貴州大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)匯本任務(wù)書

1、 35/35 摘要:換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中為實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的一種工藝設(shè)備。換熱器廣泛地應(yīng)用于化工、煉油、動(dòng)力、原子能等眾多工業(yè)部門和行業(yè)中。在一般化工廠的建設(shè)中，換熱器約占總投資的10%20%；在石油煉廠中，換熱器約占全部工藝設(shè)備投資的35%40%1。因此，在能源日益緊X的今天，設(shè)計(jì)及選擇高效的換熱器對(duì)降低設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)有重大作用。 本文設(shè)計(jì)的是列管式固定管板換熱器用于合成氨工藝中的CO變換。通過內(nèi)插法計(jì)算冷熱流體的物性參數(shù)；通過試差法確定換熱器的管數(shù)、內(nèi)徑、換熱管長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比、換熱面積、傳熱系數(shù)、管殼程流速等，并進(jìn)行熱量、傳熱面積、壓降的校核。關(guān)鍵詞：列管換熱器；CO變換；內(nèi)插法；試差法A

2、bstract:Heat exchanger in industrial production is for the realization of heat transfer between material of a kind of process equipment.Heat exchanger is widely used in chemical, oil refining, power, atomic energy, etc industries and the industrial sector.In general, the construction of the heat exc

3、hanger in chemical plant of total investment of 10%20%；In oil refinery, heat exchanger in about of all the process equipment investment of 35%40%1.Therefore, in the energy of the growing tension today, design and choose efficient to reduce the heat exchanger equipment fee and CaoZuoFei have major im

4、pact. This paper introduces the design of the tube type is fixed tubesheet heat exchanger used for synthetic ammonia process of CO transform.Through the interpolation of cold and heat fluid calculation petrophysical parameters；Through the interpolation of cold and heat fluid calculation petrophysica

5、l parameters; and through the test method is used to determine the tube heat exchanger poor number, diameter, heat exchange tube length, length, diameter ratio, heat transfer area, heat transfer coefficient, process flow speed of shell, and heat, heat transfer area, the pressure drop of checking.Key

6、words:Tube heat exchange；CO transform；interpolation； tryanderrormethod一、概述傳熱設(shè)備簡(jiǎn)稱換熱器，是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)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 40%；在我國(guó)一些大中型煉油企業(yè)中，各式熱交換器的裝置達(dá)到300500臺(tái)以上。就其壓力、溫度來說，國(guó)外的管殼式熱交換器的最高壓力達(dá)840bar，最高溫度達(dá)1500。而最大的外形尺寸長(zhǎng)達(dá)33m，最大的傳熱面積達(dá)67002。按用途分為加熱器、冷

7、凝器、冷卻器、蒸發(fā)器、過熱器和廢熱鍋爐等3；換熱器按傳熱特征可分為直接接觸式、蓄熱式、間壁式等4；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(dòng)方向可分為順流式、逆流式、錯(cuò)流式等5。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是列管式換熱器。列管式換熱器又稱固定管板式換熱器。固定管板式換熱器由殼體、管束、管板、封頭等部件構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在相同的直徑情況下面積較大，制造較簡(jiǎn)單。其特點(diǎn)是傳熱面積比浮頭式換熱器大20%30%；旁路漏流較??；鍛件使用較少，成本低20%以上；沒有內(nèi)漏；殼體和管子的溫差應(yīng)力應(yīng)小于等于50，大于50時(shí)應(yīng)在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；殼程無法清洗適用于

8、管外物料比較清潔且不易結(jié)垢的場(chǎng)合6。由于結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，且能選用多種材料來制造，故適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其是在大型裝置和高溫、高壓中得到普遍的采用。本文設(shè)計(jì)的是單管程、單殼程的立式列管式固定管板式換熱器，用于合成氨工藝中CO的變換。以半水煤氣為原料，在有觸媒存在和一定溫度的條件下，水汽可將CO變換為CO2和H2。經(jīng)變換后的濕混合氣可稱為變換氣。換熱器選用的252.5冷拔無縫鋼管，在管板上以正三角形排列；換熱器數(shù)為613根（其中6根為拉桿數(shù)量，實(shí)際換熱管數(shù)為607根）；換熱管長(zhǎng)度為6000mm；換熱器內(nèi)徑為900mm；換熱管中心距為32mm；折流擋板數(shù)為9塊，采用圓缺形且間距為600mm；換熱器與管板的

