《生物制药设备》课件-项目2 -换热设备

项目2制药工程换热设备一、工作过程化工生产工艺中，各种化学反应和各种化工过程，都有一定的温度要求，因此需要进行各种传热过程：如反应物料的加热或冷却，产品的冷凝或冷却，反应热量的取出或供给，液体的蒸馏、汽化或稀溶液的蒸发，工业余热（废热）的回收和热能的综合利用等。换热设备是非常重要且被广泛应用的化工工艺设备。第一节换热设备的工作过程及类型热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备广泛应用于化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械等。在化工厂中，换热设备投资占10%-40%。1、热量的传递方式（1）传导传热

传导传热是热量从物体的高温部分沿物体本身传至低温部分的一种传热方式。

（2）对流传热

对流传热是靠液体或气体的流动，也就是各分子团间相对位置的改变来传递热量的。

（3）辐射传热

辐射传热是热能不借助任何传递介质，而是以电磁波的形式（或称辐射能）在空间传播，遇到另一物体时，辐射能被部分或全部吸收转变为热能。2、换热设备的换热过程自制一个简单的换热器按作用原理或换热方式直接接触换热器蓄热式换热器间壁式换热器二、换热设备的类型直接接触换热器传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜，但仅适合工艺上允许两种流体混合的场合。热流体冷流体热流体冷流体又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。如冷却塔、气压冷凝器等。蓄热式换热器

又称回热式换热器，它是借助于由固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体的换热器。若两种流体不允许有混合，则不能采用蓄热式换热器。热流体冷流体热流体冷流体载热体间壁式换热器又称表面式换热器，它是利用间壁（固体壁面）将进行热交换的冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体的换热器。是工业中应用最为广泛的换热器。热流体冷流体热流体冷流体间壁式换热器管式换热器板面式换热器其他形式换热器蛇管式换热器套管式换热器管壳式换热器：应用最广缠绕管式换热器沉浸式蛇管换热器喷淋式蛇管换热器螺旋板式换热器：不易结垢板式换热器板翅式换热器：效率最高板壳式换热器伞板式换热器石墨、聚四氟乙烯、热管换热器这是什么？螺旋管式换热器

折流杆换热器浮头式外导流筒换热器

U型管式换热器折流杆换热器

按用途分类加热器:用于把流体加热到所需温度预热器:用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。过热器:用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。蒸发器:用于加热液体，使其蒸发汽化。再沸器:用于加热已被冷凝的液体，使其再受热汽化，为蒸馏过程专用设备。冷却器:用于冷却流体，使其达到所需温度冷凝器:。用于冷却凝结性饱和蒸汽，使其放出潜热而凝结液化。

按材料分类金属材料换热器：导热系数大、传热效率高非金属材料换热器：具有腐蚀性物系换热设备的基本要求1、合理实现工艺条件传热量、流体热力学参数（t、

p、流量

、相态）与物理性质（ρ、黏度、腐蚀性）是工艺过程的条件传热设备具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。（1）增大传热系数，不振动、高流速；（2）增大平均温差，逆流传热；（3）妥善布置传热面，错列、并列管束；2、安全可靠（1）属于压力容器：GB151、ASME、TEMA、EJMA；3、有利于安装、操作、维修（2）材料选择特性、物理、机械、化学、应力；

