换热器设计
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加热器E130壳程与管程的设计条件： 设计一台再沸器，使 T103塔顶液与冷却剂换热，从而实现精馏塔内汽液两 相间的热量及质量传递。 此物流先经过T103精馏塔流入冷凝器， 进料温度为1℃， 出冷凝器时的温度为167.87℃。 对于无相变的传热， 考虑到混合气体需要被冷却，且冷却温度较低需要冷却 剂对其冷却， 因此初步定为管程为冷却剂， 壳程为混合气体， 有利于能量的利用。
浮头式换热器
1.2
46
U 型管式换热器
1.28
外填料函式换热器
1.01
（2）公用工程 根据工艺条件，热蒸汽使用125℃（2.5bar）和175℃（9.0bar）的饱和蒸汽， 作为热公用工程。 同时， 选择温度为20℃的冷却水作为冷公用工程。一般情况下冷却水出口温 度不高于60℃，避免结垢严重，高温端的温差不应小于20℃，低温端的温差不应
图8-22
传热管正三角形排列方式
换热过程是源自文库相变传热场合，采用Ⅰ级较高级冷拔传热管。 6. 壳体内径 换热器壳体内径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。选用标准换 热器，忽略壳体壁厚，其壳体内径约为 D =1500mm，采用无缝钢管制作筒体。 7. 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的30%，切去的圆缺高 度为：
铝 铝合金 铜
GB/T 1527
1.0~3.0
铜合金
GB/T 8890
1.0~3.0
钛 钛合金
GB/T 3625
0.5~2.5
在选择管道规格时，通常选用Φ19mm的管子；对于易结垢的物料，为方便 清洗，采用外径Φ25mm或Φ38mm的管子；对于有气液两相流的工艺物流或者物 流流量较大工艺物流，一般选用较大的管径。 2）管长 在满足设计要求的前提下，尽量选用较短的管子，以降低压降。 3）管程数 随着管程数增加，管内流速和传热系数均相应的增加，因此一般选在1～2 或者4管程，不宜选用太高的管程数，以免压力降过大。 4）换热管中心距 管心距为管径的1.25～1.5倍，常用换热管中心距一般按照表8-32选取。 表8-28 换热管外径 换热管中心距 分程隔板槽两侧相邻管中心距 5）排列方式 正三角形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，而正方形排 列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45℃放置，也可提高 给热系数。 6）折流板 折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，获得较好的传热效 果。 表8-29 公称直径 ≤500 600-800 900-1300 1400-1600 1700-1800 管长 ≤3000 4500-6000 1500-6000 ≤6000 7500，9000 6000 7500，9000 6000-9000 折流板间距/mm 100 — 150 — — — 折流板间距 200 300 450 200 200 — — — 300 300 300 — — 450 450 450 450 600 600 600 600 600 — — — 750 750 750 换热管中心距/mm 19 25 38 25 32 44 32 40 52 38 48 60
1.1
换热器设计
1.1.1 换热器概述
换热设备是化工工业应用典型的工艺设备，主要用于实现热量传递，使热量 由高温流体传给低温物体。 一般来说，换热设备在化工厂装置中所占的比例在建 设费用方面高达10%~40%。因此从能源节省以及工厂投资的角度来讲，合理地 选择和使用换热设备，可节省投资，降低能耗，具有重要意义。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器 中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低， 吸热。 在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理 与前一致。 化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行 业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增 加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采 取节能措施， 大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课 题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工 艺流程中使用着大量的换热器， 提高这些换热器效率， 显然可以减少能源的消耗； 另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。
