换热器工艺设计

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The Process Design of the Heat ExchangerL/U yM-cheng(Qilu Petrochemical Engineering Co.，Ltd.，Shandong Zibo 255400，China)Abstract：The heat exchanger was an apparatus often used in chemical production equipment，and the design of itplayed an important role in the energy eficiency，economy and reliability of the system quality of products.The pre-se-lection of the heat exchanger was carried out by heat transfer theory，then the craft and vibration of the heat exchangerwere accounted with the software of heat exchanger，and the heat exchangers met various performance requirements by theaccounting。

Key words：heat exchanger；process；accounting换热器在化T生产装置中应用十分广泛，是化T操作单元中的重要组成部分。各种换热设备的数量 占工艺设备数量的30%以上。因此，换热器设计对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要作用。

换热器种类繁多，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，即问壁式、混合式和蓄热式。在i类换热器中，问壁式换热器应用最多。问壁式又有夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热器 、管壳式换热器 管壳式 (又称列管式)换热器是最典型的间壁式换热器，它在T、f 上的应 有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位 。

笔者就T作中苯甲苯冷却器管壳式换热器进行设计。该换热器主要 是将乙苯 回收塔 的塔底产品经循环水将其冷却 至5O cC后送界外。物流见表 1。

表 1 物流表根据物流T艺要求，对换热器进行以下设计 ：作者简介：刘玉成，(1975-)，男，Ir：程师。

1 换热器型式确定(1)冷 、热流体流动通道的选择：鉴于下艺物料是需冷却物流将其安排于壳程；(2)流动方式的选择 ：采用 BEM单壳程单管程逆流型式；(3)换热管规格和排列的选择：采用紧凑型正三角形排布2 热量衡算对热端物流进行核算：经模拟计算比热容：Cp，1.987 kJ/kg·oC热负荷：Q w2Cp2(t2-t。) (358l10)×1.987×(114.9-50)/3600 16.76 kW注：以上 Cp值应是温度函数，采用定性温度 t (114.950)/282.5℃时数值。

3 初定换热器参数换热器的参数，首先需要确定换热面积，冉由换热面积冉查换热器的基本参数。换热面积的确定可由以上计算的热负茼推算。

初估换热器总传热系数 K估120 w/(m ·qC)第 41卷第 1期 刘玉成：换热器工艺设计 135· 5姚 换热面积 A 16·76 1 03/(120 4 · ) ·6 m考虑反应末期催化剂选择性 的下降，苯甲苯物料增加，导致换热器热负荷的增加，因此适当加大设计裕量取 80%，选定换热面积为 A估1.8·A6.5 m 。

由换热器计算面积初选 BEM200-0.8-5.4-3/19-I型换热器 (固定管板式换热器 JB/T4715-1992)，有关参数列于表 2。

表 2 BEM200-1.6-5.4-3/19-II型换热器列管换热器主要参数4 核算换热器在初步选定换热器形式后及初定换热器的几何参数，需对所定换热器进行核算。目前国内使用 的换热器计算软件主要是HTFS(Heat Transfer and Fluid Flow Ser2vice)和 HTRI(HeatTransfer Research，Ine.)，也可以应用 ASPEN PLUS中的 B-JAC对换热器进行设计、核算和模拟，此外还有如换热器设计软件换热器大师等 J。

4.1 采用 HTRI对该换热器进行核算4.1.1 对 HTRI导人物性在对此换热器进行核算时，采用了，添加物性并由此生成冷热曲线 ，导入 HTRI，再在 HTtI中输入换热器参数。所添加ASPEN PLUS物性见表3。

表3 添加 ASPEN PLUS物性Physical properties UnitsMASSVFRAMASSFLMXHMXRHOMXCPMXPCMXMUMXKMXSIGMAMXMWMXkg/sJ/kgkg/eumJ/kg·KN/sqmN/sqmWatt/in·KN/m在 HTRI中核算时，可将污垢系数：壳程 (工艺物流)取0.0002 m。·℃/w， 管程 (循环水)取 0.0009 m ·C/W (取值根据为设计规定)另行输入。

4.1.2 输入换热器折流板参数(1)折流板折流板型式 ：折流板-般应按等间距布置，管束两端的折流板旧能靠近壳程进 、出口接管。卧式换热器的壳程为单相清洁流体时，折流板缺口应水平上下布置，若气体中含有少量液体时，则应在缺 口朝上的折流板的最低处开通液口，如图 1(a)；若液体中含有少量气体时，则应在缺 口朝下的折流板最高处开通气 口，如图 1(b)。

卧式换热器 、冷凝器和重沸器的壳程介质为气 、液相共存或液体中含有固体物料时，折流板缺 口应垂直左右布置.并在折流板最低处开通液口如图 1(c)。

9o Ul(b) (c)图 1 折流板型式折流板间距：折流板 的间距影响到壳程物流的流向和流速，从而影响到传热效率。最小的折流板间距为壳体直径的1/5，不应小于50 mm，建议板间距不小于壳径的 30%∠小的板间距将增加过多的泄漏量。最大的板间距为壳径，最好的板问距为壳径的30% -60%。由于折流板有支撑管子的作用，所以钢管无支撑板的最大折流板间距为 171d 。(d为管外径，mrn)。如果必须增大折流板间距，就应另设支撑板。若管材是铜、铝或者其合金材料时，无支撑的最大间距应为 150d。 。

