合成氨車間變換氣冷卻器設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書課程設(shè)計說明書學學院院：生態(tài)與資源工程學院專業(yè)班級專業(yè)班級：2011 級化學工程與工藝(1)班課程名稱課程名稱：化工原理課程設(shè)計題題目：目：合成氨車間變換氣冷卻器設(shè)計學生姓名學生姓名： 張明聲學號：學號： 20114122004指導老師指導老師：范榮鈺20142014 年年 6 6 月月目錄目錄摘要.11.概述.12、任務(wù)書.12.1、設(shè)計題目.12.2、設(shè)計任務(wù).12.2.1 變換器.12.2.2 變換氣物性數(shù)據(jù).12.2.3 冷卻水.12.3、設(shè)計要求.12.4 、結(jié)果提供.23、設(shè)計要求.24、設(shè)備工藝設(shè)計如下.24.1、設(shè)計方案的確定.24.1.1、選定換熱器類型.24.

2、1.2.選定流體流動空間及流速.34.2、確定物性數(shù)據(jù).34.3、估算傳熱面積.34.3.1 傳熱量.34.3.2 冷卻用水量.34.3.3 計算逆流平均溫度差.34.3.4.初選經(jīng)驗傳熱系數(shù) K 值.34.3.5 估算傳熱面積.44.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸.44.4.1 管徑和管內(nèi)流速.44.4.2.管程數(shù)和傳熱管數(shù).44.4.3.傳熱管排列和分程方法.54.4.4.殼體內(nèi)徑.54.4.5.折流板.54.5、換熱器核算.64.5.1 傳熱能力核算.64.5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力.71摘要摘要本文設(shè)計的是列管式固定管板換熱器用于合成氨工藝中 CO 的變換。通過內(nèi)插法計算冷、熱流體的物性參數(shù)；通

3、過試差法確定換熱器的管數(shù)、內(nèi)徑、換熱管長度、長徑比、換熱面積、傳熱系數(shù)、管殼程流速等。并進行熱量、傳熱面積、壓降的校核。1.概述傳熱設(shè)備簡稱換熱器，是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應用的一種工藝設(shè)備。石油化工廠中，它的投資占到建廠投資的 1/5 左右，它的重量占工藝設(shè)備總重量的； 在我國一些大中型煉油企業(yè)中， 各式熱交換器的裝置達到 300500 臺以上。就其壓力、溫度來說，國外的管殼式熱交換器的最高壓力達 840bar，最高溫度達 1500。而最大的外形尺寸長達 33m，最大的傳熱面積達 6700。按用途分為加熱器、冷凝器、冷卻器

4、、蒸發(fā)器、過熱器和廢熱鍋爐；換熱器按傳熱特征可分為直接接觸式、 蓄熱式、 間壁式； 按制造材料可分為金屬、 陶瓷、塑料、石墨、玻璃的交換器等；按熱流體與冷流體的流動方向可分為順流式、逆流式、錯流式。2 2、任務(wù)書任務(wù)書2.12.1、設(shè)計題目設(shè)計題目合成氨車間變換氣冷卻器設(shè)計2.22.2、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計任務(wù)2.2.12.2.1 變換器變換器處理量 6000 （10000，15000）Nm3/h；入口溫度 140（150），出口溫度 57（62）；允許壓降 ：不超過 5000Pa；2.2.2 2.2.2 變換氣物性數(shù)據(jù)變換氣物性數(shù)據(jù)分子量 17；密度為 0.925kg/m3; 粘度為 0.0155

5、mPa*s;比熱容為 1.9kJ/(kg*); 導熱系數(shù)為: 0.058W/（m*）;2.2.2.2.3 3 冷卻水冷卻水水質(zhì)：處理過的軟水；全年最高溫度 302.32.3、設(shè)計要求、設(shè)計要求完成換熱器的工藝設(shè)計，主要包括：1、設(shè)計方案的確定；逆流或并流，冷卻水進出口溫度、流體流速選擇等；2、換熱器形式和流體空間的確定23、物料衡算和能量衡算：傳熱量，冷卻水消耗量，平均溫差；4、換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計；管程和殼程，傳熱面積，管長和管子數(shù)，殼體直徑，管板和折流板；5、傳熱系數(shù) K 的計算和校核，壓降計算與校核；6、編寫設(shè)計說明書，畫換熱器工藝條件圖；7、對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。2.42.4 、

