第41卷第1期廣州化工Vol 41 No. 12013年1月Guangzhou chemical IndustryJanuary 2013化工機(jī)械換熱器工藝設(shè)計(jì)劉玉成(山東齊魯石化工程有限公司,山東淄博255400摘要:換熱器是化工生產(chǎn)中常用的一種裝置設(shè)備。換熱器設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要作用。文章通過(guò)換熱理論對(duì)換熱器進(jìn)行初選,然后利用換熱器軟件對(duì)該換熱器進(jìn)行工藝及振動(dòng)性進(jìn)行核算,通過(guò)核算使該換熱器滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞:換熱器;工藝;核算中圖分類號(hào):TH162+.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-9677(2013)01-0134-03The Process Design of the Heat Exchanger( 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 ofplayed an important role in the energy efficiency, 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 theaccountingKey words: heat exchanger; process; accounting換熱器在化工生產(chǎn)裝置中應(yīng)用十分廣泛,是化工操作單元中的重要組成部分。各種換熱設(shè)備的數(shù)量占工藝設(shè)備數(shù)量的1換熱器型式確定30%以上。因此,換熱器設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系(1)冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇:鑒于工藝物料是需冷卻統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性起著重要作用物流將其安排于殼程;換熱器種類繁多,但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方(2)流動(dòng)方式的選擇:采用BEM單殼程單管程逆流型式;式基本上可分三大類,即間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換(3)換熱管規(guī)格和排列的選擇:采用緊湊型正三角形排熱器中,間壁式換熱器應(yīng)用最多。間壁式又有夾套式換熱器沉浸式蛇管換熱器、噴淋式換熱器、套管式換熱器、管殼式換布。熱器。管殼式(又稱列管式)換熱器是最典型的間壁式換熱2熱量衡算器,它在工業(yè)上的應(yīng)用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據(jù)主導(dǎo)地位2。對(duì)熱端物流進(jìn)行核算:筆者就工作中苯甲苯冷卻器管殼式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該換經(jīng)模擬計(jì)算比熱容:Cp2=1.987kJ/kg:℃熱器主要是將乙苯回收塔的塔底產(chǎn)品經(jīng)循環(huán)水將其冷卻至熱負(fù)荷:Q=W2CP2(t2-t150℃后送出界外。物流見表1。=(358+110)×1.987×(114.950)3600=16.76kW表1物流表注:以上Cp值應(yīng)是溫度函數(shù),采用定性溫度L。=(114.9物流介質(zhì)度壓力+50)/2=82.5℃時(shí)數(shù)值。冷端一1循環(huán)水進(jìn):30℃進(jìn):500kPaA3初定換熱器參數(shù)出:40℃允許壓降:80k苯:110kgh進(jìn):114.9℃進(jìn):600kPaA換熱器的參數(shù),首先需要確定換熱面積,再由換熱面積再熱端-2甲苯:358kg/h出:50℃允許壓降:50kPa查換熱器的基本參數(shù)。換熱面積的確定可由以上計(jì)算的負(fù)荷推算。根據(jù)物流工藝要求,對(duì)換熱器進(jìn)行以下設(shè)計(jì)初估換熱中國(guó)煤化工2.℃)CNMHG作者簡(jiǎn)介:劉玉成,(1975-),男,工程師。第41卷第1期劉玉成:換熱器工藝設(shè)計(jì)(T-42)-(72-41)(149-40)-(50-30)=41.5℃折流板型式:折流板一般應(yīng)按等間距布置,管束兩端的折流板盡可能靠近殼程進(jìn)、出口接管。臥式換熱器的殼程為單相清潔流體時(shí),折流板缺口應(yīng)水平上下布置,若氣體中含有少量換熱面積A=Q=16.76×103/(120×41.58)=36m2液體時(shí),則應(yīng)在缺口朝上的折流板的最低處開通液口,如圖1(a);若液體中含有少量氣體時(shí),則應(yīng)在缺口朝下的折流板最考慮反應(yīng)末期催化劑選擇性的下降,苯甲苯物料增加,導(dǎo)高處開通氣口,如圖1(b)。致?lián)Q熱器熱負(fù)荷的增加,因此適當(dāng)加大設(shè)計(jì)裕量取80%,選定臥式換熱器、冷凝器和重沸器的殼程介質(zhì)為氣、液相共存換熱面積為A估=1.8·A=65m2?