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1、本 科 毕 业 设 计题 目：基于HTRI的冷凝器优化设计学生姓名：王 健学 号：09031621专业班级：化学工程与工艺09-6班指导教师：郭晓艳2013年 6月15日中国石油大学（华东）本科毕业设计基于HTRI的冷凝器的优化设计摘要本文通过一些典型例题：饱和蒸汽冷凝、含不凝气的蒸汽冷凝、油品冷凝冷却。通过对这些例题的详细计算，在论文中详细叙述了在设计过程中需要考虑的因素，例如选型、工艺流体温度、管长、管径、折流板间距、折流板等。给出了这些因素的调节范围，帮助学习者有一个直观的认识。同时，在判断结果合理性方面，本论文给出了相应的数据范围。例如设计余量、流速、流型分布、热阻分配等。使得学习者能
2、够判断自己设计的换热器是否满足标准。并且，本文首次对HTRI设计过程中软件本身给出的提示-warning message进行了总结以及给出了相关的解决方法，使得初学者在调节过程中能快速理解为何进行这样的调节。为了充分使用aspen plus完善的物性包，本论文还加入了使用aspen plus进行油品物性数据的模拟以及相关的导入方法。使得设计计算能够更准确。关键词：HTRI；换热器；冷凝器；优化设计Optimal design of heat exchanger based on HTRIAbstractThis paper gives some typical examples: Satura
3、ted steam condensate, condensation of steam which containing non-condensable gas, oil condensate. Through detailed calculations of these examples, we described the factors affected in the process design such as equipment selection, the temperature of process fluid, tube length, diameter, baffle spac
4、ing, baffle plates and so on.we give the range of the adjustment factors in the factor.Meanwhile, in the reasonable adjudgment of the results, the paper gives the corresponding data range. Such as overdesign,velocity, flow distribution, thermal distribution. This information is very important for le
5、arners.Also,This is the first time to summarize the warning message and the key which was give by HTRI.this can help learners understading their method of adjustment.In order to make full use of the aspen plussperfect property package, this graduation thesis also give the way of using aspen plus to
6、simulate oil properties and related data import method. Makes the design calculations to be more accurate.Keywords：HTRI; Heat Exchanger; Optimal design目 录第1章 前言11.1 课题研究背景及意义11.2 换热器简介21.2.1 换热器分类21.2.2 管壳式换热器的结构和使用特点3第2章 冷凝器设计82.1 冷凝器选型82.1.1 饱和蒸汽冷凝82.1.2 含不凝气的冷凝冷却过程82.1.3 安装注意事项92.2 冷凝器设计依据92.2.1