6、結(jié)果提供、結(jié)果提供1、設(shè)計說明書一份；2、換熱器工藝條件圖一張。3、設(shè)計要求浮頭式換熱器的一端管板與殼體固定， 而另一端的管板可在殼體內(nèi)自由浮動，殼體和管束對膨脹是自由的，故當兩張介質(zhì)的溫差較大時，管束和殼體之間不產(chǎn)生溫差應力。浮頭端設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)，使管束能容易的插入或抽出殼體。（也可設(shè)計成不可拆的）。這樣為檢修、清洗提供了方便。但該換熱器結(jié)構(gòu)較復雜，而且浮動端小蓋在操作時無法知道泄露情況。因此在安裝時要特別注意其密封。浮頭換熱器的浮頭部分結(jié)構(gòu)，按不同的要求可設(shè)計成各種形式，除必須考慮管束能在設(shè)備內(nèi)自由移動外， 還必須考慮到浮頭部分的檢修、 安裝和清洗的方便。在設(shè)計時必須考慮浮頭管板的外徑 D

7、o。該外徑應小于殼體內(nèi)徑 Di，一般推薦浮頭管板與殼體內(nèi)壁的間隙 b1=35mm。這樣，當浮頭出的鉤圈拆除后，即可將管束從殼體內(nèi)抽出。以便于進行檢修、清洗。浮頭蓋在管束裝入后才能進行裝配，所以在設(shè)計中應考慮保證浮頭蓋在裝配時的必要空間。鉤圈對保證浮頭端的密封、防止介質(zhì)間的串漏起著重要作用。隨著浮頭式換熱器的設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進和完善。鉤圈一般都為對開式結(jié)構(gòu)，要求密封可靠，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、便于制造和拆裝方便。浮頭式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應性，在長期使用過程中積累了豐富的經(jīng)驗， 不斷促進了自身的發(fā)展。 故迄今為止在各種換熱器中

8、仍占主導地位。4 4、設(shè)備工藝設(shè)計如下設(shè)備工藝設(shè)計如下兩流體均為無相變，本設(shè)計按非標準系列換熱器的一般設(shè)計步驟進行設(shè)計。4.14.1、設(shè)計方案的確定、設(shè)計方案的確定4.1.4.1.1 1、選定換熱器類型選定換熱器類型兩流體溫度變化情況： 熱流體 （混合氣體） 入口溫度 145C， 出口溫度 62C； 冷流體（冷卻水）入口溫度為 30C，出口溫度為 39C。兩流體定性溫度如下：混合氣體的定性溫度C5 .1032/ )62145(T3冷卻水定性溫度Ct352/ )3040(兩流體的溫差)70,50(5 .68355 .103CCCtT可選用帶溫度補償?shù)墓潭ü馨迨綋Q熱器。但考慮到該換熱器用循環(huán)冷卻水

9、冷卻，冬季操作時冷卻水進口溫度會降低，因此殼體壁溫和管壁壁溫相差較大，為安全起見，故選用浮頭式列管換熱器。4.1.4.1.2.2.選定流體流動空間及流速選定流體流動空間及流速因循環(huán)水是處理過軟水，不易結(jié)垢，故為了使傳熱效果增強，選定變換氣走管程，冷卻水走殼程。選擇的較高級冷拔碳mm5 . 2mm25鋼管，管內(nèi)流速取 20m/s。4.24.2、確定物性數(shù)據(jù)、確定物性數(shù)據(jù)兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表物物性性流體流體定性溫度定性溫度密度密度kg/m3粘度粘度mPas比熱容比熱容kJ/(kg)導熱系數(shù)導熱系數(shù)W/(m)變換氣體103.50.9250.01551.90.058冷卻水359940.7

10、284.1740.6264.34.3、估算傳熱面積、估算傳熱面積4.3.14.3.1 傳熱量傳熱量按管間某冷卻液計算，即hmhNm/15311273/ )273145(10000/1000033kW4 .62062-145109 . 1)3600/925. 015311(m3211TTcQp4.3.24.3.2 冷卻用水量冷卻用水量忽略熱損失，則水的用量為kg/s86 4104 .62033122ttcQmp4.3.34.3.3 計算逆流平均溫度差計算逆流平均溫度差逆流溫差 C44.613062/40-145ln306240145,逆mt4.3.44.3.4. .初選

11、經(jīng)驗傳熱系數(shù)初選經(jīng)驗傳熱系數(shù) K K 值值查找換熱器設(shè)計手冊，參照總傳熱系數(shù)的大致范圍，氨水的傳熱系數(shù)的范圍 74280) W/(m/s ,現(xiàn)暫取 170) /sW/(m2。4.3.54.3.5 估算傳熱面積估算傳熱面積23,m39.5944.61170104 .620逆mtKQS考慮 15%的面積裕度，2m3 .6839.5915. 115. 1SS4.44.4、工藝結(jié)構(gòu)尺寸、工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.4.14.4.1 管徑和管內(nèi)流速管徑和管內(nèi)流速選用5225.的碳鋼換熱管，管內(nèi)流速smui/204.4.24.4.2. .管程數(shù)和傳熱管數(shù)管程數(shù)和傳熱管數(shù)根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)6782 .

