1設(shè)計3-2換熱器說明書

1、煙臺大學(xué)“2017 東華科技-陜鼓杯”第十一屆大學(xué)生化工設(shè)計競賽Muse 團隊換熱器設(shè)計說明書田暉趙旗指導(dǎo)老師盛磊全體成員劉瑩煙臺大學(xué)Muse 團隊目錄2017年“東華科技陜鼓杯”第十一大學(xué)生化工設(shè)計競賽煙臺火電廠煙氣深度脫硫及年產(chǎn)2.2萬噸硫化氫項目換熱器設(shè)計說明書設(shè)計煙臺大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院設(shè)計團隊MUSE成員盛磊劉瑩指導(dǎo)教師田暉趙旗2煙臺大學(xué)Muse 團隊目錄換熱器設(shè)計說明書概述4項目設(shè)計概述4夾點技術(shù)4一.1.3 Aspen Energyyzer41.4 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要步驟4換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計6物流流股提取6夾點溫度確定8確定換熱目標(biāo)8構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò)9換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化10換熱器選型14換熱器概述14

2、選型設(shè)計依據(jù)14選型設(shè)計原則14換熱器類型比較15管殼式換熱器優(yōu)缺點對比16工藝條件的選定19結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用21二.三.五.換熱器設(shè)計.235.1 換熱器設(shè)計使用列表23換熱器選型示例23換熱器強度校核25換熱器選型一覽表33換熱器一覽表33冷器一覽表34六.3煙臺大學(xué) Muse 團隊第一章 概述一. 概述1.1 項目設(shè)計概述本章將整個工藝流程中深度脫硫單元反應(yīng)單元及硫化氫單元的冷熱流股進行熱交換匹配，進而構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò).換熱網(wǎng)絡(luò)與熱集成是降低生產(chǎn)成本的重要。本設(shè)計通過 Aspen Energyyzer，結(jié)合夾點技術(shù)，將可回收的能量最大化，從而減少公用工程用量，達到節(jié)能減排的目標(biāo)。1.2 夾點技

3、術(shù)夾點技術(shù)從整個過程系統(tǒng)出發(fā)，選用年總費用最低、設(shè)備投資費用最少、熱量回收率最大，換熱器數(shù)目最少等作為經(jīng)濟目標(biāo)函數(shù)，首先通過經(jīng)驗法或數(shù)學(xué)優(yōu)化估算確定夾點溫差，采用組合溫-焓曲線或問題表法得出夾點溫度，從而確定最小熱公用工程量及最小冷公用工程量，通過夾點設(shè)計準(zhǔn)則找出流程中不合理的換熱過程及換熱設(shè)備進行改進，從而使換熱網(wǎng)絡(luò)達到最優(yōu)。1.3 Aspen EnergyAspen Energyyzeryzer 為 Aspen One 工程的能量分析模塊，目的為幫助用戶實現(xiàn)熱集成及換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，其在較早期的版本中稱為 Aspen Pinch。應(yīng)用 Aspen Energyyzer 進行換熱網(wǎng)絡(luò)的與優(yōu)化主

4、要基于夾點技術(shù)。在用戶指定的夾點溫度下，可自動多套換熱網(wǎng)絡(luò)備選方案。但在實際使用過程當(dāng)中，Aspen Energyyzer 并不能為生成最佳的換熱網(wǎng)絡(luò)，仍需要對計算機生成的網(wǎng)絡(luò)進行人工優(yōu)化。計算機模擬生成最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)是近幾年來熱門的研究課題，基于 Grossmann 的超結(jié)構(gòu)模型的改進算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬退火算法等被不斷提出，但尚未有一種算法可確保對任意換熱工況均可模擬得出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。因此，Aspen Energyyzer 只可應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)的初步設(shè)計。1.4 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要步驟本章利用 Aspen Energyyzer 進行換熱流程設(shè)計和換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，同時利用 Aspen EDR 進行

5、換熱器設(shè)計，校核換熱網(wǎng)絡(luò)實施的可行性，從而盡可能的實現(xiàn)能量集成和最大化利用，最大程度上提高經(jīng)濟效益。利用 Aspen Energyyzer 設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)，其主要步驟如下：4煙臺大學(xué) Muse 團隊第一章概述（1）確定流程中需要換熱的股和熱流股；（2）利用物流數(shù)據(jù)做出冷熱流股的溫焓圖和總組合曲線圖；（3）確定最小傳熱溫差；（4）找出夾點及最小冷、熱公用工程用量；（5）構(gòu)建優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)。5煙臺大學(xué)Muse 團隊二. 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計2.1 物流流股提取第二章?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在本項目中需要進行換熱的冷熱流股及數(shù)據(jù)詳見表 2-1：表2-1 換熱冷熱流股一覽表6物流名稱溫度出口溫度熱負(fù)荷 GJ/h86_To_8

