苯酚生產(chǎn)中的換熱器設(shè)備設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u16240苯酚生產(chǎn)中的換熱器設(shè)備設(shè)計案例綜述 1169631.1概述 1264531.2選型依據(jù) 2221201.2.1選型原則 2311081.2.2換熱器類型 3239701.2.3換熱管規(guī)格選擇 4116851.2.4換熱面積 6231601.2.5折流板 619441.3流股條件 617571.4計算傳熱面積 6206901.5換熱管選取 7185761.5.1換熱管規(guī)格及流速選定 765761.5.2管程流通截面積 745301.5.3單程管數(shù) 7271941.5.4管程數(shù) 8222511.5.5換熱管排列方式 8179651.6再沸器殼體內(nèi)徑計算 9204351.7再沸器進口管徑選取 916171.8直流板的選取 970291.9總傳熱系數(shù)校核 1122873則選定K值為 11概述兩個或多個溫度不同的物體溫度趨向于相同溫度的裝置叫做換熱器。換熱器的本質(zhì)是把熱量相對較高的物體溫度轉(zhuǎn)移到溫度較低的物體身上。換熱器是作為不同溫度物體之間的橋梁。換熱器是日常生活中都會接觸到的事物，在各個領(lǐng)域中占有重要地位。隨著不可再生資源的消耗，不可再生資源的價格上漲，是人們意識到了資源利用率的重要性。換熱器是節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵，正因如此更高效的換熱器的開發(fā)顯得越來越重要。換熱器的使用普遍性，適用范圍廣，換熱效率微小的提升就會節(jié)約大量的能源。換熱器在工業(yè)中的主要作用是回收生產(chǎn)中的熱量，進行下一能級的加熱，或者進行發(fā)電。因為金屬材料優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能，換熱器的主材料多由金屬構(gòu)成。中低高壓和特種散熱器的工作條件不同，構(gòu)成材料也不同。目前非金屬換熱器也用在一些特種工作環(huán)境中。選型依據(jù)表5-1換熱器選型依據(jù)名稱標準號《立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數(shù)》JB/T4716-92《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)》JB/T4714-92《管殼式換熱器》GB151-1999《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》JB/T4715-92《U形管式換熱器型式與基本參數(shù)》JB/T4717—92《管殼式換熱器用纏繞墊片》JB/T4719—92選型原則在換熱器的實際選型上，需要綜合考慮各種因素，如：物料的壓力、溫度等因素，還有允許的物料壓力下降范圍、設(shè)備的清洗便捷性、制造成本和使用壽命等。不同的工藝條件和操作條件，根據(jù)實際的機械設(shè)計需求，因地制宜，選擇最適合的換熱器類型，就能有效降低能耗。對于專業(yè)的工程技術(shù)從業(yè)人員，換熱器類型的合理選擇應(yīng)當?shù)玫阶銐虻闹匾暎C合考慮經(jīng)濟因素和成本因素，再三分析，得出實際條件下的最佳、最合理的設(shè)計方案。實際選型過程，要符合一下幾個要求：（1）在工藝和操作上首先要保證的是設(shè)計出來的換熱器和工藝要求上一致，質(zhì)量必須達標，并且操作穩(wěn)定。還需配備閥門和計量相關(guān)的儀表，并能對實時變化的流體的流量、壓力、溫度等參數(shù)做出反應(yīng)，以控制換熱器處于穩(wěn)定狀態(tài)。其次，當換熱器發(fā)生故障時，還需及時檢修。（2）在經(jīng)濟上達到設(shè)計要求后，還需考慮一定的經(jīng)濟因素。