1、化工设备机械基础化工设备机械基础第十一章第十一章 典型化工设备结构典型化工设备结构主要内容主要内容v第一节 钢制管壳式换热器v第二节 塔器v第三节 反应器第一节第一节 钢制管壳式换热器钢制管壳式换热器v 换热器或称热交换器是石油、化工生产中应用很广换热器或称热交换器是石油、化工生产中应用很广泛的单元设备之一。它在石油、化工建厂总投资中泛的单元设备之一。它在石油、化工建厂总投资中约占加约占加20%20%、在全厂化工设备总重量中约占、在全厂化工设备总重量中约占40%40%，故，故近年来随着石油、化工装置的大型化，换热器朝着近年来随着石油、化工装置的大型化，换热器朝着提高设备紧凑性、降低材料消耗、提
2、高传热效率，提高设备紧凑性、降低材料消耗、提高传热效率，降低流体阻力，保证互换性，增加操作弹性以及通降低流体阻力，保证互换性，增加操作弹性以及通过减少污垢堵塞和便于除垢来减少操作事故等方面过减少污垢堵塞和便于除垢来减少操作事故等方面发展。发展。v换热器是用来完成各种不同传热过程的设备换热器是用来完成各种不同传热过程的设备，如加，如加热或冷却用的加热器或冷却器，蒸馏或冷凝用的蒸热或冷却用的加热器或冷却器，蒸馏或冷凝用的蒸馏釜、重沸器或冷凝器、蒸发设备中的加热室等。馏釜、重沸器或冷凝器、蒸发设备中的加热室等。随着炼油，化学工业的迅速发展，换热器的种类繁随着炼油，化学工业的迅速发展，换热器的种类繁多
3、，新结构不断出现。多，新结构不断出现。v完善的换热设备除需满足化工工艺要求外，尚需完善的换热设备除需满足化工工艺要求外，尚需考虑下列因素考虑下列因素:(1)(1)换热效率高，换热效率高，(2)(2)流体流动的阻力小，即压力降小；流体流动的阻力小，即压力降小；(3)(3)结构可靠，制造成本低结构可靠，制造成本低;(4)(4)便于安装、检修。便于安装、检修。v虽然列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消虽然列管式换热器在换热效率、紧凑性和金属消耗量等方面均不及高效换热器，但是它具有结构耗量等方面均不及高效换热器，但是它具有结构坚固、承受高温、高压的适应性大，制造工艺较坚固、承受高温、高压的适应性大，
4、制造工艺较成熟，材料范围广等独特优点，因此目前它仍然成熟，材料范围广等独特优点，因此目前它仍然是石油、化工生产中的主要设备。是石油、化工生产中的主要设备。一、管壳式换热器的总体结构一、管壳式换热器的总体结构 v列管式换热器列管式换热器(或称管壳式换热器或称管壳式换热器)主要由主要由筒体筒体(又又称外壳称外壳)管板管板、管束管束、封头等封头等部件构成。部件构成。v列管式换热器种类很多根据结构特点的不同可以列管式换热器种类很多根据结构特点的不同可以分为刚性结构的和具有温差补偿的两大类。分为刚性结构的和具有温差补偿的两大类。v刚性结构的固定管板式列管换热器的结构，其换热刚性结构的固定管板式列管换热器
5、的结构，其换热管束连接在管板上，管板分别焊在外壳的两端，因管束连接在管板上，管板分别焊在外壳的两端，因此管子、管板和外壳的连接都是刚性的。此管子、管板和外壳的连接都是刚性的。v当管壁与壳壁温度相差较大时，必须设有温差补偿当管壁与壳壁温度相差较大时，必须设有温差补偿装置，采用具有温差补偿的列管式换热器，如具有装置，采用具有温差补偿的列管式换热器，如具有膨胀节的固定管板式、浮头式、填函式以及膨胀节的固定管板式、浮头式、填函式以及U U形管形管式等。式等。列管式换热器的典型结构列管式换热器的典型结构（一）固定管板式换热器（一）固定管板式换热器v由管箱、壳体和换热管管束三部分组成。管箱由封由管箱、壳体
6、和换热管管束三部分组成。管箱由封头、短节和法兰组焊而成，其上有管程接管和排气头、短节和法兰组焊而成，其上有管程接管和排气或排液孔。或排液孔。热交换原热交换原理理补偿圈式补偿圈式换热器换热器换热器的换热器的清扫清扫（二）浮头式换热器（二）浮头式换热器v“浮头浮头”是指换热器两端的管板，一个是固定的，是指换热器两端的管板，一个是固定的，另一个是浮动的。另一个是浮动的。v优点优点：（：（1 1）管束可以从壳体内抽出来，便于清洗；）管束可以从壳体内抽出来，便于清洗；（2 2）管束的热变形不会受到壳体的约束，消除了）管束的热变形不会受到壳体的约束，消除了热应力。热应力。v缺点：增加了浮头盖以及连接件，在