6、7305_To_30616_To_143315_To_316110_To_111207_To_145215_To_216108_To_12149_To_151307_To_308147_To_148203_To_204313_To_30214_To_126318_To_79120_To_121152_To_214303_To_304116_To_117290.00600.00400.0088.4490.83150.00150.0055.36150.00150.00350.00117.5051.36109.28109.55109.28290.00150.32101.36228.80150.001

7、50.0045.0045.00270.0080.0090.00250.0045.00150.00290.00150.0045.0045.00109.48150.00600.0090.0073.897.2725.2116.289.091.6414.7525.511.331.54.92.981.2444.8924.24123.752.5333.22102.14煙臺大學(xué)Muse 團隊第二章?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計7To ReboilerT-102_TO_115To ReboilerT-105_TO_318Duplicate109.40108.78109.86109.5529.4641.85煙臺大學(xué)Muse 團隊

8、2.2 夾點溫度確定在換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，夾點溫差的大小是一個關(guān)鍵的第二章 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。夾點溫差越小，熱回收量越多，則所需的熱、冷公用工程量就越少，即運行中的能量費用越低；但夾點溫差越小，整個換熱網(wǎng)絡(luò)各處的傳熱溫差均相應(yīng)減小，使換熱面積加大，造成換熱網(wǎng)絡(luò)投資費用加大。因此對一個確定的系統(tǒng)，存在一個總費用最小的夾點溫差，換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計應(yīng)在此最優(yōu)夾點溫度下進行。用 Aspen Energyyzer 自帶的經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)的物流進行初步分析，作出總投資費用和操作費用與最小傳熱溫差的關(guān)系圖，如圖 2-1 所示。圖 2-1 總投資費用和操作費用與最小傳熱溫差的關(guān)系圖2.3 確定換熱目標(biāo)采用 Aspen

9、Energyyzer V8.4 進行系統(tǒng)能量消耗分析，得出的組合曲線和總組合曲線如下圖所示：8煙臺大學(xué)Muse 團隊第二章?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖 2-2 組合曲線圖圖 2-3 總組合曲線圖由上圖可以看出，所需最小熱公用工程為 157.0GJ/h，最小冷公用工程用量為 222.7GJ/h。2.4 構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò)通過確定出夾點溫度和換熱目標(biāo)后，即可進行流股間的匹配換熱。為了減少換熱面積和投資費用，利用 Aspen Energyyzer 導(dǎo)入文件，得到一種換熱網(wǎng)絡(luò)集成方案。如圖 2-4 所示：9煙臺大學(xué)Muse 團隊第二章 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計圖 2-4 初始換熱網(wǎng)絡(luò)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造換熱網(wǎng)絡(luò)在某些熱集成網(wǎng)絡(luò)方案中，會

10、出現(xiàn)含熱回路（Loops）或路徑（Paths）的換熱網(wǎng)絡(luò)。包含以上兩種情況的熱集成網(wǎng)絡(luò)方案都存在設(shè)備投資大、熱集成網(wǎng)絡(luò)效率低、不穩(wěn)定。對于這類熱集成網(wǎng)絡(luò)都需要進行人工改造以消除如上兩種路徑。此外，熱集成網(wǎng)絡(luò)僅考慮了流股間溫焓關(guān)系，沒有考慮換熱器設(shè)計的可行性，因此，在改造熱集成網(wǎng)絡(luò)方案時，同時利用 Aspen 自帶的換熱器設(shè)計Aspen EDR 對得到的換熱網(wǎng)絡(luò)進行校核的結(jié)果反饋到換熱網(wǎng)絡(luò)，以達到最高的經(jīng)濟效益。通過綜合考慮流股間溫焓關(guān)系及換熱器設(shè)計的可行性，對初始換熱網(wǎng)絡(luò)進行改造，形成了優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)。：圖 2-5 優(yōu)化后的換熱網(wǎng)2.5.2 節(jié)能效果10煙臺大學(xué)Muse 團隊節(jié)能效果如表 2

11、-2 所示：第二章?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計表2-2 節(jié)能效果326.7261.02124600匹配前匹配后節(jié)能效果%222.7157.0211850031.839.8由此可以看出，進行冷熱流股匹配后，全流程公用工程消耗量明顯下降，能夠節(jié)省熱消耗量39.8%，節(jié)省冷消耗量31.8%，達到了較好的節(jié)能效果。11冷公用工程熱公用工程換熱面積項目GJ/hGJ/h換熱器數(shù)目m2煙臺大學(xué) Muse 團隊第二章 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計表 2-3 換熱網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)說明表12換熱器熱流股溫度出口溫度股溫度出口溫度熱負(fù)荷GJ/hE-0304307_To_308150.0045.00Cooling Water23.3423.421.50E-

12、0301Fired Heat (1000)1000.00400.00303_To_304150.32600.0033.22E-0203152_To_214218.73150.00Cooling Water23.4223.471.20E-0104110_To_11190.8345.00Cooling Water20.7921.239.09E-0202147_To_148285.05150.00Cooling Water23.4723.633.26E-010386_To_87255.33230.93To ReboilerT-102_TO_115109.40109.8629.46E-020116_T