比如結(jié)構(gòu)件安裝簡單，材料獲取途徑豐富、成本低廉實惠等。同時，盡量做到節(jié)能環(huán)保，充分利用已有的資源，比如利用廢熱等。（3）在安全上考慮極端的生產(chǎn)狀況，若生產(chǎn)流程或操作不當引起的爆炸、毒害氣體時，要及時采取安全措施。例如在設(shè)備的材料強度驗算上，除了規(guī)定一定的安全系數(shù)外，還需考慮因故障導(dǎo)致的壓力極端變化造成的超高壓或者真空，因此，還需加裝安全閥來應(yīng)對這種情況。換熱器類型換熱器類型多，根據(jù)傳熱方式的不同，主要有三種類型：壁間型、蓄熱型以及混合型。其中，間壁型換熱器又有板式、夾套式和管式之分。殼管式換熱器的可靠性很高，適應(yīng)性相比其他類型的換熱器廣，已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣分應(yīng)用。雖然近幾年換熱器的種類日新月異，技術(shù)也有較大的突破，但是管殼式換熱器仍然處于主導(dǎo)地位。（1）管殼式換熱器管殼式換熱器主要由換熱管、封頭、擋板、殼體和管板組成。其中，不銹鋼、銅或普通碳鋼這些材料在工業(yè)上被廣泛地運用到換熱器的材料上。管程的流體一般從封頭連接管進入，充分換熱后，從另一頭流出；而殼程流體從殼程直接進入接管，充分換熱后流出。殼管式換熱器兼具適應(yīng)性強、取材廣泛、加工能力大、成本低廉以及制造簡單的特點，它的設(shè)計工藝相對完善，運行的可靠性也優(yōu)于其他換熱器。殼管式最關(guān)鍵的部件是換熱管束，安裝在換熱器殼體內(nèi)部，它的兩端分別于管板兩端固定在一起，具有結(jié)構(gòu)性強、可選范圍較廣的結(jié)構(gòu)材料、單位傳熱面積大的特點，但是，相比于其它換熱器，殼管式的傳熱效率比較低。殼管式換熱器細分之下，又有固定管板式，填料箱式，浮頭式以及U形管這四種之分。要想選擇合適的換熱器，應(yīng)當充分考慮流體的各種理化性質(zhì)：流速，溫度，腐蝕性、壓降范圍、操作溫度等因素。但若從經(jīng)濟層面考慮，在允許的工藝條件下，固定管板式是優(yōu)于其它類型的。（2）固定管板式換熱器這類型的換熱器結(jié)構(gòu)簡單，造型緊湊，成本低廉。由于結(jié)構(gòu)限制，換熱管的外側(cè)的清洗方式比較特殊，不能直接進行機械清洗。內(nèi)部的管束固定在管板端面，再將管板焊接到換熱器外殼的兩側(cè)端面，而頂蓋與頂部板相連接。流體流經(jīng)頂蓋和外殼，都配有出入口。與管束垂直的一系列擋板被安置在管外，管束、管板和外殼三者之間的連接是剛性連接，因此，管的內(nèi)部和外部是兩種溫度不同的流體。當兩側(cè)溫差足夠大時，會產(chǎn)生可觀的熱膨脹差，從而形成較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致管束彎曲甚至扭曲，從而損壞換熱器。對于上述情況，必須予以消除。解決辦法是合理地利用溫差補償裝置，盡量減小溫度差的影響。通常情況，管壁和外殼之間的溫差在50℃以內(nèi)不會產(chǎn)生危害，若超出50℃，就必須使用溫差補償裝置。若外殼的壓力大于0.6MP，裝置的補償環(huán)可能會特別厚，導(dǎo)致擴張或收縮困難。（3）浮頭式換熱器當管板的一端固定，而另一端能自由膨脹或收縮的換熱器，稱之為浮頭式換熱器。它的管束能直接被拉出，從而方便清潔，并且，由于兩側(cè)溫差存在，浮頭能自由膨脹，溫差應(yīng)力大大減小，結(jié)構(gòu)不容易損壞。但是，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，生產(chǎn)制造成本也相對較高。（4）填料函熱交換器和浮頭式類似，它的一端也能自由膨脹，但結(jié)構(gòu)沒有浮頭式復(fù)雜，相應(yīng)的成本也比浮頭式的成本低廉。但是，殼程的流體存在泄漏的可能，這導(dǎo)致它的使用壓力和使用溫度受到限制。（5）U型管式換熱器U型式的管束兩端固定在同一塊板，但中間段能自由膨脹收縮。