；蛞后w中含有固體物料時(shí),折流板缺口應(yīng)垂直左右布置.并在由換熱器計(jì)算面積初選BEM00-0.8-54-319-Ⅱ型折流板最低處開通液口如圖1(c)換熱器(固定管板式換熱器JBT4715-1992),有關(guān)參數(shù)列于表2。表2BEM200-1.6-5.4-3/19-Ⅱ型換熱器列管換熱器主要參數(shù)項(xiàng)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)外殼直徑D/mm管子尺寸/mmd19×2公稱壓力/MPa管長(zhǎng)lm公稱面積/m25.4管數(shù)Nt管程數(shù)N管心距/mm圖1折流板型式管子排列方式正三角形折流板間距:折流板的間距影響到殼程物流的流向和流速,從而影響到傳熱效率。最小的折流板間距為殼體直徑的4核算換熱器1/5,不應(yīng)小于50mm,建議板間距不小于殼徑的30%。較小的板間距將增加過(guò)多的泄漏量。最大的板間距為殼徑,最好的在初步選定換熱器形式后及初定換熱器的幾何參數(shù),需對(duì)板間距為殼徑的30%~60%。由于折流板有支撐管子的作用,所定換熱器進(jìn)行核算。目前國(guó)內(nèi)使用的換熱器計(jì)算軟件主要是所以鋼管無(wú)支撐板的最大折流板間距為1714。(d為管外徑,HTFS( Heat Transfer and Fluid Flow Ser2vice)和HTRI( Heat mrm)。如果必須增大折流板間距,就應(yīng)另設(shè)支撐板。若管材是Transfer Research,lnc.),也可以應(yīng)用 ASPEN PLUS中的B-銅、鋁或者其合金材料時(shí),無(wú)支撐的最大間距應(yīng)為10dJAC對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)、核算和模擬,此外還有如換熱器設(shè)計(jì)圓缺型折流板的缺口高度可為直徑的10%~40%,缺口高軟件換熱器大師等3。度越大將導(dǎo)致更大的壓降,但是可以獲得較高的傳熱效果,現(xiàn)4.1采用HTRI對(duì)該換熱器進(jìn)行核算在通用的高度為直徑的25%。實(shí)際上在相同壓力降時(shí),圓缺高4.1.1對(duì)HTRI導(dǎo)人物性度為直徑20%的折流板將獲得最好的傳熱效率。換熱器流量很在對(duì)此換熱器進(jìn)行核算時(shí),采用了,添加物性并由此生成大時(shí),為了得到較好的錯(cuò)流和避免流動(dòng)誘導(dǎo)管子振動(dòng),常常取熱曲線,導(dǎo)入HTRI,再在HTRI中輸入換熱器參數(shù)。所添加掉缺口處的管子。ASPEN PLUS物性見表3。輸人折流板參數(shù):折流板間距:150mm;切口型式:切口百分?jǐn)?shù):25%,切口型式;上下缺最低處開通液口如圖1(b)。表3添加 ASPEN PLUS物性在HTRI中核算時(shí),輸入以上參數(shù),軟件布管及參數(shù)見圖2。Physical propertiesUnitsMAssⅤFRA中團(tuán)陽(yáng)MASSFLMXRHOMXCPMXJ/kg·KTUBEPASS DETAILSN/sqmMUMSYMBOL LEGENDKMXWatm·KSIGMAMXN/MWMX圖2換熱器布管及參數(shù)在HTR中核算時(shí),可將污垢系數(shù):殼程(工藝物流)取(2)結(jié)果核笪0.0002m2·℃/W,管程(循環(huán)水)取0.000m2·℃/W(取運(yùn)行結(jié)果:中國(guó)煤化工6W/m2-K,污垢值根據(jù)為設(shè)計(jì)規(guī)定)另行輸入。時(shí),119.12W/CNMHG2-K設(shè)計(jì)裕量為4.1.2輸入換熱器折流板參數(shù)223%。換熱管按Nt=40根計(jì)算,取換熱面積為7.2m2(1)折流板(下轉(zhuǎn)第155頁(yè))第41卷第1期楊國(guó)鋒等:煤化工項(xiàng)目全廠蒸汽平衡的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)155既可保證安全,又把汽輪機(jī)抽汽旁路的投資減少到100萬(wàn)左右,實(shí)現(xiàn)了安全性與經(jīng)濟(jì)性的結(jié)合。按照同樣思路,對(duì)高壓、3結(jié)語(yǔ)中壓蒸汽管網(wǎng)的放空閥、調(diào)節(jié)放空閥也進(jìn)行了優(yōu)化。這種優(yōu)化確立煤化工項(xiàng)目全廠蒸汽平衡是一項(xiàng)復(fù)雜、長(zhǎng)期、細(xì)致的不是以單純追求節(jié)約投資為目標(biāo)的,仍然把安全性放在第工作。做好這項(xiàng)工作對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能、降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)系位,比如要求關(guān)鍵閥門必須使用鍛件、有快開要求的閥門執(zhí)行統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性有重大的作用。建議相關(guān)人員在從事這項(xiàng)機(jī)構(gòu)指定國(guó)際知名產(chǎn)品。