7、管壳式冷凝器类型的选择92.2.2 换热器合理压降的选择102.2.3 工艺条件经验温度的选择102.2.4 管长102.2.5 管径与管壁112.2.6 折流板圆缺高度112.2.7 折流板间距112.2.8 密封条112.3 HTRI设计判据122.3.1 管壳侧流速(velocity)122.3.2 设计余量(overdesign)122.3.3 热阻(thermal resistance)122.3.4 流型 (flow fraction)132.3.5 Window and crossflow132.3.6 常见warning message及解决方法132.4 HTRI设计实例（H
8、TRI6.0计算）152.4.1 饱和蒸汽的冷凝152.4.2 含有不凝气的气体冷凝292.4.3 油气冷凝冷却39第3章 结论593.1 饱和蒸汽冷凝冷凝器数据593.1.1 饱和蒸汽冷凝器结构数据593.1.2 饱和蒸汽冷凝器工艺数据593.2 含不凝气的蒸汽冷凝冷凝器数据603.2.1 含不凝气的蒸汽冷凝器结构数据603.2.2 含不凝气的蒸汽冷凝器工艺数据603.3 油气冷凝冷却冷凝器数据613.3.1 油气冷凝冷却冷凝器结构数据613.3.2 油气冷凝冷却冷凝器工艺数据61致 谢62参考文献63第1章 前言第1章 前言1.1 课题研究背景及意义 我国的能源现状存在着两个突出的问题。第
9、一，能源结构不合理。相比国外而言，我国能源效率利用率低，单位产品能耗高于世界同级水平。第二，由于我国人口众多，虽然国内能源储量较大，但人均水平处于世界人均水平较低地位。因此,设计出一种能够大幅节能的设备具有重大的战略意义1-4。换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，其性能对能量利用效率、产品质量、工艺系统的可靠性与经济型起着重要的作用，有时甚至起决定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工厂中，换热器数量占工厂总设备数目的40%左右，设备投资占全部投资的30%40%左右，海水淡化工艺装置基本全有换热器组成5。近年来，利用换热器对高低温热能回收带来了巨大的经济效益。管壳式换热器由于结构稳定、操
10、作弹性大、技术成熟、适用面广、使用材料范围广等优点，是最为常用的热交换设备之一。近年来，一些新型强化换热器的出现促进了管壳式换热器的发展。随着换热器设计方法和传热技术的发展，管壳式换热器有了较大的改进和发展。在换热器结构上，折流挡板由单弓形发展到双弓形、圆环形、螺旋形等来强化壳侧流体的流动以增强传热。管程数有单程变化为双程、四程甚至六程等，从而增加了管程流速，减少结垢。6在设计方法上，国际上有1962年成立的美国换热研究公司HTRI和1968年英国成立的传热与流体流动服务公司（HTFS，现为ASPEN EDR）,其软件能较为快捷准确的模拟出换热器的换热效果。国内的中国寰球工程公司和洛阳石油化工
11、总公司等制定了相应的设计规范和技术标准，推动了我国换热技术的发展，对换热器的研究和设计作出了巨大的贡献7。对设计的换热器通常有一些基本的要求：首先需要满足石油、化工等生产工艺的换热要求，保证所设计的设备能在指定的情况下完成换热任务，正常工作；其次还需要保证换热器能够长时间的运行而不发生故障；再次，设计的换热器应尽可能结构紧凑、设备占用体积小、便于维修等特点。最后，换热器的热量泄露少，阻力小，比较经济等。HTRI软件作为国际上最为常用的换热器计算软件之一，在国内也有很大的应用市场。然而，在HTRI相关教程上十分稀少。为了帮助学习者能够更快的了解相关计算，特编写此论文。1.2 换热器简介1.2.1
12、 换热器分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中得到大量的使用，特别在耗能用量十分大的石油、化工等领域。随着人类文明的进步，节能技术发展，所涉及的换热器越来越多。对处在不同介质、工况、温度、压力下的换热器，结构和形式有着很大的不同。其具体分类如下8-13：1. 按传热原理分类直接接触式换热器两种介质接触，直接传递能量，实现传热。传热量直接受接触面积影响。常用为气体与液体的传热。此类换热器主要以塔设备为主体，很难区分与塔器的关系，常归为塔式设备。a) 蓄能式换热器用量极少。热介质先加热热容较大的物质，待所加热物质到达一定的温度后，冷介质以热固体为换热媒介得以升温，从而达到换热的目的。b) 管板式