它的管程至少是二，由于自由段較長，管束能直接拉出清洗。但是內(nèi)壁不容易清洗到，容易凝結(jié)水垢。具有結(jié)構(gòu)簡單重量輕的特點，比較適合工作在高溫高壓的條件。換熱管規(guī)格選擇（1）管子的規(guī)格總的來說，換熱管的直徑越小，換熱器的結(jié)構(gòu)越緊湊，相應(yīng)的價格也越便宜。而換熱管的直徑和換熱器的壓降參數(shù)之間是負相關(guān)的。為了滿足壓降的合適范圍，通常使用外徑為19mm的換熱管。當流經(jīng)的流體容易結(jié)構(gòu)，為了方便清洗，應(yīng)當使用25mm外徑的換熱管。由于外徑大，壁厚也會增加，能承受更大的壓力。相應(yīng)的，小管徑的換熱管的管壁較薄，更有利于熱量交換。因此，應(yīng)合理選擇換熱管徑（2）換熱管的外形換熱管的外形主要有光滑管和螺紋管之分。一般采用光滑管。若殼程膜系數(shù)較低，采取慣常的措施影響不大時，可以試試螺紋管。由于螺紋管具有較大的表面積，因此傳熱效果優(yōu)于光滑管。（3）管子的排列方式殼徑相同時，正三角形的排列方式的容積率最大，能排布更多的換熱管，從而單位傳熱面積，消耗金屬的質(zhì)量較低。當流體不易結(jié)垢或者能方便進行化學(xué)清洗的情況下，優(yōu)先采用正三角形排列。若需要較頻繁機械清洗，則應(yīng)當采用正方形排列。（4）管長管長的選取，主要從管子的基礎(chǔ)標準以及清洗難度來考慮。同時，按照我國的標準鋼管長6m，一般能取9m，6m，3m，2m，1.5m五種規(guī)格。（5）管間距的確定管間距是指相鄰兩根管子中心的距離。當管間距較小時，有利于提高傳熱系數(shù)，導(dǎo)致設(shè)備的結(jié)構(gòu)更為緊湊。常見的管間距取值見下表：表5-2常用的d0與t的對比關(guān)系換熱管外徑do/mm1014192532384557換熱管中心距t/mm1419253240485772（6）管程數(shù)的確定當換熱器核算的換熱面積較大時，且管長有限，這時需要布置更多的換熱管來滿足換熱面積?？紤]到管中流體的流速，則管束被分割成多個區(qū)域。管程數(shù)在管殼式換熱器的標準一般取1,2,4和6。管程數(shù)有如下公式計算：式中，L總——換熱管的總長度，m；L——單程換熱管長度，m。（7）殼程數(shù)的確定若溫差校正系數(shù)??t小于0.8時，應(yīng)該優(yōu)先采用多程殼程。安裝互相平行的擋板能實現(xiàn)殼側(cè)數(shù)量，那么，流體通過管的次數(shù)就稱為殼程數(shù)。但從安裝和維護方面考慮，它不適用于殼側(cè)隔板。一般用使用幾個換熱器串聯(lián)的方式來解決這個問題。換熱面積當換熱面積較大時，為避免流經(jīng)壓力過大，影響傳熱系數(shù)，一般能采用多個換熱器并聯(lián)的方式來分攤換熱面積。折流板安裝擋板時，能增加殼側(cè)流體的流速，同時也能增加湍流的程度，用以改善殼側(cè)對流熱的傳遞系數(shù)。通常，兩個相鄰隔板間距是殼體內(nèi)徑的0.2到1倍。當板間距比較小，對制造和修理造成巨大的困擾，因此，應(yīng)當取合適的板間距。其次，當板間距過大時，難以對流經(jīng)的流體加以管束，這會導(dǎo)致對流熱傳遞系數(shù)垂直流動。以上可以看出，擋板的設(shè)置對管外的供熱系數(shù)有著增幅的作用。綜上所述，必須按照實際情況，參考設(shè)計手冊，合理選擇最合適的參數(shù)。流股條件本次再沸器的熱流股為T0201塔的塔底液相出料，塔底餾出流率F餾出=207.868kg/h，質(zhì)量再沸比R=2.815，再沸器的進口質(zhì)量流率F液=793.016kg/h，出口包含585.148kg/h的回流汽和207.868kg/h塔底餾出物的。再沸器的進口熱流股壓力規(guī)定為0.14MPa，進料溫度為194.127℃，熱負荷為7278.270kW。出料溫度也為194.127℃。熱公用工程采用熱介質(zhì)為1.7MPa蒸汽，溫度為230.000℃。