《生物制藥設備》課件-項目2 -換熱設備

項目2制藥工程換熱設備一、工作過程化工生產(chǎn)工藝中，各種化學反應和各種化工過程，都有一定的溫度要求，因此需要進行各種傳熱過程：如反應物料的加熱或冷卻，產(chǎn)品的冷凝或冷卻，反應熱量的取出或供給，液體的蒸餾、汽化或稀溶液的蒸發(fā)，工業(yè)余熱（廢熱）的回收和熱能的綜合利用等。換熱設備是非常重要且被廣泛應用的化工工藝設備。第一節(jié)換熱設備的工作過程及類型熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱設備廣泛應用于化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械等。在化工廠中，換熱設備投資占10%-40%。1、熱量的傳遞方式（1）傳導傳熱

傳導傳熱是熱量從物體的高溫部分沿物體本身傳至低溫部分的一種傳熱方式。

（2）對流傳熱

對流傳熱是靠液體或氣體的流動，也就是各分子團間相對位置的改變來傳遞熱量的。

（3）輻射傳熱

輻射傳熱是熱能不借助任何傳遞介質(zhì)，而是以電磁波的形式（或稱輻射能）在空間傳播，遇到另一物體時，輻射能被部分或全部吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?、換熱設備的換熱過程自制一個簡單的換熱器按作用原理或換熱方式直接接觸換熱器蓄熱式換熱器間壁式換熱器二、換熱設備的類型直接接觸換熱器傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設備結構簡單、價格便宜，但僅適合工藝上允許兩種流體混合的場合。熱流體冷流體熱流體冷流體又稱混合式換熱器，它是利用冷、熱流體直接接觸，彼此混合進行換熱的換熱器。如冷卻塔、氣壓冷凝器等。蓄熱式換熱器

又稱回熱式換熱器，它是借助于由固體（如固體填料或多孔性格子磚等）構成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸，把熱量從熱流體傳遞給冷流體的換熱器。若兩種流體不允許有混合，則不能采用蓄熱式換熱器。熱流體冷流體熱流體冷流體載熱體間壁式換熱器又稱表面式換熱器，它是利用間壁（固體壁面）將進行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。是工業(yè)中應用最為廣泛的換熱器。熱流體冷流體熱流體冷流體間壁式換熱器管式換熱器板面式換熱器其他形式換熱器蛇管式換熱器套管式換熱器管殼式換熱器：應用最廣纏繞管式換熱器沉浸式蛇管換熱器噴淋式蛇管換熱器螺旋板式換熱器：不易結垢板式換熱器板翅式換熱器：效率最高板殼式換熱器傘板式換熱器石墨、聚四氟乙烯、熱管換熱器這是什么？螺旋管式換熱器

折流桿換熱器浮頭式外導流筒換熱器

U型管式換熱器折流桿換熱器

按用途分類加熱器:用于把流體加熱到所需溫度預熱器:用于流體的預熱，以提高整套工藝裝置的效率。過熱器:用于加熱飽和蒸汽，使其達到過熱狀態(tài)。蒸發(fā)器:用于加熱液體，使其蒸發(fā)汽化。再沸器:用于加熱已被冷凝的液體，使其再受熱汽化，為蒸餾過程專用設備。冷卻器:用于冷卻流體，使其達到所需溫度冷凝器:。用于冷卻凝結性飽和蒸汽，使其放出潛熱而凝結液化。

按材料分類金屬材料換熱器：導熱系數(shù)大、傳熱效率高非金屬材料換熱器：具有腐蝕性物系換熱設備的基本要求1、合理實現(xiàn)工藝條件傳熱量、流體熱力學參數(shù)（t、

p、流量

、相態(tài)）與物理性質(zhì)（ρ、黏度、腐蝕性）是工藝過程的條件傳熱設備具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。（1）增大傳熱系數(shù)，不振動、高流速；（2）增大平均溫差，逆流傳熱；（3）妥善布置傳熱面，錯列、并列管束；2、安全可靠（1）屬于壓力容器：GB151、ASME、TEMA、EJMA；3、有利于安裝、操作、維修（2）材料選擇特性、物理、機械、化學、應力；