13、换热器此类换热器占总量的99%以上。热物流通过某种导热系数较大的介质将能量传递到冷物流的换热器。此类换热器通常成为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。2. 按传热种类分类a) 无相变传热分为加热器和冷却器。b) 有相变传热一般分为再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、废热锅炉等。3. 管壳式换热器分类a) 固定管板式换热器固定管板式换热器两端管板通过焊接的形式固定在壳体上。换热管则采用胀接、焊接等方法与管板联结。对于此类换热器，壳侧一般不清扫。故一般对含有污垢或者腐蚀性介质安排走管程侧。此类换热器是最为常用的类型，最为经济。因此在设计换热器时首选固定管板式换热器。b) 浮头式换
14、热器当壳程侧与管程侧有较大的温差或较高的压力时，常采用此类换热器。同时，由于管束可以抽出壳体之外，便于机械清扫。因此，浮头式换热器也适用于管、壳程介质污垢系数较大，即管壳程都需要进行机械清理的场合。c) U型管式换热器管束膨胀可以通过U型管的弯曲部分变形来吸收，不受壳体的约束。还可以进行机械清洗，结构比较简单。因而造价比浮头式换热器低。但是管程清洗较为困难，一般工艺设计让清洁流体走管程。d) 填料函式换热器e) 釜式再沸器1.2.2 管壳式换热器的结构和使用特点换热器作为节能设备之一，在国民经济中有着十分重要的作用。换热器的结构决定了换热器的性能。设计者合理的结构设计能够发挥换热器的某种性能。
15、不同的换热环境有着不同的换热结构。设计者想要设计一个高效、节能的换热器就必须了解换热器的结构特点。管壳式换热器虽然种类繁多，但通常可以将其拆分为前封头、壳体、后封头。不同结构的部件用不同的英文字母表示。故换热器可以用三个字母来表示。例如BES等等。相对GB151-1999，TEMA标准相比而言，少了I、Q、O壳体。TEMA分类及代号如图1-1所示：图1-1 主要部件及代号1. 浮头式换热器表1-1 换热器的主要部件（与图1-2到图1-5对应）序号名称序号名称序号名称1平盖21吊耳41封头管箱（部件）2平盖管箱（部件）22放气口42分程隔板3接管法兰23凸型封头43耳式支座（部件）4管箱法兰24
16、浮头法兰44膨胀节（部件）5固定管板25浮头垫片45中间挡板6壳体法兰26球冠形封头46U形换热管7防冲版27浮动管板47内导流筒8仪表借接口28浮头盖（部件）48纵向隔板9补强圈29外头盖（部件）49填料10壳体（部件）30排液口50填料函11折流板31钩圈51填料压盖12旁路挡板32接管52浮动管板裙13拉杆33活动鞍座（部件）53部分剪切环14定距管34换热管54活套法兰15支持板35挡管55偏心锥壳16双头螺柱或螺栓36管束（部件）56堰板17螺母37固定鞍座（部件）57液面计接口18外头盖垫片38滑道58套环19外头盖侧法兰39管箱垫片59圆筒20外头盖法兰40管箱圆筒（部件）60管
17、箱侧垫片图1-2 AES、BES浮头式换热器浮头式换热器最大的特点是管束可抽出，对由于温差造成的应力能够通过自由伸缩缓解，从根本上避免了温差应力的产生。其优点是：1) 管束抽出方便，便于清洗管、壳程2) 适用于壳体与管子金属温差超过30时或者冷热流体的极限温差超过110的条件，不会造成因膨胀造成的泄露。3) 壳侧能够进行机械清理，能用于结垢比较严重的场合。但也存在一定的缺点：1) 小浮头容易发生泄露。2) 结构相对复杂，造价相对较高。2. U型管式换热器图1-3 BIU U形管式换热器U形管式换热器最大的特点是采用U形管式换热器，管子两端固定在同一管板上，因管束可以自由伸缩，故对热膨胀的适应能
18、力较强，多用于高温高压和管壳壁之间传热温差较大的工况。其优点是：1) 管束可抽出进行机械清洗。2) 壳体与管束不受温差的限制。3) 管束可抽出进行机械清洗。缺点是：1) 最外排管子U形弯曲段因为无支撑，可能因跨度大而造成流动诱发振动问题。2) 不可更换单根管子。3. 填料函式换热器图1-4 AFP填料函式换热器图1-5 AJW填料函式分流式换热器填料函式换热器最大的特点是管束可抽出，壳体与管束间可自由滑动，从而吸收因温差而引起的热膨胀。其优点是：1) 可用于高温差的工艺流体换热。2) 管束可抽出，能进行机械清洗，能适用于结垢比较严重和管束腐蚀严重的场合。缺点是：密封处易泄漏，不适于有毒、易挥发