工作時(shí)注意2.3減溫減壓站能力的設(shè)計(jì)(1)建議設(shè)計(jì)者及時(shí)、充分與各專業(yè)設(shè)計(jì)人員和業(yè)主進(jìn)行減溫減壓站能力的確定是建立在全廠蒸汽平衡確立的前提溝通,了解一些工藝和設(shè)備性能下結(jié)合生產(chǎn)工藝制定的,單純依靠設(shè)計(jì)院熱工專業(yè)工程師很難(2)全廠蒸汽平衡是公用工程設(shè)計(jì)、施工中的關(guān)鍵一環(huán)做到準(zhǔn)確設(shè)置。例如上例煤制甲醇工藝?yán)?如果只按各蒸汽管鑒于蒸汽平衡確立的條件較多和減溫減壓裝置的制作周期較長(zhǎng),網(wǎng)的需求量定減溫減壓站的能力,就會(huì)把1.6MPa低壓蒸汽管對(duì)全廠蒸汽平衡有足夠的重視,有利于縮短項(xiàng)目建設(shè)周期。網(wǎng)減溫減壓站能力定為55t/h,但是0.6MPa低壓蒸汽管網(wǎng)在(3)業(yè)主與設(shè)計(jì)者要經(jīng)常與蒸汽用戶和設(shè)備廠家溝通,及變換氣壓縮機(jī)組未開機(jī)之前蒸汽來(lái)源缺失,只能通過(guò)上一級(jí)減時(shí)掌握用汽參數(shù)變化情況,提出應(yīng)對(duì)措施,并結(jié)合工藝特點(diǎn)和溫減壓而來(lái)。另外,設(shè)計(jì)者往往只從單純的數(shù)據(jù)上考慮蒸汽平生產(chǎn)調(diào)度作用,修正全廠蒸汽平衡方案。衡,忽視了蒸汽用戶的使用順序和各自的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性,對(duì)生(4)全廠蒸汽平衡在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)還應(yīng)保證安全性產(chǎn)調(diào)度的作用缺少概念,會(huì)造成減溫減壓站設(shè)置偏大或偏小,與經(jīng)濟(jì)性。甚至難以平衡的假象。上例中就曾出現(xiàn)設(shè)計(jì)者認(rèn)為全廠蒸汽無(wú)(5)在生產(chǎn)運(yùn)行中仍需優(yōu)化蒸汽平衡,挖掘節(jié)能降耗的潛法平衡要求改變?cè)O(shè)備型式或開兩臺(tái)鍋爐的設(shè)計(jì)方案,經(jīng)業(yè)主結(jié)力合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)者充分協(xié)商,最終設(shè)計(jì)者認(rèn)同了業(yè)主的意見,找到了合適的全廠蒸汽平衡方案,確定了合理的三級(jí)減溫參考文獻(xiàn)減壓站。[1]徐曉明.煤化工項(xiàng)目全廠蒸汽平衡及蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技縱橫,2011(15):371-372(上接第135頁(yè))壓降:殼程為0.134kPa,管程為0.418kPa。管殼程壓降換熱管振動(dòng)的分析,流速如表5。均滿足要求初選換熱器滿足要求。表5振動(dòng)分析流速表(3)換熱管振動(dòng)的分析:流速入口中心出口HTRI輸出報(bào)告中,流速如表4。叉流流速/(m/s0.020.02表4HTRI輸出流速表臨界流速Vc/(m/s)14.9314.79流速人口中心出口V/vc<1無(wú)產(chǎn)生振動(dòng)的可能性,表明換熱器安全。叉流流速V/(m/s)1.19E1.72E-0209E-02因工藝專業(yè)提出的換熱管根數(shù)僅為初步,設(shè)備專業(yè)在設(shè)計(jì)臨界流速Vc/(m/s)16.9826.5616.46過(guò)程中必須修改換熱器型式及結(jié)構(gòu),可協(xié)商確定,必要時(shí)可重新進(jìn)行換熱器的工藝計(jì)算。V/vc<1無(wú)產(chǎn)生振動(dòng)的可能性,表明換熱器安全。4.2釆用 ASPEN PLUS中的B一JAC對(duì)該換熱器5結(jié)論進(jìn)行核算通過(guò)以上分析,初選BEM200-0.8-5.4-3/19-Ⅱl型換BJAC由于采用 ASPEN PLUS中換熱器的 Hetran模塊,因熱器完全滿足工藝要求,且無(wú)振動(dòng)可能性。此無(wú)需重新對(duì)物性輸人,布管以及折流板型式、間距如上輸入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)運(yùn)行結(jié)果:總傳熱系數(shù):清潔時(shí),160W/m2-K,污垢[1]化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)(上冊(cè))[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版時(shí),157W/m2-K,所需為50.4W/m2-K設(shè)計(jì)裕量為3%。社,2009:611-616換熱管按Mt=42根計(jì)算,取換熱面積為74m2(軟件布管與2]管殼式換熱器CB.199HTRI有所區(qū)別)。[3]曾心華換熱器快速核算的方法[].廣州化工,199,27(3):59-壓降:殼程為0.109kPa,管程為0.305kPa。管殼程壓降均滿足要求。中國(guó)煤化工CNMHG