压力容器设备基础知识(换热器塔设备).pdf

设备基础知识设备基础知识设备基础知识设备基础知识 换热器换热器换热器换热器 塔设备塔设备塔设备塔设备 传热原理 间壁式 混合式 蓄热式 列管式 板 式 翅片式 换热器的类型换热器的类型 套管式 固定管板式 浮 头 式 U型管式 一、套管式换热器一、套管式换热器 套管式换热器是由大小不同的直管制成套管式换热器是由大小不同的直管制成 的同心套管，并由的同心套管，并由U U型弯头连接而成。每一段型弯头连接而成。每一段 套管称为一程。套管称为一程。 优点：构造较简单，能耐高压，传热面优点：构造较简单，能耐高压，传热面 积可根据需要增减，应用方便。积可根据需要增减，应用方便。 缺点：管间接头多，易泄露，占地较大缺点：管间接头多，易泄露，占地较大 ，单位传热面消耗的金属量大。因此它较适，单位传热面消耗的金属量大。因此它较适 用于流量不大，所需传热面积不多而要求压用于流量不大，所需传热面积不多而要求压 强较高的场合。强较高的场合。 二、列管式换热器二、列管式换热器 优点优点 ：单位体积所具有的传热面积大，结：单位体积所具有的传热面积大，结 构紧凑、传热效果好。能用多种材料制造，故适构紧凑、传热效果好。能用多种材料制造，故适 用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和用性较强，操作弹性较大，尤其在高温、高压和 大型装置中多采用列管式换热器。大型装置中多采用列管式换热器。 在列管式换热器中，若两流体的温差较大，在列管式换热器中，若两流体的温差较大， 就可能由于热应力而引起设备变形，管子弯曲，就可能由于热应力而引起设备变形，管子弯曲， 甚至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温甚至破裂或从管板上松脱。因此，当两流体的温 差超过差超过5050时，就应采用热补偿的措施。时，就应采用热补偿的措施。 1 1、固定管板式、固定管板式 特点：两端管板和壳体制成一体，具有结特点：两端管板和壳体制成一体，具有结 构简单和成本低的优点。但是壳程清洗和检修构简单和成本低的优点。但是壳程清洗和检修 困难，要求壳程流体必须是洁净而不易结垢的困难，要求壳程流体必须是洁净而不易结垢的 物料。物料。 当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。当两流体的温差较大时，应考虑热补偿。 但不宜应用两流体温差过大（应不大于但不宜应用两流体温差过大（应不大于7070） 和壳程流体压强过高的场合。和壳程流体压强过高的场合。 具有补偿圈的固定管板式换热器 1一挡板 2-补偿圈 3-放气嘴 图4-45 浮头式换热器 1一管程隔板 2一壳程隔板 3一浮头 2 2 2 2、浮头式换热器、浮头式换热器 特点：有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向特点：有一端管板不与外壳连为一体，可以沿轴向 自由浮动。自由浮动。 这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固这种结构不但完全消除了热应力的影响，且由于固 定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体定端的管板以法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体 中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用中抽出，因此便于清洗和检修。故浮头式换热器应用 较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。较为普遍，但它的结构比较复杂，造价较高。 3 3、U U型管式换热器型管式换热器 特点：每根管子都弯成特点：每根管子都弯成U U型，进出口分别安装在型，进出口分别安装在 同一管板的两侧，封头用隔板分成两室，每根管子同一管板的两侧，封头用隔板分成两室，每根管子 可以自由伸缩。可以自由伸缩。 这种换热器结构比浮头式简单，重量轻，但管这种换热器结构比浮头式简单，重量轻，但管 程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如程不易清洗，只适用于洁净而不易结垢的流体，如 高压气体的换热。高压气体的换热。 图4-44 U型管换热器 1一U型管 2一壳程隔板 3一管程隔板 (3)(3)压强高的流体宜走管内，以免壳体承受压压强高的流体宜走管内，以免壳体承受压 力；力； (1)(1)不洁净和易结垢的液体宜走管程，因为管内不洁净和易结垢的液体宜走管程，因为管内 清洗方便；清洗方便； (2)(2)腐蚀性的流体宜走管程，以免管束和壳体同腐蚀性的流体宜走管程，以免管束和壳体同 时受腐蚀；时受腐蚀； 冷、热流体流动通道的选择冷、热流体流动通道的选择 4 4、列管式换热器选用时应注意的问题、列管式换热器选用时应注意的问题 (4)(4)(4)(4)饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽比较清饱和蒸汽宜走壳程，因为饱和蒸汽比较清 净，对流传热系数与流速无关且冷凝液易排净，对流传热系数与流速无关且冷凝液易排 出；出； (5)(5)(5)(5)被冷却的液体宜走壳程，便于散热；被冷却的液体宜走壳程，便于散热； (6)(6)(6)(6)若两流体温差较大，对于刚性结构的换热若两流体温差较大，对于刚性结构的换热 器，宜将对流传热系数大的流体通入壳程，可器，宜将对流传热系数大的流体通入壳程，可 减少热应力；减少热应力； (7)(7)(7)(7)流量小而粘度大的液体一般宜走壳程，因在流量小而粘度大的液体一般宜走壳程，因在 壳程壳程ReReReRe100100100100即可达到湍流，但这不是绝对，即可达到湍流，但这不是绝对， 如流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并如流动阻力损失允许，将这种流体通入管内并 采用多管程结构，反而能得到更多的对流传热采用多管程结构，反而能得到更多的对流传热 系数。系数。 