立式設備安裝優(yōu)于臥式設備4、經(jīng)濟合理

在一定時間內(nèi)固定費用與操作費用之和制造容易，選材范圍廣，清洗方便，適應性強，處理量大，工作可靠，且能適應高溫高壓。雖然它在結構緊湊性、傳熱強度和單位金屬消耗量方面不如板式或板翅式換熱器，但由于具有前述的一些優(yōu)點因而在化工、石油、能源等行業(yè)的應用中仍處于主導地位。在換熱器向高溫、高壓、大型化發(fā)展的今天，隨著新型高效傳熱管的不斷出現(xiàn)，使得管殼式換熱器的應用范圍得以擴大，更增添了管殼式換熱器的新的生命力。一、管殼式換熱器的類型及特點第二節(jié)換熱設備的結構固定管板式換熱器固定管板式換熱器點擊點擊點擊點擊優(yōu)點:結構簡單、緊湊。在相同的殼體直徑內(nèi)，排管數(shù)最多，旁路最少；每根換熱管都可以進行更換，且管內(nèi)清洗方便。缺點:殼程不能進行機械清洗；當換熱管與殼體的溫差較大（大于50℃）時產(chǎn)生溫差應力U形管式換熱器點擊點擊優(yōu)點:結構簡單，密封面少、運行可靠、造價低；管束可以抽出，管間清洗方便。缺點:管內(nèi)清洗比較困難；由于管子需要有一定的彎曲半徑故管板的利用率較低；管束最內(nèi)層管間距大，殼程易短路；適用于:管、殼壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢，而管程介質(zhì)清潔不易結垢以及高溫、高壓、腐蝕性強的場合。1.U型管式換熱器2.板框式過濾機3板式精餾塔4沉浸蛇管換熱器5.齒輪泵6.洞道干燥7.多級離心泵8.柏努利能量平衡方程9.板翅式換熱器10.傳熱實驗浮頭式換熱器點擊點擊優(yōu)點:當換熱管與殼體有溫差存在、殼體或換熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力；管束可從殼體內(nèi)抽出，便于管內(nèi)和管間的清洗。缺點:結構較復雜，材料用量大，造價高；浮頭蓋與浮動管板之間若密封不嚴會發(fā)生內(nèi)漏，造成兩種介質(zhì)的混合。適用于:殼體和管束壁溫差較大或殼程介質(zhì)易結垢的場合?？稍诟邷?、高壓下工作，一般溫度低于450℃，壓力低于6.4MPa場合。填料函式換熱器

點擊點擊優(yōu)點:結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價低；管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進行清洗，維修方便。缺點:填料函耐壓不高，一般小于4.0MPa；殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏，對易燃、易爆、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。使用于:管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場合。固定管板式換熱器結構二返回固定管板式換熱器結構三返回固定管板式換熱器結構四返回固定管板式換熱器結構一返回U形管式結構1返回U形管式結構2返回浮頭式結構1返回浮頭式結構2返回填料函式換熱器結構一返回填料函式換熱器結構二返回1、管板

管板是換熱器中重要的受力元件之一，管板主要用來連接換熱管，同時將管程和殼程分隔，避免冷熱流體相混合。管板材料

選擇管板材料時，除力學性能外，還應考慮管程和殼程流體的腐蝕性，以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當流體無腐蝕性或有輕微腐蝕性時，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。