1.1.4.1
设计条件的确定
表8-30 设计条件 壳程 S-IN-C 202.2 S-IN-H 178.6 32.97 管程 To Reboiler@C103 156.9 A-IN-CDuplicate 167.9 31.91
进口物流 进口温度/℃ 出口物流 出口温度/℃ 压力/psi
1.1.4.2
依据表6.18中的数据，可以确定折流板数目。对于 DN500mm，选择一对； 对于DN500～1000mm，选择两对；对于DN＞1000mm，选择三对以上。 7）裕量 对于工艺物流间的换热，留有40% − 50%的裕量；对于工艺物流与公用工程
间的换热，留有15% − 25%的裕量。
1.1.4 换热器的选型计算
小于5℃。当在两工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于20℃。当采 用多管程、单壳程的管壳式换热器，并且用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度 不应高于工艺物流的出口温度。 此外，部分物流温度要控制在10℃左右，选用氯化钙和少量重铬酸钠、氢氧 化钠配置的冷冻盐水作为制冷剂。 （3）物流流程的选择 对于高温物流一般走管程， 从而节省保温层和减少壳体厚度，但是有时为了 物料的散热，增强冷却效果，也可以使高温流体走壳程；对于压力较高的物流应 该走管程；粘度较大的流体应该走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数；对于 压力降有特定要求的工艺物流应走管程， 因管程的传热系数和压降计算误差较小； 流量较小的物流应走壳程，易使物流形成湍流状态，从而增加传热系数；对于具 有腐蚀性的物流走管程， 否则对壳程和管程都会造成腐蚀；对于有毒流体宜走管 程，使泄漏机会减少。 （4）换热管 1）换热管规格 表8-27 材料 碳钢 低合金钢 不锈钢 换热管标准 GB/T 8163 GB 9948 GB 13296 GB 9948 GB/T 14976 GB/T 6893 换热管规格表 管子规格/mm 外径 ≥14~30 ＞30~50 57 ≥14~30 ＞30~50 57 ≤34 36~50 ＞50~55 10 11~18 19~30 10~12 ＞12~18 ＞18~25 ＞25~28 10~30 ＞30~40 ＞40~50 壁厚 2~2.5 2.5~3 3.5 ＞1.0~2.0 ＞2.0~3.0 2.0~3.5
t 0.98 ，由于 t 0.8 ，换热器取单壳程较为合适。
则平均传热温差
t m
为：
' t m t t m 0.98 23.98 23.26 ℃
5. 传热管排列方式及管心距 传热管按正三角形排列，如图所示。根据Φ 19 2mm的传热管规格，取常用 的管心距t为25mm。
确定主要物性数据
1. 定性温度的确定 壳程的定性温度为：
202 .2 178 .6 190.4 ℃ 2 156 .9 167 .9 162.4 ℃ 2
T
管程的定性温度为：
t
2.2流体有关物性数据 1）壳程凝液在定性温度T下的物性数据：
(m K) 热导率： c 0.018359W/
1.1.2 选型依据
《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》 《固定管板式换热器型式与基本参数》 《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》 《管壳式换热器》 JB/T 4714—92 JB/T 4715—92 JB/T 4716—92 GB 151-1999
换热器包括过程流股的加热器，塔的再沸器和冷凝器。根据工艺衡算和工艺 物料的要求，掌握物料流量、温度、压力、化学性质、物性参数等特性，结合 Aspen Energy Analyzer得出的有关设备负荷、传热面积、流程中的位置等来明确 设计任务，选择换热器型式。在设计过程中，需满足如下几个方面的要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件。 （2）结构安全可靠。 （3）便于制造、安装、操作和维修。 （4）经济上合理。
其中：
T1 T2 t1 t2 t m
壳程热物流进口温度， ℃ 壳程热物流出口温度， ℃ 管程冷物流进口温度， ℃ 管程冷物流出口温度， ℃ 对数平均传热温差， ℃
3. 换热器型号初选 根据《传热传质过程设备设计》中对K值的范围，假设K=216W/（m2 K）， 根据aspen Energy Analyzer得出了换热面积为106.8m2。根据以上进出口温度参数 及平均传热温差， 选择立式固定管板式换热器。参阅相关化工与石油化工单元设 备标准JBT 4715-92《固定管板式式换热器型式与基本参数》，初步选定换热器 换热面积为106.8m2，其中公称直径DN=1400mm，传热管规格为Φ 19 2mm，传 热管总长L=6000mm，传热管排管数NT为2378根，中心排管数为54，折流板间距 为450mm,换热器长为1.5m。 4. 平均传热温差校正 对于双管程的换热器结构，平均传热温差需要进行校正。