19、及贵重介质的场合。64第2章 冷凝器设计第2章 冷凝器设计2.1 冷凝器选型因为本章主要介绍管壳式冷凝器，所以选型问题也仅限于管壳式冷凝器。10对冷凝器的选型，应根据实际情况进行分析，针对膜式冷凝的特点，结合正确的工艺计算，选择出适当的冷凝器。对饱和气体冷凝和含不凝气的气体分别加以说明。2.1.1 饱和蒸汽冷凝因为在传热、压降、清扫等方面分配比较合理，故一般情况下选择卧式壳程冷凝器。1. 当冷凝工艺流体量和冷凝器的型号相同时，卧式冷凝器的传热系数比立式冷凝器的传热系数的0.77（L/D）0.25倍。2. 壳程冷凝时，饱和蒸汽的压力降比管程的小。3. 当用水做冷凝介质时，冷却水走管内有利于清洗产
20、生的水垢，并且容易保证较高的流速，从而产生较大的传热系数。对于饱和蒸汽冷凝，在特殊的情况下才不优先考虑卧式壳程冷凝。1. 当被冷凝的介质压力较高或严重腐蚀管材时，在管程冷凝比较合适，这样壳体可使用普通钢材，能够减少设备投资。一般是指立式管程冷凝。2. 对冷凝传热系数较高的物料（水蒸汽、氨气等），可以选择立式冷凝器。虽然冷凝膜传热系数比卧式的低，但如果冷却水沿管子内壁成膜状流下，由于这样水的膜传热系数比水充满时的膜传热系数大，从而提高了总膜传热系数。常用的立式氨冷器就是典型的例子。2.1.2 含不凝气的冷凝冷却过程1. 低压通常采用卧式壳程冷凝器。如果采用立式壳程冷凝器，在死角累计的不凝气不易排
21、出。同时冷凝液沿管壁流到折流版后，又在折流板的边缘落到下层折板上。这样凝液就不能很好的与管子接触，也就得不到充分的冷却。2. 中压近年来趋向采用立式管程冷凝，因为：1) 凝液呈降膜形状向下流动，对凝液的过冷有利。2) 中压状况气速较高，使凝液的液膜厚度薄，从而气膜的热阻低。气速高时不凝气也不易在冷凝器里积聚。3) 在立式塔顶冷凝器中，气体与凝液始终充分接触，所以传热系数比卧式高。4) 压力降较低。对立式冷凝器，当冷凝介质走壳程时，通过改变折流板间距能够获得较高的膜传热系数。如果立式冷凝器的管壳程分配能够保证完全逆流（单管程、单壳程），凝液过冷效果就更好，可凝气的损失也越少。3. 高压近来多采用
22、卧式冷凝器，在设计时主要考虑采取合适的流速以免液体与气体分层。2.1.3 安装注意事项1. 卧式冷凝器为了便于凝液的排出，安装时保持大约1%的坡度（角度小，对传热的影响忽略不计）。同时折流挡板的切口保持与竖直，以利于排除凝液和不凝气。2. 立式冷凝器为保证较大的传热系数，避免因气节式的两相流动引起的操作不稳定，管内流体流动时需自上而下。2.2 冷凝器设计依据2.2.1 管壳式冷凝器类型的选择1. 封头前封头的类型对换热器影响因素压降和热传递没有影响，但后封头的型式会对压降和传热产生影响。1) 一般前封头选择“B”。2) 对水冷却器，当管侧需要定期清洗时且管侧设计压力小于10bar（g）时前封头
23、选择“A”型。3) “M”型后封头一般为固定管板式换热器的选择，“S”型后封头为浮头式换热器选择。4) 对高压下操作的换热器，前封头一般选择“D”型。2. 壳体1) “E”型较为经济，是选择壳体时的首选类型。2) “F”型当换热器内存在温度交叉或者需要多个换热器串并联时，可选择此类型壳体。管程数必须为偶数。3) “J”型当“E”型壳体压降不能满足要求时选择此类型壳体。分为J21和J12两种类型。即两个进口一个出口和两个出口一个进口。2.2.2 换热器合理压降的选择较高的压降会有较大的流速，能导致较少的设备投资，但运行费用增高。小压降与此相反。所以，要在设备投资与运行投资之间进行经济分析。下表列
24、出常用换热器的压降值以供参考。表2-1管壳式换热器的合理压降操作情况操作压力合理的压力降减压操作P0100Kpa(绝)P/10低压操作P070Kpa(表)P/2P70 1000Kpa(表)35Kpa中压操作(包括用泵)P1000 3000Kpa(表)35180Kpa较高压操作P3000 8000Kpa(表)70 250Kpa2.2.3 工艺条件经验温度的选择1. 为避免结垢，冷却水的出口温度一般低于60。低温端温差在5之外，高温端温差应大于20。对工艺流体的换热，低温端温差一般高于20。2. 采用多管程、单壳程，以水为冷却剂时，为防止产生温度交叉，冷却水的出口温度一般低于工艺物流的出口温度。2
