过搅拌使原来在静止的液体中会沉降的固体颗粒或液滴悬浮在液体介质中。分散:通过搅拌作用，使气体、液体或固体分散在液体介质中，增大不同物相间接触面积，加快传热和传质过程。2024/2/1981Qingdaouniversityofscienceandtechnology1、流型分为三种：轴向流，径向流，切向流。轴向流（沿搅拌轴平行方向流动）；径向流（沿搅拌器径向流出，轴向流入）；切向流（沿搅拌器旋转半径的切线方向流动）轴向流和径向流有利于液体的传热和传质，而切向流是不利的，应避免这种流型的出现。

2024/2/1982Qingdaouniversityofscienceandtechnology2024/2/1983Qingdaouniversityofscienceandtechnology2、搅拌器桨叶的形式分为三类：平直桨叶，斜桨叶和螺旋面桨叶。⑴平直桨叶桨叶面的运动方向与桨叶面垂直，当桨叶在低速旋转时，液体主要为水平环向流动；当桨叶的旋转速度增高时，流体流向的主要部分变为径向流。⑵斜桨叶斜桨叶的叶面与其旋转方向成一定的倾斜角。当桨叶在低速旋转时，液体既有水平切向流，又有轴向流。当桨叶的旋转速度增高时，液体还有较大的径向流。⑶螺旋面桨叶螺旋面桨叶是连续的螺旋面