换热器设计指南汇总

1、热交换器设计指南一般规定1.1目的为规范管壳式换热器的设计，我公司工艺设计人员对管壳式换热器进行检查而编制。1.2范围1.2.1本规程规定了管壳式换热器的选型、设计、检验和材料选择。1.2.2本规定适用于我公司所有管壳式换热器。1.3规范性参考文件下列文件中的条款参照本条例成为本条例的条款。对于注明日期的申请文件，其所有后续修订或修订均不适用于本法规。对于没有日期或修订号(修订号)的参考文件，最新版本适用于本法规。GB150-1999钢制压力容器管壳式换热器HTRI设计手册管壳式换热器JGC石油化工设计手册第3卷化学工业出版社(2002)换热器设计手册中国石化出版社(2004)换热器设计手册化

2、学工业出版社(2002)管壳式换热器技术规范(2004)管壳式换热器英国石油公司(1997)管壳式换热器的设计和选择。(1989年)热交换器氟丹尼尔(1994)管壳式换热器总塔(2002)管壳式换热器工程规范SEI(2005)2设计基础2.1传热过程术语的定义2.1.1无相变过程加热：用过程流体或其他热流体加热另一种过程流体的过程。冷却：用冷却液(如工艺流体、冷却水或空气)冷却另一种工艺流体的过程。热交换：用过程流体加热或冷却另一股过程流体的过程。2.1.2沸腾过程在传热过程中有一个相变一部分液体在加热和沸腾后变成汽相。这时，除了显热传递，还有潜热传递。池沸腾过程：用过程流体、水蒸汽或其他热流

3、体在大容量设备中加热和蒸发过程流体的过程。流动沸腾：用过程流体、蒸汽或其他热流体在狭窄的流动通道中加热和蒸发过程流体的过程。2.1.3冷凝过程部分或全部流体冷凝成液相，热流体的显热和潜热被冷流体带走。这种相变过程称为凝结过程。纯蒸汽或混合蒸汽的冷凝：使用工艺流体、冷却水或空气来完全或部分冷凝另一种工艺流体。用不凝性气体冷凝：使用工艺流体、冷却水或空气，部分冷凝工艺流体，同时冷却不凝性气体。2.2热交换器的术语和分类2.2.1术语和定义热交换器装置：用于特定操作的一个或多个热交换器，可包括替代操作条件；位置编号：设计者对热交换器单元的识别号；有效表面：换热管的外表面面积；管侧：介质流过换热管内的

4、通道和与之相连的部分；壳程：介质流经换热管外的通道和与之相连的部分；管程数：介质沿换热管长度方向来回流动的次数；壳程数：介质在壳程中沿壳轴来回移动的次数；公称长度：换热管的长度作为换热器的公称长度；当换热管为直管时，取直管的长度；当换热管为U形管时，取U形管的直管段长度；计算换热面积：根据换热管的外径，扣除伸入管板的换热管长度后，管束的计算外表面面积一般不包括U型管换热器的U型弯头截面面积。名义换热面积：四舍五入后的计算换热面积；热交换器的分类根据不同分类方法定义的换热器类型如表2-1所示。表2-1热交换器类型换热器的分类热交换器名称按用途(3)预热器加热器过热器蒸发器重沸器冷却器电容器低温设

5、备冷却冷凝器等根据结构类型分(3)管壳式换热器双管热交换器螺旋板式热交换器板翅式加热器管壳式换热器设计所需的数据，如流速、温度、压力等。应从下列文件中获得：包括质量和热量平衡；基本工程设计参数；PID和总图；设备数据表；材料选择和管道。l输入数据操作参数：项目编号、设备位置编号、流速、操作条件和物理性质。样表见附件1。l结构参数安装形式(水平、垂直和倾斜)、设计压力、设计温度、材料、腐蚀裕量、TEMA等级、适用标准、喷嘴等级、密封面和操作条件。l设计要求允许的压降和流量(如有规定)。设计输出材料热平衡、计算假设和程序计算结果，表中应填写以下参数：根据管侧的传热膜系数和管外表面的垂直方向，确定管