25、.2.4 管长12.2m长的碳钢管，21.3m长的铜合金管通常在国内不能够生产。6m长的管子比较普遍。在相同传热面积时，长管较好。原因如下：1. 减少管程数，2. 减少压力，3. 每平方传热面的价格低。由于国内不能够生产太长的管子，国内一般选用46m的管子。在冷凝器中选用长管子会增大设备放置平台的钢结构面积进而增加费用。对浮头式冷凝器会增加管子的抽出空间，从而增加设备的占地面积。2.2.5 管径与管壁管径越小换热器越紧凑，造价也就越低。但小管径会导致大压降。因此，在设计换热器时，首先选用19mm管径来保证满足允许压降。当设计易结垢的流体换热时，可选用25mm的管径，这样更方便清洗。表2-2 常
26、用国内换热管的规格材 料钢 管 标 准 外径mm x厚度mm碳 钢GB8163-8719 x 2碳 钢GB8163-8725 x 2碳 钢GB8163-8725 x 2.5不 锈 钢GB2270-8019 x 2不 锈 钢GB2270-8025 x 22.2.6 折流板圆缺高度单弓形圆缺型折流板的建议开口高度为直径的1045%，双弓形折流板的建议开口高度为直径的1525%。2.2.7 折流板间距折流板间距影响到壳程流体的流速和流动状态，从而对传热速率产生一定的影响。最小的折流板间距为壳体直径的1/5且不小于50mm。建议的最大折流板间距为壳体直径的1/2。2.2.8 密封条也称旁路挡板，主要防
27、止bundle-shell的泄露流。一般成对设置。建议按照下面的数量进行设置。DN小于500mm时，设置一对；DN在5001000mm时，设置两对；DN大于1000mm时，设置三对较为适宜。对固定管板式和U型管式换热器因为间隙不大，不必使用密封条。对有相变的设备，由于密封条会影响气液相的分离，不建议使用密封条。142.3 HTRI设计判据HTRI共三个计算模块。分别包括核算、模拟、设计。其中，设计（design）模式需要较少的工艺条件，软件根据提供的条件进行计算，初步得到其他缺少的几何结构，热传递系数和压力降等。校核（rating）模式输入工艺条件和相关的几何参数，计算热负荷并通过不断的优化设
28、计，得到最优化的合理结果。设计模式和校核模式是最常用的计算模式，对经验丰富的设计人员，可以直接进行校核计算。模拟计算是验证换热器热负荷是否满足要求。HTRI程序可以设计壳体类型、壳体直径、管长、管间距、折流板间距、折流板类型、管径、管心距。15-162.3.1 管壳侧流速(velocity)为防止结垢等不正常现象，管壳侧需要保证有一定的流速范围。常用流速如下表所示：表2-3管壳式换热器中常用的流速范围流体的种类一般流体易结垢流体气体流速m/s管程0.53.01.05.030壳程0.21.50.53.015表2-4水的流速表(管内)类别管材最低流速(m/s)最高流速(m/s)适宜流速(m/s)凝
29、结水钢管0.60.90.60.90.60.90.750.90.750.93.03.73.73.02.41.82.41.82.41.82.41.82.41.82.4河水(干净的)钢管循环水(处理的)钢管海水含铜镍的管海水铝铜管2.3.2 设计余量(overdesign)对单相系统设计余量为05%，两相系统510%左右。对于管壳式换热器，2030%也是允许的，为了适应以后工艺条件变化。2.3.3 热阻(thermal resistance)一般污垢热阻所占比例不宜超过50%。2.3.4 流型(flow fraction)在HTRI设计结果report中，报告右下角给出了5种流体所占分率。为保证换热
30、器又较好的传热效率，建议B0.6，Eflash type中更改计算类型即可。不可忽略。2.4 HTRI设计实例（HTRI6.0计算）2.4.1 饱和蒸汽的冷凝设计任务和设计条件设计一冷凝器，用以冷凝来自气提塔的氨蒸气，并选定冷凝器的操作压力。露点下氨的流量为653.2kg/h，冷却水的入口温度为32.2。确定设计方案为避免因温差过小引起的水量过大，这里选择冷却水升温510。同时为保证氨的出口温度比冷却水的出口温度高5，查氨的莫利尔图得，氨在1.6MPa时的凝点是41.4。所以选择氨的操作压力是1.6Mpa。因冷热两股流体的温差较小，冷却水、氨的污垢系数接近为0，这里选择固定管板式换热器较为经济
