合成氨冷卻器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄目錄21換熱器概述41.1列管換熱器結(jié)構(gòu)41. 2列管換熱器分類41. 3列管換熱器主要部件52換熱器工藝設(shè)計(jì)62.1換熱器工藝方案確定62.1.1冷卻介質(zhì)選擇62.1.2換熱器類型選擇及流體流動(dòng)路徑選擇62.1.3 流體流速選擇72.2列管式換熱器的工藝計(jì)算72.2.1確定物性數(shù)據(jù)72.2.2初算換熱器傳熱面積83主要工藝及基本參數(shù)計(jì)算93.1換熱管相關(guān)設(shè)計(jì)93.2其他部件相關(guān)設(shè)計(jì)及計(jì)算94換熱器核算104.1傳熱能力核算104. 2換熱器壓降計(jì)算及校核125換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果一覽表13參考文獻(xiàn)15化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1 設(shè)計(jì)題目合成氨車間變換氣冷卻器設(shè)計(jì)設(shè)

2、計(jì)一臺(tái)列管式換熱器以完成合成氨車間用冷卻水冷卻變換氣的任務(wù)。2 設(shè)計(jì)條件（1）變換氣處理量：6000Nm³/h入口溫度145，出口溫度57；允許壓降：不超過(guò)4000Pa；（2）變換氣物性數(shù)據(jù)分子量：17；密度為0.925kg/m3；粘度為：0.0155mPa.S；比熱容為：1.9 kJ/（kg. ）；導(dǎo)熱系數(shù)為：0.058 W/（m. ）；（3）冷卻水水質(zhì)：處理過(guò)的軟水全年最高溫度：303 設(shè)計(jì)要求完成換熱器的工藝設(shè)計(jì)，主要包括：（1）設(shè)計(jì)方案的確定：逆流或并流，冷卻水進(jìn)出口溫度、流體流速擇等；（2）換熱器形式和流體的空間確定；（3）物料衡算和能量衡算：傳熱量，冷卻水消耗量，平均溫差

3、；（4）換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：管程和殼程，傳熱面積，管長(zhǎng)和管子數(shù)，殼體直徑，管板和折流板；（5）傳熱系數(shù)K的計(jì)算與校核，壓降計(jì)算與校核；（6）編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，畫換熱器工藝條件圖；（7）對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論。4 成果提供（1）設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份；（2）換熱器工藝條件圖一張（2#）。1 換熱器概述換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、

4、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。列管式換熱器是間壁式換熱器的主要類型。1.1列管換熱器結(jié)構(gòu)管殼式換熱器又稱列管式換熱器。是以封閉在殼體中管束的壁面作為傳熱面的間壁式換熱器。管殼式換熱器主要由殼體、管束、折流板、管板和封頭等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束安裝在殼體內(nèi)，兩端固定在管板上。封頭用螺栓與殼體兩端的法蘭相連。它的主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好。結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，而且可以選用的結(jié)構(gòu)材料范圍廣，故適應(yīng)性強(qiáng)、操作彈性較大。與其它品種換熱器比較,管殼式換熱器的最大缺點(diǎn)是傳熱效率低。進(jìn)行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種

5、在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。為提高管外流體的傳熱分系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高殼程流體速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)管束，增強(qiáng)流體湍流程度。1. 2列管換熱器分類列管式換熱器種類很多，目前廣泛使用的按其溫差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下幾種：（1）固定管板式換熱器此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞

6、換熱器。固定管板式換熱器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排管多、緊湊、造價(jià)便宜，等優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)緊湊，固定管板式換熱器的殼側(cè)不易清洗，而且當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大時(shí)，管子和管板易發(fā)生脫離，故不適用與溫差大的場(chǎng)合。為了克服溫差應(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見(jiàn)，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過(guò)0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過(guò)厚，難以伸縮，失去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。（2）浮頭式換熱器浮頭式換熱器針對(duì)固定管板式換熱器的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，浮頭式換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不

