9.2 换热器的设计与选型
9.2.1 概述
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足过程工艺条件的需要，同时也提高能源利用率的主要设备之一。
对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。
通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10~20%。
在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的35~40%。
换热器包括过程流股的冷却器，加热器，塔的再沸器和冷凝器，以及不同温位的工艺物流相互进行显热交换的换热器。
根据工艺要求掌握物料流量、温度、压力、化学性质、物性参数等特性等，初步确定设计方案。
在设计过程中，主要考虑如下几个方面的问题。
1) 满足工艺和操作的要求
设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等。
并在确定方案时，考虑流体的流量，温度和压力变化时采取什么措施来调剂节，而在设备发生故障时，检修应方便。
2) 满足经济上的要求
既能满足工艺操作的要求，又使施工简便，材料来源容易，价格低。
如果有废热可利用，要尽量节省热能，充分利用废热，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。
3) 保证生产安全
在工艺流程和操作中若有爆炸，中毒等危险性，要考虑安全措施。
又如设备材料的强度验算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要安装安全阀
9.2.2 换热器的分类
1．按工艺功能分类：可分为冷却器、加热器、再沸器、冷凝器、蒸发器、过热器、废热锅炉等。
2．按传热方式和结构分类：可分为间壁传递热量式和直接接触传递热量式，其中间壁传递热量式又可分为：
①管壳式换热器：固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式、滑动管板式。
②板式换热器：板翅式、螺旋板式、伞板式、波纹板式。
③管式换热器：空冷式、套管式、喷淋管式、箱管式。
④液膜式换热器：升降模式、括板薄膜式、离心薄膜式。
⑤其他型式换热器：板壳式、热管等。
9.2.3 换热器选型标准
1．温度
冷却水的温度不宜高于60℃，以免结垢严重；高温端的温差不应小于20℃，低温端不应小于5℃；当两工艺流体之间进行热交换时，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，并用水作为冷却剂时，冷却剂的出口温度不应高于工艺流体的出口温度。
在冷却或冷凝工艺流体时，冷却剂的入口温度应高于工艺流体中易结冻组分的冰点，一般应高于5℃；当冷凝带有惰性气体的工艺流体时，冷却剂的出口温度应该低于工艺流体的露点，一般低于5℃；在冷却反应物时，为了控制反应，应维持反应流体和冷却剂之间的温差不小于10℃。
2．压力降
管壳式换热器工作时，增加工艺流体的流速，可相应增加传热膜系数，从而提高总的传热系数，使换热器结构更紧凑。
但流速增加后将相应增大换热器的压力降，从而加剧换热器的磨蚀和振动破坏等；同时，压力降的增大也使得换热器运行过程中的动力消耗增大。
因此，一般应限制管壳式换热器的最大压力降，下面列出了允许的压力降范围。
表9-6 换热器压力降允许范围
>0.17 >0.034
3．流体空间的选择
①为了使管壳式换热器正常而有效地工作，应慎重地选择流体的走向。
②当两流体温差大，高温流体一般走管程，可以节省保温层和减少壳体厚度。
有时为了便于高温流体的散热，也可以使高温流体走壳程，单为了保证操作人员的安全，需设置保温层。
③较高压力的流体走管程，以减少壳体厚度。
④腐蚀性较强的流体宜走管程，以节省耐腐蚀材料。
⑤较脏和易结垢的流体尽可能走管程，以便于清洗和控制结垢。
如必须走壳程，则应采取正方形排列，并采取可拆式（浮头式、填料函式、U型管式）的换热器。
⑥黏度较大的流体应走壳程，以得到较高的传热系数。
⑦流量较小的流体应走壳程，易使流体形成湍流状态，从而增加传热系数。
9.2.4 换热器设计选型依据
《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
《管壳式换热器用金属包垫片》JB/T 4718—92
《管壳式换热器用缠绕垫片》JB/T 4719—92