6 粘度： c 8.84310 Pa s
比热：
c pc 1.276kJ/(k g K)
3 密度： c 424.5kg/m
2）管程流体在定性温度t下的物性数据：
K) 热导率： b 0.626W/(m
4 粘度：b 7.2710 Pa s
比热：
c pb 4.174kJ/(k g K)
3 密度： b 672.6kg/m
1.1.4.3
1. 热流量Q
工艺过程计算
由换热网络可以确定此换热器所通过的热流量为
Q 1597920 kcal / h 1.858 10 6W
2． 计算平均传热温差
' t m
(T1 t 2 ) (T2 t1 ) (202 .2 156 .9) (178 .6 167 .9) 23.98 ℃ T1 t 2 202 .2 156 .9 ln ln 178 .6 167 .9 T 2 t1
R
T1 T2 202 .2 178 .6 2.14 t 2 t1 156 .9 167 .9
P
t 2 t1 156 .9 167 .9 -0.47 T1 t1 202 .2 178 .6
查 温 差 校 正系 数 图 三（ 壳 程 1 程， 管 程 2n 程 ） 得 到 平均 温 差 校正 系 数
1.1.3 换热器的选型说明
换热器作为传热设备在工业中应用非常普遍，按照换热的方式和原理不同， 换热设备分为直接式、蓄热式和间壁式。间壁式换热器又分为夹套式、管式、管 壳式和板式。根据C4分离及利用生产工艺的特点，我们选择管壳式换热器，管 壳式换热器的主要形式大致可分为固定管板式、 浮头式、 U型管式、 外填料函式、 滑动管板式、双管板式及薄管板式几种。管壳式换热器是把管子和管板连接，再 用壳体固定。其优缺点如表8-30所示。 表8-26 名称 固定管板式换热器 管壳式换热器的类型与特点 特点 结构简单、 制造成本低， 使用广泛， 已系列化，管板最薄，但壳侧不易 清洗或检修，所以壳程必须走清洁 且不易结垢的流体。当两流体温差 较大时，可采用具有膨胀节的壳 体。但是不宜用于两流体温差过大 (一般要<70℃)和壳程压力过高(可 通过改变材料、壳体厚度、封头与 管板的设计来增加其可承受压力) 的场合。 克服了固定式的缺点，管束的热膨 胀不受壳体的约束，检修和清洗时 只要将整个管束抽出即可，但结构 复杂，安装时浮头端泄露不好控 制。适用于冷热流体温差较大，壳 程介质腐蚀性强、易结垢的情况。 结构较浮头简单，但是管程不易清 洗，且每根管流程不同，不均匀， 且造价高，适用于高温高压情况 下，不适合做大直径设备。 具有浮头式换热器优点，又克服了 固定式换热器的缺点，结构简单， 制造方便，易于检修和清洗，适合 于壳程压力不高、较严重腐蚀的介 质、温差较大而经常要更换管束的 冷却器。 相对费用 耗用金属（kg/m2） 1.0 30
浮头式换热器
1.2
46
U 型管式换热器
1.28
外填料函式换热器
1.01
（2）公用工程 根据工艺条件，热蒸汽使用125℃（2.5bar）和175℃（9.0bar）的饱和蒸汽， 作为热公用工程。 同时， 选择温度为20℃的冷却水作为冷公用工程。一般情况下冷却水出口温 度不高于60℃，避免结垢严重，高温端的温差不应小于20℃，低温端的温差不应
图8-22
传热管正三角形排列方式
换热过程是源自文库相变传热场合，采用Ⅰ级较高级冷拔传热管。 6. 壳体内径 换热器壳体内径取决于传热管数、管心距和传热管的排列方式。选用标准换 热器，忽略壳体壁厚，其壳体内径约为 D =1500mm，采用无缝钢管制作筒体。 7. 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的30%，切去的圆缺高 度为：
铝 铝合金 铜
GB/T 1527
1.0~3.0
铜合金
GB/T 8890
1.0~3.0
钛 钛合金
GB/T 3625
0.5~2.5
在选择管道规格时，通常选用Φ19mm的管子；对于易结垢的物料，为方便 清洗，采用外径Φ25mm或Φ38mm的管子；对于有气液两相流的工艺物流或者物 流流量较大工艺物流，一般选用较大的管径。 2）管长 在满足设计要求的前提下，尽量选用较短的管子，以降低压降。 3）管程数 随着管程数增加，管内流速和传热系数均相应的增加，因此一般选在1～2 或者4管程，不宜选用太高的管程数，以免压力降过大。 4）换热管中心距 管心距为管径的1.25～1.5倍，常用换热管中心距一般按照表8-32选取。 表8-28 换热管外径 换热管中心距 分程隔板槽两侧相邻管中心距 5）排列方式 正三角形排列更为紧凑，管外流体的湍动程度高，给热系数大，而正方形排 列的管束清洗方便，对易结垢流体更为适用，如将管束旋转45℃放置，也可提高 给热系数。 6）折流板 折流板可以改变壳程流体的方向，使其垂直于管束流动，获得较好的传热效 果。 表8-29 公称直径 ≤500 600-800 900-1300 1400-1600 1700-1800 管长 ≤3000 4500-6000 1500-6000 ≤6000 7500，9000 6000 7500，9000 6000-9000 折流板间距/mm 100 — 150 — — — 折流板间距 200 300 450 200 200 — — — 300 300 300 — — 450 450 450 450 600 600 600 600 600 — — — 750 750 750 换热管中心距/mm 19 25 38 25 32 44 32 40 52 38 48 60