7、该处一旦发生缺点：增加了浮头盖以及连接件，在该处一旦发生泄漏不易被发现；管束外缘与壳壁之间间隙较大，泄漏不易被发现；管束外缘与壳壁之间间隙较大，减少了排管数目，容易引起壳程流体短路。减少了排管数目，容易引起壳程流体短路。v结构复杂，金属消耗量大，造价高是浮头式换热器结构复杂，金属消耗量大，造价高是浮头式换热器的主要缺点。的主要缺点。v观看浮头式换热器的观看浮头式换热器的工作原理工作原理。（三）（三）U形管式换热器形管式换热器v结构特点：只有一块管板，换热管呈结构特点：只有一块管板，换热管呈U形。换热管形。换热管的两端均固定在一块管板上，所有管子的入口端集的两端均固定在一块管板上，所有管子的入口
8、端集中在半块管板上，出口端集中在另半块管板上，中中在半块管板上，出口端集中在另半块管板上，中间用管箱的分程隔板隔开。装有内导流筒。间用管箱的分程隔板隔开。装有内导流筒。v优点：换热管束可以抽出，热应力可以消除。优点：换热管束可以抽出，热应力可以消除。v缺点：壳程内有一个不能排管的条形空间，影响结缺点：壳程内有一个不能排管的条形空间，影响结构的紧凑，而且要安装防短路的中间挡板。换热器构的紧凑，而且要安装防短路的中间挡板。换热器的内层换热管一旦发生泄漏损坏，只能堵塞而不能的内层换热管一旦发生泄漏损坏，只能堵塞而不能更换。更换。vU形管式换热器适用于管壳温差大，管内介质清洁形管式换热器适用于管壳温差
9、大，管内介质清洁但压力较高的场合。但压力较高的场合。v观看观看U形管式换热器的结构与形管式换热器的结构与工作原理工作原理。（四）填料函式换热器（四）填料函式换热器v填料函式换热器是对浮头式换热器的改型。把原置填料函式换热器是对浮头式换热器的改型。把原置于壳程内部的浮头移至体外，并用填料函来密封壳于壳程内部的浮头移至体外，并用填料函来密封壳程介质的外泄。因此，具有管束可以抽出，热应力程介质的外泄。因此，具有管束可以抽出，热应力可以消除的优点，而且省去了浮头式换热器的外头可以消除的优点，而且省去了浮头式换热器的外头盖，免除了内泄漏不易发现的缺点。但是，采用填盖，免除了内泄漏不易发现的缺点。但是，采
10、用填料函式动密封，壳程介质的少量外泄不可避免，从料函式动密封，壳程介质的少量外泄不可避免，从而对壳程介质的选择要规定某些限制，不但壳程介而对壳程介质的选择要规定某些限制，不但壳程介质的压力和温度不宜过高，而且介质应无毒，不易质的压力和温度不宜过高，而且介质应无毒，不易燃，不易爆。燃，不易爆。v填料函式换热器的结构图如填料函式换热器的结构图如P336图图11-4所示。所示。二、管壳式换热器中的结构问题二、管壳式换热器中的结构问题v换热器外壳可视作容器，壳体的壁厚可根据内压或换热器外壳可视作容器，壳体的壁厚可根据内压或外压圆筒的计算方法确定外压圆筒的计算方法确定。但是要注意两点：但是要注意两点：v
11、（1）壳程筒体的最小壁厚应按表）壳程筒体的最小壁厚应按表11-2选取。选取。v注：括号中的数值为浮头式和注：括号中的数值为浮头式和U形管式；碳钢和低合金钢的最小壁厚包形管式；碳钢和低合金钢的最小壁厚包括了括了1mm的腐蚀裕量。的腐蚀裕量。v（2）要验算筒体的轴向总应力，符合必须加膨胀）要验算筒体的轴向总应力，符合必须加膨胀节条件时，要加膨胀节。节条件时，要加膨胀节。（一）筒体（一）筒体 表表11-2 11-2 筒体与管箱短节的最小厚度（筒体与管箱短节的最小厚度（mmmm）DN DN 材料材料400-700400-700800-1000800-10001100-15001100-15001600
12、-2000碳钢或低合金钢碳钢或低合金钢6 6（8 8）8 8（1010）1010（1212）12（14）高合金钢高合金钢 4.54.56 68 810二、管子在管板上的固定二、管子在管板上的固定v管子在管板上的固定是列管式换热器制造中最主要管子在管板上的固定是列管式换热器制造中最主要的问题之一，它不但耗费大量工时，更重要的是如的问题之一，它不但耗费大量工时，更重要的是如果连接不严，在管子和管板连接处就会产生泄漏，果连接不严，在管子和管板连接处就会产生泄漏，给操作带来严重的事故。目前最广泛采用管子在管给操作带来严重的事故。目前最广泛采用管子在管板上的连接方法有板上的连接方法有胀接和焊接、胀焊并用
