一种适用于真空系统的管壳式换热器论文和设计-李瑞江

全文摘要

本实用新型公开了一种适用于真空系统的管壳式换热器，包括筒体、壳程进口、壳程出口、前管板、后管板、换热管、防冲管、折流板、支持板、前变径段、管程出口、后变径段、管程进口；本实用新型提出布置流入端不等切割率的支持板，解决不同支持板间流量分配不均的问题，沿流入方向支持板的流体流入端切割率依次减小，支持板流体流出端切割率相同，达到支持板间流量分配均匀的效果，换热性能明显提高。本实用新型提供的管壳式换热器适用于真空系统，尤其适合于采用恒沸热回收节能技术的管壳式乙苯蒸汽换热器。

主设计要求

1.一种适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：包括筒体、壳程进口、壳程出口、前管板、后管板、换热管、防冲管、折流板、支持板、前变径段、管程出口、后变径段、管程进口；所述筒体后端固定有所述后管板，所述筒体前端固定有所述前管板，若干所述换热管置于所述筒体的内腔并夹持在所述后管板和所述前管板之间，若干所述折流板插套并固定在所述换热管上，若干所述折流板均布在壳程内，每一个所述折流板的圆弧一面压靠在所述筒体的内壁上，1～3块所述支持板插套在所述换热管上，1～3块支持板均匀布设在两个折流板之间以及所述前管板与第一折流板之间、所述后管板与最后一块折流板之间，所述前变径段的一端通过焊接的方式与所述筒体固定，所述前变径段的另一端与所述管程出口连接，所述后变径段的一端通过焊接的方式与所述筒体固定，所述后变径段的另一端与所述管程进口连接，所述壳程进口与所述壳程出口通过焊接的方式固定在所述筒体上，所述壳程进口下方设有所述防冲管，所述防冲管的一端固定在所述前管板上，另一端固定在所述支持板上，沿壳程流体流入方向，所述支持板的流体流入端圆缺切割率依次减小，所述支持板流体流出端圆缺切割率相同。

设计方案

1.一种适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：包括筒体、壳程进口、壳程出口、前管板、后管板、换热管、防冲管、折流板、支持板、前变径段、管程出口、后变径段、管程进口；

所述筒体后端固定有所述后管板，所述筒体前端固定有所述前管板，若干所述换热管置于所述筒体的内腔并夹持在所述后管板和所述前管板之间，若干所述折流板插套并固定在所述换热管上，若干所述折流板均布在壳程内，每一个所述折流板的圆弧一面压靠在所述筒体的内壁上，1～3块所述支持板插套在所述换热管上，1～3块支持板均匀布设在两个折流板之间以及所述前管板与第一折流板之间、所述后管板与最后一块折流板之间，所述前变径段的一端通过焊接的方式与所述筒体固定，所述前变径段的另一端与所述管程出口连接，所述后变径段的一端通过焊接的方式与所述筒体固定，所述后变径段的另一端与所述管程进口连接，所述壳程进口与所述壳程出口通过焊接的方式固定在所述筒体上，所述壳程进口下方设有所述防冲管，所述防冲管的一端固定在所述前管板上，另一端固定在所述支持板上，沿壳程流体流入方向，所述支持板的流体流入端圆缺切割率依次减小，所述支持板流体流出端圆缺切割率相同。

2.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述折流板为半圆缺孔板，若干所述折流板的圆缺切口方向平行。

3.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述支持板为双圆缺孔板。

4.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述折流板和所述支持板的圆缺切口方向与壳程入口方向垂直。

5.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述折流板和所述支持板在圆缺形开口区均不布置换热管。

6.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述适用于真空系统的管壳式换热器的管程为单程，壳程为单程，管壳程流体逆流换热。

7.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述适用于真空系统的管壳式换热器所用材质为碳钢或不锈钢。

8.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述折流板的圆缺切割率为16～25％。

9.根据权利要求1所述的适用于真空系统的管壳式换热器，其特征在于：所述沿壳程流体流入方向，第一支持板流体流入端和流体流出端圆缺切割率与第一折流板圆缺切割率相同。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于换热设备技术领域，具体地说，涉及一种适用于真空系统的管壳式换热器，特别适用于采用恒沸热回收节能技术的管壳式乙苯蒸汽换热器。