立式设备安装优于卧式设备4、经济合理

在一定时间内固定费用与操作费用之和制造容易，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压。虽然它在结构紧凑性、传热强度和单位金属消耗量方面不如板式或板翅式换热器，但由于具有前述的一些优点因而在化工、石油、能源等行业的应用中仍处于主导地位。在换热器向高温、高压、大型化发展的今天，随着新型高效传热管的不断出现，使得管壳式换热器的应用范围得以扩大，更增添了管壳式换热器的新的生命力。一、管壳式换热器的类型及特点第二节换热设备的结构固定管板式换热器固定管板式换热器点击点击点击点击优点:结构简单、紧凑。在相同的壳体直径内，排管数最多，旁路最少；每根换热管都可以进行更换，且管内清洗方便。缺点:壳程不能进行机械清洗；当换热管与壳体的温差较大（大于50℃）时产生温差应力U形管式换热器点击点击优点:结构简单，密封面少、运行可靠、造价低；管束可以抽出，管间清洗方便。缺点:管内清洗比较困难；由于管子需要有一定的弯曲半径故管板的利用率较低；管束最内层管间距大，壳程易短路；适用于:管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。1.U型管式换热器2.板框式过滤机3板式精馏塔4沉浸蛇管换热器5.齿轮泵6.洞道干燥7.多级离心泵8.柏努利能量平衡方程9.板翅式换热器10.传热实验浮头式换热器点击点击优点:当换热管与壳体有温差存在、壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可从壳体内抽出，便于管内和管间的清洗。缺点:结构较复杂，材料用量大，造价高；浮头盖与浮动管板之间若密封不严会发生内漏，造成两种介质的混合。适用于:壳体和管束壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。可在高温、高压下工作，一般温度低于450℃，压力低于6.4MPa场合。填料函式换热器

点击点击优点:结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价低；管束可从壳体内抽出，管内、管间均能进行清洗，维修方便。缺点:填料函耐压不高，一般小于4.0MPa；壳程介质可能通过填料函外漏，对易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。使用于:管、壳壁温差较大或介质易结垢，需经常清理且压力不高的场合。固定管板式换热器结构二返回固定管板式换热器结构三返回固定管板式换热器结构四返回固定管板式换热器结构一返回U形管式结构1返回U形管式结构2返回浮头式结构1返回浮头式结构2返回填料函式换热器结构一返回填料函式换热器结构二返回1、管板

管板是换热器中重要的受力元件之一，管板主要用来连接换热管，同时将管程和壳程分隔，避免冷热流体相混合。管板材料

选择管板材料时，除力学性能外，还应考虑管程和壳程流体的腐蚀性，以及管板和换热管之间的电位差对腐蚀的影响。当流体无腐蚀性或有轻微腐蚀性时，管板一般采用压力容器用碳素钢或低合金钢板或锻件制造。

当流体腐蚀性较强时，管板应采用不锈钢、铜、铝、钛等耐腐蚀材料。但对于较厚的管板，若整体采用价格昂贵的耐腐蚀材料，造价很高。工程上常采用不锈钢+钢、钛+钢、铜+钢等复合板，或堆焊衬里。二、管壳式换热器管程结构管板结构在满足强度的前提下，应尽量减少管板厚度。薄管板是指相对采用标准、规范（如GB151《管壳式换热器》、美国管式换热器制造商协会标准TEMA）计算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度为8-20mm。薄管板：有平面形、椭圆形、蝶形、球形、挠性薄管板等形式，最为常用的是平面形薄管板。2、换热管换热管材料主要是根据工艺条件和介质腐蚀性来选择。（1）强度胀强度胀指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。胀接有非均匀胀接（机械滚珠胀接）和均匀胀接（液压胀接、液袋胀接、橡胶胀接和爆炸胀接等）两类。换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是换热器事故率最多的部位。换热管与管板连接的好坏，直接影响换热器的使用寿命。机械滚珠胀接是最早的胀接方法，目前仍大量使用。强度胀接主要适用于设计压力小于等于4.0MPa；设计温度小于等于300ºC；操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐蚀等场合。3、管板和换热管的连接（2）强度焊强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。此法目前应用较为广泛。由于管孔不需要开槽，且对管孔的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工简单。焊接结构强度高，抗拉脱力强。在高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。除有较大振动及有缝隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，强度焊接可用于其他任何场合。管子与薄管板的连接应采用焊接方法。（3）胀焊并用胀焊并用，不仅能改善连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命。因此，此法得到广泛应用。胀焊并用主要用于密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需要用复合管板等的场合。胀焊并用方法，从加工工艺看，主要有强度胀+密封焊、强度焊+胀接、强度焊+强度胀等几种形式。换热管排列形式正三角形转角三角形正方形转角正方形30º60º90º45º4、换热管的排布5、管箱结构管箱的作用是把管道中来的流体均匀分布到各换热管中，将换热管内流体汇集在一起送出换热器。