圆缺型折流板的缺 口高度可为直径的 10% ～40%，缺口高度越大将导致更大的压降，但是可以获得较高的传热效果，现在通用的高度为直径的25%。实际上在相同压力降时，圆缺高度为直径 20%的折流板将获得最好的传热效率。换热器流量很大时，为了得到较好的错流和避免流动诱导管子振动，常常取掉缺口处的管子。

输入折流板参数：折流板间距：150 mm；切口型式：切口百分数：25%，切口型式；上下缺最低处开通液口如图 1(b)。

在 HTRI中核算时，输入以上参数，软件布管及参数见图2。

田田团宙.团团日田园. ∥田团囝团田团 .I、 It utuberTEMAI BEM5h Jd J eter 200 000mOut盱 tube m l88 l47 mHeight under jhief nDzzle l4.698 mmH l h L under outlet nozzl l4.698 mTu diamet BI l9.050mmTub pitch 25.000 ri，lmTube IaYDuI adde 30umber oftub茜rspecilied、 40umb ftubes fc c山atea1 40umber 0ftiei"o如 4· umber of seal st P pa s 0Nun!bet 0fDas§es lBarle cU1% d eter 25TUBEPASSDETAlLSPa§s Row$ Tubes Pluggedl 8 44 -0SYMBOL LEGE DO Tube Plugged tube Tle d lmplaoment r0d D r t e S al d口 Se §tr p/SkIdba图2 换热器布管及参数(2)结果核算运行结果：总传热系数：清洁时，142.06 W/m -K，污垢时，119.12 W/m。-K，所需为 53.42 W/m -K设计裕量为223%。换热管按 Nt40根计算，然热面积为7.2 m。。

(下转第155页)第 41卷第 1期 杨国锋等：煤化工项 目全厂蒸汽平衡的经验总结 155既可保证安全，又把汽轮机抽汽旁路 的投资减少到 100万左右，实现了安全性与经济性的结合。按照同样思路，对高压 、中压蒸汽管网的放空阀、调节放空阀也进行了优化。这种优化不是以单纯追求节约投资为目标的，仍然把安全性放在第-位，比如要求关键阀门必须使用锻件 、有快开要求的阀门执行机构指定国际知名产品。

2.3 减温减压站能力的设计减温减压站能力的确定是建立在全厂蒸汽平衡确立 的前提下结合生产工艺制定的，单纯依靠设计院热工专业工程师很难做到准确设置。例如上例煤制甲醇T艺里，如果只按各蒸汽管网的需求量定减温减压站的能力，就会把 1.6 MPa低压蒸汽管网减温减压站能力定为 55 t/h，但是 0.6 MPa低压蒸汽管网在变换气压缩机组未开机之前蒸汽来源缺失，只能通过上-级减温减压而来。另外，设计者往往只从单纯的数据上考虑蒸汽平衡，忽视了蒸汽用户的使用顺序和各 自的负荷调节特性，对生产调度的作用缺少概念，会造成减温减压站设置偏大或偏小，甚至难以平衡的假象。上例中就曾出现设计者认为全厂蒸汽无法平衡要求改变设备型式或开两台锅炉的设计方案，经业主结合实际经验与设计者充分协商，最终设计者认 同了业主的意见，找到了合适的全厂蒸汽平衡方案，确定 了合理的三级减温减压站(上接第135页)压降：壳程为 0.134 kPa，管程为 0.418 kPa。管壳程压降均满足要求。

表 4 HTRI输出流速表V/Vc

4.2 采用 ASPEN PLUS中的 B -JAC对该换热器进行核算BJAC由于采用 ASPEN PLUS中换热器 的 Hetran拈，因此无需重新对物性输入 ，布管以及折流板型式 、间距如上输入 。

运行结果：总传 热系数：清洁 时，160 W/m -K，污垢时，157 W/m -K，所需为 50.4 w/m -K设计裕量为 311%。

换热管按 Nt42根计算 ，然热面积为 7.4 m (软件布管与HTRI有所区别)。

压降：壳程为0.109 kPa，管程为0.305 kPa。管壳程压降均满足要求。

3 结 语确立煤化工项 目全厂蒸汽平衡是-项复杂、长期 、细致的工作。做好这项工作对实现工业节能、降低生产成本、增强系统的安全性和稳定性有重大的作用〃议相关人员在从事这项工作时注意：(1)建议设计者及时、充分与各专业设计人员和业主进行沟通，了解-些工艺和设备性能。

(2)全厂蒸汽平衡是公用T程设计、施T中的关键-环，鉴于蒸汽平衡确立的条件较多和减温减压装置的制作周期较长，对全厂蒸汽平衡有足够的重视，有利于缩短项 目建设周期。

(3)业主与设计者要经常与蒸汽用户和设备厂家沟通，及时掌握用汽参数变化情况，提出应对措施，并结合工艺特点和生产调度作用，修正全厂蒸汽平衡方案。

(4)全厂蒸汽平衡在满足生产需要的同时还应保证安全性与经济性。

(5)在生产运行中仍需优化蒸汽平衡，挖掘节能降耗的潜力。