换热器的配管.pdf

2013 年第 1 期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY科学观察1换热器的介绍在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器。换热器在化工、石油、动力、食品及其他工业生产中的应用极为普遍。根据换热器的用途不同，在化工生产中可作为预热器、冷却器、蒸发器等类别出现。换热器种类繁多，按照传送热量的方法（换热器最主要的分类方式之一）可分为三大类，即混合式、蓄热式、间壁式。其中以间壁式换热器应用最多，以下讨论仅限于这类换热器。间壁式换热器的特点：热流体和冷流体间有一固体壁面，一种流体衡在壁的一侧流动，而另一种流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面而进行传递。按照传热壁面的形状，间壁式热交换器又可分成管式热交换器、板式热交换器、夹套式热交换器以及各种异形传热面组成的特殊热交换器等类型。换热器的种类很多，按其结构分主要有管式、管箱式、套管式等。1.1管壳式换热器适应性最大，使用最广泛在中等压力（4 MPa 公称压力）情况下，采用管壳式换热器最为合适。管壳式换热器主要有浮头式和固定管板式两种。浮头式的优点是壳体与管束的温度差不受限制，管束便于更换，壳程可以用机械方法进行清扫；固定管板式的优点是结构简单、造价低。其缺点是：壳体和管子的金属温度差不宜超过30，冷流进口和热流进口之间的极限温度差不应超过 110。不能用容易使管子腐蚀或在壳程中结垢的介质。1.2套管式换热器一般用于流量小，且操作压力较高的场所。其结构为将传热管以同心圆状插入外管中，然后在传热管内及传热管与外管的环形空腔内分别通入介质进行热交换。1.3板式换热器板式换热器分为换热器、冷凝器和蒸发器三大类。板式换热器是一种新型高效换热器，它是由上下梁支承或定位，并被固定板和活动板夹紧的一组波纹金属板片组成的。板式换热器的特点：结构紧凑、占地小。每块板片很薄，一般为 0.61.0 mm，板间距一般只有 28 mm，单位体积内的换热面积比管壳式换热器高几倍。供热效率高，传热系数 K 值可达 2 3007 000 W/（M2）。金属耗量低。板式换热器每平方米换热面积金属耗量只有管壳式换热器的 40%50%。便于拆卸、清洗、更换板片和调整换热面积。操作压力和温度较低。操作压力2.5 MPa，操作温度250。主要适用于较清洁的液-液相热交换。由于板片是由不锈钢、钛材等压制的，对腐蚀性介质具有更多的优点。2换热器的布置2.1管壳式换热器布置的一般要求2.1.1与塔关联的换热器，如塔底重沸器、塔顶冷凝冷却器等，宜按工艺流程顺序布置在塔的附近。2.1.2两种物料进行热交换的换热器，宜布置在两种物料进出口管道最近的位置。2.1.3一种物料与几种不同物料进行换热的换热器宜成组布置。2.1.4构架上布置的换热器宜按一端支座基础中心线对齐；地面布置的换热器可按一端支座基础中心线对齐，或管程进出口中心线对齐。2.1.5两台换热器可根据需要重叠布置。对于壳体直径大于或等于 1.6 m 和两相流介质或操作压力大于等于 4 MPa 的换热器为避免振动影响不推荐重叠布置。2.1.6操作温度等于或高于物料自燃点或超过 250 的换热器的上方和下方，如无不燃烧材料的隔板隔离保护，不应布置其他可燃介质设备。2.1.7换热器之间、换热器与其他设备之间的净距不宜小于0.8 m。张子元张学良（北京沃利帕森工程技术有限公司北京 100006）换热器的配管【摘要】主要介绍了在化工设计中换热器的几种分类，并简要介绍了套管式换热器、管壳式换热器和板式换热器的各自不同特点及其应用场所。提出换热器配管专业的概括性技术总结，并指出包括其他设备（泵、塔、压缩机、燃烧炉、反应器等）的配管原则，在设计理念上的一致性，指出设计人员积累经验，不断提高技术水平，保证设计品质的重要性。【关键词】换热器再沸器配管管道布置收稿日期：2013-01-09752013 年第 1 期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY科学观察2.1.8换热器宜布置在地面上，但数量较多时，可布置在构架上。2.1.9与反应器直接相关的立式换热器，可布置在反应器构架内，并应有机动吊装机具抽出管束的空间；当不能采用机动调装机具抽出管束时，应设置吊装设施。2.2换热设备的间距2.2.1冷换设备之间或冷换设备与其他设备之间的间距，应考虑管道布置以后其净距不小于 0.7 m，在国外有些公司定为0.6 m。