7、與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時(shí)可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個(gè)頂蓋，稱之為“浮頭”，所以這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：管束可以拉出，易于清洗和檢修，所以能適用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結(jié)垢的場(chǎng)合；管束的膨脹不變殼體約束，因而當(dāng)兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時(shí)，不會(huì)因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、造價(jià)高限制了它的使用。（3）填料函式換熱器填料函式換熱器也只有一端與殼體固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨脹，結(jié)構(gòu)比浮頭式簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。但填料函易泄露，故殼程壓力不宜過(guò)高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場(chǎng)合。（4）U型管式換熱器U形管式

8、換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。管程至少為兩程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨脹。其缺點(diǎn)是管子內(nèi)壁清洗困難，管子更換困難，管板上排列的管子少。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。1. 3 列管換熱器主要部件（1）換熱管換熱管的尺寸和形狀對(duì)傳熱有很大影響，管徑越小，單位體積設(shè)備的傳熱面積就越大，這意味著設(shè)備越緊湊，體積則越小，對(duì)流傳熱系數(shù)較高。但制造麻煩，且小管易結(jié)垢，不易機(jī)械清洗。所以對(duì)清潔的流體小管子為宜，對(duì)粘度大或易結(jié)垢的液體管徑則取大些。目前我國(guó)列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中，所采用的無(wú)縫鋼管規(guī)格多為19mm×2m

9、m和25mm×2.5mm兩種。換熱器一般用光管，這樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但對(duì)流傳熱系數(shù)較低。換熱管在管板上可按等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列管外清潔方便。（2）管板列管式換熱器的管板一般用圓平板，在上面開(kāi)孔以裝設(shè)換熱管束，管板又與殼體連接。管板與殼體的連接方法與換熱器的形式有關(guān)。對(duì)固定管板式換熱器，常采用不可拆連接方式，即直接將兩端管板焊接在殼體。對(duì)浮頭式、U形管式換熱器，由于管束要從殼體中抽出，故常用可拆連接方式，即把管板夾于殼體法蘭與頂蓋法蘭之間，用螺栓緊固，必要時(shí)卸下頂蓋就可把管板連同管束從殼體中抽出。

10、（3）折流擋板為了加大殼程流體的速度，增強(qiáng)湍動(dòng)程度，以提高殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，往往在殼程內(nèi)裝置折流擋板。另外折流擋板對(duì)換熱管束還起著支撐作用，可防止管子的變形。不利的是擋板的存在使流體阻力增加，另外擋板和殼體間、擋板和管束間的間隙如過(guò)大，部分流體會(huì)從問(wèn)隙中流過(guò)，產(chǎn)生旁流，嚴(yán)重時(shí)反而會(huì)使對(duì)流傳熱系數(shù)減小。折流擋板形式較多，主要有兩種，一種是橫向折流擋板，殼程流體橫向流動(dòng)；另一種是縱向折流擋板，殼程流體平行流過(guò)管束。在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，換熱器應(yīng)用十分廣泛，主要用于熱量的交換和回收。合成氨變換工段中主要涉及一氧化碳的轉(zhuǎn)化和能量的回收利用，列管換熱器在傳熱效率，緊湊性和金屬耗量雖不及某些換熱器，但

11、它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，適用性強(qiáng)，制造材料廣泛等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。因而，在合成氨變換工段選擇列管式換熱器。2 換熱器工藝設(shè)計(jì)2.1 換熱器工藝方案確定2.1.1冷卻介質(zhì)選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)選擇處理后冷水作為冷卻介質(zhì)。選擇冷卻水循環(huán)水入口溫度30，出口溫度40。2.1.2 換熱器類型選擇及流體流動(dòng)路徑選擇兩流體的溫度變化情況如下：（1）變換氣：入口溫度150，出口溫度57；（2）冷卻介質(zhì)：處理后軟水，入口溫度30，出口溫度40；由于變換氣被冷卻且要求壓力降不允許超過(guò)5000N/，所以按變換氣走管內(nèi)考慮；而冷卻水為處理后冷水，結(jié)垢不嚴(yán)重，安排走管間（殼程）。且考慮冬季操作時(shí)，其進(jìn)口溫度會(huì)降低，估計(jì)所需換熱器