9、連接方法為焊接法，不需要采用熱補(bǔ)償裝置。二、換熱器的主要因素 完善的換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)基本要求: (1) 合理地實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)（溫度、壓力、流量、相態(tài)等）與物理化學(xué)性質(zhì)（密度、黏度、腐蝕性等）是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，使所設(shè)計(jì)的換熱器有盡可能小的傳熱面積，在單位時(shí)間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。 (2) 安全可靠 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時(shí)，應(yīng)遵照我國(guó)鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定與鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。 (3) 有利于安裝、操作與維修直立設(shè)備的安裝費(fèi)往往低于水

10、平或傾斜的設(shè)備。設(shè)備部件應(yīng)便于運(yùn)輸與裝拆。 (4) 經(jīng)濟(jì)合理 評(píng)價(jià)換熱器的最終指標(biāo)是：在一定的時(shí)間內(nèi)固定費(fèi)用（設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)）與操作費(fèi)（動(dòng)力費(fèi)、消耗費(fèi)、維修費(fèi)）的總和最小。在設(shè)計(jì)時(shí)，如果幾種方案都能完成任務(wù)，這一指標(biāo)尤為重要。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，流體流速是一個(gè)很重要的因素。若選取較大流體的流速獲得較大的換熱系數(shù)，傳遞一定熱量所需的換熱面積小，可降低設(shè)備費(fèi)，但高流速流體能耗大，操作費(fèi)高。反之，選取小流速流體，設(shè)備費(fèi)增加，操作費(fèi)降低。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要選取一個(gè)合適的流速，使換熱器能完成生產(chǎn)任務(wù)的前提下總費(fèi)用降到最小。中小型合成氨廠變換工段濕混合煤氣與變換氣用列管換熱器管程流體速度，一般僅為22.5m

11、/s。三、列管式換熱器的設(shè)計(jì)步驟3.1物料衡算 以每生產(chǎn)一噸氨為計(jì)算基準(zhǔn)3.1.1凈化前組成 每生產(chǎn)一噸氨需半水煤氣量為3592標(biāo)準(zhǔn)米，即0，101.3kpa下，V1總=3592m3。0，101.3kpa下，1kmol氣體的體積為22.4m37。 表1 各氣體的摩爾質(zhì)量H2COCO2N2CH4H2SO2H2OM（kg/kmol）2.016284428.0216.0334.093218.02 以H2作為典型計(jì)算 同理求得其余各組分的y%、ni、m、w%列于表2中 表2 凈化前半水煤氣的組成H2COCO2N2CH4H2SO2y%36.74 32.588.2721.55 0.35 0.31 0.2

12、n(kmol)58.915 52.244 13.262 34.557 0.561 0.497 0.321 m(kg)118.773 1462.832 583.528 968.287 8.993 16.94310.272 w%3.747 46.152 18.410 30.549 0.284 0.5350.3233.1.2凈化后組成凈化過程，半水煤氣中只有H2S的量發(fā)生變化，且要求H2S的摩爾分率降至0.1%，但其他氣體的總的體積量并未發(fā)生變化，則有此體積也是在0，101.3kpa下測(cè)得，故：以H2為典型計(jì)算 同理求得其余各組分的y%、ni、m、w%列于表3中表3 凈化后半水煤氣的組成H2COCO

13、2N2CH4H2SO2y%36.820 32.6488.28821.5950.3510.100 0.198 n(kmol)58.915 52.244 13.262 34.557 0.561 0.1600.321 m(kg)118.773 1462.832 583.528 968.287 8.993 5.45410.272 w%3.761 46.320 18.477 30.660 0.285 0.1730.3243.1.3混合后組成因?yàn)樗魵夂桶胨簹獾捏w積比為1:1所以飽和水蒸氣的體積 則濕混合氣的體積 因?yàn)闉闃?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0，101.3KPa）下對(duì)應(yīng)的體積，所以需將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際狀態(tài)（150，7.