6、的分布类型。l管换热器数据表除上述参数外，还有：物理性质(除水外)、混合物V2(使用均匀密度)、喷嘴尺寸、流体流动方向、挡板数量、挡板类型、挡板中心间距。2.4.3设计步骤按照2.4.1中的描述准备数据并输入数据；l选择TEMA等级和换热器选型；l通过程序检查计算；确定计算结果，如传热系数、压降等。并根据参数确定换热器设备结构；通过调整单向管道的数量来获得适当的压力梯度，如果想增加换热面积，可以增加管道长度，增加并联换热器的数量(只有一个换热器很大，压降很难克服)或增加管程的数量，但管程的典型数量是双管程，增加管程的数量会增加压降；为了调节折流板间距和增加换热面积，壳程压力梯度需要增加管长度或

7、串联单元数。当壳程压降较大时，壳型由E型变为J型或X型。当压降要求严格时，可以考虑壳程并联/串联混合配置和管程多管程配置，但温度效应降低，最低F因子不小于0.85。我填写数据表。2.4.4计算过程下表列出了设计管壳式换热器的计算机程序。HTRI是常用的软件。HTFS仅在客户和用户需要时使用。表2-2常用计算软件程序号形容评论HTRI标准时间设计/检查单相管壳式换热器严格用于冷凝和再沸腾。科技委管壳式换热器的设计用于重新预订RKH设计/检查壳程沸腾设备卧式；K型壳的直径可以计算。皇家空军设计/检查管侧沸腾设备仅适用于单管通道IST检查单相和冷凝器HTFSTASC设计/检查管壳式换热器注：htri

8、:传热研究公司。htri:传热流体流动服务2.5工艺设计考虑TEMA为热交换器设定了三个机械标准，反映了不同的严格程度。对于大多数炼油厂，采用最严格的R级。对于其他工厂，如化工厂，使用丙级或乙级；一般来说，R级有更厚的外壳、更大更厚的头部、更厚的换热管和其他更大的部件。影响换热股优化配置的因素有：夹点温度、压降、调节要求的下限负荷、有限的占地面积、现有设备的改进等。在确定过程目标值之后，可以与设备人员合作有效地设计热交换系统。2.5.1夹点温度、夹点技术和换热网络分析夹点温度对于单个热交换器，热交换的冷端和热端之间的温差中较小的一个称为近似温差。对于热交换网络，所有热交换设备的最小近似温差称为

9、最小近似温差，也称为夹点温差。冷热气流的匹配取决于可达到的温差。逆流换热器的夹点温度是夹点技术是由英国曼彻斯特理工大学的林霍夫教授领导的研究小组在黄、埃尔肖和梅达分别于1976年和1978年提出的“夹点”和“复线”概念的基础上发展起来的。这是过程能量合成领域中的一种实用方法，可以优化复杂过程的换热过程。要优化的热交换网络可以用温度-湿度图上的冷热混合线来表示。组合线是将多条热流或冷流的T-H线组合在一起的虚线。它是“夹点技术”中用于热交换网络优化综合的重要工具。在温度-湿度图上画出冷、热流的合成线。热流的合成线必须位于冷流的上方。沿着横坐标H左右移动两条复合线，找到两条线之间垂直距离最短的地方

10、，即夹点或窄点。夹点技术的三个基本原则：没有通过夹点的热传递，夹点以上的零件没有冷设施，夹点以下的零件没有热设施。如图2-2-3所示，当夹点处的传热温差等于给定的夹点温度时，冷热流合成线的高温段投影在水平非重叠部分的横坐标上的部分是最小热利用消耗Qhu，min对应于给定的夹点温度差；然而，在给定的夹点温度差下，两个低温段的非重叠部分是最小冷公用设施消耗Qcu，min，而沿水平轴的两条复合线的重叠部分是最大热回收。热气流冷变形HT热气流冷变形HTQcu，最小值Qhu，minTmin图2-2复合线示意图图2-3夹点和最小公用设施消耗图夹点将热交换网络分成两个区域，在热端的夹点之上，包括温度高于夹点