1.1
换热器设计
1.1.1 换热器概述
换热设备是化工工业应用典型的工艺设备，主要用于实现热量传递，使热量 由高温流体传给低温物体。 一般来说，换热设备在化工厂装置中所占的比例在建 设费用方面高达10%~40%。因此从能源节省以及工厂投资的角度来讲，合理地 选择和使用换热设备，可节省投资，降低能耗，具有重要意义。 在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称换热器。在换热器 中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度高，放热；另一种流体温度低， 吸热。 在工程实践中有时也会有两种以上流体参加换热的换热器，但其基本原理 与前一致。 化工、石油、动力、食品等行业中广泛使用各种换热器，它们是上述这些行 业的通用设备，占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增 加，能源紧张已成为一个世界性问题。为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采 取节能措施， 大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课 题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工 艺流程中使用着大量的换热器， 提高这些换热器效率， 显然可以减少能源的消耗； 另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。
1.1.4.1
设计条件的确定
表8-30 设计条件 壳程 S-IN-C 202.2 S-IN-H 178.6 32.97 管程 To Reboiler@C103 156.9 A-IN-CDuplicate 167.9 31.91
进口物流 进口温度/℃ 出口物流 出口温度/℃ 压力/psi
1.1.4.2
依据表6.18中的数据，可以确定折流板数目。对于 DN500mm，选择一对； 对于DN500～1000mm，选择两对；对于DN＞1000mm，选择三对以上。 7）裕量 对于工艺物流间的换热，留有40% − 50%的裕量；对于工艺物流与公用工程
间的换热，留有15% − 25%的裕量。
1.1.4 换热器的选型计算
小于5℃。当在两工艺物流之间进行换热时，低温端的温差不应小于20℃。当采 用多管程、单壳程的管壳式换热器，并且用水作为冷却剂时，冷却水的出口温度 不应高于工艺物流的出口温度。 此外，部分物流温度要控制在10℃左右，选用氯化钙和少量重铬酸钠、氢氧 化钠配置的冷冻盐水作为制冷剂。 （3）物流流程的选择 对于高温物流一般走管程， 从而节省保温层和减少壳体厚度，但是有时为了 物料的散热，增强冷却效果，也可以使高温流体走壳程；对于压力较高的物流应 该走管程；粘度较大的流体应该走壳程，在壳程可以得到较高的传热系数；对于 压力降有特定要求的工艺物流应走管程， 因管程的传热系数和压降计算误差较小； 流量较小的物流应走壳程，易使物流形成湍流状态，从而增加传热系数；对于具 有腐蚀性的物流走管程， 否则对壳程和管程都会造成腐蚀；对于有毒流体宜走管 程，使泄漏机会减少。 （4）换热管 1）换热管规格 表8-27 材料 碳钢 低合金钢 不锈钢 换热管标准 GB/T 8163 GB 9948 GB 13296 GB 9948 GB/T 14976 GB/T 6893 换热管规格表 管子规格/mm 外径 ≥14~30 ＞30~50 57 ≥14~30 ＞30~50 57 ≤34 36~50 ＞50~55 10 11~18 19~30 10~12 ＞12~18 ＞18~25 ＞25~28 10~30 ＞30~40 ＞40~50 壁厚 2~2.5 2.5~3 3.5 ＞1.0~2.0 ＞2.0~3.0 2.0~3.5
t 0.98 ，由于 t 0.8 ，换热器取单壳程较为合适。
则平均传热温差
t m
为：
' t m t t m 0.98 23.98 23.26 ℃
5. 传热管排列方式及管心距 传热管按正三角形排列，如图所示。根据Φ 19 2mm的传热管规格，取常用 的管心距t为25mm。
确定主要物性数据
1. 定性温度的确定 壳程的定性温度为：