13、o_143369.12150.00Cooling Water23.6324.7122.23A-0201215_To_216150.0080.00Air34.2734.8914.75E-0303305_To_306523.23150.00Cooling Water24.7125.006.03E-0205147_To_148350.00285.05207_To_145150.00270.001.64E-030586_To_87290.00255.33To ReboilerT-105_TO_318Duplicate108.78109.5541.85A-030186_To_87230.93228.80

14、Air34.8935.002.57E-020416_To_143400.00369.12203_To_204117.50290.002.98E-0307318_To_79109.5545.00Cooling Water22.1723.3424.24E-010214_To_126109.2872.75108_To_1255.3690.0025.51E-0302305_To_306600.00523.23313_To_30251.36150.001.24E-0105LP125.00124.00120_To_121109.28109.48123.75E-010114_To_12672.7545.00

15、Cooling Water21.2322.1719.38E-0206152_To_214290.00218.73149_To_151150.00250.001.33A-0101116_To_117101.3690.00Air30.0034.27102.14煙臺大學(xué) Muse 團隊第二章?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計13E-0306315_To_31688.4445.00Cooling Water20.0020.7916.28煙臺大學(xué) Muse 團隊三.3.1 換熱器概述換熱設(shè)備是化工工業(yè)應(yīng)第三章 換熱器選型換熱器選型型的工藝設(shè)備，是用于實現(xiàn)熱量傳遞，使熱量由高溫流體傳給低溫物體。一般來說，換熱設(shè)備在化工廠裝置中

16、所占的比例在建設(shè)費用方面高達 10%40%。因此從能源節(jié)省以及工廠投資的角度來講，合理地選擇和使用換熱設(shè)備，可節(jié)省投資，降低能耗，具有重要意義。在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為熱交換器，簡稱換熱器。在換熱器中至少要有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度高，放熱；另一種流體溫度低，吸熱。在工程實踐中有時也會有兩種以上流體參加換熱的換熱器，但其基本原理與前一致?；?、石油、動力、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，它們是上述這些行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性問題。為緩和能源緊張的狀況，世界各國競相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)，已成

17、為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個重要課題。換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器效率，顯然可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。3.2 選型設(shè)計依據(jù)GB/T28712.22012 GB/T28712.42012 GB/T28712.32012 GB/T28712.62012 GB/T29463.12012 GB/T29463.22012 GB/T29463.32012ISBN:7-5025-4371-6/TQ1694 ISBN:7-5025-3828-3/TQ1532 ISBN:97

18、8-7-80229-541-4 ISBN:7-5648-1307-5 GB/T28712.52012GB151-2014固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數(shù)U 形管式換熱器型式與基本參數(shù)空冷式換熱器型式與基本參數(shù)管殼式換熱器用金屬包墊片管殼式換熱器用纏繞墊片管殼式換熱器用非金屬墊片化工工藝設(shè)計手冊（第四版）換熱器設(shè)計手冊冷換設(shè)備工藝計算手冊新編換熱器選型設(shè)計與制造工藝實用全書浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)管殼式換熱器3.3 選型設(shè)計原則換熱器選型設(shè)計原則換熱器包括過程流股的加熱器，塔的再沸器和冷凝器。14煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章 換熱器選型根據(jù)工藝和工藝物料

19、的要求，掌握物料流量、溫度、壓力、化學(xué)性質(zhì)、物性參數(shù)等特性，結(jié)合 Aspen Energyyzer 以及 Aspen Plus 模擬得出的有關(guān)設(shè)備負(fù)荷、傳熱面積、流程中的位置等來明確設(shè)計任務(wù)，選擇換熱器型式。在設(shè)計過程中，需滿足如下幾個方面的要求：（1）（2）（3）（4）合理地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件。結(jié)構(gòu)安全可靠。便于制造、安裝、操作和維修。設(shè)備經(jīng)濟上合理。在換熱器選型過程中，除考慮上述外，還應(yīng)對材料的結(jié)構(gòu)強度、材料的來源，加工條件，密封性、安全性等方面加以考慮。這些又常常是相互制約、相互影響的，所以通過設(shè)計的優(yōu)化來加以解決。針對不同的工藝條件及操作工況， 就需要有時使用特殊型式的換熱器或特殊的

20、換熱管，以降低成本。所以，這綜合考慮工藝條件和機械設(shè)計的要求，選擇合適的換熱器型式來有效的減少工藝過程中的能量消耗。對于工程技術(shù)來說，在設(shè)計換熱器時，要對于換熱器型式進行合理的選擇、在經(jīng)濟運行和降低成本等方面都應(yīng)該做到足夠的重視，必要時還得通過一定的化學(xué)化工計算來進行技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)分析、進行投資和操作費用的確切對比，進行經(jīng)濟方面的核算，從而使實際設(shè)計方案達到該具體條件下的最佳設(shè)計方案。換熱器選型時需要考慮的是多方面的，主要有：（1）（2）（3）（4）（5）（6）熱負(fù)荷及流量大小冷熱流體的性質(zhì)溫度、壓力及允許壓降的范圍對、維修的要求設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、重量價格、使用安全性和在換熱器選型中，除考慮