三、翅片式换热器三、翅片式换热器三、翅片式换热器三、翅片式换热器 1 1、 翅片管换热器翅片管换热器 翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成，翅翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成，翅 片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的接触片与管表面的连接应紧密无间，否则连接处的接触 热阻很大，影响传热效果。常用的连接方法有热套热阻很大，影响传热效果。常用的连接方法有热套 、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此外，翅片管也、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。此外，翅片管也 可采用整体轧制、整体铸造或机械加工等方法制造可采用整体轧制、整体铸造或机械加工等方法制造 。当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热。当两种流体的对流传热系数相差较大时，在传热 系数较小的一侧加翅片可以强化传热。系数较小的一侧加翅片可以强化传热。 图4-49 翅片式换热器 (a) 翅片式换热器 (b)翅片管断面 图4-50 常见的翅片形式 板翅式换热器板翅式换热器 板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的 换热器，板翅式换热器的结构是在两块平行的薄金换热器，板翅式换热器的结构是在两块平行的薄金 属板之间，加入波纹状或其它形状的金属翅片，将属板之间，加入波纹状或其它形状的金属翅片，将 两侧面封死，即成为一个换热基本元件。将各基本两侧面封死，即成为一个换热基本元件。将各基本 元件进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固元件进行不同的叠积和适当的排列，并用钎焊固 定，即可制成并流、逆流或错流的板束（或称芯定，即可制成并流、逆流或错流的板束（或称芯 部），然后再将带由流体进出口的接管的集流箱焊部），然后再将带由流体进出口的接管的集流箱焊 在板束上，即成为板翅式换热器，目前常用的翅片在板束上，即成为板翅式换热器，目前常用的翅片 形式有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片三种形式有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片三种 。 图4-51 板翅式换热器的板束 图4-52 板翅式换热器的翅片形式 (a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片 板翅式换热器的优点：板翅式换热器的优点： 结构紧密、轻巧、导热系数高，而且在零度以下结构紧密、轻巧、导热系数高，而且在零度以下 操作时，其延性和抗拉强度都很高，适用于低温和超操作时，其延性和抗拉强度都很高，适用于低温和超 低温的场合，故操作范围广，可在低温的场合，故操作范围广，可在-200-200-200-200至绝对零度至绝对零度 范围内使用。同时因翅片对隔板有支撑作用，板翅式范围内使用。同时因翅片对隔板有支撑作用，板翅式 换热器允许操作压强也比较高，可达换热器允许操作压强也比较高，可达5MPa5MPa5MPa5MPa。铝合金。铝合金 制造，故重量轻，在相同的传热面下，其重量约为列制造，故重量轻，在相同的传热面下，其重量约为列 管式的十分之一。由于翅片促进了流体的湍动并破坏管式的十分之一。由于翅片促进了流体的湍动并破坏 了热边界层的发展，故其传热系数较高。了热边界层的发展，故其传热系数较高。 缺缺 点：点： 设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，故设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，故 所处理的物料应较洁净或预先净制；另外由于隔板的所处理的物料应较洁净或预先净制；另外由于隔板的 翅片均由薄铝板制称成，故要求介质对铝不腐蚀，制翅片均由薄铝板制称成，故要求介质对铝不腐蚀，制 造成本较高。造成本较高。 塔塔 设设 备备 板式塔为逐级接触式气液传质板式塔为逐级接触式气液传质 设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、 溢流堰、降液管及受液盘等部件构溢流堰、降液管及受液盘等部件构 成，塔板主要有泡罩塔板，筛孔塔成，塔板主要有泡罩塔板，筛孔塔 板，浮阀塔，舌型塔板，斜孔塔板。板，浮阀塔，舌型塔板，斜孔塔板。 塔设备的结构塔设备的结构 泡罩塔板泡罩塔板 泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其 结构主要由升气管及泡罩构成。泡罩的下部结构主要由升气管及泡罩构成。泡罩的下部 周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩 形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。 操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持 板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之 中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿 缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体 通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的 气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两气泡或流股，在板上形成鼓泡层，为气液两 相的传热和传质提供大量的界面。相的传热和传质提供大量的界面。 泡罩塔板的结构泡罩塔板的结构 泡罩塔板的优点及缺点泡罩塔板的优点及缺点 泡罩塔板的优点是操作弹性较大，泡罩塔板的优点是操作弹性较大， 塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价 高，板上液层厚，塔板压降大，生产能高，板上液层厚，塔板压降大，生产能 力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛 板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中 已很少采用。