12、的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應(yīng)地進(jìn)行熱膨脹的補(bǔ)償，故而初步確定選用帶有膨脹節(jié)的固定管板式換熱器。2.1.3流體流速選擇增加流體在換熱器中的流速，將增大對(duì)流傳熱系數(shù)，減少污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增大，從而減少換熱器的傳熱面積。但流速增加使流體阻力增加，動(dòng)力消耗增多。所以適宜的流速要通過(guò)經(jīng)濟(jì)衡算得出。一般流體盡可能使Re>104 ,粘度高的流體常按滯流設(shè)計(jì)。根據(jù)工業(yè)上常用的流速范圍選取變換氣在管內(nèi)流速ui=20m/s。2.2列管式換熱器的工藝計(jì)算2.2.1確定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度取進(jìn)出口溫度的平均值:tm=30+402=35查物性數(shù)據(jù)，得下表1表1 兩流體在定性溫度下的

13、物性數(shù)據(jù)流體 物性定性溫度/密度/(kg/m3)黏度/Pas比熱容/kJ/(kg) 熱導(dǎo)率/W/(m) 混合氣體103.50.9250.01551.90.058冷卻水359940.7254.080.626已知換熱器的體積流量為6000Nm3/h, 無(wú)法設(shè)計(jì)出符合工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的換熱器,故將其換算為其進(jìn)口溫度時(shí)的體積流量Vi=6000×150+272273=9296.7m3/h2.2.2初算換熱器傳熱面積（1）熱負(fù)荷及冷卻介質(zhì)消耗量計(jì)算熱負(fù)荷Q=ViCpi(T2-T1)=9296.7×0.925×1.9×150-57=1.5196×106kj/h=

14、422.08kw冷卻水消耗量：Vo =QOCPOt2-t1=1.5196×1064.08×994×40-30=37.467m3/h（2）計(jì)算平均溫差，并確定管程數(shù)先取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計(jì)算出平均溫度差tmtm'=t2-t1lnt2t1=150-40-(57-30)ln150-40(57-30)=59.09相關(guān)參數(shù)R=T1-T2t2-t1=150-5740-30=9.3P=t2-t1T1-t1=40-30150-30=0.0833根據(jù)=（R2+1)R-1lnln1-P1-PRln2-P(1+R-R2+1)2-P(1+R+R2+1)代入數(shù)據(jù)得=0

15、.969=0.969>0.8，可見(jiàn)用單殼程單管程合適。因此平均溫度差tm=×tm'=0.969×59.09=57.2（3）按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K估選取 K估=120W/m2.（4）初算出所需傳熱面積SS=QKtm=422.08120×59.09=59.53m23 主要工藝及基本參數(shù)計(jì)算3.1換熱管相關(guān)設(shè)計(jì)（1）換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定選用25mm×2.5mm鋼管，管內(nèi)流速ui=20m/s（2）換熱管數(shù)量及長(zhǎng)度的確定管數(shù)N=msi4di2ui=9296.7÷36004×0.022×20=429根管長(zhǎng)L=SNd0

16、=59.53429×3.14×0.025=1.8m按商品管長(zhǎng)系列規(guī)格，取去管長(zhǎng)L=2m（3）管子排列方式管子的排列方式，采用正三角形排列。殼體內(nèi)徑采用以下公式計(jì)算Di=tnc-1+2b'式中 管中心距t=1.25do=1.25×25mm=32mm； 橫過(guò)管中心線數(shù)nc=1.1N=1.1429=22.8 取整nc=23根； 管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b'=1.5×do=1.5×0.025m=0.038m。3.2其他部件相關(guān)設(shè)計(jì)及計(jì)算（1）殼體內(nèi)徑計(jì)算殼體內(nèi)徑采用以下公式計(jì)算Di=tnc-1+2b'式中 管中心

17、距t=1.25do=1.25×25mm=32mm； 橫過(guò)管中心線數(shù)nc=1.1N=1.1429=22.8 取整nc=23根； 管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b'=1.5do=1.5×0.025m=0.038m。（2）折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25×800=200mm，取h=200mm。 去折流板間距為B=0.3Di=0.3×800=240mm，取240mm。則折流板數(shù)NB=傳熱管長(zhǎng)折流板間距-1=2000240-1=7.337塊折流板圓缺水平面安裝。（3）溫度補(bǔ)償圈選用150