21、上述外，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)強度、材料來源、加工條件、密封性、安全性等方面加以考慮。所有這些又常常是相互制約、相互影響的，通過設(shè)計的優(yōu)化加以解決。針對不同的工藝條件及操作工況，有時使用特殊型式的換熱器或特殊的換熱管，以實現(xiàn)降低成本的目的。因此，應(yīng)綜合考慮工藝條件和機械設(shè)計的要求，正確選擇合適的換熱器型式來有效地減少工藝過程的能量消耗。對工程技術(shù)而言，在設(shè)計換熱器時，對于型式的合理選擇、經(jīng)濟運行和降低成本等方面應(yīng)有足夠的重視，必要時，還得通過計算來進行技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)分析、投資和操作費用對比，從而使設(shè)計達到該具體條件下的最佳設(shè)計。3.4 換熱器類型比較換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工

22、、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的 40%左右，占總投資的 30%45%。今年來隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，利用換熱器進行高溫和低溫?zé)崮芑厥諑砹孙@著的經(jīng)濟效益。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。主要通過傳熱原理、傳熱種類和結(jié)構(gòu)進行分類。（1）按作用原理傳熱的方式分類混合式換熱器；15煙臺大學(xué) Muse 團隊蓄熱式換熱器；間壁式換熱器（2）其中間壁式換熱器按傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類：第三章 換熱器選型管殼式：固定管板式、浮頭式、填料函式、U 型管式；板式：板翅式、平板式、螺旋板式；管式：空冷器、套管式、噴

23、淋管式、箱管式；液膜式：升降膜式、括板薄膜式、離心薄膜式；其他型式：板殼式、熱管按換熱器服務(wù)類型分類：交換器：在兩側(cè)流體間傳遞熱量。冷卻器：用制冷劑冷卻流體。制冷劑有液氨、乙烯、丙烯、冷卻水或鹽水。冷凝器：在此單元中，制程蒸汽被全部或部分的轉(zhuǎn)化成液體。冷卻器：用水或空氣冷卻，不發(fā)生相變化及熱的再利用。加熱器：增加熱函，通常沒有相變化，用如熱油作為熱媒加熱流體。過熱器：高于蒸汽的飽和蒸汽壓進行加熱。再沸器：提供蒸餾潛熱至分流塔的底部。蒸汽發(fā)生器（廢熱鍋爐）：用產(chǎn)生的蒸汽帶走熱流體中的熱量。通常為滿足制程需要后多余的熱量。蒸餾器：是一種將液體轉(zhuǎn)化為蒸汽的交換器，通常限于除水以外的液體。脫水器：將水

24、蒸氣濃縮為水溶液通過蒸發(fā)部分水分以濃縮水溶液。3.5 管殼式換熱器優(yōu)缺點對比表 3-1 管殼式換熱器的性能管束可以抽出，方便介質(zhì)溫度不受限制；小浮頭易發(fā)生內(nèi)漏；金屬材料耗量大，成本高 20%；結(jié)構(gòu)復(fù)雜。1.2.6.7.8.可在高溫高壓下工作，一般溫度450，壓力6.4MPa；可用于結(jié)垢比較嚴(yán)重的場合；3.浮頭式換熱器4.5.可用于管腐蝕場合。傳熱面積比浮頭式換熱器20%30%；旁路漏流較小；殼體和管子壁溫差一般宜小于等于 50，大于 50時應(yīng)在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；管板與管頭之間易產(chǎn)生溫差應(yīng)9.12.10.鍛件使用較少，成本低上；沒有內(nèi)漏。20%以11.13.固定管板式換熱器力而損壞； 殼程無法機

25、械；管子腐蝕后造成連同殼體報廢、14.殼體 故設(shè)備不適用決定于管子，相對較低；易結(jié)垢場合；15.U 形管式換熱器管束可抽出來機械；在管子的 U 形處沖蝕，應(yīng)控制管內(nèi)流速； 管程不適用于結(jié)垢較16.17.21.殼體與管壁不受溫差限制；16種類優(yōu)點缺點煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章 換熱器選型可在高溫、高壓下工作，一般適用于溫度500，壓力 10MPa；重的場合；單管程換熱器不適用；不適用于內(nèi)導(dǎo)流筒，故死區(qū)較大。18.22.23.可用的場合；可用于管結(jié)構(gòu)結(jié)垢比較嚴(yán)重19.腐蝕場合。20.管束可抽出機械；密封處易漏；24.25.30.31.介質(zhì)間溫差不受限制；可用于結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)重的場合；可用于管程腐蝕