12、6772002. 0785. 03600/15311785. 0n22iisudV（根）按單管程計算所需換熱管的長度1.28m025. 014. 36783 .68osdnSL若采用 2m 長的管，1 管程，則傳熱管的總根數(shù)6781678TN（根）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)3 . 8304062-145087. 030145304012211112ttTTRtTttP959. 0)13 . 83 . 81 (087. 02)13 . 83 . 81 (087. 02ln/3 . 8087. 01087. 01l13 . 813 . 8)11 (2)11 (2ln/11l11222222nRRPR

13、RPPRPnRR587.58)18.38.31(087.02)18.38.31(087.02ln)3040(18.3)11(2)11(2ln)(1t22222122RRPRRPttRm由于溫差校正系數(shù)0.8，同時殼程流體亦較大，故取單殼程較合適。4.4.34.4.3. .傳熱管排列和分程方法傳熱管排列和分程方法采用組合排列，即每層內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)按正方形排列。取管心距od.t251，則隔板中心到其最近一排管中心的距離 S:按凈空不小于 6mm 的原則確定，亦可按下式求?。篠=t/2+6mmS=32/2+6=22mm分程隔板兩側(cè)相鄰管排之間的管心距442222t Samm管中心距 t

14、與分程隔板槽兩側(cè)相鄰排管中心距at的計算結(jié)果與表 3-6 的結(jié)果一致證明可用。4.4.44.4.4. .殼體內(nèi)徑殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率70.，則殼體內(nèi)徑mmNtD10467 . 0/6783205. 1/05. 1圓整取 D=1100mm。4.4.54.4.5. .折流板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mm275110025. 0h，取mm275h取折流板間距為 B=0.3D，則33011003 . 0Bmm，取 B=330mm。mm322525. 1t6折流板數(shù)5133020001折流板間距傳熱管長BN（塊）折流板圓缺水平面安裝

15、。4.54.5、換熱器核算換熱器核算4.5.14.5.1 傳熱能力核算傳熱能力核算（1）殼程對流給熱系數(shù) 對于圓缺型折流板，可采用科恩公式14. 03155. 0)()()(36. 0wooopooooeeooCudd當量直徑由正三角形排列得mddtdooe020. 0025. 014. 3)025. 04032. 023(4)423(42222殼程流通截面積2079. 0)032. 0025. 01 (1 . 133. 0)1 (mtdBDSoo殼程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為)./(6 .21011854. 45161020. 0626. 036. 0854. 4626. 01028.

16、 710174. 4Pr51611028. 7994189. 0020. 0Re/189. 0079. 03600/86.1423155. 0434CmWsmuoooo（2）管程給熱系數(shù) 管程流通截面積222128. 0678020. 0785. 0mSi管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為5078. 0058. 00000155. 0109 . 1Pr)10000(238210000155. 0924. 098.19020. 0Re/98.191064. 03600/153113iiismu7故采用下式計算)./(4 .1615078. 02382102. 0058. 0023. 024 .

17、 08 . 0CmWi（3）污垢熱阻與管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗數(shù)據(jù)取WCmRso/.00026. 02管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：查污垢經(jīng)驗數(shù)據(jù)取WCmRsi/.0004. 02管壁的熱導率：碳鋼的導熱率)./(45CmW（4）總傳熱系數(shù))./(59.1106 .2101100026. 00225. 045025. 00025. 002. 0025. 00004. 002. 04 .161025. 0112CmWKRsodbdddRsiddKomoioiio（5）傳熱面積理論傳熱面積2329.9587.5859.110104 .620mtKQAm該換熱器的實際換熱面積211.101678) 1

18、. 02(025. 014. 3mLNdATop面積裕度為%629.9529.9511.101%100AAAHp換熱面積裕度合適，能夠滿足設(shè)計要求。4.5.24.5.2 換熱器內(nèi)流體的流動阻力換熱器內(nèi)流體的流動阻力1 管程流動阻力sptiNNFppp)(21（tF結(jié)垢校正系數(shù)，pN管程數(shù)，sN殼程數(shù)）取換熱管壁粗糙度為 0.01mm，則005. 0/d，而23821Re i，查圖得80152. 0i，流速smui/98.19，密度3/925. 0mkg，所以：PaupPaudLpiiii89.553298.19925. 032363.280298.19925. 002. 020152. 02222221對mmmm5 . 225的管子有1, 1, 4 . 1sptNNFPaNNFpppspti33.1168114 . 1)89.55363.280()(212 殼程流動阻力ssoNFppp)(21（sF結(jié)垢校正系數(shù)，對液體5 . 0sF，sN為殼程數(shù)）流體流經(jīng)管束的阻力2) 1(21oBcouNnFfpF正三角形排列，F(xiàn)=0.5of)500(ReRe0 . 5228. 0ooof，得出