化工换热设备的结构和分类

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化工换热设备的结构和分类

化工换热设备是在化工生产过程中即化学反应物中实现热能传递的设备，使热量从温度较高的流体传给另一种温度较低的流体。

在化肥、化工、炼油工业生产中，常常进行着各种不同的换热过程，特别是近年开发的各种化工工艺，充分进行了热能的综合利用，各种型式的高效、节能换热设备不断推出，应用到不同的冷换操作单元中。例如：加热或冷却、蒸发或冷凝。换热设备就是在生产过程即化学反应或物理反应中实现热能传递的设备，使热量从温度较高的流体传给另一种温度较低的流体。

根据生产工艺的不同，为达到热量的充分利用和满足工艺参数，换热设备可以是热交换器（如两流体介质相互换热）、冷凝器（如用水蒸汽冷凝）、加热器（如高温工艺气加热水）、冷却器（如水或液体氨作冷载体）等。

在化工生产中，换热设备不但作为一个单独的化工设备，而且在其他设备中也常附有换热设备或换热部分，如蒸馏设备中的回流冷凝器，蒸发设备中的加热，高低变炉和氨合成塔中触媒的换热等，均为重要的不可缺少的化工操作设备。

化工生产流程中，用于汽－液、汽－气、气－气、液－液之间的换热设备，按热量的授受方式可分为：

① 表面式换热器；

② 蓄热式换热器；

③ 液体间接式换热器；

④ 直接接触式换热器。

表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面

的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的热交换器。

蓄热式换热器是借助于由固体构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，蓄热体与高温流体接触一定时间，接受和储蓄了一定热量，然后与低温流体接触一定时间，把热量释放给低温流体。蓄热式换热器有用在一段炉对流段上的旋转换热器，回收烟气温度用于预热燃烧空气；还有阀门切换式换热器等。

流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体热交换器和低温流体之间循环，在高温流体换热器接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。

直接接触式热交换器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如：冷水塔、气体冷凝器等。另外，换热器按用途还可分为：

① 加热器—把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。

② 预热器—预先加热流体，为后序操作提供标准的工艺参数；

③ 过热器—用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态；

④ 蒸发器—用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。

一、化工装置常用换热设备结构、性能和特点

1、管壳式换热器

① 管壳式换热器的类型和优缺点

常用的管壳式换热器有固定管板式、浮头式和“U”形管式。

固定管板式换热器结构简单，造价低，制造容易，管程清洗检修方便。壳程清洗困难，管束制造后有温差应力存在，当冷热两流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料热膨胀系数相差较大、热应力超过材质的许用应力时，在壳体上应设膨胀节，由于膨胀节不能承受较大内压，所以换热器壳程压力不能太高。

固定管板式换热器适用于两种介质温差不大（一般应低于30℃），或温差较大但壳程压力不高的条件。

浮头式换热器的优点是壳体和管束的温差不受限制，管束清洗和检修较为方便，管程、壳程均容易清扫。缺点是结构复杂，密封要求较高，一旦泄漏在线处理较为困难。一般在温差较大的化工单元操作中设置浮头式换热器。

U形管式换热器，克服了固定管板式和浮头式换热器的缺点，但在U形拐弯处很难清洗干净，更换管子较为困难，特别是管板中心部的U形管，泄漏后只能堵管，要想更换管子必须从管板处全部切除，造成很大浪费。U形管换热器适用于两种流体温差较大，且壳程易结垢的条件。

② 管壳式换热器的结构特点

ⅰ、固定管板式换热器

固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成，如图1所示。其结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起。管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器，管程可以用隔板分成任何程数。应用极为广泛。近年来，也有设计开发出固定管板的挠性管板，即薄管板式换热器，这是根据弹性薄圆板理论，在均匀载荷作用下周边固定支承的圆平板产生的挠度可被看作在管板布管区的变形，无论是热应力还是管壳温差应力挠性变形薄管板均能承受，它的应用比常规的固定管板式换热器更具有优点。

图1 固定管板式换热器结构图

1—排气口   2—封头   3—法兰    4—管板    5—排气口    6—壳体    7—列管     8—支座      9—定距管  10—折流板   11—膨胀节  12—壳体接管   13—排气口    14—封头接管   15—封头  16—排气口  17—法兰  18—管板  19—排液口   20—支座  21—接管  22—排液口   23—入口管

薄管板换热器用于中压、大直径换热设备上更有满意的效果。薄管板的结构一般有三种型式，如图2。

图2 薄管板结构

（a）凸面薄管板；（b）平面薄管板；（c）凹面薄管板

ⅱ、浮头式换热器

浮头式换热器主要由壳体、浮动式封头管箱、管束等部件组成，如图3所示。它的一端管板固定在壳体与管箱之间，另一端管板可以在壳体内自由移动，也就是壳体和管束热膨胀可自由，故管束和壳体之间没有温差应力。一般浮头设计成可拆卸结构，使管束可自由地抽出和装入。浮头式换热器的浮头也有不同的结构型式，常用的如图4所示，它是用钳形环和螺栓使浮头和管板密封贴合，以使管内和管间流体互不渗漏。这种结构现在用的不多了。根据设计规范，采用了图5所示结构，即浮头盖法兰直接和钩圈用螺栓紧固，使浮头法兰和活动的管板密封贴合，虽然减少了管束的有效传热面积，但密封性可靠，整体也较紧凑。