26、較重的場合；金屬耗量較浮頭低 10%左右；適用溫度可達 200，壓力可達 2.5MPa不適用于、易燃、易爆、易揮發(fā)及貴重介質(zhì)場合。26.27.28.29.填料函式換熱器傳熱面積可減少 10%30%；減少設(shè)備數(shù)量和金屬耗量； 傳熱效率提高；適用于大型化裝置； 適用于串聯(lián)臺數(shù)較多；適用于高溫、高壓場合；殼程壓降約提高 4 倍；分程隔板與殼體密封片處易泄露；殼體直徑圓度要求較高；32.33.38.39.34.35.36.37.雙殼程換熱器40.壓降降低 90%以上；金屬耗量增加 10%（按相同直徑比較）； 制造難度加大，外導(dǎo)流筒處焊縫 要求 100%射線探傷；41.42.45.處死區(qū)，旁路漏流減小，

27、可提高傳熱有效面積7% 以上；在 DN3251800 范圍內(nèi)，可增加 5%16%傳熱面積；總傳熱效率相應(yīng)提高 12% 23%；外導(dǎo)流筒換熱器43.44.不易發(fā)生誘導(dǎo)振動損失；傳熱死區(qū)小，傳熱效率提高20%以上；壓降??； 抗垢性能良好；適用于換熱器大型化，特別是核電換熱應(yīng)用；在低雷諾數(shù) Re6000（液相）、 Re10000（氣相）熱效率較低；造價提高 3%5%。46.47.50.折流桿換熱器51.48.49.液相傳熱 Re600，氣相傳熱 Re3000，傳熱效率提高 25%以上； 壓降比折流板式換熱器小 1 倍上；適用于帶固體顆粒的場合；抗垢性能優(yōu)良；適用于低溫位冷卻場合；不適用于有相變傳熱；

28、壓降比折流桿式換熱器大。52.56.57.新結(jié)構(gòu)高效換熱器53.54.55.17煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章 換熱器選型有自清潔作用；給熱系數(shù)比光管提高倍 以上；62. 在重油設(shè)備上，如渣油、原油設(shè)備無應(yīng)用歷史；63. 造價上升 10%15%；64. 不適用于有濕硫化氫場合。3.31060. 總傳熱系數(shù)提高40%以上；高效重沸器節(jié)約設(shè)備重量 25%以上； 適61. 用于塔底重沸器、側(cè)線虹吸式重沸器；適用于化工、制冷系統(tǒng)重沸器或再沸器； 抗腐蝕性能良好；67.3.5.1再沸器性能比較（1）立式熱虹吸式優(yōu)點：缺點：傳熱系數(shù)大；投資和運轉(zhuǎn)費用屬最便宜；加熱帶滯留時間短；結(jié)構(gòu)緊湊,配管容易。真空操作

29、時，由于壓降的影響需要較大的面積，對粘性液體和帶固體物料不適用，由于垂直鋪設(shè)；要求塔裙的高度較大（2）臥式熱虹吸式優(yōu)點：缺點：傳熱系數(shù)中等；加熱帶停留時間短；和方便；適用于大面積的情況； 對塔的液面和流體壓降。占地面積大（3）強制循環(huán)優(yōu)點：缺點：（4） 優(yōu)點：適用于黏性液體及懸濁液；長的顯熱段和低蒸發(fā)比的；低壓降系統(tǒng)；可調(diào)節(jié)循環(huán)速度。能量費用大； 投資（泵）大；在泵的密封處易（Kettle 式）。方便；適于污染性強的熱媒；18煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章?lián)Q熱器選型缺點：相當(dāng)于一塊理論板。傳熱系數(shù)??；占地面積大；加熱帶滯留時間長；易結(jié)垢。3.5.2 冷凝器性能比較（1）重力回流臥式優(yōu)點：傳熱系

30、數(shù)大，運費少，適于小量生產(chǎn)缺點：要求安裝重力回流立式優(yōu)點：傳熱系數(shù)大，運費少，適于小量生產(chǎn)缺點：傳熱系數(shù)較小，可將其裝在塔頂，但整個塔高增加泵送回流式優(yōu)點：安裝比較容易，適于大規(guī)模生產(chǎn)缺點：運轉(zhuǎn)費用大，占地面積較大3.6工藝條件的選定3.6.1 公用工程冷卻水的溫度不宜高于60，以免結(jié)垢嚴(yán)重；高溫端的溫差不應(yīng)小于20，低溫端不應(yīng)小于5；當(dāng)兩工藝流體之間進行熱交換時，低溫端的溫差不應(yīng)小于 20；當(dāng)采用多管程、單殼程的管殼式換熱器，并用水作為冷卻劑時，冷卻劑的出口溫度不應(yīng)高于工藝流體的出口溫度。在冷卻或冷凝工藝流體時，冷卻劑的溫度應(yīng)高于工藝流體中易結(jié)凍組分的冰點，一般應(yīng)高于 5；在對反應(yīng)物進行冷卻

