《化工机械基础》课程教学资源（书籍文献）化工设备设计全书.换热器设计（1987）

前鉴于广大化工设备设计人员的要求，在化学工业部的领导下，由化工部设备设计技术中心站组织全国近百个设计、工厂、高校、科研等单位，共同编写了一套《化工设备设计全书》，供从事化工设备专业的设计人员使用。《化工设备设计全书》以结构、强度的设计计算为主，从基础理论、设计方法、结构分析、标准规定、计算实例等方面进行系统的阐述，并对化工原理的设计计算作了简介。在实用的前提下,尽量反映国内及国外引进的先进技术,并努力吸取当前国外新技术动向。总之，本书旨在继续摘好设备结构、强度设计的同时，结合化工过程的要求去研究改进设备的设计，提高设备的生产效率，降低设备的制造成本，与化工.工艺专业人员一起实现化工单元操作的最佳化根据国家规定，本书采用法定计量单位。本书所有单位由上海科学技术出版社负责修改的本分册一《换热器设计>经华东化工学院据定一同志、上海医药设计院竺基梅同志校审，郑州工学院方维藩同志统一全，本分册各章由下列同志参加编写：第一章方维藩；第二章钱颂文、谭盈科、罗运禄林培森；第兰章毛希澜；第四章沈含基、戴季煌；第五章妩金源；第六章张石铭、杜塔薇、孙守璋；第七章袁果前、童其伍、高升荣；第八章蒲季英。由于化工生产发展迅速，我们掌握情况有限，本书的内容还会有不足和错误之处，热忧希望广大读者提出宝贵意见，以便再版时补充改正。在本书写和审校的过程中，得到了很多单位和间志的大力协助和指导，在此致以深切的谢意。12“化工设备设计全书》编辑委员会1987年

化工设备设计全书分班名化工设备用销运越名副热商合金化工容器设计平版的基术理论及应用：简体和封头足驾高压容器7共设计管，学。真空设备设计换热器设装及维修浴设备设榄拌设备球形容器设计材料选用：占构没计；强度计算；组装：焊接；检验。罐的设计；饿健、谱底、罐大型链设计#月选摄的爱求：废热锅炉设计件强度计算；干燥设备设式、带式、流化组合式干牌辅助设务设徐尘设备读家力沉降室起计金必的材料；设计计算；结构；制造与检验。商链性：钛制设备牌能；设备设计与结构：接

一不第一章概论第一节换热器在化学工业中的应第二节传热的一般概念第三节换热器的分类.、按作用原理域传热方式分类二、按生产中使用目的分类三、按换热器所用材料分类..、按换热器传热面的形状和药构分类....第四节各种换热器的特性和选型各种形式换热器的特点疯器洗型第五节换热器的村料.13、换热器用的材料--13、材料的使用规定15三、换热器的防磨蚀*-15近代研究成果-16第六节发展卖一、近代研究成果..16二、发展趋势.第二章流体流动及传热-26第一节 流体流动状态·26。 流动形态的分类--26二、流动阻力的...第二节传热的基本公式·27、装面型换热器的基本传热公-.27二、有中间热裁体的间热式换热器的基本传热公式40第三节热传导-42一、热传导方积和计算.2二、不稳定热传导…-68第四节对流传垫72一、无相变的对流传热.72二、自然对流传热三、液体受机械搅拌时的传热系数r.83四、非牛顿型流体的加热与冷却....84、有相变时的传热-90第五堂辐射换：、辐射换热的基本概

[2]烫二、辐换热计算..102105三、辐射换热的增强和削弱.第六节传热设计100一、流动空间的选择：-10510g二、流速的选择换热管的排列方式.108..四、传热系数的计算...10.五、污垢热 .-111六、壁温计算113七、流动阻力的计算...115八、热损失的计集129第七节管壳式换热器传热设计示例.129、传热设计的基本步骤..1.二、传热设计示例130第三章一管亮式换热器的结构设计.-143第一节概述·148第二节替壳式换热器形式及结构-143√、固定管板式换热143二浮头式换热器..144三、U形管式换热器·AN四、填料函式换热器，..-148五、滑动管板式换热器，-149六、双管板换热器....149七、薄管板换热器153第三节壳体与管板、管板与法兰的的连接-158壳体与管板的连接结构-156二、管板与法兰的连接·..158三、管子与管板连接.162第四节，其它各部结构·166一、膨胀节.166二、管箱结169三、壳程结构第五节带蒸发空间卧式换热器.18/第六节套管式换热器-192第四章换热器元件强度计算191概述.196客二节简体、封头、法兰和开孔补强.196一，简体A二、封……三、法…四、开孔补强·五、钩圈…