2.2.2布置在地面上的换热设备，为便于检修应满足以下要求：浮头式管壳换热器，在浮头的两侧，应有宽度不小于600 mm 的空地，浮头端的前方应有宽度不小于 1 200 mm 的空地，管箱两侧应有不小于 0.6 m 空地，管箱端的前方，应留有比管束长度至少长 1 500 mm 的空地。尽可能避免把换热器的中心线，正对着构架或管廊立柱的中心线。如果不考虑换热器在就地抽管束，而准备整体吊运在装置外检修时，可不受此限制，但要有吊装的空间通道和场地。2.2.3布置在构架上的换热设备，为便于检修应满足以下要求：浮头式管壳换热器。在浮头端前方宜有 0.81.2 m 的平台面，在管箱端前方宜有 1.01.5 m 的平台面。并应考虑管束抽出所需空间，即在管束抽出的区域内，不应布置小型设备，且平台的栏杆采用可拆卸式的。换热设备周围平台应留有足够的操作和维修通道，并考虑采用机动吊装设备装卸冷换设备的可能性。如果由于占地限制，不能使用机动吊装设备装卸时，尚应考虑设备永久性的吊装设施。布置在构架下或两层构架之间换热设备和布置在管廊下的换热设备，都应考虑吊装检修的通道和场地。2.3换热器的安装高度2.3.1换热器的安装高度应保证其底部接管最低标高（或排液阀下部）与当地地面或平台面的净空不小于 150250 mm。2.3.2为了外观一致，成组布置的换热器的混凝土支座高度最好相同。2.3.3两台重叠布置的换热设备，只给出下部换热器中心线标高即可。但是，如果两台互不相干的换热器重叠在一起布置，则两台中心线的高差应满足管道设计的要求。2.3.4重叠布置的管壳式换热器一般都是两台重叠在一起，个别情况下（如技术改造或技措），也可三台重叠在一起布置。这样的布置方法，要考虑最上一台换热器中心线的高度不宜超过 4.5 m。3换热器管线设计3.1换热器管道布置的一般要求3.1.1工艺管道布置应注意冷热物流的流向，一般为冷流自下而上，热流由上而下。3.1.2工艺管道应方便操作，并不妨碍设备的检修：管道布置不影响设备的抽芯（管束和内管）；管道和阀门的布置，不应妨碍设备的法兰和阀门自身法兰的拆卸或安装。在图 1 所示范围内不宜布置管道或阀门。图 1管壳式换热设备的检修空间注：1.具体参数需参见换热器数据表。2.换热器的基础标高，应满足其下部排液管距地面或平台面不小于 150 mm。3.换热器的管道，尽量减少高点和低点，避免中途出现“气袋”或“液袋”，并设高点放空，低点放净；在换热设备区域内应尽量避免管道交叉和绕行；尽量减少管道架空的层数，一般为 23 层。4.两台或两台以上并联的换热设备入口管道应对称布置，对气液两相流换热设备则必须对称布置，才能达到良好的传热效果。5.换热器的进出口管道上测量仪表，应靠近操作通道及易于观测和检修的地方安装。6.与换热器相接的易凝介质的管道或含有固体颗粒的管道副线，其切断阀应设在水平管道上，并应防止形成死角积液。7.在寒冷地区，室外的换热器的上水管道与下水管道应设置排液阀和防冻连通管。是检修空间，对于 U 形管换热设备不必考虑。换热器管道布置如图 2、图 3 所示。图 2换热器管道布置平面图成组布置的换热器区域内，可在地面或平台上敷设管道，但不应妨碍通行和操作；调节阀组宜平行于设备布置；成组布置的换热器之间管道布置的净距应大于或等于 650 mm；并联多组换热设备的进出口管道应对称布置。可根据管道布置的要求来确定管口的形式。管口可以水平、垂直或任意角度，也可在管口法兰前用弯头代替直管（见图 4）。3.1.3一般情况下，通常采用图 4（a）所示形式。当管道口径比较大，可能需要增加换热器的安装高度。当对安装高度有限制时，采用图 4（b）所示形式。这种情况发生条件为：当希望换热762013 年第 1 期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY科学观察器的安装高度与其他换热相同时；当换热器放置在结构下，由于换热器的安装高度的增加，可能引起不必要的结构高度的增加时；当换热器安装在水平容器上方时；当换热器叠加放置时。图 3换热器管道布置立面图图 4管口形式3.1.4当采用图 4（b）所示的形式时，应及时向设备专业提出条件。这些活动应在管道走向研究阶段完成：尺寸由有管道工程师确认；尺寸应根据排放的口径来决定。3.2在框架上换热器的管道布置如下（见图 5、图 6）图 5框架上的换热器管道布置平面图3.2.1对于多台并联的换热器，为了使流量分配均匀，管道宜对称布置。但支管有流量调节装置时除外。3.2.2多台换热器公用的蒸汽或冷却水的总管宜布置在平台下面。3.2.3在塔顶管道进入分配总管的地方，至少应有一段相当于3 倍管径长度的直管段，以保证物料均匀地分配到各换热器中去。3.2.4换热器气体出口至分离器之间的管道应有一定的坡度，坡向分离器可确保管内及换热器内不积液。