《管壳式换热器用非金属垫片》JB/T 4720—92
《U形管式换热器型式与基本参数JB/T 4717—92
《管壳式换热器》GB151-1999
《化工工艺设计手册》化学工业出版社
《换热器》化工设备设计全书化学工业出版社
《管壳式换热器》GB 151-1999
换热器包括过程流股的冷却器，加热器，塔的再沸器和冷凝器，以及不同温位的
工艺物流相互进行显热交换的换热器。
根据工艺要求掌握物料流量、温度、压力、化学性质、物性参数等特性等，初步确定设计方案。
在设计过程中，主要考虑如下几个方面的问题。
1) 满足工艺和操作的要求
设计出来的流程和设备首先要保证质量，操作稳定，这就必须配置必要的阀门和计量仪表等。
并在确定方案时，考虑流体的流量，温度和压力变化时采取什么措施来调剂节，而在设备发生故障时，检修应方便。
2) 满足经济上的要求
既能满足工艺操作的要求，又使施工简便，材料来源容易，价格低。
如果有废热可利用，要尽量节省热能，充分利用废热，或者采取适当的措施达到降低成本的目的。
3) 保证生产安全
在工艺流程和操作中若有爆炸，中毒等危险性，要考虑安全措施。
又如设备材料的强度验算，除按规定应有一定的安全系数外，还应考虑由于设备中压力突然升高或者造成真空而需要安装安全阀等。
9.2.5 换热管
1. 管径
管子的尺寸和形状对传热有很大影响。
采用小管径时，换热器单位体积的换热面积较大，设备较紧凑，单位传热面积的金属消耗量少，传热系数也高。
据估算，将同直径换热器中的换热管由Φ25mm改为Φ19mm，其传热面积可增加40%左右，节约20%金属以上；但增加了制造难度，且小管子容易结垢，不易清洗。
表9-7为常见换热管规格：
表9-7 换热管常用直径规格
2. 排列形式
如图9-5所示，换热管在管板上的排列方式主要有正三角形、正方形和转角
正三角形、转角正方形。
正三角形排列形式使用最为普遍，由于管距都相等，可以在同样的管板面积上排列最多的管数。
但因管外不易清洗，其使用场合受到限制，主要适用于壳程介质污垢少，且不需要进行机械清洗的场合。
而采用正方形和转角正方形排列的管束，能够使管间小桥形成一条直线通道，便于管外机械清洗。
图9-5换热管排列型式
3. 管间中心距
换热管中心要保证管子与管板连接时，管壳有足够的强度和刚度。
管间需要清洗时还要留有进行清洗的通道。
换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径，常用的换热管中心距如图所示。
表9-8 常用换热管中心距
4．管长
在满足换热面积和设计要求的条件下，尽量选用较短的管子，以降低压降。
5．管程数
管程数增加，管内流速增加，传热系数增加，但不选用过高的管程数，以免压力降过大，一般选在1～2。
6．换热面积
有些物流所需的换热面积大，采用多个换热器并联，而不采用串联，避免压力降过高，影响传热系数。
7．余量
对于工艺物流间的换热，留有25～40%的余量；对于工艺物流与公用工程间的换热，留有15～30%的余量；对于操作相对稳定的换热留有余量可相对较少。
8．密封条数
按照换热器设计建议，每五排管设置一对密封条。
9．折流板
折流板数目和间距按照《化工工艺设计手册》的推荐值设定。
表9-9 折流板间距常用数值
表9-10 折流板数目
9.2.6 具体设计过程
下面以BTX预热器（2）为例进行换热器的设计。
设计参数：
表9-11 换热器E0202物流参数
1. ChemCAD模拟
利用ChemCAD对所设计预热器进行模拟，得到各工段物料的组分、流量、压力、温度等特性，利用ChemCAD设计出了全场的换热设备。
初步模拟各工段物流的参数如
初步模拟结果如下表
本换热器采用BEM形式的换热器，
B型代表封头管箱，管箱端部为椭圆封头；
E型代表单程壳体。
M型代表与B相似的固定管板结构；
换热器分为固定管板式,浮头式,U型管式等,而每一种换热器由于各部件或型式不同又有不同的表示方法;
BEM就是根据部件的具体型式表示的一种换热器,表示为封头管箱,单程壳程,后端也是与B相似的固定管板结构。
列管式固定管板换热器内的管数与管的布置有关，一般情况下不可随意改变，每个标准型号的换热器都有固定的管数，但是可以封死某几根管子减少管数，来改变传热面积以满足要求，管心距为管径的1.25～1.5倍，按照给定的标准进行选择。
在满足换热面积和设计要求的条件下，尽量选用较短的管子，以降低压降。
2. 根据以上ChemCAD的模拟结果，利用SW6-1998进行强度校核结果如下：
表9-14换热器E0202强度校核
（1）筒体
（2）管板。