图3浮头式换热器

1—吊环；2—平盖板；  3—法兰；4—接口；5—管线接管；  6—分程板；7—壳体；8—排气口；9—接管；10—接管；11—封头；12—接管；13—排气口；14—接管；15—支座；16—内封头；17—堰板；18—吊耳；19—浮头衬托；20—浮动管板；21—列管；22—折流板；23—定距管；24—支座；25—接管；26—排液口；27—法兰；28—固定管板；29—法兰；30—排液口；31—接管；32—管箱

图4浮头结构之一

图5浮头结构之二

ⅲ、“U”形管式换热器

U形管式换热器的结构如图6所示。结构特点是换热管做成U形，两端固定在同一块管板上，由于壳体和管子分开，可以不考虑热膨胀，管束可以自由伸缩，不会因为流体介质温差而产生温差应力。U形管换热器只有一块管板，没有浮头，结构比较简单。管束可以自由抽出和装入，方便清洗。由于换热管均做成半径不等的U形弯，最外层损坏后可更换外，其余的管子损坏只有堵管。同时和固定管板式换热器相比，它的管束的中心部分存有空隙，流体很容易走短路，影响了传热效果，管板上排列的管子也比固定管板式换热器少，体积有些庞大。由于U形管曲率半径不一样，也增加了制造程序，加上切管长短不一，流体流动状态下的分布也不均匀，堵管后更减少了换热面积。             

图6  U形管式换热器

1—吊耳；2—盖板；3—法兰；4—接管；5—接管；6—隔板；7—接管；8—短管；9—壳体；10—折流板；11—挡板；12—拉杆；13—列管；14—放气管；15—封头；16—接管；17—支座；18—支座；19—接管；20—短管；21—法兰；22—管板;23—接管；24—接管；25—管箱

U形管换热器，一般使用于高温高压的场合，在压力高时，须加厚管子弯管段的壁厚。为增加流体介质在壳程内的流速，可在壳体内设置折流板和纵向隔板，以提高传热效果。

2、板式换热器

板式换热器是一种高效换热器，在工厂应用中有伞板换热器和平板换热器，化工装置中常用后一种。工作原理如图7。

板式换热器的特点:  

① 体积小，占地面积少。

② 传热效率高，可使在低速下强化传热。

图7  板式换热器工作原理图

③ 组装方便，当增加换热面积时，只多装板片，进出口管口方位不需变动。

④ 热损失小，不需保温，热损失只为1％左右。

⑤ 拆卸、清洗方便，检修容易在现场进行。特别对于易结垢的介质，板片随时拆下清洗。

⑥ 使用寿命长。一组板式换热器，一般可使用5～8年，而后常因橡胶板条老化而泄漏，拆下后重新粘结板条，组装板片可继续使用。

⑦ 板式换热器的缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于150℃，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗。

板式换热器的结构及部件性能：

板式换热器的整体结构如图8，主要有传热板片、密封板条、两端压板、固定螺栓、支架、进出口管等部件组成。

图8 板式换热器结构图

1—固定板；2—进口；3—孔；4—支架；5—螺栓；6—孔；7—螺杆；8—夹紧螺栓；9—螺母；10—防松螺母；11—下导杆；12—立柱；13—紧固压板；14—上滑杆；15—板片；16—胶垫；17—板片；18—压紧板

① 传热板片传热板片是换热器主要起换热作用的元件，一般波纹做成人字形，但A板和B板人字相反，如图9。按照流体介质的不同，传热板片的材质也不一样，大多采用不锈钢和钛材制作而成。制作工艺为平板冲压，大多压成矩形板片。

② 密封板条

板式换热器的泄漏多是因为密封板条压制错位或者老化引起的，所以在开始组装或者解体时必须选择合适的密封板条，以适用流体介质的性能。一般选用乙丙胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶等，然后用401号粘结剂粘牢固化后组装。对于使用的密封板条应有严格的技术要求，例如：耐温、弹性好，抗大气腐蚀、抗阳光紫外线、抗老化等性能。

③ 端盖

两端盖主要是夹紧压住所有的传热板片，保证流体介质不泄漏，一般为碳素，端盖应平滑，不应有变形、腐蚀、锈蚀等缺陷。

④ 固定螺栓

固定螺栓一般是通杆螺纹，预紧螺栓时，一定用力矩扳手，使固定板片的力均匀。螺纹裸露部分，一定用塑料套管保护，防止锈蚀。

⑤ 支架

支架是挂传换板片的，对于不同型号的换热器，支架的高度、长度也不一样，同时，支架下部有和基础固定的螺栓。吊装和安装换热器时，严格选择吊点，防止支架变形。

⑥ 进出口管

进出口管和两端压盖联在一起，值得注意的是在进出口管内衬有橡胶衬套，安装时不能被外部压变形，否则很容易造成泄漏。

图9  传热板片

1—人字形板片；2—密封板条