换热器的设计1.1 换热器概述换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多任务业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。

在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。

换热器随着换热目的的不同，具体可分为加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器，再沸器和热交换器等。

由于使用条件的不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。

换热器选型时需要考虑的因素是多方面的，主要有:①热负荷及流量大小；②流体的性质；③温度、压力及允许压降的范围；④对清洗、维修的要求；⑤设备结构、材料、尺寸、重量；⑥价格、使用安全性和寿命；按照换热面积的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其它型式的换热器。

其中，管型换热器中的管壳式换热器因制造容易、生产成本低、处理量大、适应高温高压等优点，应用最为广泛。

管型换热器主要有以下几种形式：（1）固定管板式换热器：当冷热流体温差不大时，可采用固定管板的结构型式，这种换热器的特点是结构简单，制造成本低。

但由于壳程不易清洗或检修，管外物料应是比较清洁、不易结垢的。

对于温差较大而壳体承受压力较低时，可在壳体壁上安装膨胀节以减少温差应力。

（2）浮头式换热器：两端管板只有一端与壳体以法兰实行固定连接，称为固定端。

另一端管板不与壳体连接而可相对滑动，称为浮头端。

因此，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。

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。

（3）U形管式换热器换：热效率高，传热面积大。

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。

表1-1 换热器特点一览表在过程工业中，由于管壳式换热器具有制造容易，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，且能适应高温高压等众多优点，管壳式换热器被使用最多。

工业中使用的换热器超过90%都是管壳式换热器，在工业过程热量传递中是应用最为广泛的一种换热器。

结合上述优点和本工艺的特点，本工艺的换热器主要选用管壳式换热器。

1.2 管壳式换热器的选用1.2.1 结构参数的确定⑴管径管径越小换热器越紧凑、便宜，但压力降会增加。

为了满足允许的压降，一般选用19mm的管子；对于物流流量较大的，采用25mm 以上的管子。

⑵管长无相变传热时，管子长则换热系数增加，对于相同的换热面积，管子长则管程数减小，使得压力降减小，每平方米传热面积比降低。

我国生产的标准钢管长度为6m，故系列标准中管长有1.5 m，2 m，3 m，6 m和9 m五种。

因此，一般管长取4-6m，对大面积，无相变换热器管长可取至8～9m。

⑶管子配布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，其适用场合受到限制，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。

⑷管心距管心距小设备紧凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。

故一般选用范围为 1.25～1.5d（d为管外径）。

表1-2 换热管管心距⑸管程数管程数增加，管内流速增加，传热系数增加。

管程数一般有1、2、4、6、8、10、12等七种。

但管程数不能分得太多，以免压力降过大，且隔板要占用相当大的布管面积。

⑹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，提高流速，从而增加流体流动的湍流程度，获得较好的传热效果。

折流板型式可分为圆缺形（弓形）折流板、盘环形折流板、孔式折流板和折流圈。

表1-3 折流板间距常用数值1.3 换热器详细设计本工艺共有41台换热设备（换热器、再沸器、冷凝器、预热器），这里我们以浮头式换热器（E0602）详细设计为例。

热物流经该换热器换热温度降至目标温度，冷却物流为循环冷却水。

由Aspen软件得到冷热工艺物流数据：表1-4 工艺操作参数参数操作参数壳程管程介质循环冷却水甲苯回收塔塔底去一级结晶质量流量（Kg/h）343740.0 84194.9入口温度（℃）20.00 138.00出口温度（℃）30.00 34.00入口压力（bar） 3.00 2.87出口压力（bar） 2.87 2.7413初步选择换热器的形式后，根据任务要求利用Aspen Exchanger Design＆Rating V7.2进行模拟计算，模拟出来的换热器工艺参数如图1-1所示：图1-1 换热器工艺参数⑴结构设计利用Aspen Exchanger Design＆Rating V7.2软件也可以对换热器进行结构设计，模拟出来的结果如下：①换热管设计图 1-2 换热管基本参数图 1-3 换热管排列方式换热管为平滑管，外径19mm，壁厚为2mm，管间距为25mm，管长5850mm。