31、時，為了控制反應(yīng)，應(yīng)維持反應(yīng)物流和冷卻劑之間的溫差不低于10。當(dāng)冷凝帶有惰性氣體的工藝流體時，冷卻劑的出口溫度應(yīng)該低于工藝流體的，一般低于 5；換熱器的設(shè)計溫度應(yīng)高于最大使用溫度，一般高 15。3.6.2 壓力降管殼式換熱器工作時，增加工藝流體的流速，可相應(yīng)增加傳熱膜系數(shù)，從而提高總的傳熱系數(shù)，使換熱器結(jié)構(gòu)更緊湊。但流速增加后將相應(yīng)增大換熱器的壓力降，從而加劇換熱器的磨蝕和振動破壞等；同時，壓力降的增大也使得換熱器運行過程中的動力消耗增大。因此，一般應(yīng)限制管殼式換熱器的最大壓力降，具體限制如下表所示：表3-2 工藝物流允許壓降數(shù)據(jù)表真空3.5 3.51415253570常壓低壓高壓工藝氣體工藝

32、液體70170應(yīng)當(dāng)注意的是，在確定換熱器允許壓降時，不應(yīng)將某一個換熱器從系統(tǒng)中孤立出來看，而是應(yīng)從工藝流程的角度，合理分配每個換熱器上的壓力降。兩19工藝物料的壓力狀況允許壓力降（kPaA）煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章 換熱器選型側(cè)流體的污垢系數(shù)，設(shè)計者可以查找相關(guān)資料獲得根據(jù)實際操作數(shù)據(jù)得到的污垢系數(shù)。常用的污垢系數(shù)如蒸汽 0.0001m2h/kcal、有機熱載體與冷凍液 0.0002m2h/kcal 循環(huán)水 0.0002m2h/kcal。3.6.3 流體空間的選擇高溫物流，一般走管程，除此有時為了節(jié)省保溫層和減少殼體厚度，也可以使高溫物流走殼程。較高壓的物流應(yīng)走殼程，在殼程可以得到較高的

33、傳熱系數(shù)。較粘的物流應(yīng)走殼程，在殼程可以得到較高的傳熱系數(shù)。 腐蝕性較強的物流應(yīng)位于管程。對壓力降有特定要求的工藝物流，應(yīng)位于管程，因管程的傳熱系數(shù)和壓降計算誤差小。較臟和易結(jié)垢的物流應(yīng)走管程，以便和控制結(jié)垢。若必須走殼程，則應(yīng)采用正方形管子排列，并可用可拆式（浮頭式、填料函式、U形管式）換熱器。流量較少的物流應(yīng)走殼程，因為在殼加傳熱系數(shù)。使物流成為湍流狀態(tài)，從而增給熱系數(shù)較小的物流，像氣體，應(yīng)走殼成，易于提高給熱系數(shù)。3.6.4 流速常見換熱器管程及殼程物流流速：液體常用流速范圍：管程為 0.33m/s，殼程 0.21.5m/s；氣體常用流速范圍：管程為 530m/s，殼程為 215m/s；

34、易結(jié)垢流體，在管內(nèi)流速應(yīng)大于 1m/s，殼程流速應(yīng)大于 0.5m/s；流速應(yīng)隨流體粘度的高低作相應(yīng)修改；為了避免設(shè)備的嚴(yán)重磨蝕，流速不應(yīng)超過最大允許的經(jīng)驗值。工藝物流允許最大流速如表 3-3 所示：表 3-3 工藝物流允許最大流速0.600.751.101.501.502.403.001500 5001500100500351001351烴類3.6.5 物流選擇冷熱物流的通道，對于管殼式換熱器可根據(jù)以下原則選擇：殼程，壓力較高的物流宜走管程，減小殼體壁厚。 腐蝕性、對材料有特殊要求的物流宜走管程。凈和易結(jié)垢的物流宜走管程（U 型管除外），以便。必須走可采用正方形管子排列，并采用可拆式結(jié)構(gòu)（如浮

35、頭式、U 型管式）。飽和蒸汽宜走殼程，因為飽和蒸汽污垢熱阻較小，給熱系數(shù)較大一般與流速無關(guān)，而且冷凝液容易排出。被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱。20流體粘度 cP最大流速 m/s煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章 換熱器選型流量小而粘度大的物流宜走殼程，因走殼程容易實現(xiàn)湍流，獲得較高的給熱系數(shù)。有相變的物流走殼層。結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用總體設(shè)計尺寸細(xì)長型的換熱器比短粗型要經(jīng)濟，通常情況下和殼徑之比為 46，但有時根據(jù)實際需要，長徑比可增到 15 或 20，但不常見?？梢詤⒖紭?biāo)準(zhǔn)換熱器尺寸。3.7.2 換熱管（1） 管徑管子的尺寸和形狀對傳熱有很大影響。采用小管徑時，換熱器體積的換熱面積較大，設(shè)備較緊湊，傳