3.2.5当换热器布置在框架的中层或底层时，应在框架内设置吊车梁。保证足够的吊装高度或可拖动措施，且吊车可靠近该框架。3.2.6立式换热器的管道布置：管口方位应与折流板相符合图 6框架上的换热器管道布置立面图（见图 7）；双程时，壳程和管程的进入关口应在一方向（见图8）；与管箱连接的管道应有可拆卸段；对于大口径固定管板式换热器，应考虑其上下封头（管箱）拆卸所需空间和吊装设施操作空间；不得占用换热器上方的预留抽芯和吊装空间；应考虑设备管程和壳程的排气、排液，防止内部积液影响换热效果。（a）折流板为偶数（b）折流板为奇数图 7折流板与管口方位图 8双程立式换热器772013 年第 1 期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY科学观察4关于配管专业应用软件为了提高设计品质和工作效率，配管专业通常采用 PDS或 PDMS 计算机辅助设计软件，在计算机里模拟 3D 的设备、钢构、管道实体模型建模，通过三维建模 3D 工程模型，再由模型生成图纸。PDS 和 PDMS 软件系统可以供多人、不同专业同时建模，实现各专业的交互作业。设计者可以将自己的设计意图在 3D 模型中模拟，借以检验是否符合设计要求，并从建好的模型中可以自动生成高品质的平面图、管线立体单线图以及精准的管线材料报表和焊道工作表，供采购及现场施工用；图 9 为 PDS 三维模型拍出来的笔者参与设计的某年产 20 万吨己内酰胺项目 2000 区某换热器 E-40007 配管的图片。图 9某年产 20 万吨己内酰胺项目 2000 区某换热器E-40007 配管5换热器配管技术总结在换热器的配管中，要考虑的因素很多，但归纳起来无非就是以下几点：要符合安全的原则，符合国家相关安全标准GB-50160、GB-20016 等相关规范要求；要符合 PID，PID 是配管专业的圣经，不符合 PID 配管是无本之木，无源之水，其他任何都无从谈起；管线满足操作、维修（设备及管线）、设备吊装的要求，也就是要考虑方便日后操作人员的操作阀门，检修控制阀，设备检修、清洗、吊装等要求；在满足现场工人易于施工、安装的前提下，尽量节省材料；不能与其他相关专业（土建、结构、仪表、电气、暖通等）有相互干涉、碰撞现象；在满足上述要求的前提下，要考虑经济、美观等因素对设备和管线进行合理布置，使设备、管线、阀组、尽量成排布置。其实，不光是换热器配管，其他设备（包括泵、塔、压缩机、燃烧炉、反应器等）的配管设计，无非是以上几个原则，但具体到不同的案子和不同的设备，会有不同的要求，所以要具体问题具体分析。总之，在配管设计，要求设计者能够尽量多思考，不断总结和积累工程经验，才能保证设计品质，做出优质工程。换热器的种类很多，按其结构分主要有管式、管箱式、套管式等。5.1管壳式换热器适应性最大，使用最广泛在中等压力（4 MPa 公称压力）情况下，采用管壳式换热器最为合适。管壳式换热器主要有浮头式和固定管板式两种。浮头式的优点是壳体与管束的温度差不受限制，管束便于更换，壳程可以用机械方法进行清扫；固定管板式的优点是结构简单、造价低。其缺点是：壳体和管子的金属温度差不宜超过30，冷流进口和热流进口之间的极限温度差不应超过 110。不能用于容易使管子腐蚀或在壳程中容易结垢的介质。5.2套管式换热器一般用于流量小，且操作压力较高的场所。其结构为将传热管以同心圆状插入外管中，然后在传热管内及传热管与外管的环形空腔内分别通入介质进行热交换。5.3板式换热器板式换热器分为换热器、冷凝器和蒸发器三大类。板式换热器是一种新型高效换热器，它是由上下梁支承或定位，并被固定板和活动板夹紧的一组波纹金属板片组成的。5.4板式换热器的特点5.4.1结构紧凑、占地小。每块板片很薄，一般为 0.61.0 mm，板间距一般只有 28 mm，单位体积内的换热面积比管壳式换热器高几倍。5.4.2供热效率高，传热系数 K 值可达 2 3007 000 W/（m2 K）。5.4.3金属耗量低。板式换热器每平方米换热面积金属耗量只有管壳式换热器的 40%50%。5.4.4便于拆卸、清洗、更换板片和调整换热面积。5.4.5操作压力和温度较低。操作压力2.5 MPa，操作温度250。5.4.5主要适用于较清洁的液-液相热交换。由于板片是由不锈钢、钛材等压制的，对腐蚀性介质具有更多的优点。参考文献1张德姜.石油化工装置工艺管道安装设计手册M.北京：中国石化出版社，2009.2史美中，王中铮.热交换器原理与设计M.南京：东南大学出版社，2009.3宋苛苛.压力管道设计及工程实例M.北京：化学工业出版社，2007.4张德姜.石油化工管线设计M.北京：中国石化出版社，2004.5石油化工管道布置设计通则S.SH 3012-2000.78