[8]205第三节管板计、概逐.20..205二、我国三部钢制管壳式换热器设计规定？。-229三、TEMA管式换热器管板厚度计算公四、联邦德国AD规范-233五、JISB8243-81压力容器的询造-244第四节膨胀节--246一、概述.246............+..+...+.+.++.二、判断是否需要影服节DM三、膨胀节强度计算-248四、计算公式比较.264第五节管子强度计算266、承受内外压力二、轴向力计算.-237三、U形管内外版力计算，.·267第五章螺旋板式换燕器-269第一节概述-269第二节螺旋板式换热器的结构特点与结构设计-270结构特点.-270、螺旋板换热器的分-272三、结构设计-73第三节螺旋板式换热器的设计.78一、螺旋通道的几何计算-273.t.二、传热工艺计算…-279三、爆施板式换热器压力损失.……-291四、螺旋板式换热器的强度马刚度计算-294五、螺旋板式换热器的制造简介..11第四节应用实例313一、传热工艺计算-313...............二、流体压力降 p计算….317三、螺旋板的强度、烧度计算与校核...319四、螺旋板式换热器的结构尺寸-320第六载板片式换热器-325第一节板式换热器..825华一、结构特点·二、设计计算三、设计举例…-351...+.++...........第二节板翅式换热器856D一、结构特点·-356二、设计计算-30三、应用举例第三节伞板换热器·88

4一、结构特点90二、设计计第…400三、计算举例第七章其它换热器.404第一节蛇管式换热器404A04一、沉浸式蛇管换热器二、喷淋式蛇管换热器..412ttir.....417第二节板壳式换热器，概述·-417二、结构形式1三、设计计算A第三节氯塑料换热器.482、概迷…42二结构形式.435三、管束制造·N四、设计计算AA五、规格和系列A第四节玻璃换热器..455-455、概述i二、玻璃换热器的种类和结构.45三、玻璃换热器的应用.463第五节回转换热器AO、概述….....二、多室式回转换热器，..65三、搅拌式换热器..........四、离心式换热器..48第六节热管490一概述·.4902热管种类.三、热管的工作极限及其计..四、热管的工作特性..490五、热管在化工和机械方面的应用实例六熟管的设计-501七、热管的制造511八、陶瓷热管.512第八章管壳式换热器的制造、检验安装与维修...516+.+第一节制造·te516一、简体，.510二、封头和管箱·.516三、管.517四、管板：.518五、折流板

[3]524六、膨胀.525七、管束的组装-526八、管子与管板的连接537九、焊后热处理…十、设备组.….538....589第二黄检验水压试验方-541、水压试验顺序三、接管补强圈及金属衬里542..42.第三节安装一、安装位置.542.543二、基础三、地脚螺栓543四、基础质量的检查和验-545--546五、基础表面上铲麻面和放垫六、设备的运输与就位.547第四节维修：.548、检查方法..548、修理-548"4s、清洗1aID

概论第一节换热器在化学工业中的应用在工业生产中，为了实现物料之问热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油，动力，原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10~20%。在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的85~40%。在化工生产中，为了工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程，如加热，冷却蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些热传遵过程的设备，通过这种设备，以便使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。换热器随着使用目的的不同，可以把它分成为：热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件不同，换热设备又有各种各样的形式和结构。另外，在化工生产中，有时换热器作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。其它如回收排放出去的高温气体中的废热所用的废热锅炉，有时在生产中也是不可缺少的。总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺儿乎都离不开它。在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器。目前这种换热器被当作为一种传统的标准换热器，在许多工业部门中被大量地使用。尤其在化工生产中，无论是国内还是国外，它在所有的换热设备中，仍占主导地位，同时,在近代的许多化工过程中,如裂解、合成及聚合等，大都要求在高温和高压下进行，如高压聚乙烯要求操作压力高达250MPa左右；新“德士古”制氢法要求操作温度在750~1500°℃范围。在这些条件下，要进行热交换是很不容易的。尤其在有腐蚀存在的情况下,实现换热更是困难。（而管壳式结构，它具有选材范围广，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。因此，能不断扩大它的使用范围。)如制氢装置中的高温气体（温度在1000℃左右，压力为10MPa以上）的冷却器多为管壳式。加氢裂解装置中，虽然它的换热工作条件较为苛刻，温度最高达427~455℃，压力最高为24.5MPa，工作介质中含有90%的氢。但所用换热器，管壳式仍占整个换热器投资的50~70%。在合成氨高压气体冷却中，工作压力大都在21.0~24.5MPa范围内，高压气体的冷却器都采用管壳式结构。在烯烃生产装暨中，通常以热裂解法来制取，裂化气的温度很高，可达800～900℃。工艺上要求对裂化气进行冷却，然后进行深冷分离。其中所用的高温高压气体冷却器，大都采用管壳式的结构。由予现代化工厂的生产规模日益增大，换热设备也相应向大型化方向发展，以降低动力消耗，减少占地面积和金属消耗。管壳式结构的换热器也能满足这一要求。如一台据称是世界上目前最大的低温工业用铝管绕制的管壳式换热器，已在国外一家天然气液化工厂中投入运行"。该换热器高约80㎡，重