當流體腐蝕性較強時，管板應采用不銹鋼、銅、鋁、鈦等耐腐蝕材料。但對于較厚的管板，若整體采用價格昂貴的耐腐蝕材料，造價很高。工程上常采用不銹鋼+鋼、鈦+鋼、銅+鋼等復合板，或堆焊襯里。二、管殼式換熱器管程結構管板結構在滿足強度的前提下，應盡量減少管板厚度。薄管板是指相對采用標準、規(guī)范（如GB151《管殼式換熱器》、美國管式換熱器制造商協(xié)會標準TEMA）計算所得的管板厚度要薄的多的管板，一般厚度為8-20mm。薄管板：有平面形、橢圓形、蝶形、球形、撓性薄管板等形式，最為常用的是平面形薄管板。2、換熱管換熱管材料主要是根據(jù)工藝條件和介質(zhì)腐蝕性來選擇。（1）強度脹強度脹指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。脹接有非均勻脹接（機械滾珠脹接）和均勻脹接（液壓脹接、液袋脹接、橡膠脹接和爆炸脹接等）兩類。換熱管與管板連接是管殼式換熱器設計、制造最關鍵的技術之一，是換熱器事故率最多的部位。換熱管與管板連接的好壞，直接影響換熱器的使用壽命。機械滾珠脹接是最早的脹接方法，目前仍大量使用。強度脹接主要適用于設計壓力小于等于4.0MPa；設計溫度小于等于300oC；操作中無劇烈振動、無過大溫度波動及無明顯應力腐蝕等場合。3、管板和換熱管的連接（2）強度焊強度焊接是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的焊接。此法目前應用較為廣泛。由于管孔不需要開槽，且對管孔的粗糙度要求布告，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工簡單。焊接結構強度高，抗拉脫力強。在高溫下也能保證連接處的密封性能和抗拉脫能力。除有較大振動及有縫隙腐蝕的場合，只要材料可焊性好，強度焊接可用于其他任何場合。管子與薄管板的連接應采用焊接方法。（3）脹焊并用脹焊并用，不僅能改善連接處的抗疲勞性能，而且還可消除應力腐蝕和縫隙腐蝕，提高使用壽命。因此，此法得到廣泛應用。脹焊并用主要用于密封性能要求較高；承受振動和疲勞載荷；有縫隙腐蝕；需要用復合管板等的場合。脹焊并用方法，從加工工藝看，主要有強度脹+密封焊、強度焊+脹接、強度焊+強度脹等幾種形式。換熱管排列形式正三角形轉(zhuǎn)角三角形正方形轉(zhuǎn)角正方形30o60o90o45o4、換熱管的排布5、管箱結構管箱的作用是把管道中來的流體均勻分布到各換熱管中，將換熱管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。

多管程管箱結構三、管殼式換熱器殼程結構1、殼體在殼程進口接管處常裝有防沖板或稱緩沖板。防沖板的布置2、折流板與擋板

安裝折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，提高傳熱效率，增大殼程流體的傳熱系數(shù)同時也可減少結垢。

單弓形折流板雙弓形三弓形

圓盤—圓環(huán)形折流板

折流板是通過拉桿和定距管固定的，其結構如圖所示。拉桿一端的螺紋擰入管板，折流板用定距管定位，最后一塊折流板靠拉桿螺母固定。拉桿和定距管結構拉桿與折流板點焊固定換熱管外徑1014192532384557拉桿直徑1012121616161616公稱直徑拉桿直徑DN＜400400≤DN＜700700≤DN＜900900≤DN＜13001300≤DN＜1500900≤DN＜18001800≤DN＜200010461012161824124481012141816446681012拉桿直徑/mm拉桿數(shù)量/mm四、管殼式換熱器的標準

為了適應生產(chǎn)發(fā)展的需要，中國對使用較多的換熱器實行了標準化?？蛇x用的標準有JB/T4714-1992《浮頭式換熱器和冷凝器型式與基本參數(shù)》、JB/T4715-1992《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》、JB/T4716-1992《立式熱虹吸式重沸器型式與基本參數(shù)》、JB/T4717-1992《U形管式換熱器型式與基本參數(shù)》等。GB151-1999《管殼式換熱器》是中國頒布的第一部非直接受火鋼制管殼式換熱器的國家標準，適用的換熱器形式有固定管板式、浮頭式、U形管式和填料函式。1、標準2、標記（一）板面式換熱器板面式換熱器螺旋板式換熱器：不易結垢板式換熱器板翅式換熱器：效率最高板殼式換熱器傘板式換熱器