14、48kgf/）下的體積值。 T3=150+273.15=423.15K P0=101.3KPa T0=273.15K 由PV=nRT可得 反應(yīng)后生成H2O H2COCO2N2CH4H2SO2H2O總y%18.42416.337 4.147 10.806 0.175 0.0500.100 49.961100.000 n(kmol)58.91552.244 13.26234.557 0.5610.1600.321159.76319.78m(kg)118.7731462.832 583.538968.287 8.9935.45410.272 2878.8756037.014 w%1.956 24.2

15、319.666 16.039 0.149 0.0900.17047.699 100.000表4 混合氣的組成3.1.4變換氣組成 變換反應(yīng)中，CO的轉(zhuǎn)換率為88%，且O2全部消耗。變換爐中主反應(yīng)：CO + H2O H2 + CO2 （1） 副反應(yīng)：2H2 + O2 2H2O （2）根據(jù)（1）、（2）可知，進(jìn)入換熱器的變換氣組成：在變換爐中，O2 完全反應(yīng)，則有： 變換氣中其它組分未發(fā)生變化，變換氣的總摩爾數(shù)：則經(jīng)過變換爐后，變換氣的各組成如表5：表5 變換氣的組成 H2COCO2N2CH4H2SO2H2O總y%32.6331.96218.54310.817 0.2040.0500 35.791

16、100.000 n(kmol)104.2486.26959.23734.557 0.5610.1600114.427319.459m(kg)210.164175.5322606.428968.287 8.9935.4540 2061.9756036.833w%3.4812.90843.17516.0400.1480.090034.158100.000變換氣從變換爐出來時(shí)： 3.2熱量衡算及物性數(shù)據(jù)3.2.1冷熱流體的摩爾流率 1噸： 熱流體 冷流體 每年估計(jì)天修、中修兩個(gè)月，年工作日按300天計(jì)，年產(chǎn)量為5500噸。5500噸： 熱流體 冷流體 3.2.2冷流體的物性參3.2.2.1冷流體的定

17、性溫度 t1=150,t2=380,3.2.2.2冷流體的比熱3.2.2.2.1常壓下，各氣體在時(shí)的比熱13 表6常壓下，0t時(shí)氣體的平均定壓熱容（kcal/kmol）溫度H2COCO2N2CH4O2H2O2006.947.176.936.979.089.418.073006.967.287.017.0510.0010.098.234006.987.387.087.1310.3010.788.38運(yùn)用內(nèi)插法，可求得： 同理可得其他氣體的定壓比熱容列于表7中。 表7 各氣體在常壓，時(shí)的平均定壓熱容（kcal/kmol）H2COCO2N2CH4H2SO2H2OCp(kcal/kmol.)6.953

18、7.0229.8886.9829.8528.5577.2428.174y（%）18.42416.3374.14710.8060.1750.0500.10049.9613.2.2.2.2常壓下，混合氣體在時(shí)的比熱。 3.2.2.2.3將常壓下，265時(shí)的校正為該溫度，733.333KPa下的。表8 各氣體組分的臨界溫度、臨界壓力9H2COCO2N2CH4H2SO2H2OTc(k)33.2132.9304.2126.2190.6373.2154.6647.3Pc(Mpa)1.2973.4967.3763.3944.6008.9375.04622.05 y（%）18.42416.3374.14710

19、.8060.1750.0500.10049.961查通用熱容校正圖可得：103.2.2.3冷流體的黏度3.2.2.3.1各氣體在時(shí)的黏度表9 各氣體在時(shí)的黏度11H2COCO2N2CH4H2SO2H2O(cp)0.01220.0270.02560.02820.01770.02390.0320.0185 y（%）18.42416.3374.14710.8060.1750.0500.10049.961M(kg/kmol)2.01628.0044.0028.0216.0334.0932.0018.02注：133.2.2.4冷流體的導(dǎo)熱系數(shù)3.2.2.4.1各氣體在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)表10 各氣體在時(shí)的導(dǎo)熱

20、系數(shù)11H2COCO2N2CH4H2SO2H2O0.250.03480.0310.03680.06440.03790.03940.04310.29080.04050.03610.04280.07490.04440.04580.0502y（%）18.42416.3374.14710.8060.1750.0500.10049.961M(kg/kmol)2.01628.0044.0028.0216.0334.0932.0018.023.2.2.4.2混合氣在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)3.2.2.5冷流體的密度3.2.2.5.1各氣體在，P=733.333KPa時(shí)的密度表11 各氣體在，P=733.333KPa下的

21、密度H2COCO2N2CH4H2SO2H2Oy（%）18.42416.3374.14710.8060.1750.0500.10049.961M（kg/kmol）2.01628.0044.0028.0216.0334.0932.0018.020.33044.58927.21164.59252.62735.58745.24482.9535 3.2.2.5.2混合氣在,P=733.333KPa時(shí)的密度3.2.2.6冷流體的吸熱量3.2.2.7冷流體的平均摩爾質(zhì)量3.2.3熱流體的物性參數(shù)3.2.3.1熱流體的出口溫度 設(shè)T2=220 T1=470 用內(nèi)插法求得各氣體在時(shí)常壓下的比熱列于表12。表12