[2]第一至概215吨，管子总长度为45T公里，每晨夜可液化天然气1000万㎡*(标)。这种换热器由于使用d6~10mm的小直径管，其使用压力有的已达到20MPa。目前单台换热器的换热面积已达到5000~8000m近十余年来，另一种高效、紧姿式的新型换热设备之一，即板式换热器，已发展成为一种重要的化工设备。虽然目前它还处于发展阶段，但它在化工和石油化工生产中已推广应用。它适用的介质相当广泛，从水到高粘度的非牛顿型液体，从含有小直径固体颗粒的物料到含有纤维的物料，均可处理。从生产工艺上说，它可以用作液体的加热、冷却、冷凝或蒸发，单体的汽提，溶液的浓缩、聚合、脱气、混合和乳胶的干爆等。最近出现的一种新用途是气体的冷却和冷凝，如氮气的冷凝。总之，板式换热器的应用场合很广，据统计，处理的介质多达一百余种以上。近年来，由于铝及铝合金钎焊技术的发展和不断完善，促使另一种高效、紧凑式的新型换热器，即板翅式换热器得到广泛的应用。虽然首先采用这种形式的换热器,是为了满足飞机上中间冷却器的需要，但由于它具有体积小、质量轻、效率高和适应的温度范围广等突出的优点，从而在化工、石油化工和其它许多工业部门中，也得到了迅速地推广应用。在化工生产工艺中，主要用于生产氮气和氧气的空气分离装置中a，如液化器（约一185℃氮气和约一174℃空气之间的换热,使空气中的一部分被液化)、过冷器(约一194℃氨气和约-177°℃ 的液态空气或液态氮之间进行换热)、主凝缩器(约-178℃ 的氮气凝缩，而使液态氧气化)、预冷器(空气、高纯度氧、氮和不纯氧等四种流体换热，将 8MPa 的空气冷却到液化温度。）和可逆式换热器等。而可式换热器,目前正在取代空分装置中的蓄冷器。其次将铝制换热器用用在合成肥料装置中，用来处理碳氢化合物，如氢气热交换器、甲烷冷凝器和换热器、氮气冷却器和液化器，以及丙烷蒸发器等。后来，又将板翅式换热器用在乙烯装置中。例如，用八种流体同时进行热交换的大型板翅式换热器，若使用管壳式换热器时，则需要七台，其容积要大7~10 倍，质量大 20~30 倍。近年来,板翅式换热器又成功地应用于天然气加工过程中，如进料气冷却器、部分冷凝器、底部蒸发器和压缩机的中间冷却器等。其它在航空、车辆和船舶等方面亦已开始推广应用。目前螺旋板换热器在化工生产中的应用也日趋广泛。在磷酸生产流程中，由于使用了这种形式的换热器,在清洗时可不停车，每次清洗只需切换磷酸和水的通道即可。美国在一家工厂中装有六台螺旋板换热器,用来冷却发烟碗酸。该设备为钢制，并在其表面覆盖一层酚醛树脂,，使用一年后，不仅没有发生堵塞，且涂层仍处于良好状态。 另一家工厂选用这种形式的换热器来冷却脂肪酸产品?，使脂肪酸从175℃冷却到 80℃，冷却水的进口温度为77℃,出口温度为 96°℃。因为脂肪酸的温度只要比80℃低几度，它就要凝固，而螺旋板换热器能够准确地控制其出口温度,这样就可防止脂肪酸在冷却过程中出现凝面的现象。其它可作为氨水和氯水的冷却器、锅炉的省煤器和预热器等。 螺旋板换热器在国内首先较普遍地用在小化肥生产中半水煤气的预热器和氢合成塔下部的换热器，目前已逐步推广应用到其它化工生产工艺中。六十年代后期,我国独创制成了一种新型高效式换热器,称它为伞板式换热器。 它不仅具有一般板式换热器的特点,同时,还具有螺旋通道，兼有螺旋板换热器的一些特点。虽然这种形式的换热器，目前还处于进一步研究和发展中,由于它制造简便,加工过程简化,成本低廉，中小工厂也获得推广，因此已开始应用于各种生产中，如压缩机油的冷却，酸和藏等

