合成氨冷卻器設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計說明書目錄化工原理課程設(shè)計任務(wù)書1 設(shè)計題目合成氨車間變換氣冷卻器設(shè)計設(shè)計一臺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)計條件（1）變換氣處理量：6000Nm/h入口溫度145，出口溫度57；允許壓降：不超過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. ）；導熱系數(shù)為：0.058 W/（m. ）；（3）冷卻水水質(zhì)：處理過的軟水全年最高溫度：303 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、流體流速擇

2、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；（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的計算與校核，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。4 成果提供（1）設(shè)計說明書一份；（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，

3、應用更加廣泛。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、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。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)堅固，而且可以選用的結(jié)構(gòu)材料范圍廣，故適應性強、操作彈性較大。與其它品種換熱器比較,管

4、殼式換熱器的最大缺點是傳熱效率低。進行換熱的冷熱兩種流體，一種在管內(nèi)流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，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管束，增強流體湍流程度。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償結(jié)構(gòu)來分，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出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時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，當管壁與殼壁溫差

5、較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。固定管板式換熱器有結(jié)構(gòu)簡單、排管多、緊湊、造價便宜，等優(yōu)點。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，而且當管束和殼體之間的溫差太大時，管子和管板易發(fā)生脫離，故不適用與溫差大的場合。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失去溫差補償?shù)淖饔?，就應考慮其他結(jié)構(gòu)。（2）浮頭式換熱器浮頭式換熱

6、器針對固定管板式換熱器的缺陷進行了改進，浮頭式換熱器的一塊管板用法蘭與外殼相連接，另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時可以自由伸縮，但在這塊管板上連接一個頂蓋，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)垢的場合；管束的膨脹不變殼體約束，因而當兩種換熱器介質(zhì)的溫差大時，不會因管束與殼體的熱膨脹量的不同而產(chǎn)生溫差應力。但其結(jié)構(gòu)復雜、笨重、造價高限制了它的使用。（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)比浮頭式簡單，造價較低。但填料函易泄

7、露，故殼程壓力不宜過高，也不宜用于易揮發(fā)、易燃、易爆、有毒的場合。（4）U型管式換熱器U形管式換熱器，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，從而解決熱補償問題。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)點是結(jié)構(gòu)簡單，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，對流傳熱系數(shù)較高。但制造麻煩，且小管易結(jié)垢，不易機械清洗。所以對清潔的流體小管子為宜，對粘度大或易結(jié)垢的液體

8、管徑則取大些。目前我國列管式換熱器系列標準中，所采用的無縫鋼管規(guī)格多為19mm2mm和25mm2.5mm兩種。換熱器一般用光管，這樣結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但對流傳熱系數(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列排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍動程度高，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

9、蓋法蘭之間，用螺栓緊固，必要時卸下頂蓋就可把管板連同管束從殼體中抽出。（3）折流擋板為了加大殼程流體的速度，增強湍動程度，以提高殼程流體的對流傳熱系數(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大，部分流體會從問隙中流過，產(chǎn)生旁流，嚴重時反而會使對流傳熱系數(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；另一種是縱向折流擋板，殼程流體平行流過管束。在合成氨生產(chǎn)過程中，換熱器應用十分廣泛，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

10、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，但它具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，適用性強，制造材料廣泛等獨特優(yōu)點。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)垢不嚴重，

11、安排走管間（殼程）。且考慮冬季操作時，其進口溫度會降低，估計所需換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，需考慮熱膨脹的影響，相應地進行熱膨脹的補償，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，動力消耗增多。所以適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算得出。一般流體盡可能使Re104 ,粘度高的流體常按滯流設(shè)計。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算2.2.1確定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度取進出口溫度的平均值:tm=3

12、0+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, 無法設(shè)計出符合工業(yè)生產(chǎn)標準的換熱器,故將其換算為其進口溫度時的體積流量Vi=6000150+=9296.7m3/h2.2.2初算換熱器傳熱面積（1）熱負荷及冷卻介質(zhì)消耗量計算熱負荷Q=ViCpi(T2-T1)=9296.70.9251.9150-57=1.5196106kj/h=422.0

13、8kw冷卻水消耗量：Vo =QOCPOt2-t1=1.51961064.0899440-30=37.467m3/h（2）計算平均溫差，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=0.969=0.9690.8，可見用單殼程單管程合適。因此

