化工机械基础5-10

第五篇过程设备概论第十章传热与传质设备1换热设备的应用使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备定义应用它是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其它许多工业部门广泛使用的一种通用设备投资比重化工厂中，约占总投资的10%～20%；炼油厂中，约占总投资的35%～40%。工业使用使流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。换热设备也是回收利用余热、废热特别是低位热能的有效装置。10.1换热设备10.1.1概述（1）按作用原理和传热方式分类一、直接接触式换热器（混合式）二、蓄热式换热器三、间壁式换热器2换热设备分类a、直接接触式换热器——又称混合式换热器，见下图。——利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。如冷却塔、冷却冷凝器等。为增加两流体接触面积，充分换热，在设备中常放置填料和栅板，通常采用塔状结构。图17-1直接接触式换热器优点——传热效率高、单位容积传热面积大、设备结构简单、价格便宜等。但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合b、蓄热式换热器原理——又称回热式换热器借助固体（如固体填料或多孔性格子砖等）构成的蓄热体，使热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。热流体热流体冷流体冷流体载热体图17-2蓄热式换热器优点——结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，适用于气—气热交换。如回转式空气预热器。局限——若两种流体不允许混合，不能采用蓄热式换热器过程设备设计一、管式换热器二、板面式换热器三、其它型式换热器管壳式换热器蛇管式换热器套管式换热器缠绕管式换热器板壳式换热器螺旋板式换热器板式换热器板翅式换热器伞板式换热器传热管的结构形式不同c间壁式换热器分类3换热器选型换热器选型主要因素：1.满足工艺要求（压力、温度及允许压力降的范围）；2.使用安全可靠；3.便于设备的安装、操作、清洗、维修的要求；4.经济合理（材料；价格、使用寿命等）。10.1.2管壳式换热设备基本类型一、固定管板式二、浮头式三、U形管式四、填料函式五、釜式重沸器（一）固定管板式换热器（a)BEM立式固定管板式换热器结构固定管板式换热设备立体图(a)外形图(b)剖面图——适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳侧压力不高的场合。优点——结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。缺点——当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。应用为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。（二）浮头式结构浮头端可自由伸缩，无热应力浮头端浮头式换热器优点——管间和管内清洗方便，不会产生热应力；缺点——结构复杂，造价比固定管板式换热器高，设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖在操作中无法检查，制造时对密封要求较高。应用——壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易结垢的场合。（三）U形管式换热器结构（C）BIUU形管式换热器U形管U形管式换热器优点结构比较简单、价格便宜，承压能力强。受弯管曲率半径限制，布管少；管束最内层管间距大，管板利用率低；缺点壳程流体易短路，传热不利。当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当于坏两根管，报废率较高。管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要应用清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。（四）填料函式(d)AFP填料函双壳程换热器结构填料函式密封优点结构较浮头式简单，加工制造方便；节省材料，造价比较低廉;管束从壳体内可抽出;管内、管间都能进行清洗，维修方便。缺点填料处易泄漏。应用4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。注：填料函式换热器现在已很少采用。（五）釜式重沸器(f)蒸发空间结构管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构与浮头式、U形管式换热器一样，清洗维修方便；可处理不清洁、易结垢介质，能承受高温、高压（无温差应力）。特点10.1.3管壳式换热器结构管程——与管束中流体相通的空间壳程——换热管外面流体及相通空间（a)BEM立式固定管板式换热器管程壳程管程（一）管程结构一、换热管二、管板三、管箱四、管束分程五、换热管与管板连接1、换热管a.换热管型式光管强化传热管翅片管（在给热系数低侧）螺旋槽管螺纹管b.换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等2、管板作用用来排布换热管；将管程和壳程流体分开，避免冷、热流体混合；承受管程、壳程压力和温度的载荷作用。（a)BEM立式固定管板式换热器换热管排列形式及中心距60°30°90°45°p三角形布管多，但不易清洗；正方形及转角正方形较易清洗管桥强度清洗通道P≥1.25d0常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距16192532404857723、管箱作用——流体送入换热管和送出换热器，在多管程结构中，还起到改变流体流向的作用。结构形式决定因素——清洗？管束分程？(a)(b)(c)(d)换热器管箱4、换热管与管板连接强度胀强度焊胀焊并用(1)强度胀保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接设计压力≤4.0MPa；设计温度≤300℃；操作中无剧烈振动、无过大温度波动，及无明显应力腐蚀等场合。应用338300300K3003386K33863003300K贴胀结构用于δ≤25mm的场合用于δ＞25mm的场合用于厚管板及避免晶间腐蚀的场合强度胀接管孔结构300l机械胀接(2)强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。