背景技术

苯乙烯是重要的有机基本原料，主要用于生产苯乙烯系列树脂(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、丁苯橡胶(SBR)和丁苯胶乳。目前，乙苯脱氢制苯乙烯工艺向节能方向发展。恒沸热回收节能技术是现有乙苯脱氢制苯乙烯节能技术中节能效果最佳的技术之一，能将60％～90％的脱乙苯热能回收(参见CN 101412653A)。

当采用恒沸热回收技术时，其反应工艺区需与精馏分离工艺区相耦合，不再是独立的操作区域。为防止乙苯脱氢装置(塔)内温度过高，导致苯乙烯单体的聚合，必须保证恒沸蒸发压力为90kPa～100kPa。为此，限制性要求脱氢反应器前的水蒸气与乙苯流混合装置中乙苯流的绝压低于75kPa，因此需要保证乙苯蒸汽换热器的壳程压降较低。

管壳式换热器中防冲管的作用是避免流体对换热管的冲刷腐蚀，支持板的作用主要是起支持管束、消除管束震动带来的影响。现有的管壳式乙苯蒸汽换热器的主要特点：逆流换热，管程为高温脱乙苯产物，壳程为乙苯和水蒸气。壳程采用真空操作且其壳程流体流量大，为保证壳程有较低的压降，折流板窗口区不布管，并且折流板的布置间距较大，通常为换热器内径的60％～65％，折流板切割率为16％～25％。为提高管束的稳定性和防止管束拉裂，引起管程泄漏，需要在两块折流板间以及折流板与管板之间布置1～3块支持板，现有的管壳式乙苯蒸汽换热器结构形式见附图1。现有技术中支持板的流体进口端和出口端切割率和折流板切割率相同。工业实际中出现换热器出口温度比设计值偏低，造成加热炉负荷增大，水油比增加，严重影响了乙苯脱氢反应器的反应性能。

有鉴于此，设计一种适用于真空系统的管壳式换热器成为该技术领域亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种适用于真空系统的管壳式换热器。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的第一个方面提供了一种适用于真空系统的管壳式换热器，包括筒体、壳程进口、壳程出口、前管板、后管板、换热管、防冲管、折流板、支持板、前变径段、管程出口、后变径段、管程进口；

所述折流板为半圆缺孔板，若干所述折流板的圆缺切口方向平行。

所述支持板为双圆缺孔板。

所述折流板和所述支持板的圆缺切口方向与壳程入口方向垂直。

所述折流板和所述支持板在圆缺形开口区均不布置换热管。

所述适用于真空系统的管壳式换热器的管程为单程，壳程为单程，管壳程流体逆流换热。

所述适用于真空系统的管壳式换热器所用材质为碳钢或不锈钢。

所述折流板的圆缺切割率为16～25％。

所述沿壳程流体流入方向，第一支持板流体流入端和流体流出端圆缺切割率与第一折流板圆缺切割率相同。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下优点和有益效果：

现有技术中处于真空系统下的管壳式换热器，壳程流体流速大，为降低壳程压降，折流板间距大。同时为了减小管束震动以及防止管束拉裂造成的影响，需要在两块折流板间以及折流板与管板之间布置1～3块支持板，将两块折流板间分割成不同区域，会造成不同支持板之间流量分配的严重不均，影响换热效果。本实用新型针对此问题，创新性的提出布置流入端不等切割率的支持板，解决不同支持板间流量分配不均的问题，沿流入方向支持板的流体流入端切割率依次减小，支持板流体流出端切割率相同，达到支持板间流量分配均匀的效果，换热性能明显提高。本实用新型提供的管壳式换热器适用于真空系统，尤其适合于采用恒沸热回收节能技术的管壳式乙苯蒸汽换热器。

研究发现在不同支持板间流量差异很大，是因为流体流动惯性，沿流动方向折流板与第一块支持板间区域流量较小(当支持板为两块时仅为总流量的1\/10)，造成了支持板间各区域换热负荷不同，换热面积的有效利用率降低，换热器换热性能达不到设计指标，因此本实用新型解决的问题是设计一种适用于真空系统的管壳式换热器，即要壳程低压降，又要使各支持板间区域流量分布均匀。

本实用新型提供的管壳式换热器适用于真空系统，创新性的提出支持板流入端不等切割率的设计方法，沿壳程流体流入方向，支持板的流体流入端切割率依次减小，达到流量重新分配的效果，支持板的流体流出端切割率和折流板的切割率相同。