多管程管箱结构三、管壳式换热器壳程结构1、壳体在壳程进口接管处常装有防冲板或称缓冲板。防冲板的布置2、折流板与挡板

安装折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，提高传热效率，增大壳程流体的传热系数同时也可减少结垢。

单弓形折流板双弓形三弓形

圆盘—圆环形折流板

折流板是通过拉杆和定距管固定的，其结构如图所示。拉杆一端的螺纹拧入管板，折流板用定距管定位，最后一块折流板靠拉杆螺母固定。拉杆和定距管结构拉杆与折流板点焊固定换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616公称直径拉杆直径DN＜400400≤DN＜700700≤DN＜900900≤DN＜13001300≤DN＜1500900≤DN＜18001800≤DN＜200010461012161824124481012141816446681012拉杆直径/mm拉杆数量/mm四、管壳式换热器的标准

为了适应生产发展的需要，中国对使用较多的换热器实行了标准化。可选用的标准有JB/T4714-1992《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》、JB/T4715-1992《固定管板式换热器型式与基本参数》、JB/T4716-1992《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》、JB/T4717-1992《U形管式换热器型式与基本参数》等。GB151-1999《管壳式换热器》是中国颁布的第一部非直接受火钢制管壳式换热器的国家标准，适用的换热器形式有固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式。1、标准2、标记（一）板面式换热器板面式换热器螺旋板式换热器：不易结垢板式换热器板翅式换热器：效率最高板壳式换热器伞板式换热器

具有传热效率高、结构紧凑、重量轻等优点，又由于液体在换热器无论进行并流、逆流、错流都可以，板片还可以根据传热面积的大小而增减，因此适用性较强。五、其他类型的换热器螺旋板式换热器内部结构与原理螺旋板式换热器

螺旋板式换热器结构示意图1-切向缩口；2-外圈板；3-支持板；4-螺旋板；5-半圆端板；6-中心隔板；7-支承圈；8-圆钢；9-定距柱1、基本结构螺旋板换热器结构形式

Ⅲ型螺旋板换热器

2、螺旋板式换热器的特点（1）传热效率高；（2）能有效地利用流体的压头损失；（3）不易污塞；（4）能利用低温热源，并能精确控制出口温度；（5）结构紧凑；（6）密封结构可靠；（7）温差应力小；（8）由于结构紧凑，一般不需要保温，热损失少；（9）制造简单；（10）承压能力受限制，最高工作压力为4MPa；（11）修理困难。平板式换热器1、基本结构板式换热器结构

板式换热器是间壁式换热器的一个主要类型，是一种以波纹板为传热面的新型的高效换热器。板式换热器用于处理从水到高黏度的液体，用于加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。板式换热器的结构分解2、工作原理板式换热器的换热板3、结构特点(1)传热效率高，比管壳式换热器高2倍以上；(2)使用安全可靠；(3)占地小，易维护；(4)很容易改变换热面积或流程组合；(5)有利于低温热源的利用；(6)阻力损失少；(7)冷却水量小；(8)投资效率低；(9)垫圈常常需要拆卸和清洗，故漏泄的可能性很大；(10)不易处理有悬浮物的物料；(11)使用温度不能很高，处理量也相对较小。板式换热器一般在压力为2.5MPa和温度180℃以内使用，性能可靠。近年来，国外由于采用压缩石棉垫片，最高操作温度达360℃，最高操作压力达2.8MPa。全焊式板式换热器使用压力高达50.0MPa，温度达400℃。4、板式换热器的应用板翅式换热器1、基本结构

板翅式换热器的板束单元结构如图所示，它是由翅片、隔板和封条三部分组成。在相邻的两隔板之间放置翅片及封条组成的夹层，称为通道。将这样的夹层根据介质的不同流动方式叠置起来钎焊成整体，即组成板束（或称芯体）。板束单元结构介质流动方向2、结构特点(1)传热效率高；(2)结构紧凑、重量轻；(3)适应范围广；(4)制造工艺复杂，要求严格；(5)容易堵塞，清洗和检修较困难，若因腐蚀产生内漏，则很难修理；(6)一般适用范围