31、。对饱和纯组分蒸汽冷凝，选择立式壳程冷凝器能达到更好的换热效果，因此选择立式，热流体走壳程，冷流体走管程。软件计算步骤（本文以HTRI6.0为例）1. 打开HTRI，在File菜单下选择“New Shell and Tube Exchanger”界面。这个界面由三部分组成，树形栏，可以点击选择要输入的项；输入面板，可以在相应的框里输入具体的数据，最下面一栏可以在Input、Report、Gragh等界面间切换。如图2-2所示。2. 设定Case单位制，选择SI。换热器几何参数设定 Case modeHTRI6.0中Case mode共三个选项Rating：校核计算模式，具备了足够的换热器尺寸与
32、工艺物流条件之后，灾此种模式下计算换热器的压力降和热负荷，得到Report，校核所设计的换热器是否符合标准。Simulation：模拟计算模式，此种模式考察换热器能否满足规定的热负荷。Design：设计计算模式，当初始条件较少时，选用此种模式可以得到换热器的初步结构参数结果。通常是先通过设计计算，得到换热器的初始尺寸，然后进行校核计算，经过多次校核，得到最终的设计结果。图2-2 数据输入总界面 Exchanger configuration对于冷凝器，选择默认的generic shell and tube。 Process conditions冷热流体流量，温度，压力等根据题目所给输入。压降一
33、般由甲方指定，但是当不指定时，可选用着经验数值，见2.2.2节。需要指明的是对于weight fraction vapor，1代表全气体，0代表全液体。污垢热阻在资料书中查询10 ,14。 Shell geometryTEMA type：对于此次设计的氨冷凝器，首先选择BEM类型进行初步设计。ID：在设计计算模式中不用输入，待计算后得到初步的设计结果。由校核计算输入。Orientation：选择vertical垂直方向。Hot fluid：热流体走壳程还是管程。选择shellside，壳程。 Baffle geometryType:折流板类型，折流板具有各自不同的优缺点。下面列出常用的折流板
34、图2-3 单弓形折流板 图2-4窗口侧无排管折流板(single baffle) (NTIW baffle)图2-5 双弓形折流板(Dobble baffle)其中，单弓形折流板最为经济。单弓形（NTIW），在振动存在的时候改用此类折流板。双弓形折流板用于在单弓形折流板压降较大时的情况。还有一些特殊类型的折流板，读者可根据需要自行选用。 图2-6杆型折流板 图2-7螺旋形折流板（ROD baffle） （Helical baffle）图2-8 双螺旋型折流板（Double Helix） 图2-9 全网格折流板 图2-10 魔方型折流板（EMbaffle,Full Grid） （Square-O
35、ne Baffle）这里选择单弓形折流挡板，一般来说，单弓形折流板最为经济16。Orientation：折流挡板圆缺方向, 水平装配可对流体造成较强的扰动，从而增加传热系数，在无相变的换热中较为常用。垂直装配则更适合在卧式冷凝器中，这种排列方法有利于排除冷凝器中的不凝气和冷却液。 Tube geometryType：选择默认的光滑管 plain。Pitch选择管径的1.25倍（常用）或者1.33倍，wall thickness根据标准选用，这里选择2mm。在使用HTRI软件设计过程中，只需要填写红框内数据即可。填写完毕后，界面如图2-11所示：图2-11 数据填写完成input summary
36、界面流体物性输入单击树形栏“Hot Fluid Properties”或“Cold Fluid Properties”会出现图2-12物性输入选择界面：物性对于设计结果具有很大的影响。在输入物性时有一些输入原则。 Physical property input option，三个选项分别代表：如果知道组成，则选取第二项component by component。如果知道物性，则选取第一项Mixture properties via grid。如果知道组成，又希望自己输入一些物性，则选取第三项Component and grid properties。 Heat Release Input Method，对应热量有关物性的输入：第一项是用户自己进行规定User specified。第二项是规定露点及泡点Specified dew/bubble point。第三项程序自己计算program ca