36、熱面積的金屬消耗量少，傳熱系數(shù)也高。據(jù)估算，將同直徑換熱器中的換熱管由 25mm 改為 19mm，其傳熱面積可增加 40%左右，節(jié)約 20%金屬以上；但小管徑增加了制造難度，且容易結(jié)垢，不易。對于易結(jié)垢的物流（如立式熱虹吸式再沸器）或有汽液兩相流的工藝物流，一般選用較大管徑。表 3-4 換熱管常用直徑規(guī)格（2）無相變換熱時，管子較長則傳熱系數(shù)也增加。在滿足換熱面積和設(shè)計要求的條件下，盡量選用較短的管子，以降低壓降。我國生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)長度多為6m，故系列標(biāo)準(zhǔn)中（3） 排列方式有 1.5m，2m，3m 和 6m 四種。換熱管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正三角形、轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排

37、列形式使用最為普遍，由于管距都相等，可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)。但因管外不易，其使用場合收到限制，主要的場合。而采用正方形和轉(zhuǎn)角適用介質(zhì)污垢少，且不需要進行機械正方形排列的管束，能夠使管間小橋形成一條直線通道，便于管外機械（4） 管間中心距。換熱管中心要保證管子與管板連接時，管橋有足夠的強度和剛度。管間需要時還要留有進行的通道。換熱管中心距一般選用范圍為 1.251.5d（d 為管外徑），常用的換熱管中心距如表 3-5 所示：表 3-5 常用換熱器中心距（5） 管程數(shù)和殼層型式管程數(shù)有 18 程幾種，常用的為 2、4 管程。管程數(shù)增加，管內(nèi)流速增加，傳熱系數(shù)也增加。但管內(nèi)流速要受到管

38、程壓力降的限制。在工業(yè)上常用的管內(nèi)流速如下：水和相類似的液體流速一般取 12.5m/s，對大冷凝器的冷卻水流速21換熱管外徑/mm1014192532384557換熱管中心距/mm1419253238455772碳素鋼、低合金鋼192mm252.5mm323mm383mm不銹鋼192mm252mm322.5mm382.5mm煙臺大學(xué) Muse 團隊第三章 換熱器選型可增加到 3m/s，氣體和蒸汽流速可 830m/s 在范圍內(nèi)選取。殼層型式大致分為：單殼層換熱器、雙殼層換熱器、分流式換熱器和雙分流式換熱器。當(dāng)溫度校正系數(shù) t0.8 時，應(yīng)采用殼3.7.3 換熱面積。有些物流所需的換熱面積大，采用

39、多個換熱器并聯(lián)，而不采用串聯(lián)，避免壓力降過高，影響傳熱系數(shù)。對于工藝物流間的換熱，留有 40%50%的裕量；對于工藝物流與公用工程間的換熱，留有 15%25%的裕量。3.7.4 折流板折流板可以改變殼程流體的方向，使其垂直于管束同時起支撐管束、防止管束振動和管子彎曲的作用。，增加流體速度，以增強傳熱；折流板型式折流板的型式有圓缺形、環(huán)盤形和孔流性等。折流板的型式有圓缺形、環(huán)盤形和孔流性等。通常為圓缺形折流板，并可分為單圓缺形、雙圓缺形和三圓缺形。在要求壓降小的情況下，也可選用環(huán)盤形折流板。在要求壓降小的情況下，也可選用環(huán)盤形折流板，但傳熱較差，應(yīng)用較少。孔流形折流板使流體穿過折流板孔和管子之間

40、的縫隙潔流體，應(yīng)用較少。，壓降大，僅適用于清折流板圓缺高度單圓缺型折流板的開口高度為直徑的1045，雙圓缺型折流板的開口高度為直徑的1525。折流板圓置水平放置的折流板適用于無相變的對流傳熱，防止殼程流體平行于管束，減少殼程底部液體沉積。在殼程用于冷凝操作時橫缺形折流板的底部應(yīng)開排液孔。而在帶有懸浮物或結(jié)垢嚴(yán)重的流體所使用的臥式冷凝器、換熱器中，一般采用垂直型折流板。折流板間距折流板的間距影響到殼程物流的流向和流速，從而影響到傳熱效率。最小的折流板間距為殼體直徑的1/5并大于50mm。然而，對特殊的設(shè)計考慮可以取較小的間距。由于折流板有支撐管子的作用，所以，通常最大折流板間距為殼體直徑的1/2

41、并不大于TEMA規(guī)定的最大無支撐直管跨距的0.8倍。表 3-6 折流板標(biāo)準(zhǔn)間距22公稱直徑mmmm折流板間距mm5003000100200300450600450060006008001500600015020030045060090013006000200300450600500，90075014004506007501700180060009000450600750煙臺大學(xué) Muse 團隊四.換熱器設(shè)計第四章 換熱器設(shè)計4.1 換熱器設(shè)計使用列表Aspen Plus V8.4 Aspen EDR SW6-2011Aspen Tech公司 Aspen Tech公司化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站換熱器