某些规范规定，用于空气分离设备、石油化工装置和机械动力装置等的铝制板翅式换热器，其一般适用的压力和温度范围为：设计温度：－200～+150℃设计压力：0～6MPa（二）、套管式换热器1、基本结构

主要优点是：结构简单，传热面积增减自如，因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工；传热效能高，它是一种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的给热系数，因此它的传热效果好。液—液换热时，传热系数为870～1750W/（m2·℃）。这一点特别适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热。

套管式换热器的缺点：占地面积大；单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。所以一般用于换热量不大的场合。一、换热器的日常维护(一)日常检查1．温度：换热器运行主要操作指标，定期测量换热器两种介质的出入口温度、流量，计算传热系数作记录图表，作为判断传热系数变化的依据。若低于某一规定值，则应清洗管束以提高传热系数，保证一定的传热效率。第三节换热设备的使用与维护2．压力：

通过对流体压力及进出口压差的测定与检查，可判断换热器内部结垢，堵塞情况及流体流量大小或泄漏情况。高压流体往低压流体中泄漏，使低压流体压力很快上升，甚至超压，并可能产生各种不良后果，对运行中的高压换热器应特别警惕这一点。操作中若发现压力骤变，除检查换热器本身外，还应考虑系统内部其他因素的影响，如系统阀门损坏及输送流体的机械发生故障等。外漏是较容易发现的。低毒介质轻微气体外漏，直接抹上发泡剂检查，亦可借助试纸变色情况检查。通过检查换热器外壳体表面涂层的剥落污染情况来预测壳体的泄漏，是低压换热器检查壳体外泄漏的一种常用方法。3．泄漏内部泄漏，不易直接发现，但可从介质温度、压力、流量、异常声响、振动等异常现象来判断，

4、振动换热器内有高速流体，流体的脉冲和横向流动起基础支架振动。要求控制振动偏差在250μm以下。5、保温层：保温（保冷）层损坏直接影响换热器的传热效率，在壳体外部就将积附水分，使壳体发生局部腐蚀。（二）腐蚀分析和防护1、腐蚀部位及原因：换热管及与管板的连接处经常被腐蚀。管子入口端40～50cm处管端腐蚀最常发生，因为涡流磨损与腐蚀;管子内侧有遗物堆积或粘着也易产生腐蚀。管子与管板连接处的腐蚀主要分布在管板边，管板孔与管子之间的缝隙区，对单纯的强度胀接，会产生应力腐蚀裂纹。（1）壳程为电解质时，应避免选用不同的电解电位材质的折流板。（2）对已有的换热器存在折流板对壳体的电化学腐蚀时，要做到定期检查。（3）对已造成壳体减薄的检修时可采取堆焊处理。（4）对必须采取高电位折流板的，壳体内侧做贴衬处理。（5）对有应力腐蚀的情况，最有效的办法是消除换热管与管孔之间的间隙。2、防腐蚀措施（三）振动的防护

换热器管子产生振动原因有两种：外界激振源引起的振动，或通过支撑构件或连接管道传来的振动。流体流动激振，又可分为管侧和壳侧流体激发的振动。

振动破坏的位置一般出现在下列位置处：(1)传热管件支承跨度中间位置处，由于管间相互碰撞，外观呈现明显磨口。(2)紧靠折流板缺口处，换热管与折流板发生碰撞而遭磨损。(3)折流板管孔内，传热管振动时折流板管孔边缘对传热管的锯切、碰撞，严重时会导致管子断裂。(4)传热管原有的一些细小裂纹或缺陷，因振动逐渐扩展，最终导致破坏。

主要防振措施(1)降低流体在壳程的流速。(2)提高管子的固有频率。(3)改变折流板的形式，以改变换热管的支承状况。

设计仍是解决流体诱发振动的关键所在，一个合格的工艺设计，应能避免换热器管束产生大的振动。在实际生产中，当工艺