换热管根数514根。

管子排列方式为正三角形排列。

②折流板和管口设计折流板的设置主要是为了提高壳程的流速，增加扰动，改善传热。

这里选择单弓形折流板，并且圆缺方向的高度为壳体公称直径的0.15～0.45，折流板间距一般不小于圆筒内径的1/5。

折流板的数目及厚度等基本参数见图1-4 所示图1-4 折流板基本参数折流板数目为6，折流板型式为单弓形，切割率为39.15%。

折流板朝向为水平，与进出口间隔（第一块与进口或最后一块与出口端面的距离）为466.48mm，两块板间隔为525.00mm。

图1-5 管口基本参数管程进、出口管口各有一个。

其中，管程进口管口外径为168.28mm，内径154.05mm；管程出口管口外径168.28mm，内径154.05mm。

壳程进、出口管口亦各有一个，壳程进口管口外径为323.85mm，内径304.8mm；壳程出口管口外径273.05mm，内径254.51mm。

③管束图1-6 管束基本参数如图为管束信息，主要对管束布置、布置限定、定位杆拉杆和管束布置图进行详细设置。

图 1-7 换热器结构尺寸根据《JB/T4715-1992固定管板式换热器形式与基本参数》和《GB151-1999 管壳式换热器》对模拟的数据进行圆整，并考虑到热损失等，换热面积有余量，选定换热器的基本参数如下：表1-5 换热器基本参数项目参数公称直径/mm 800管子规格/mm φ19×2排列方式正三角形管中心距/mm 25管长/mm 4500公称压力/MPa 0.6换热面积/㎡189.8管程数 4壳程数 1⑵换热器的机械设计及校核①选材由于热流体和冷却水温度都不是太高，冷、热流体腐蚀性不大，故壳体材料选用Q235-B，管子材料选用Q235-B无缝钢管。