具有傳熱效率高、結構緊湊、重量輕等優(yōu)點，又由于液體在換熱器無論進行并流、逆流、錯流都可以，板片還可以根據(jù)傳熱面積的大小而增減，因此適用性較強。五、其他類型的換熱器螺旋板式換熱器內(nèi)部結構與原理螺旋板式換熱器

螺旋板式換熱器結構示意圖1-切向縮口；2-外圈板；3-支持板；4-螺旋板；5-半圓端板；6-中心隔板；7-支承圈；8-圓鋼；9-定距柱1、基本結構螺旋板換熱器結構形式

Ⅲ型螺旋板換熱器

2、螺旋板式換熱器的特點（1）傳熱效率高；（2）能有效地利用流體的壓頭損失；（3）不易污塞；（4）能利用低溫熱源，并能精確控制出口溫度；（5）結構緊湊；（6）密封結構可靠；（7）溫差應力??；（8）由于結構緊湊，一般不需要保溫，熱損失少；（9）制造簡單；（10）承壓能力受限制，最高工作壓力為4MPa；（11）修理困難。平板式換熱器1、基本結構板式換熱器結構

板式換熱器是間壁式換熱器的一個主要類型，是一種以波紋板為傳熱面的新型的高效換熱器。板式換熱器用于處理從水到高黏度的液體，用于加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等過程。板式換熱器的結構分解2、工作原理板式換熱器的換熱板3、結構特點(1)傳熱效率高，比管殼式換熱器高2倍以上；(2)使用安全可靠；(3)占地小，易維護；(4)很容易改變換熱面積或流程組合；(5)有利于低溫熱源的利用；(6)阻力損失少；(7)冷卻水量?。?8)投資效率低；(9)墊圈常常需要拆卸和清洗，故漏泄的可能性很大；(10)不易處理有懸浮物的物料；(11)使用溫度不能很高，處理量也相對較小。板式換熱器一般在壓力為2.5MPa和溫度180℃以內(nèi)使用，性能可靠。近年來，國外由于采用壓縮石棉墊片，最高操作溫度達360℃，最高操作壓力達2.8MPa。全焊式板式換熱器使用壓力高達50.0MPa，溫度達400℃。4、板式換熱器的應用板翅式換熱器1、基本結構

板翅式換熱器的板束單元結構如圖所示，它是由翅片、隔板和封條三部分組成。在相鄰的兩隔板之間放置翅片及封條組成的夾層，稱為通道。將這樣的夾層根據(jù)介質(zhì)的不同流動方式疊置起來釬焊成整體，即組成板束（或稱芯體）。板束單元結構介質(zhì)流動方向2、結構特點(1)傳熱效率高；(2)結構緊湊、重量輕；(3)適應范圍廣；(4)制造工藝復雜，要求嚴格；(5)容易堵塞，清洗和檢修較困難，若因腐蝕產(chǎn)生內(nèi)漏，則很難修理；(6)一般適用范圍

某些規(guī)范規(guī)定，用于空氣分離設備、石油化工裝置和機械動力裝置等的鋁制板翅式換熱器，其一般適用的壓力和溫度范圍為：設計溫度：－200～+150℃設計壓力：0～6MPa（二）、套管式換熱器1、基本結構

主要優(yōu)點是：結構簡單，傳熱面積增減自如，因為它由標準構件組合而成，安裝時無需另外加工；傳熱效能高，它是一種純逆流型換熱器，同時還可以選取合適的截面尺寸，以提高流體速度，增大兩側(cè)流體的給熱系數(shù)，因此它的傳熱效果好。液—液換熱時，傳熱系數(shù)為870～1750W/（m2·℃）。這一點特別適合于高壓、小流量、低給熱系數(shù)流體的換熱。

