年产15万吨丙烯腈项目-换热器选型说明书

换热器设计

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，是用于实现热量传递，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。

1.2 选型依据

《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》JB/T 4714—92

《固定管板式换热器型式与基本参数》JB/T 4715—92

《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》JB/T 4716—92

《换交换器》GB 151-2014

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。

1.3 换热器的选型说明

1.3.1 换热器类型

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。根据生产工艺的特点，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。其优缺点如下表所示。

表1-1 管壳式换热器的类型与特点

管壳式换热器：主要应用的有浮头式和固定管板式两种。当工艺条件允许时，优先选用固定管板式，但下述两种情况使用浮头式：

a) 壳体和管子的温度差超过30度，或者冷流体进口和热流体进口温度差超过110度；

b) 容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质

1.3.2 管壳式换热器的主要组合部件

在GB/T 151-2014中，将管壳式换热器的主要组合部件分为前端管箱、壳体和后端管箱（包括管束）三部分。

（1）壳体

在选择壳体型式时，一般来说，E型壳体是单程壳体，经济上便宜，通常热效率最高，但是对于多管程的换热器，若平均传热温差修正系数较低，以致需要两个E型壳体串联时，可以采用更为经济的一个F型壳体，但由于F型壳体的纵向隔板（挡板）受到流体与热量泄露的限制，所以必须仔细设计与制造。同时在拆卸或更换管束方面，该壳体也存在较多问题。假如壳侧压力降受到限制，流量也较大时，可以采用分流式的J型壳体，不过热效率会有损失（平均传热温差修正系数较低）。也可以采用G型和H型壳体中的（双）分流式壳体，G型壳体主要适用于水平放置的热虹吸再沸器，在壳体中央有一个支持板，没有折流板，应用G型壳体时，管长不可以超过3m。当管长较长时可选择H型，H型壳体相当于两个G型壳体并联，故其内部有两个支持板，流体经过两次分流和两次汇合。G型和H型壳体的优点即压力降很小且没有折流板。

根据以上各种壳体类型的特点，可以归纳出壳体类型选择的主要原则如下：

①E型壳体：为标准壳体使用最广泛，程数为1，采用最多，最适用于单相流体，当换热器内发生温度交叉，需要两台或两台以上的多管程换热器串联才能满足要求时，为减少串联换热器的台数，可选择F型；

②F型壳体：程数为2，需用纵向挡板分流壳侧流体。为避免折流板太厚，壳侧设计压力低于10psi，最好小于等于5psi(0.35Kg/cm2G)，设计温度小于180℃；压降较大，为E壳程的8倍；

③G型壳体：分裂流，折流板在中间，把流体分为两股，多用于卧式热虹吸式再沸器或冷凝器，或压力降要求较低的场合；

④H型壳体：双分裂流，多用于卧式热虹吸式再沸器，或压力降要求较低的场合；

⑤J型壳体：分流，一进二出，无折流板，应用于冷凝过程中用来降低压降，压降值是E型的1/8，多用于塔顶冷凝器，或压力降要求较低的场合；

⑥K型壳体：再沸器，一般是热虹吸，常用于蒸发壳侧中所填充的液体，一般汽化率大于50～100%。通常液体的高液位要浸没过换热管，需有液位控制，用于一次通过釜式再沸器；

⑦X型壳体：交叉流，要求壳侧压降和流速非常低，因此可降低换热管振动的可能性，但流量分布不均匀(在壳侧入口处)是最大的一个问题。

（2）前端管箱

前封头的类型对压降和热传递没有影响，但后封头的型式会对压降和热传递产生影响。

①通常选择选择B型作为前封头；

②对于水冷却器，当管侧需要定期清洗，且管侧设计压力小于10bar（g）时，前封头可选择A型

③对于固定管板式，宜选择M型作为后封头；这种换热器类型应用于无需对壳程进行机械清洗及检查但可用化学清洗的情况；

④对于浮头式，应选择S型作为后封头。浮头式换热器的壳径应大于DN300。管侧和壳侧都可进行机械清洗，但需要较多工时卸除管束；

⑤对于外填料式浮头P和外密封式浮头W型的换热器不能在中国设计和制造；

⑥对高压换热器前封头宜选择D型；

⑦U型管式，管束外表面可用机械清洗的方法。U型管的结构不适用于污垢系数较大的情况，立式再沸器不可选用U-Tube；

⑧可抽换式浮头（后端浮头型T）：管束与壳之间的空间(Clearance)相对较大，因此所给定的壳尺寸中含有的管数比其他构造的型式要少，管侧和壳侧皆可机械清洗。

（3）后端管箱

①L、M、N型管箱(固定管板式)应用在无需对壳侧进行机械清洗或检查；或者壳侧可进行化学清洗的场合；

②U型管箱：管外侧可用机械清洗，不能应用在管侧污垢较大的情况；

③T型管箱：管束和壳之间的距离相对较大，因此在同壳径的情况下排布的管子数比其他的要少；

④S型管箱：壳侧和管侧都可进行机械清洗，但需要人工把管束抽出。

此次换热器的设计，根据各工艺条件的不同，选择了BEM、BJM、BHM、BES等各种形式的换热器。

1.3.3 工艺条件选择

（1）温度

根据工艺条件，热蒸汽使用125℃（2.5bar）和250℃（40.0bar）的饱和蒸汽，作为热公用工程。

同时，选择温度为23℃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