202 .2 178 .6 190.4 ℃ 2 156 .9 167 .9 162.4 ℃ 2
T
管程的定性温度为：
t
2.2流体有关物性数据 1）壳程凝液在定性温度T下的物性数据：
(m K) 热导率： c 0.018359W/
1.1.2 选型依据
《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》 《固定管板式换热器型式与基本参数》 《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》 《管壳式换热器》 JB/T 4714—92 JB/T 4715—92 JB/T 4716—92 GB 151-1999
换热器包括过程流股的加热器，塔的再沸器和冷凝器。根据工艺衡算和工艺 物料的要求，掌握物料流量、温度、压力、化学性质、物性参数等特性，结合 Aspen Energy Analyzer得出的有关设备负荷、传热面积、流程中的位置等来明确 设计任务，选择换热器型式。在设计过程中，需满足如下几个方面的要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件。 （2）结构安全可靠。 （3）便于制造、安装、操作和维修。 （4）经济上合理。
其中：
T1 T2 t1 t2 t m
壳程热物流进口温度， ℃ 壳程热物流出口温度， ℃ 管程冷物流进口温度， ℃ 管程冷物流出口温度， ℃ 对数平均传热温差， ℃
3. 换热器型号初选 根据《传热传质过程设备设计》中对K值的范围，假设K=216W/（m2 K）， 根据aspen Energy Analyzer得出了换热面积为106.8m2。根据以上进出口温度参数 及平均传热温差， 选择立式固定管板式换热器。参阅相关化工与石油化工单元设 备标准JBT 4715-92《固定管板式式换热器型式与基本参数》，初步选定换热器 换热面积为106.8m2，其中公称直径DN=1400mm，传热管规格为Φ 19 2mm，传 热管总长L=6000mm，传热管排管数NT为2378根，中心排管数为54，折流板间距 为450mm,换热器长为1.5m。 4. 平均传热温差校正 对于双管程的换热器结构，平均传热温差需要进行校正。
6 粘度： c 8.84310 Pa s
比热：
c pc 1.276kJ/(k g K)
3 密度： c 424.5kg/m
2）管程流体在定性温度t下的物性数据：
K) 热导率： b 0.626W/(m
4 粘度：b 7.2710 Pa s
比热：
c pb 4.174kJ/(k g K)
3 密度： b 672.6kg/m
1.1.4.3
1. 热流量Q
工艺过程计算
由换热网络可以确定此换热器所通过的热流量为
Q 1597920 kcal / h 1.858 10 6W
2． 计算平均传热温差
' t m
(T1 t 2 ) (T2 t1 ) (202 .2 156 .9) (178 .6 167 .9) 23.98 ℃ T1 t 2 202 .2 156 .9 ln ln 178 .6 167 .9 T 2 t1
R
T1 T2 202 .2 178 .6 2.14 t 2 t1 156 .9 167 .9
P
t 2 t1 156 .9 167 .9 -0.47 T1 t1 202 .2 178 .6
查 温 差 校 正系 数 图 三（ 壳 程 1 程， 管 程 2n 程 ） 得 到 平均 温 差 校正 系 数
1.1.3 换热器的选型说明
换热器作为传热设备在工业中应用非常普遍，按照换热的方式和原理不同， 换热设备分为直接式、蓄热式和间壁式。间壁式换热器又分为夹套式、管式、管 壳式和板式。根据C4分离及利用生产工艺的特点，我们选择管壳式换热器，管 壳式换热器的主要形式大致可分为固定管板式、 浮头式、 U型管式、 外填料函式、 滑动管板式、双管板式及薄管板式几种。管壳式换热器是把管子和管板连接，再 用壳体固定。其优缺点如表8-30所示。 表8-26 名称 固定管板式换热器 管壳式换热器的类型与特点 特点 结构简单、 制造成本低， 使用广泛， 已系列化，管板最薄，但壳侧不易 清洗或检修，所以壳程必须走清洁 且不易结垢的流体。当两流体温差 较大时，可采用具有膨胀节的壳 体。但是不宜用于两流体温差过大 (一般要<70℃)和壳程压力过高(可 通过改变材料、壳体厚度、封头与 管板的设计来增加其可承受压力) 的场合。 克服了固定式的缺点，管束的热膨 胀不受壳体的约束，检修和清洗时 只要将整个管束抽出即可，但结构 复杂，安装时浮头端泄露不好控 制。适用于冷热流体温差较大，壳 程介质腐蚀性强、易结垢的情况。 结构较浮头简单，但是管程不易清 洗，且每根管流程不同，不均匀， 且造价高，适用于高温高压情况 下，不适合做大直径设备。 具有浮头式换热器优点，又克服了 固定式换热器的缺点，结构简单， 制造方便，易于检修和清洗，适合 于壳程压力不高、较严重腐蚀的介 质、温差较大而经常要更换管束的 冷却器。 相对费用 耗用金属（kg/m2） 1.0 30