11、的工艺流和工艺流与热端之间的热交换。它只需要公用事业加热流输入热量，可以被称为热阱。冷端包括温度低于夹点的工艺流和它们之间的热交换，并且仅要求公用冷却流带走热量，这可以称为热源。当通过夹点的热流为零时，公共设施的加热和冷却负荷最小，即热回收最大。换热网络分析换热网络的设计变得越来越复杂。目前，有许多热交换器网络的优化技术，包括计算机程序，如Hysim，s Pinch。一般设计步骤如下：L作为冷热材料的T-H曲线，生成复合线，确定夹点；l指定最小夹点温度；找到夹点和最小效用；计算总投资和年度运营费用；改变冷热材料的匹配；重复上述步骤，直到找到最低年度运营成本，并确定最佳网络。2.5.2空气冷却器

12、和水冷却器的选择冷却器中冷却介质的选择需要考虑：水源、水费、电费、安装费、维护费、占地等。水冷工艺出口温度理论上，水冷方式的出口温度受环境湿球温度的限制，实际上不低于冷却塔的出口温度(淡水49，海水43)。对于塔顶项目，水质等其他因素也会影响出口温度。因此，冷却水的成本是限制因素。空气冷却过程出口温度理论上受环境干球温度限制，但高于湿球温度。与水冷相比，出口温度略高。在夏季，设计干球温度接近湿球温度，两者之间的差异由环境湿度决定。例如，下表：相对湿度15%30%45%60%湿球温度-干球温度-2.82.87.211空冷器的出风温度没有极限值，在其他因素合理的情况下，工艺流体出口温度可以达到进风

13、口的设计温度。LMTD的增加导致传热面积和摩擦系数的减小，以及进气流量的减少。因此，情商如果工艺入口温度高，则适合空气冷却。工艺出口温度相对较低，适合水冷。如果冷却负荷足够大，空冷和水冷相结合是一种经济的设计方法。通过这种方式，空气冷却被用于以较低的公用事业消耗去除较高等级的热量，然后水冷却被用于达到过程流体的出口温度。根据用水量、耗电量、设备成本等。空气冷却和水冷却的分流温度在54 63之间比较经济。除了预算设计之外，温度应该根据给定项目的经济数据来确定。2.5.3设计余量从设计角度来看，有一定裕度的换热器运行更好。与设计值相比，新换热器的污垢很少，面积过剩。在实际操作中，通过调节流量和入口

14、状态来消除偏差。污垢热阻是设计条件下可以达到的极限。随意给定设计余量会带来各种问题。这里，首先根据设计值计算清洁条件下所需的换热面积，然后根据污垢或设计比例增加面积来确定余量。因此：面积余量太大，无法通过控制手段消除；当热流体的出口温度低于设定值时，粘度增加，压降增加。对于冷凝器，这种平衡会使其难以达到塔和回流之间的平衡。管道中的流速和流动特性与检查条件之间存在很大差异。例如，在垂直热虹吸管换热器中，上升管中存在两相流。流量的变化导致流型的变化，从而导致喘振和振动。发现硫磺厂低压蒸汽余热锅炉的面积裕度会引起换热管内的塞流。业主认为换热器在可操作性、进料状态不准确或物理性质不准确方面需要一定的余

15、量。2.5.4换热器安装形式在实际生产中，换热器是水平安装还是垂直安装，特别是从经济性和易于维护的角度来看，水平安装更为常用。立式安装用于以下情况：大型再沸器由于空间限制采用立式安装；再沸器管是高等级的，由于管束紧凑，垂直安装可以节省投资。2.6设计参数设计压力设计压力是指设置在热交换器管顶部和壳程的最大压力。与相应的设计温度一起，设计压力作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。对于同时承受管程和壳程压力的部件，压差设计只能在管程和壳程同时上升和下降时进行。否则，设计压力应根据管道和壳体侧的工作压力分别确定，并考虑可能存在的最大压力组合。设计压差时，压差的值还应考虑压力试验期间可能出现的最大压差。同时，设计者应提出压力试验的逐步程序。管道侧和壳体侧的设计压力通常设置为设备安全阀的泄压加上静压头。如果没有安全阀，则取大值如下：一、在泵的关闭压力下，如果换热器可以关闭，设计压力取上游泵的关闭压力；注：如果