18、+572-30+402=103.5-35=68.5>50故需考慮設(shè)置補(bǔ)償圈，設(shè)置波形膨脹節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。（4）其他附件選用12mm鋼拉桿，數(shù)量6根。根據(jù)GB/T 8163-2008流體輸送用無(wú)縫鋼管，采用25mm×2.5mm的定距管。4換熱器核算4.1傳熱能力核算 （1）殼程對(duì)流給熱系數(shù)o的計(jì)算 對(duì)于圓缺形折流板采用科恩公式計(jì)算0=0.36deRe0.55Pr13w0.14式中 當(dāng)量直徑由正三角形排列得de=432t2-4do2do=4320.0322-4×0.02523.14×0.025=0.020m殼程流通截面積So=BD1-d0t=0.24×0.

19、8×1-0.0250.032=0.042m2 uo=voSo=37.467÷36000.042=0.248m/s 雷諾數(shù)Reo=deuooo=0.020×0.248×9940.725×10-3=6800 普朗特?cái)?shù)Pro=cpouoo=4.08×103×0.725×10-30.626=4.73 取粘度校正系數(shù)w0.14=1.05則0=0.360.6260.020×68000.55×4.7313×1.05=2546.07W/m2（2）管程對(duì)流給熱系數(shù)o的計(jì)算i=0.023idiRei0.8

20、Pri0.3式中 管程流通截面積Si=Ndi2=3.14×0.0202×429=0.135 管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特?cái)?shù)分別為 ui=viSi=9296.7÷36000.135=20.0m/s Rei=diuiii=0.020×20.0×0.9250.0155×10-3=23871 Pri=cpiuii=1.9×103×0.0155×10-30.058=0.508 i=0.0230.0580.02238710.80.5080.3=193.53 W/m2總傳熱系數(shù)由下式計(jì)算K計(jì)=11o+Rso+doidi

21、+Rsidodi+bdodm式中 取水側(cè)和變換氣側(cè)污垢熱阻均為0.26×10-3m2/W 碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)=45W/m dm=do+di2=25+2020.0225mK計(jì)=112546.07+026×10-3+25193.53×20+0.26×10-3×2520+0.025×0.002545×0.225=121.93W/m2(3)傳熱面積的計(jì)算理論傳熱面積A=QK計(jì)tm=422.08×103131.93×57.23=60.48m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積Ap=doLNT=3.14×0.025×

22、;2-0.1×429=64.0m2面積裕度為H=Ap-AA×100%=64.0-60.4860.48×100%=6%4. 2換熱器壓降計(jì)算及校核（1）管程壓降校驗(yàn)（變換氣） Pi=P1+P2FtNSNP式中，NS，NP管程和殼程數(shù)均為1； Ft25mm×2.5mm的管子結(jié)垢系數(shù)為1.4； P2換熱器為單程管，故P2=0；P1流體流經(jīng)直管段（進(jìn)、出口壓力降）的壓力降P1=iLdi+iui22換熱管為新無(wú)縫鋼管，所以取換熱管壁粗糙度為=0.1mm,則di=0.005,而Rei2.5×104,查圖得i=0.033,流速ui=20m/s,密度i=0.9

23、25kg/m3.所以：P1=0.03320.02+1.50.925×2022=888N/m2Pi=888+0×1.4×1×1=1243.2N/m2<5000Pa管程壓降滿足要求。（2）殼程壓降校驗(yàn)（冷卻水）Po=P1'+P2'FsNSFs液體結(jié)垢校正系數(shù)為1.15；NS管程數(shù)為1；P1'流體流經(jīng)管束的阻力為：P1'=FfoNCNB+1ouo22,F為管子的排列方式對(duì)壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5；nc橫過(guò)管中心線數(shù)為23；NB折流板數(shù)為7；uo=0.248m/s；則P1'=0.5×0.669×23×7+1×994×0.24822=1881.4N/m2P2'流體流