附图说明

图1是现有的管壳式乙苯蒸汽换热器结构剖视图。

图2是本实用新型适用于真空系统的管壳式换热器的剖视图。

图3为第一折流板1071和第三折流板1073的结构示意图。

图4为第二折流板1072的结构示意图。

图5为第一支持板1081的结构示意图。

图6为第三支持板1083和第七支持板1087的结构示意图。

图7为第四支持板1084和第八支持板1088的结构示意图。

图8为第五支持板1085的结构示意图。

图9为第二支持板1082和第六支持板1086的结构示意图。

其中：100为筒体，200为前变径段，300为管程出口，400为后变径段，500为管程进口，101为壳程进口，102为壳程出口，103为前管板，104为后管板，105为换热管，106为防冲管，107为折流板，108为支持板，1071为第一折流板，1072为第二折流板，1073为第三折流板，1081为第一支持板，1082为第二支持板，1083为第三支持板，1084为第四支持板，1085为第五支持板，1086为第六支持板，1087为第七支持板，1088为第八支持板。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明，所绘附图只是帮助理解本实用新型，其并不限制本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例中提供的折流板及支持板的切割率定义参照GB\/151-2014热交换器6.8.2，其中切割率的定义为：缺口的弦高与筒体内径的百分比。

实施例1

本实用新型提供了一种适用于真空系统的管壳式换热器，如图2所示，图2是本实用新型适用于真空系统的管壳式换热器的剖视图，包括筒体100、壳程进口101、壳程出口102、前管板103、后管板104、换热管105、防冲管106、折流板107、支持板108、前变径段200、管程出口300、后变径段400、管程进口500。

所述筒体100后端固定有所述后管板104，所述筒体100前端固定有所述前管板103，若干所述换热管105置于所述筒体100的内腔并夹持在所述后管板104和所述前管板103之间，若干所述折流板107插套并固定在所述换热管105上，若干所述折流板107均布在壳程内，每一个所述折流板107的圆弧一面压靠在所述筒体100的内壁上，1～3块所述支持板108插套在所述换热管105上，1～3块支持板108均匀布设在两个折流板107之间以及所述前管板103与第一折流板1071之间、所述后管板104与最后一块折流板之间，所述前变径段200的一端通过焊接的方式与所述筒体100固定，所述前变径段200的另一端与所述管程出口300连接，所述后变径段400的一端通过焊接的方式与所述筒体100固定，所述后变径段400的另一端与所述管程进口500连接，所述壳程进口101与所述壳程出口102通过焊接的方式固定在所述筒体100上，所述壳程进口101下方设有所述防冲管106，所述防冲管106的一端固定在所述前管板103上，另一端固定在所述支持板108上，沿壳程流体流入方向，所述支持板108的流体流入端圆缺切割率依次减小，所述支持板108流体流出端圆缺切割率相同。

所述折流板107为半圆缺孔板，若干所述折流板107的圆缺切口方向平行。

所述支持板108为双圆缺孔板。

所述折流板107和所述支持板108的圆缺切口方向与壳程入口方向垂直。

所述折流板107和所述支持板108在圆缺形开口区均不布置换热管。

所述防冲管106起到防止流体直接冲刷管束作用。

所述适用于真空系统的管壳式换热器的管程为单程，壳程为单程，具体地说，壳程流体从壳程进口101流入，壳程出口102流出，管程流体从管程进口500流入，管程出口300流出，管壳程流体逆流换热。

所述适用于真空系统的管壳式换热器所用材质为碳钢或不锈钢。

更确切的说，第一折流板1071、第二折流板1072、第三折流板1073的圆缺切割率相同，在16％～25％之间，即折流板107的圆缺切割率为16～25％。结构如图3和4所示，图3为第一折流板1071和第三折流板1073的结构示意图，图4为第二折流板1072的结构示意图。

由于防冲管106的影响，第一支持板1081流体流入端和流体流出端圆缺切割率与第一折流板1071圆缺切割率相同；沿壳程流体流入方向，第一支持板流体流入端和流体流出端圆缺切割率与第一折流板圆缺切割率相同；结构如图5所示，图5为第一支持板1081的结构示意图。

第二支持板1082流体流入端圆缺切割率与第六支持板1086流体流入端圆缺切割率相同；流体流出端圆缺切割率与第一折流板1071圆缺切割率相同；结构如图9所示，图9为第二支持板1082和第六支持板1086的结构示意图。

第三支持板1083与第七支持板1087结构形式相同，并且流体流入端圆缺切割率比第一折流板1071圆缺切割率小，流体流出端圆缺切割率与第一折流板1071圆缺切割率相同；结构如图6所示，图6为第三支持板1083和第七支持板1087的结构示意图。