14、平均溫度差tm=tm=0.96959.09=57.2（3）按經(jīng)驗數(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=422.0812059.09=59.53m23 主要工藝及基本參數(shù)計算3.1換熱管相關(guān)設(shè)計（1）換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定選用25mm2.5mm鋼管，管內(nèi)流速ui=20m/s（2）換熱管數(shù)量及長度的確定管數(shù)N=msi4di2ui=9296.7360040.02220=429根管長L=SNd0=59.534293.140.025=1.8m按商品管長系列規(guī)格，取去管長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)徑采用以下公式計算

15、Di=tnc-1+2b式中 管中心距t=1.25do=1.2525mm=32mm； 橫過管中心線數(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=1.50.025m=0.038m。3.2其他部件相關(guān)設(shè)計及計算（1）殼體內(nèi)徑計算殼體內(nèi)徑采用以下公式計算Di=tnc-1+2b式中 管中心距t=1.25do=1.2525mm=32mm； 橫過管中心線數(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=1.50.025m=0.038m。（2）折流板采用弓形折流板，取弓形

16、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=0.25800=200mm，取h=200mm。 去折流板間距為B=0.3Di=0.3800=240mm，取240mm。則折流板數(shù)NB=傳熱管長折流板間距-1=-1=7.337塊折流板圓缺水平面安裝。（3）溫度補償圈選用150+572-30+402=103.5-35=68.550故需考慮設(shè)置補償圈，設(shè)置波形膨脹節(jié)進行補償。（4）其他附件選用12mm鋼拉桿，數(shù)量6根。根據(jù)GB/T 8163-2008流體輸送用無縫鋼管，采用25mm2.5mm的定距管。4換熱器核算4.1傳熱能力核算 （1）殼程對流給熱系數(shù)o的計算 對于圓缺形折流板采用科恩公式計

17、算0=0.36deRe0.55Pr13w0.14式中 當量直徑由正三角形排列得de=432t2-4do2do=4320.0322-40.02523.140.025=0.020m殼程流通截面積So=BD1-d0t=0.240.81-0.0250.032=0.042m2 uo=voSo=37.46736000.042=0.248m/s 雷諾數(shù)Reo=deuooo=0.0200.2489940.72510-3=6800 普朗特數(shù)Pro=cpouoo=4.081030.72510-30.626=4.73 取粘度校正系數(shù)w0.14=1.05則0=0.360.6260.02068000.554.73131

18、.05=2546.07W/m2（2）管程對流給熱系數(shù)o的計算i=0.023idiRei0.8Pri0.3式中 管程流通截面積Si=Ndi2=3.140.0202429=0.135 管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為 ui=viSi=9296.736000.135=20.0m/s Rei=diuiii=0.02020.00.9250.015510-3=23871 Pri=cpiuii=1.91030.015510-30.058=0.508 i=0.0230.0580.80.5080.3=193.53 W/m2總傳熱系數(shù)由下式計算K計=11o+Rso+doidi+Rsidodi+bdodm式中

19、取水側(cè)和變換氣側(cè)污垢熱阻均為0.2610-3m2/W 碳鋼導熱系數(shù)=45W/m dm=do+di2=25+2020.0225mK計=.07+02610-3+25193.5320+0.2610-32520+0.0250.0.225=121.93W/m2(3)傳熱面積的計算理論傳熱面積A=QK計tm=422.08.9357.23=60.48m2該換熱器的實際傳熱面積Ap=doLNT=3.140.0252-0.1429=64.0m2面積裕度為H=Ap-AA100%=64.0-60.4860.48100%=6%4. 2換熱器壓降計算及校核（1）管程壓降校驗（變換氣） Pi=P1+P2FtNSNP式中，

20、NS，NP管程和殼程數(shù)均為1； Ft25mm2.5mm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、出口壓力降）的壓力降P1=iLdi+iui22換熱管為新無縫鋼管，所以取換熱管壁粗糙度為=0.1mm,則di=0.005,而Rei2.5104,查圖得i=0.033,流速ui=20m/s,密度i=0.925kg/m3.所以：P1=0.03320.02+1.50.9252022=888N/m2Pi=888+01.411=1243.2N/m25000Pa管程壓降滿足要求。（2）殼程壓降校驗（冷卻水）Po=P1+P2FsNSFs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壓力降的校正系數(shù)，正三角形排列F=0.5；nc橫過管中心線數(shù)為23；NB折流板數(shù)為7；uo=0.248m/s；則P1=0.50.669237+19940.24822=1881.4N/m2P2流體流經(jīng)折流板缺口的阻力：P2=NB3.5-2BDou22=73.5-20.2