【正文】 《化工單元過程與設(shè)備設(shè)計》匡國柱 史啟才 主編；4.《化工制圖》華東化工學(xué)院制圖教研室編 人民教育出版社 1980；5.《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》參考資料；6.《鋼制壓力容器》GB1501998；7.《鋼制塔式容器》JB47101992；8. GB1511999 《管殼式換熱器》1999年； 9.《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 1999年。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設(shè)計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。一種流體在管內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。若兩流體溫差較大（50℃以上）時，就可能由于熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種多樣。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達(dá)到換熱的目的。其缺點是設(shè)備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以分為管殼式換熱器和緊湊式換熱器。其中，列管式換熱器被作為一種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱設(shè)備，在許多工業(yè)部門被大量采用。這使得它在各種換熱設(shè)備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過長期的運用，使設(shè)計變得相當(dāng)成熟和專業(yè)化。 在20世紀(jì)20年代，殼管式換熱器的制造工藝得到相當(dāng)圓滿的發(fā)展，這主要是由于幾個主要制造商努力的結(jié)果。在30年代，殼管式換熱器的設(shè)計者，根據(jù)直接經(jīng)驗和在理想管束上的實驗數(shù)據(jù)，建立了很多正確的設(shè)計原則。因為污垢熱阻起很大的作用，殼側(cè)流動的粘性流是一個困難的問題，而且，60年代以前的他們的了解很少。研究內(nèi)容不僅包括殼側(cè)流動，而且相當(dāng)重要的還有真實平均溫差的計算、結(jié)構(gòu)件特別是管板的強度計算。管殼式換熱器的傳熱能力是由殼程換熱系數(shù)、管程換熱系數(shù)和換熱器冷、熱介質(zhì)的對數(shù)平溫差決定的, 因此, 提高管殼式換熱器傳熱能力的措施包括以下幾點。相同條件下, 采用螺紋管管束比光管管束能增加換熱面積2 倍左右。當(dāng)殼程介質(zhì)易結(jié)垢時, 由于外螺紋管束沿軸向的脹縮作用使換熱管外壁的硬垢脫落, 具有良好的自潔作用, 能夠有效防止管束外壁的結(jié)垢, 減小換熱器殼程熱阻, 提高換熱器的傳熱能力。相同條件下, 采用Φ19mm 管束比采用Φ25mm 管束能提高傳熱面積30%～40% , 節(jié)約金屬20% 以上。 對于需要機械清洗的管束, 管子排列應(yīng)采用正方形。 管、殼程分程設(shè)計管程分程設(shè)計。因為決定管程介質(zhì)的流態(tài)的雷諾數(shù)Re 與管程介質(zhì)流速成正比,為提高換熱器管程換熱系數(shù)k, 可采用管程分程的辦法提高管程換熱系數(shù)。為了提高換熱器傳熱能力, 且不使換熱管太長, 殼程利用橫向折流板或縱向折流板分程。折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括型式的確定, 形狀的設(shè)計, 缺口高度設(shè)計和折流板間距設(shè)計。殼程加裝橫向折流板后, 殼程換熱介質(zhì)雷諾數(shù)Re≥100 時, 殼程介質(zhì)即達(dá)湍流, 能有效提高換熱器的傳熱能力, 橫向折流板常采用弓形和盤 環(huán)形, 弓形折流板加工、制造和組裝較方便, 使用最普遍, 盤 環(huán)形折流板主要用于小型換熱器中。、殼程進、出口的設(shè)計管程進、出口管的設(shè)計。 ω 為管程介質(zhì)進、出口流速, m/s) 。對換熱器的使用壽命影響較大, 特別是殼程換熱介質(zhì)流速較高或介質(zhì)中含有固體顆粒。 為避免殼程入口流速過高, 殼程介質(zhì)流速有一定的限制: ρω22 200。固定管板式： 固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、封頭壓蓋等部件組成。這種換熱器管程可以用隔板分成任何程數(shù)。殼程清洗困難，對于較臟或有腐蝕性的介質(zhì)不宜采用。固定管板式換熱器的特點是：旁路滲流較?。辉靸r低；無內(nèi)漏。比較適合溫差不大或溫差大而殼層壓力不高的場合。浮頭式換熱器：其兩端管板只有一端與殼體完全固定，另一端課相對于殼體作某些移動，該端稱之為浮頭。而且在清洗和檢修時，僅將管束從殼體中抽出即可。該種換熱器比較適合管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場合。圖13 U型管式換熱器這類換熱器的特點是：管束可以自由伸縮，不會因為管殼之間的溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱補償性能好；管程為雙管程，流程較長，流速較高，傳熱性能好；承壓能力強；管束課從殼體內(nèi)抽出，便于檢修和清洗，造價便宜。僅適用于管殼壁溫相差較大，或殼程截止易于結(jié)垢而管程介質(zhì)不易結(jié)垢，高溫高壓腐蝕性強的情形。特點為它的管束也可以自由膨脹，所以管殼間不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，且管程與殼程都能清洗。填料密封處于泄露，故殼程壓力不能過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、造價低, 每根換熱管可以單獨清洗和更換, 在外形尺寸相同的條件下, 與浮頭式和U 形管式換熱器相比, 換熱面積大。浮頭式換熱器由于管束的熱膨脹不受殼體的約束, 而且可拆卸抽出管束,檢修更換換熱管、清理管束和殼程污垢方便, 因此, 浮頭式換熱器應(yīng)用最廣泛, 在油田儲運集輸系統(tǒng)中, 60% ～70% 的換熱器為浮頭式換熱器。對于換熱器換熱介質(zhì)工作壓力高, 管、殼程介質(zhì)密封要求嚴(yán)的場合, 為確保換熱器管、殼程的密封, 換熱器管束的設(shè)計一般采用U 形管結(jié)構(gòu)的換熱器。參考標(biāo)準(zhǔn)：不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走便于清洗管子，浮頭式換熱器殼程便于清洗。壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，其中冷卻介質(zhì)循環(huán)水操作壓力高，宜走管程。 被冷卻的流體宜走殼程，便于散熱，增強冷卻效果。粘度大的液體或流量較小的流體，宜走殼程，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷改變，在低Re(Re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。綜合考慮以上標(biāo)準(zhǔn)，確定半水煤氣應(yīng)走殼程，變換氣走管程。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。目前 常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。 管程結(jié)構(gòu)換熱管管板上的排列方式有正方形直列、正方形錯列、三角形直列、三角形錯列和同心圓排列，如下圖所示。 （d）三角形錯列對于多管程換熱器，常采用組合排列方式。 管板的作用是將受熱管束連接在一起，并將管程和殼程的流體分隔開來。2 殼體直徑的確定與殼體壁厚的計算 管徑換熱器中最常用的管徑有φ19mm2mm和φ25mm。所以，在管程結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用φ19mm2mm直徑的管子更為合理。標(biāo)準(zhǔn)管子的長度常用的有1500mm，2000mm，2500mm，3000m,4500,5000,6000m,7500mm,9000m等。所以，在管程半水煤氣結(jié)垢不很嚴(yán)重以及允許壓力降較高的情況下，采用φ19mm2mm直徑的管子更為合理。強度校核：Pc= , Do=19mm φ= 1(無縫鋼管） 取腐蝕余量 。 故符合范圍 換熱器殼體壁厚計算及校核 材料選用Q245R鋼板，計算壁厚為：, 式中:為計算壓力，取=；。[]t =91