套管式換熱器的缺點：占地面積大；單位傳熱面積金屬耗量多，約為管殼式換熱器的5倍；管接頭多，易泄漏；流阻大。所以一般用于換熱量不大的場合。一、換熱器的日常維護(一)日常檢查1．溫度：換熱器運行主要操作指標，定期測量換熱器兩種介質(zhì)的出入口溫度、流量，計算傳熱系數(shù)作記錄圖表，作為判斷傳熱系數(shù)變化的依據(jù)。若低于某一規(guī)定值，則應清洗管束以提高傳熱系數(shù)，保證一定的傳熱效率。第三節(jié)換熱設備的使用與維護2．壓力：

通過對流體壓力及進出口壓差的測定與檢查，可判斷換熱器內(nèi)部結垢，堵塞情況及流體流量大小或泄漏情況。高壓流體往低壓流體中泄漏，使低壓流體壓力很快上升，甚至超壓，并可能產(chǎn)生各種不良后果，對運行中的高壓換熱器應特別警惕這一點。操作中若發(fā)現(xiàn)壓力驟變，除檢查換熱器本身外，還應考慮系統(tǒng)內(nèi)部其他因素的影響，如系統(tǒng)閥門損壞及輸送流體的機械發(fā)生故障等。外漏是較容易發(fā)現(xiàn)的。低毒介質(zhì)輕微氣體外漏，直接抹上發(fā)泡劑檢查，亦可借助試紙變色情況檢查。通過檢查換熱器外殼體表面涂層的剝落污染情況來預測殼體的泄漏，是低壓換熱器檢查殼體外泄漏的一種常用方法。3．泄漏內(nèi)部泄漏，不易直接發(fā)現(xiàn)，但可從介質(zhì)溫度、壓力、流量、異常聲響、振動等異常現(xiàn)象來判斷，

4、振動換熱器內(nèi)有高速流體，流體的脈沖和橫向流動起基礎支架振動。要求控制振動偏差在250μm以下。5、保溫層：保溫（保冷）層損壞直接影響換熱器的傳熱效率，在殼體外部就將積附水分，使殼體發(fā)生局部腐蝕。（二）腐蝕分析和防護1、腐蝕部位及原因：換熱管及與管板的連接處經(jīng)常被腐蝕。管子入口端40～50cm處管端腐蝕最常發(fā)生，因為渦流磨損與腐蝕;管子內(nèi)側(cè)有遺物堆積或粘著也易產(chǎn)生腐蝕。管子與管板連接處的腐蝕主要分布在管板邊，管板孔與管子之間的縫隙區(qū)，對單純的強度脹接，會產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。（1）殼程為電解質(zhì)時，應避免選用不同的電解電位材質(zhì)的折流板。（2）對已有的換熱器存在折流板對殼體的電化學腐蝕時，要做到定期檢查。（3）對已造成殼體減薄的檢修時可采取堆焊處理。（4）對必須采取高電位折流板的，殼體內(nèi)側(cè)做貼襯處理。（5）對有應力腐蝕的情況，最有效的辦法是消除換熱管與管孔之間的間隙。2、防腐蝕措施（三）振動的防護

換熱器管子產(chǎn)生振動原因有兩種：外界激振源引起的振動，或通過支撐構件或連接管道傳來的振動。流體流動激振，又可分為管側(cè)和殼側(cè)流體激發(fā)的振動。

振動破壞的位置一般出現(xiàn)在下列位置處：(1)傳熱管件支承跨度中間位置處，由于管間相互碰撞，外觀呈現(xiàn)明顯磨口。(2)緊靠折流板缺口處，換熱管與折流板發(fā)生碰撞而遭磨損。(3)折流板管孔內(nèi)，傳熱管振動時折流板管孔邊緣對傳熱管的鋸切、碰撞，嚴重時會導致管子斷裂。(4)傳熱管原有的一些細小裂紋或缺陷，因振動逐漸擴展，最終導致破壞。

主要防振措施(1)降低流體在殼程的流速。(2)提高管子的固有頻率。(3)改變折流板的形式，以改變換熱管的支承狀況。

設計仍是解決流體誘發(fā)振動的關鍵所在，一個合格的工藝設計，應能避免換熱器管束產(chǎn)生大的振動。在實際生產(chǎn)中，當工藝