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。
（2）压力管壳式换热器工作时，增加工艺流体的流速，可相应增加传热膜的传热系数，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。
所以，一般应限制管壳式换热器的最大压力降，下表列出了允许的压力降范围。
表1-2 换热器压力降允许范围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）流体流速的选择水和相类似的流体流速一般取1～2.5m/s；气体和蒸汽的而流速可在8～30m/s的范围内选取。
一般流体流速选取如下：表1-3换热器流速范围表（5）换热管1）管径在选择管道规格时，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。
管子的尺寸和形状对传热的效果有很大影响。
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。
所以需要综合考虑。
下表为换热管常用规格。
表1-4 换热管规格表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，导致传热系数变化。
5）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下表选取。
表1-5 换热管中心距(mm)。