42、工藝參數(shù)設(shè)計換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計換熱器強度結(jié)構(gòu)設(shè)計4.2 換熱器選型示例以前面型式選擇的結(jié)果為基礎(chǔ)，使用Aspen EDR對脫氫反應(yīng)產(chǎn)物與原料丙烷流股換熱（E-0101AB）的換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核，再用SW6-2011進行換熱器強度校核，計算結(jié)果如下：4.2.1換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 4-1 換熱器裝配平面圖23名稱用途來源煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計圖4-2 管束截面圖24煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計5152535455565758圖 4-3 換熱器設(shè)計表4.3 換熱器強度校核以換熱器設(shè)計的結(jié)果為基礎(chǔ)，使用 SW6-2011校核，計算結(jié)果如下：，對換熱器的強度進行25T1 S2S

43、1 T2 RhoV2-Inlet nozzlGaskets - SsidFloating headCode requirementWeight/SRemarks煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計設(shè)計壓力26固定管板換熱器設(shè)計計算計算壓力容器計算設(shè) 計 計 算 條 件殼程管程煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計計算厚度 =27前端管箱筒體計算計算壓力容器計算計算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc0.20MPa設(shè)計溫度 t88.44C內(nèi)徑 Di800.00mm材料S30408( 板材 )試驗溫度許用應(yīng)力137.00MPa設(shè)計溫度許用應(yīng)力137.00MPa

44、試驗溫度下屈服點205.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C23.18mm焊接接頭系數(shù) 0.85厚度及重量計算煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計PT = 1.25Pc試驗壓力值28前端管箱封頭計算計算壓力容器計算計算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc0.25MPa設(shè)計溫度 t88.44C內(nèi)徑 Di800.00mm曲面深度 hi200.00mm材料S30408(板材)設(shè)計溫度許用應(yīng)力 t137.00MPa試驗溫度許用應(yīng)力 137.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C23.18mm焊接接頭系數(shù) 0.85壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試

45、驗類型試驗煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計計算厚度=29后端管箱筒體計算計算壓力容器計算計算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc0.20MPa設(shè)計溫度 t88.44C內(nèi)徑 Di800.00mm材料S30408( 板材 )試驗溫度許用應(yīng)力137.00MPa設(shè)計溫度許用應(yīng)力137.00MPa試驗溫度下屈服點 s205.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C23.18mm焊接接頭系數(shù) 0.85厚度及重量計算煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計30后端管箱封頭計算計算壓力容器計算計算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計算條件橢圓封頭簡圖計算壓

46、力 Pc0.25MPa設(shè)計溫度 t88.44C內(nèi)徑 Di800.00mm曲面深度 hi200.00mm材料S30408(板材)設(shè)計溫度許用應(yīng)力t137.00MPa試驗溫度許用應(yīng)力137.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.30mm腐蝕裕量 C23.18mm焊接接頭系數(shù) 0.85壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型試驗試驗壓力值PT = 1.25Pc = 0.4485 (或由用戶輸入) tMPa壓力試驗允許通過的應(yīng)力tT 0.90 s = 184.50MPa試驗壓力下封頭的應(yīng)力T = pT .(KDi 0.5e ) = 22.302e. MPa校核條件T T校核結(jié)果合格厚度及重量計算形狀系數(shù)1 D 2 K

47、=2 i = 1.00006 2h i 計算厚度KPc Dih = 2 t 0. Pc= 0.86mm有效厚度eh =nh - C1- C2= 9.52mm最小厚度min = 2.00mm名義厚度nh = 13.00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量76.42Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力2 t ePw= KDi 0.5 e = 2.75512MPa結(jié)論合格煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計計算厚度 =31內(nèi)壓圓筒校核計算壓力容器計算計算所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)GB 150.3-2011計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc0.16M設(shè)計溫度 t42.48內(nèi)徑 Di800.00m材料S30408( 板材 )試驗溫度許用應(yīng)力137.00M設(shè)計溫度許用應(yīng)力137.00M試驗溫度下屈服點205.00M鋼板負(fù)偏差 C10.30m腐蝕裕量 C24.00m焊接接頭系數(shù) 0.85厚度及重量計算煙臺大學(xué) Muse 團隊第四章?lián)Q熱器設(shè)計32開孔補強計算計算壓力容器計算接 管:N1, 4005.2計算方法: GB150.3-2011 等面積補強法，單孔設(shè)計條件簡圖計算壓力 pc0.16MPa設(shè)計溫度42.48殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型S30408板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)0.85殼體內(nèi)直徑 Di800mm殼體開孔處名義厚度n15mm殼體厚度負(fù)偏差 C10.3mm