用于整体管板用于复合管板强度焊接管孔结构优点焊接结构强度高，抗拉脱力强度高。高温下也能保证连接处的密封性能和抗拉脱能力。泄露处可补焊和更换。焊后，管子与管板中存在残余热应力和应力集中，运行时可能引起应力腐蚀与疲劳破坏；缝隙腐蚀。缺点除较大振动和缝隙腐蚀场合外，该方法应用广泛;薄管板不能胀，只能焊。应用3)胀焊并用主要有强度胀+密封焊、强度焊+贴胀、强度焊+强度胀等不仅能提高连接处的抗疲劳性能，而且还可消除应力腐蚀和缝隙腐蚀，提高使用寿命应用：密封性能要求较高；承受振动和疲劳载荷；有缝隙腐蚀；需使用复合管板等的场合(二）壳程结构一、壳体二、折流板三、折流杆四、防短路结构五、壳程分程1、壳体（1）接管（2）防冲挡板（3）导流筒焊在壳体上，供壳程流体进、出。防止进口流体直接冲击管束造成管子的侵蚀和振动，在壳程进口接管处安装，也叫缓冲板。焊接在拉杆、定距管、I折流板上焊接在圆筒上用U型螺栓固定在换热管上固定形式减少流体滞留区，改善两端流体的分布，增加换热管的有效换热长度，提高传热效率；起防冲挡板的作用。导流筒2折流板1)作用提高壳程流体流速，增加湍动程度；使壳程流体垂直冲刷管束，提高壳程传热系数；减少结垢。2.结构形式（见图）弓形圆盘-圆环形(b)双弓形水平竖直转角（a）单弓形（C）三弓形（d）四弓形(b)双弓形水平竖直转角（a）单弓形（C）三弓形（d）四弓形(a)单弓形(d)圆盘-圆环形(c)三弓形(b)双弓形弓形缺口高度h应使流体流过缺口时与横向流过管束时的流速相近缺口大小用弓形弦高占壳体内直径的百分比来表示，如单弓形折流板，h一般取0.20～0.45Di，最常用0.25Di。折流板形式弓形折流板结构示意图弓形缺口及通液口设置壳程为单相清洁液体时，折流板缺口上下布置折流板缺口布置通液口通气口折流板缺口垂直左右布置折流板3.折流板的固定B、换热管外径≤14mm时——点焊结构A、换热管外径＞14mm时——拉杆-定距管结构dndnd+1d点焊dndnd+1d点焊dndn拉杆结构4、膨胀节膨胀节是一种能够自由伸缩的弹性补偿元件，由于它的轴向柔度大，当管束和壳体由于壁温不同而产生膨胀差时，可以通过膨胀节有效地起到补偿轴向变形的作用，从而降低温差应力。膨胀节的结构形式有U形膨胀节、平板膨胀节和Ω形膨胀节等，如下图所示。U形膨胀节由于结构简单、补偿能力大、价格便宜，故应用最为普遍，一般适用于设计压力p≤2.5MPa。有关膨胀节的设计计算参见GB16749《压力容器波形膨胀节》。管壳式换热设备的设计内容包括两部分：(1)一是管壳式换热设备的工艺设计，根据过程原理和生产工艺要求进行设计；(2)二是管壳式换热设备的机械设计，应根据GB151《管壳式换热器》的规定和要求进行设计。10.1.4设计简介(1)管壳式换热设备工艺设计的主要步骤:①根据冷、热流体的流量、进出口温度、工作压力等工艺条件计算出换热设备所需的传热量；②根据流量、压力、温度、介质性质、传递热量大小以及考虑制造、安装和维修方便等多种因素，选择换热设备的类型与主要结构；③确定换热设备内冷、热流体的流动通道、流向(并流、逆流或错流)和流程等；④根据换热设备所需的传热量，计算出要求的换热面积，并初步确定换热设备的基本参数(换热管尺寸、数量，管程数，壳体直径，壳程数等)；⑤核算换热设备的传热能力和流体阻力；⑥根据标准选用管壳式换热设备的型号。(2)管壳式换热设备机械设计的主要步骤:①根据压力、温度、介质性质(主要是腐蚀性)、材料的焊接性能以及制造工艺等选择换热设备各零部件合适的材料；②壳体、封头的选型和强度计算；③管箱的选择，支座的选用；④压力容器法兰的选择，接管、管法兰的选用及开孔补强设计；⑤管板计算；⑥折流板的选择与计算。10.2塔设备的应用装置名称塔设备投资的比例(%)装置名称塔设备重量的比例(%)化工及石油化工25.460万吨，120万吨/年催化裂化48.9炼油及煤化工34.8530万吨/年乙烯25.3化纤44.94.5万吨/年丁二烯54表10-1塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例化工、炼油、石油化工、医药、食品及环境保护等工业部门。10.2.1概述1、作用实现气（汽）相-液相或液相-液相之间的充分接触，使相际间进行传质及传热。2、应用蒸馏、吸收、介吸（气提）、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作。3、塔设备的分类(3)按内件结构分：填料塔、板式塔。(1)按操作压力分：加压塔、常压塔及减压塔。(2)按单元操作分：精馏塔、吸收塔、介吸塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等。4、塔设备的选型优先选用填料塔：(1)在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；(2)对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；(3)具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；(4)容易发泡的物料，宜选用填料塔。因为在填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，此外，填料还可以使泡沫破碎。(1)塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定；(2)液相负荷较小。因为这种情况下，填料塔会由于填料表面湿润不充分而降低其分离效率；(3)含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，堵塞的危险较小；优先选用板式塔：(5)在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔，因为压力较高时，塔内气液比过小，以及由于气相返混剧烈等原因，应用填料塔分离效果往往不佳。(4)在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管；需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；优先选用板式塔：优先选用板式塔：塔型项目填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小较大空塔气速小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大较大塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高较稳定、效率较高液-气比对液体量有一定要求适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般用金