13、胀接和焊接、胀焊并用三种。三种。v(一一)胀管法胀管法 是目前最通用的一种，它是利用是目前最通用的一种，它是利用胀管器，使伸到管板孔中的管子端部直径扩大产生胀管器，使伸到管板孔中的管子端部直径扩大产生塑性变形，而管板只达到弹性变形，因而胀管后管塑性变形，而管板只达到弹性变形，因而胀管后管板与管子问就产生一定的挤压力，紧紧地贴在一起，板与管子问就产生一定的挤压力，紧紧地贴在一起，达到密封紧固连接的目的，下图表示了胀管前达到密封紧固连接的目的，下图表示了胀管前(a)和和胀管后管径的增大和受力情况胀管后管径的增大和受力情况(b)。采用胀接时，管板硬度应比管端硬度高，以保证胀接采用胀接时，管板硬度应比
14、管端硬度高，以保证胀接质量。这样可免除在胀接时管板孔产生塑性变形，影质量。这样可免除在胀接时管板孔产生塑性变形，影响胀接的紧密性响胀接的紧密性.当达不到这个要求时，可将管端进行当达不到这个要求时，可将管端进行退火处理，降低硬度后再行胀接。退火处理，降低硬度后再行胀接。v 管板孔表面及沟槽表面加工光洁度与胀接紧密性管板孔表面及沟槽表面加工光洁度与胀接紧密性有关。介质不易渗透时，表面光洁度一般为有关。介质不易渗透时，表面光洁度一般为3 3，实践证明这样已可保证胀接质量，不必提过高的要实践证明这样已可保证胀接质量，不必提过高的要求。胀接法一般多用于压力低于求。胀接法一般多用于压力低于4MPa4MPa
15、和温度低于和温度低于300300的条件下。高温时不宜采用，因为高温使管的条件下。高温时不宜采用，因为高温使管子与管扳产生蠕变，导致胀接应力松弛而引起连接子与管扳产生蠕变，导致胀接应力松弛而引起连接处泄漏。因此对于高温、高压以及易燃、易爆的流处泄漏。因此对于高温、高压以及易燃、易爆的流体，管子和管板的连接多采用焊接法。体，管子和管板的连接多采用焊接法。v(二）焊接法二）焊接法 焊接与胀接相比较有如下优点：焊接与胀接相比较有如下优点：管孔不需开槽且表面粗糙度要求不高，管子端部不管孔不需开槽且表面粗糙度要求不高，管子端部不需退火和磨光，制造简便；强度高，抗拉脱力强，需退火和磨光，制造简便；强度高，抗
16、拉脱力强，而且气密性也好。缺点是管子破漏需拆卸更换时，而且气密性也好。缺点是管子破漏需拆卸更换时，若无专用刀具，拆卸困难，故一般采用堵死的方法。若无专用刀具，拆卸困难，故一般采用堵死的方法。v焊接法的应用正日趋广泛。焊接法的应用正日趋广泛。但由于焊接接头处产生的但由于焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀热应力可能造成应力腐蚀和破裂，同时管子与管板和破裂，同时管子与管板孔间存在间隙，这些间隙孔间存在间隙，这些间隙中流体不流动，很容易造中流体不流动，很容易造成成“间隙腐蚀间隙腐蚀”。为了消。为了消除这个间隙，有时可采用除这个间隙，有时可采用先胀后焊的方法。先胀后焊的方法。在图在图(a)(a)中，
17、由于管板孔端没有开坡口，所以连接质量差，可适中，由于管板孔端没有开坡口，所以连接质量差，可适用在压力不高和管壁较薄处。图用在压力不高和管壁较薄处。图(b)(b)的结构，由于管板孔端开了的结构，由于管板孔端开了坡口，连接质晕较好，使用最多。图（坡口，连接质晕较好，使用最多。图（c c）中管子头部不突出管）中管子头部不突出管板，因此在立式设备中，停工后管板上不会积留液体，但焊接板，因此在立式设备中，停工后管板上不会积留液体，但焊接质量不易保证。图质量不易保证。图(d)(d)所示结构，在孔的四周开了沟槽，可有效所示结构，在孔的四周开了沟槽，可有效的减小焊接应力，适用于薄管壁和管板在焊接后不允许产生较
18、的减小焊接应力，适用于薄管壁和管板在焊接后不允许产生较大变形的情况。大变形的情况。焊接接头的结钩很重要，它应根据焊接接头的结钩很重要，它应根据管子直径与厚度管子直径与厚度、管板厚度管板厚度和和材料材料以及以及操作条件操作条件等因素来决定，焊接接头的几种型式见下等因素来决定，焊接接头的几种型式见下图图9 9一一5 5v（三）胀焊并用（三）胀焊并用 根据对胀、焊所起的作用不根据对胀、焊所起的作用不同，胀焊并用结构有可分成两种：同，胀焊并用结构有可分成两种：v（1）强度胀加密封焊）强度胀加密封焊 对胀接的要求是承受管对胀接的要求是承受管子载荷，保证连接处的密封，而焊接起的作用，仅子载荷，保证连接处的密封，而焊接起的作用，仅仅是辅助性的防漏。仅是辅助性的防漏。v（2）强度焊加贴胀）强度焊加贴胀 用焊接保证强度和密封，用焊接保证强度和密封，贴胀是为了消除换热管与管板间的环形间隙，以防贴胀是为了消除换热管与管板间的环形间隙，以防止产生间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏能力。止产生间隙腐蚀并增强抗疲劳破坏能力。