已很少采用。 筛筛 孔孔 塔塔 板板 筛孔塔板简称筛板，塔板上开有许筛孔塔板简称筛板，塔板上开有许 多均匀的小孔，孔径一般为多均匀的小孔，孔径一般为3 3 3 38 8 8 8mmmmmmmm。筛。筛 孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设 置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液 层。操作时，气体经筛孔分散成小股气层。操作时，气体经筛孔分散成小股气 流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而 进行传热和传质。在正常的操作条件进行传热和传质。在正常的操作条件 下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液 体经筛孔向下泄漏。体经筛孔向下泄漏。 筛孔塔板结构筛孔塔板结构 筛孔塔板优点及缺点筛孔塔板优点及缺点 筛板的优点是结构简单、筛板的优点是结构简单、 造价低，板上液面落差小，气造价低，板上液面落差小，气 体压降低，生产能力大，传质体压降低，生产能力大，传质 效率高。其缺点是筛孔易堵效率高。其缺点是筛孔易堵 塞，不宜处理易结焦、粘度大塞，不宜处理易结焦、粘度大 的物料。的物料。 浮浮 阀阀 塔塔 板板 浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优 点，应用广泛。浮阀塔板的结构特点是在塔板上点，应用广泛。浮阀塔板的结构特点是在塔板上 开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动 的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将 阀腿底脚拨转阀腿底脚拨转9090°°，以限制阀片升起的最大高，以限制阀片升起的最大高 度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个 略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片 的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上， 在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。操作在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。操作 时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平 方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度 随气体负荷而变。随气体负荷而变。 浮阀塔板的结构浮阀塔板的结构 浮阀塔板优点及缺点浮阀塔板优点及缺点 浮阀塔板的优点是结构简单、造价浮阀塔板的优点是结构简单、造价 低，生产能力大，操作弹性大，塔板效低，生产能力大，操作弹性大，塔板效 率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度率较高。其缺点是处理易结焦、高粘度 的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作 过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现 象，使塔板效率和操作弹性下降。象，使塔板效率和操作弹性下降。 浮阀塔板的工作原理浮阀塔板的工作原理 舌舌 型型 塔塔 板板 舌型塔板塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔舌型塔板塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔 板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的 角度，有角度，有1818°°、2020°°、2525°°三种（一般为三种（一般为 2020°°）。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流）。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流 出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管 截面积要比一般塔板设计得大些。操作时，上截面积要比一般塔板设计得大些。操作时，上 升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达2020 30m/s30m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气 流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上 方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入 降液管中，流到下一层塔板。降液管中，流到下一层塔板。 舌舌 型型 塔塔 板板 舌型塔板优点及缺点舌型塔板优点及缺点 舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压 降低，传质效率较高；降低，传质效率较高； 缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易 使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从 而降低塔板效率。而降低塔板效率。 浮舌塔板如与舌型塔板相比，浮舌塔板的浮舌塔板如与舌型塔板相比，浮舌塔板的 特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼 有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理 能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适 宜于热敏性物系的减压分离过程。