計算傳熱面積假設(shè)總傳熱系數(shù)為2100.000W/(m2℃)。熱公用工程的熱量利用完后變?yōu)轱柡鸵合唷Ｄ媪鲹Q熱，熱工程走管程，冷流股走殼程，計算平均換熱溫差?再沸器的熱負荷為7278.270kW，計算換熱面積S=計算熱公用工程的用量：查得飽和水蒸氣在溫度230.000℃下的焓值，液體為990.120kJ/kg，氣體為2804.000kJ/kg，則熱蒸汽的用量為：G=換熱管選取換熱管規(guī)格及流速選定換熱管構(gòu)成了換熱器的傳熱面，按照實際環(huán)境的流體腐蝕性、毒性、工作壓力、流體對材料的脆化作用、溫度等因素，選取相應(yīng)的材料以能承受相應(yīng)的工況。通常選取的材料有石墨、銅、合金鋼以及碳鋼等。管壁相同時，管徑較小的換熱管能承受較大的工作壓力；同時，當殼徑一定時，換熱管徑小能排列更多的換熱管，因此，具有更大的單位體積的傳熱面積，那么，單位傳熱面積所消耗的金屬也更少?？偠灾谕獠織l件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用直徑較小的換熱管。表5-3換熱管的規(guī)格及排列方式換熱管外徑×壁厚排列形式mm管心距mm碳素鋼，低合金鋼mm不銹耐酸鋼mm25×2.525×2正三角形3219×219×225在此，選用?19×2的碳鋼管，采用無縫焊接工藝。管程內(nèi)的流體流速選用ω2=25.000m/s。管程流通截面積由以上計算結(jié)果可以算出管程所需流通截面:At=式中：At——表示管程流通面積；G——表示蒸汽量；ρ汽——表示蒸汽的密度；ω2——表示管程內(nèi)水流速。單程管數(shù)根據(jù)傳熱管的內(nèi)徑和管程所需流通截面積，求單程管數(shù)：n=4式中：At——表示管程所需流通面積；di——表示傳熱管的內(nèi)徑。管程數(shù)按單程管計算，所需換熱管長度：L=Sπ按單管程計算，傳熱管過長,宜采用多管程結(jié)構(gòu)。工程上常用的有：1.5m、2m、3m、4.5m、6m、9m，現(xiàn)取管束長度為：l=9.000m。換熱管程數(shù)為：24.914則傳熱管總根數(shù)為nt則換熱器的傳熱面積為：S換熱管排列方式下圖是換熱管常見的四種排列方式。當管程數(shù)較多時，可以考慮采用組合排列的方式。圖5-1管子的排列方式本次設(shè)計的換熱器的管程數(shù)為3，根據(jù)圖5-1選取正三角形排列為換熱管的排列方式。表5-4換熱管中心距換熱管外徑19202225303235s25262832384044l38404244505256選取管中心距s=25mm，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距l(xiāng)E=38mm。再沸器殼體內(nèi)徑計算殼體內(nèi)徑可以用下述公式粗估：當管子按正三角形排列時，可以按上述公式計算：DD式中：Ds——表示殼體內(nèi)徑；nt——表示傳熱管根數(shù)；s——表示管中心距；η——管板利用效率，一般取0.6-0.8，本設(shè)計取0.8。計算得到的內(nèi)徑應(yīng)圓整到標準尺寸，按照鋼制壓力容器標準可確定：殼體內(nèi)徑=500.00mm。再沸器進口管徑選取確定連接管直徑的基本公式仍可用連續(xù)性方程，經(jīng)簡化可以用以下公式：d2將結(jié)果圓整到最接近的標準管徑，取?131mm×3。直流板的選取折流板除了改變流體流動外，還具有支撐管束、防止管束發(fā)生振動和彎曲的作用。在安裝上，它沒有安裝縱向隔板那么困難，并且，安裝后，可以令流體橫穿流過管束，因此在換熱器上得到廣泛應(yīng)用。常見的折流板有盤環(huán)形折流板和弓形折流板兩大類，。在弓形折流板中，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，流體流動的死角較小，因而使用場景最為廣泛。相對的，盤環(huán)形的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且不容易清洗干凈