[8]第一节换热器在化学工业中的应用腐蚀性介质的换热等过程。六十年代初期，板壳式换热器在欧洲开始得到了广泛地应用。近年来，瑞典、美国和日本等国均有大量生产，并出现了系列化产品。目前在化工生产中使用这种形式换热器的场合，如酒精塔的间接加热器、冷却器和冷凝器，化学药剂回收的预热器、气体冷却器和冷凝器等。由于该形式换热器的制造工艺比较复杂，焊接技术要求高，故尚待继续完善其结构及制造工艺。在化工生产过程中,除了遇到高温、高压、高真空和深冷等一些操作条件以外，有时还常常伴随着所处理物料的强烈腐蚀性。 为了在换热过程中能妥善地解决这个问题，而提出和使用了一些新型材料的换热器。如玻璃、石墨和聚四氟乙烯等非金属材料以及钛、钼和错等稀有金属材料制作的换热器，以达到耐热、耐压和防腐的效果。玻璃换热器应用于工业生产中，目前还刚刚开始，并已推广应用到制药工业中，其它如高纯度硫酸的蒸馏以及含有腐蚀性介质的空气预热等。石墨换热器已在许多国家中得到广泛地应用，如用来处理盐酸、硫酸、醋酸和磷酸等腐蚀性介质。此外，还可用于化肥、有机合成和农药等多种工业。 美国Union Carbide e公司生产的石墨管尧式换热器有80种标准外壳，管子外表面的面积最大达到1078m?(11600)。美国“石墨换热器设备公司"生产的石墨换热器有100种型号，换热面积为0.16~240㎡(1%~2600ft2)，操作温度为800℃，操作压力可达2.0MPa(3001b/in）(块式)。联邦德国在使用块状石墨换热器更为广泛，同时也制造了一种石墨板式换热器，用于两种腐蚀介质之间的换热。国内石墨换热器也在推广使用，农药生产中用得较多，大连氯酸钾厂定型产品的换热面积为400m2，荫芦岛锌厂自制产品可达700㎡。聚四氟乙烯换热器于1965年由美国“Du Pont"公司开始应用于工业生产中。根据该公司调查，已成功地使用于冷却各种浓度的硫酸,加热腐蚀性极强的氮化物浴液和醋酸,用作混合二甲苯冷却器、矿用泥浆冷却器和加热昔性介质等。如用于硫酸厂冷却碗酸时，通过适当的循环管线，可以节省冷却水1/3~1/2，占地面积为普通金属冷却器的20%，一台1.88m长的换热器质量仅为 222kg 它可以代替三套总质量超过 8500kg 的铸铁管冷却器。 国内这种换热器自1975 年以来已开始应用于硫酸冷却,制药和农药等生产部门。 钛、钼和错等稀有金属换热器也开始应用于化工生产中。虽然这些稀有金属价格都很费，如纯钛比不锈钢贵5倍，但由于它们具有一些优良特性，而得到了推广使用。如在温度244℃，压力为2.1MPa（绝对)下，生产浓度为60%的硝酸时，用钛制冷凝器来代替不锈钢制品，可使其使用寿命由6个月提高到10 年。粗换热器的耐腐蚀和耐热性能远超过钛，虽然目前这种换热器还只在少数儿个国家中使用，但将来可能会得到进一步发展。国内钛换热器亦已开始应用于氯碱工业在其它新型换热器的应用中，值得提出来的为热管。它是一种新型的传热元件,在六十年代中才开始应用于宇宙航行，但目前它的发展已日趋完善，且透步推广应用于其它工业部门。它能利用小的表面积传递大的热量，因此它能充分体现换热器的一种优良的设计。预计热管将在化工生产中得到推广应用，如放热反应器、催化反应器、高温热解或等离子化学反应中进行等温导热或等温冷知，用来控制流程温度或炉子温度等。七十年代以来，由于能源供应日趋紧张，而化学工业又与能源密切相关，今后如何解决能源供应问题，将直接影响着化学工业的发展。据报道，由原料能源转变为最终有效利用能的转化率目前只有27%,能转变的损失率达78%。这就意味着节能的潜力很大。近年来化