宜于热敏性物系的减压分离过程。 斜斜 孔孔 塔塔 板板 斜孔塔板在板上开有斜孔，孔口向上与板斜孔塔板在板上开有斜孔，孔口向上与板 面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂 直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔 方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向 喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方 向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上 液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集，液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集， 其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提 高。高。 斜孔塔板优点及缺点斜孔塔板优点及缺点 斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板和斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板和 舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生产能力舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生产能力 比浮阀塔板大比浮阀塔板大30%30%左右，效率与之相当，且左右，效率与之相当，且 结构简单，加工制造方便，是一种性能优良结构简单，加工制造方便，是一种性能优良 的塔板。的塔板。 斜孔塔板斜孔塔板 填填 料料 塔塔 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接 触构件的传质设备。液体从塔顶经液体分布器触构件的传质设备。液体从塔顶经液体分布器 喷淋到填料上，气体从塔底经气体分布装置分喷淋到填料上，气体从塔底经气体分布装置分 布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙， 在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集 中的趋势，壁流效应造成气液两相在填料层中中的趋势，壁流效应造成气液两相在填料层中 分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填 料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布 装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体 再分布器两部分。再分布器两部分。 填料塔填料塔 填料塔的塔填料塔的塔 身是一直立式圆身是一直立式圆 筒，底部装有填筒，底部装有填 料支承板，填料料支承板，填料 以乱堆或整砌的以乱堆或整砌的 方式放置在支承方式放置在支承 板上。填料的上板上。填料的上 方安装填料压方安装填料压 板，以防被上升板，以防被上升 气流吹动。气流吹动。 填填 料料 1 1 1 1、散装填料是一个个具有一定几何形状、散装填料是一个个具有一定几何形状 和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积 在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散 装填料根据结构特点不同，又可分为环形装填料根据结构特点不同，又可分为环形 填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料 等。现介绍几种较为典型的散装填料。等。现介绍几种较为典型的散装填料。 2 2 2 2、规整填料是按一定的几何构形排列，、规整填料是按一定的几何构形排列， 整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根 据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、 脉冲填料等。脉冲填料等。 拉西环填料拉西环填料 散装填料散装填料 填料塔的优点及缺点填料塔的优点及缺点 填料塔优点：填料塔优点： 具有生产能力大，分离效率高，压降具有生产能力大，分离效率高，压降 小，持液量小，操作弹性大等优点。小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔缺点：填料塔缺点： 填料造价高；当液体负荷较小时不填料造价高；当液体负荷较小时不 能有效地润湿填料表面，使传质效率降能有效地润湿填料表面，使传质效率降 低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的 物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太 适合等。适合等。 填料综合性能评价填料综合性能评价 9 9 9 9略好略好0.360.360.360.36瓷拉西环瓷拉西环 8 8 8 8略好略好0.380.380.380.38瓷鞍形环瓷鞍形环 7 7 7 7较好较好0.410.410.410.41瓷瓷IntaloxIntaloxIntaloxIntalox 6 6 6 6一般好一般好0.510.510.510.51金属鲍尔环金属鲍尔环 5 5 5 5一般好一般好0.530.530.530.53金属阶梯环金属阶梯环 4 4 4 4相当好相当好0.570.570.570.57金属鞍形环金属鞍形环 3 3 3 3相当好相当好0.590.590.590.59金属金属IntaloxIntaloxIntaloxIntalox 2 2 2 2相当好相当好0.610.610.610.61孔板波纹填料孔板波纹填料 1 1 1 1很好很好0.860.860.860.86丝网波纹填料丝网波纹填料 排序排序语言值语言值评估值评估值填料名称填料名称 谢谢 谢谢 大大 家家 ！