第四支持板1084与第八支持板1088结构形式相同，流体流入端圆缺切割率比第三支持板1083及第七支持板1087的圆缺切割率更小，流体流出端与第二折流板1072圆缺切割率相同；结构如图7所示，图7为第四支持板1084和第八支持板1088的结构示意图。

第五支持板1085流体流入端圆缺切割率比第二折流板1072圆缺切割率小，流出端圆缺切割率与第二折流板1072圆缺切割率相同；结构如图8所示，图8为第五支持板1085的结构示意图。

第六支持板1086流体流入端圆缺切割率比第五支持板1085圆缺切割率更小，流出端圆缺切割率与第三折流板1073圆缺切割率相同。

本实用新型具体结构如图2所示，图2所示的是两块折流板107间布置2块支持板108的管壳式换热器示意图，从图中可以看出，第一折流板1071和前管板103间设有第一支持板1081和第二支持板1082，第一折流板1071和第二折流板1072间设有第三支持板1083和第四支持板1084，第二折流板1072和第三折流板1073间设有第五支持板1085和第六支持板1086，以此类推，可以间隔设置多个，直至后管板104与前一个折流板间设有第七支持板1087和第八支持板1088(图2中有部分支持板与折流板未示出)，图2中前管板103和后管板104之间横向间隔设有若干根换热管105。

管程流体从管程进口500流入，管程出口300流出，管程流体与壳程流体逆流换热。

本实用新型的适用于真空系统的管壳式换热器，尤其适用于以负压乙苯脱氢系统中乙苯水蒸气管壳式换热器，管程进口500及壳程进口101的工况参数见表1。其中壳程流体由壳程进口101进入，壳程出口102流出，管程流体由管程进口500流入，管程出口300流出，管程与壳程流体逆流换热。本实用新型的适用于真空系统的管壳式换热器的详细尺寸数据为：筒体100直径为D＝3000mm，壁厚22mm，换热管105数目为2500根，换热管105外径为38mm，管壁厚为2.8mm，正三角形布置。折流板107及支持板108圆缺形开口区不布置换热管105，换热管105的长度为8400mm。第一折流板1071、第二折流板1072、第三折流板1073均布在壳程内，每两个折流板107的间距为2000mm，第一折流板1071、第二折流板1072、第三折流板1073圆缺形开口区的切割率均为18.2％。支持板108居中布置，折流板107间布置2块支持板，进口端和出口端布置两块支持板108。折流板107和支持板108壁厚均为18mm，壳程进口101与壳程出口102直径为800mm。

第一支持板1081的流体流入端圆缺切割率和流出端圆缺切割率均为18.2％；第二支持板1082与第六支持板1086流体流入端圆缺切割率为6.2％，流体流出端圆缺切割率为18.2％；第三支持板1083与第七支持板1087流体流入端圆缺切割率为11.2％，流出端圆缺切割率为18.2％；第四支持板1084与第八支持板1088流体流入端圆缺切割率为6.2％，流出端圆缺切割率为18.2％；第五支持板1085流入端圆缺切割率为11.2％，流出端圆缺切割率为18.2％。

当圆缺切割率为18.2％时，切去的弦高为h1＝546mm；当圆缺切割率为11.2％时，切去的弦高h2＝336mm；当圆缺切割率为6.2％时，切去的弦高为h3＝186mm。

表1换热器进口工艺条件

对比例1

以负压乙苯脱氢系统中乙苯水蒸气管壳式换热器为例，换热器结构形式的剖面图如图1所示。管程流体与壳程流体的流向与实施例相同，其中对比例的结构参数与实施例相比仅支持板的切割率不同，其他结构参数均相同且管程进口及壳程进口的工况参数相同。其中折流板缺口区切割率为18.2％，支持板的流体流入端与流出端的切割率均为18.2％，即切去部分的弦高为h1＝546mm。

实施例1与对比例1在相同工艺条件下(见表1)的换热性能如表2所示。从表2中可以看出，实施例的换热性能更好，壳程出口温度较对比例提高了8.7％，满足了乙苯脱氢工艺的要求。

表2相同工况条件下实施例与对比例的换热性能对比

本实用新型所述适用于真空系统的管壳式换热器，与现有技术支持板等切割率设计的管壳式换热器相比具有以下优点：通过支持板流体流入端不等切割率的设计方法，优化提高了壳程流量分布的均匀程度，换热面积的有效利用率得到明显提高。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。

设计图

一种适用于真空系统的管壳式换热器论文和设计

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