②管板的选择管板用来固定换热管并起着分隔管程和壳程的作用,根据选定的换热器公称直径及操作压力查表可得管板数据，这里选用其默认的管板类型为标准单管板。

表1-6 管板结构数据③管子与管板的连接因为操作压力小于4Mpa，且温度低于300℃，所以管子与管板的连接采用胀接。

④管板与壳体的连接管板与壳体的连接采用焊接，,该结构在管板上开槽，壳体嵌入后焊接。

壳体对中容易，适用于壳体压力不太高的场合。

⑤换热器的校核表 1-7 固定管板式换热器设计计算表 1-8 前端管箱筒体计算前端管箱筒体计算结果计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力 P c 0.40 MPa设计温度 t 170.00 ︒ C 内径 D i 800.00mm材料Q235-B ( 板材 ) 试验温度许用应力 [σ] 113.00 MPa 设计温度许用应力 109.80 MPa 试验温度下屈服点 σs235.00 MPa 钢板负偏差 C 1 0.80 mm 腐蚀裕量 C 23.00mm浮头式换热器筒体设计计算 计算单位 全国化工设备设计技术中心站设计计算条件壳程管程设计压力 0.4 MPa 设计压力 0.4 MPa 设计温度 65℃ 设计温度 170 ℃ 壳程圆筒内径 800.00 mm 管箱圆筒内径 800.00 mm 材料名称 Q235-B材料名称Q235-B计算内容 壳程圆筒校核计算 前端管箱圆筒校核计算 前端管箱封头(平盖)校核计算 后端管箱圆筒校核计算 后端管箱封头(平盖)校核计算 管板校核计算表 1-9 前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力P c0.40 MPa设计温度 t170.00 ︒ C内径D i800.00 mm曲面高度h i200.00 mm材料Q235-B (板材)试验温度许用应力[σ]113.00 MPa设计温度许用应力[σ]t109.80 MPa钢板负偏差C10.80 mm腐蚀裕量C2 3.00 mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算形状系数K = 16222+⎛⎝⎫⎭⎪⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥Dhii= 1.0000计算厚度δ =KP DPc itc205[].σφ-= 1.72 mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 8.20 mm最小厚度δmin= 1.20 mm名义厚度δn= 12.00 mm 结论满足最小厚度要求重量77.54 Kg压力计算最大允许工作压力[Pw ]=205[].σφδδtei eKD+= 1.90351 MPa结论合格表 1-10 后端管箱筒体计算后端管箱筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力P c0.40 MPa设计温度 t65.00 ︒ C内径D i900.00 mm材料Q235-B ( 板材 )试验温度许用应力[σ]113.00 MPa设计温度许用应力113.00 MPa试验温度下屈服点σs235.00 MPa钢板负偏差C10.80 mm腐蚀裕量C2 3.00 mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算计算厚度δ =P DPc itc2[]σφ- = 1.88 mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 8.20 mm名义厚度δn= 12.00 mm 重量87.44 Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT= 1.25P [][]σσt= 0.5000 (或由用户输入) MPa压力试验允许通过的应力水平[σ]T[σ]T≤ 0.90 σs = 211.50 MPa试验压力下圆筒的应力σT= p DT i ee.().+δδφ2= 32.58MPa校核条件σT≤[σ]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[P w]= 2δσφδeti e[]()D+= 1.73444 MPa设计温度下计算应力σt = P Dc i ee()+δδ2= 22.15 MPa[σ]tφ96.05 MPa 校核条件[σ]tφ≥σt结论合格表 1-11 后端管箱封头计算后端管箱封头计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力P c0.40 MPa设计温度 t65.00 ︒ C内径D i900.00 mm曲面高度h i200.00 mm材料Q235-B (板材)试验温度许用应力[σ]113.00 MPa设计温度许用应力[σ]t113.00 MPa钢板负偏差C10.80 mm腐蚀裕量C2 3.00 mm焊接接头系数φ0.85厚度及重量计算形状系数K = 16222+⎛⎝⎫⎭⎪⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥Dhii= 1.1771计算厚度δ =KP DPc itc205[].σφ-= 2.21 mm有效厚度δe =δn- C1- C2= 8.20 mm最小厚度δmin= 2.70 mm名义厚度δn= 12.00 mm 结论满足最小厚度要求重量91.59 Kg压力计算最大允许工作压力[Pw ]=205[].σφδδtei eKD+= 1.48120MPa结论合格表 1-12 筒体计算浮头式换热器筒体计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力P c0.40 MPa设计温度 t65.00 ︒ C内径D i800.00 mm材料Q235-B ( 板材 )试验温度许用应力[σ]113.00 MPa设计温度许用应力113.00 MPa试验温度下屈服点σs235.00 MPa钢板负偏差C10.80 mm腐蚀裕量C2 3.00 mm表1-13筒体法兰计算筒体法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设计条件简图设计压力 p 0.400 MPa计算压力p c0.400 MPa设计温度t65.0 ︒ C轴向外载荷F0.0 N外力矩M0.0 N.mm壳材料名称Q235-B体许用应力113.0 MPa法材料名称16Mn许[σ]f 150.0 MPa兰应[σ]t f150.0 MPa材料名称40MnB螺许[σ]b196.0 MPa应[σ]t b184.8 MPa栓公称直径d B20.0 mm螺栓根径d 1 17.3 mm数量n28 个Di800.0 D o950.0垫结构尺寸Db907.0D外878.0 D内855.0 δ014.0 mm L e21.5 L A26.5 h 13.0 δ127.0 材料类型金属垫片N11.5 m 3.00 y(MPa) 25.5 压紧面形状1a,1b b 5.75 D G866.5片b0≤6.4mm b= b0b≤6.4mm D G= ( D外+D内)/2b 0 > 6.4mm b=2.53b b0 > 6.4mm D G= D外- 2b螺栓受力计算应力切向应力σδσTf iR=-=M YDZ216.45 MPaft[]σ= 150.0 校核合格综合应力))(5.0),(5.0m ax(THRHσσσσ++=53.42MPaft[]σ=150.0 校核合格法兰校核结果校核合格表1-14后端筒体法兰计算后端筒体法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设计条件简图设计压力 p 0.400 MPa计算压力p c0.400 MPa设计温度t65.0 ︒ C轴向外载荷F0.0 N外力矩M0.0 N.mm壳材料名称Q235-B体许用应力n t[]σ113.0 MPa法材料名称16Mn许[σ]f 150.0 MPa兰应[σ]t f150.0 MPa=1.51 =0.83 = 1.07剪应力校核 计 算 值许 用 值结 论预紧状态 ==l D Wi πτ10.00 MPa [][]n στ8.01=操作状态==lD W i pπτ20.00MPa[][]tn στ8.02=输入法兰厚度δf = 48.0 mm 时, 法兰应力校核应力 性质计 算 值许 用 值结 论轴向 应力==i21oH D fM λδσ 213.13MPa15.[]σf t =225.0 或25.[]σn t =282.5( 按整体法兰设计的任 意 式法兰,取15.[]σn t )校核合格径向 应力 =+⋅=i2f 0R )133.1(D M e f λδδσ20.90MPaf t []σ = 150.0校核合格切向 应力σδσT 0f i R =-=M YD Z 219.83 MPaf t []σ = 150.0校核合格综合 应力))(5.0),(5.0m ax (T H R H σσσσ++ =117.01 MPaf t []σ = 150.0校核合格法兰校核结果校核合格表1-15前端管箱法兰计算前端管箱法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设 计 条 件简 图设计压力 p 0.400 MPa 计算压力 p c 0.400 MPa 设计温度 t170.0︒ C表1-16后端管箱法兰计算后端管箱法兰计算结果计算单位全国化工设备设计技术中心站设计条件简图设计压力 p 0.400 MPa计算压力p c0.400 MPa设计温度t65.0 ︒ C轴向外载荷F0.0 N外力矩M0.0 N.mm壳材料名称Q235-B体许用应力n tσ113.0 MPa[]法材料名称16Mn许[σ]f 150.0 MPa兰应[σ]t f150.0 MPa材料名称40MnB螺许[σ]b196.0 MPa应[σ]t b184.8 MPa栓公称直径d B20.0 mm螺栓根径d 1 17.3 mm数量n28 个D900.0 D o1050.0i垫结构尺寸D b1007.0 D外978.0 D内950.0 δ08.0表1-17开孔补强计算⑶选型结果经过修正校核，最终选定换热器型号：BES-800-0.4-189.8-4.5/19-4Ⅱ，其各自代表意义为：封头管箱，800—换热器公称直径（mm），0.4—管程、壳程设计压力（MPa），189.8—换热面积（m2），4.5—换热管长（m），19—换热管外径（mm），4—四管程，1-单壳程，Ⅱ—碳钢较高级冷拔钢管。