22、 用內(nèi)插法求得各氣體在時(shí)常壓下的比熱H2COCO2N2CH4H2SO2H2Oy%32.6331.96218.54310.8170.2040.050035.791Tc(k)33.2132.9304.2126.2190.6373.2154.6647.3Pc(Mpa)1.2973.4967.3763.3944.6008.9375.04622.05Cp(kcal/kmol.)6.9697.08610.1357.041510.40059.7507.3258.2975查通用熱容校正圖可得：11 所以試差成功，取T2=2203.2.3.2熱流體的定性溫度 3.2.3.3熱流體的比熱 3.2.3.4熱流體的黏

23、度3.2.3.4.1各氣體在時(shí)的黏度表13 各氣體組分在時(shí)的黏度H2COCO2N2CH4H2SO2H2O(Cp)0.01430.03150.02410.03210.02030.02810.03590.0227y(%)32.6331.96218.54310.8170.2040.05035.791M(kg/kmol)2.01628.0044.028.0216.0334.0932.0018.02注：3.2.3.5熱流體的導(dǎo)熱系數(shù)3.2.3.5.1各氣體在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)表14 各氣體在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)11H2COCO2N2CH4H2SO2H2O0.28300.03920.03610.04030.07930.

24、04370.04410.0860.03290.04560.04190.04690.09220.05280.05130.086y（%）32.6331.96218.54310.8170.2040.050035.791M(kg/kmol)2.01628.0044.0028.0216.0334.0932.0018.023.2.3.5.2變換氣在時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)3.2.3.6熱流體的密度3.2.3.6.1各氣體在，P=705.882KPa時(shí)的密度表15 各氣體在,P=705.882KPa時(shí)的密度H2COCO2N2CH4H2SO2H2Oy（%）32.6331.96218.54310.8170.2040.050

25、.0035.791M（kg/kmol）2.01628.0044.0028.0216.0334.0932.0018.020.2773.84726.04563.84992.20254.68394.39682.47593.2.2.6.2各氣體在時(shí)的密度（705.882KPa）3.2.2.7熱流體的平均摩爾質(zhì)量3.2.4冷熱流體的物性表表16 冷熱流體的物性表摩爾流率導(dǎo)熱系數(shù)黏度比熱Cp平均摩爾質(zhì)量平均密度定性溫度kmol/h冷流體244.2760.05917.850618.87843.0942265熱流體244.0310.09888.087118.89642.59633453.3冷熱流體的流程安排換

26、熱器內(nèi)流體流程流程安排依據(jù)： (1) 粘性大的流體應(yīng)走殼程，流體在有折流板的殼程流動(dòng)時(shí)，在較低的雷諾數(shù)下，即可達(dá)湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。 (2) 壓力高的流體走管程，因?yàn)楣茏又睆叫?，承受壓力的能力好，還避免了采用高壓殼體和高壓密封。 (3) 具有腐蝕性的流體走管程，這樣可以用普通材料制造殼體，而管束、管板和封頭要采用耐蝕材料。 (4) 蒸汽一般通入殼程，因?yàn)檫@樣便于排除冷凝液，而且蒸汽教清潔，其給熱系數(shù)又與流速關(guān)系小。 (5) 需要提高流速以增大其給熱系數(shù)的流體應(yīng)當(dāng)走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)截面積小，而且易于采用多管程以增大流速。 (6) 被冷卻的流體應(yīng)走殼程，便于散熱。 分析濕混合煤氣和變換氣的物理

27、化學(xué)性質(zhì)：本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，濕混合煤氣的壓力大于變換氣的壓力；而且濕混合煤氣中水汽處于飽和狀態(tài)，H2S造成的腐蝕性大，而變換氣中水汽處于不飽和狀態(tài)，故H2S造成的腐蝕性較小；而且變換氣是被冷卻的流體。 根據(jù)上述流程安排依據(jù)，綜合考慮：冷熱流體流程設(shè)計(jì)為濕混合煤氣走管程，變換氣走殼程。3.4管殼程數(shù)及流體流型的確定 權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的得失后，確定為單管程單殼程。 根據(jù)冷熱流體的流程安排和所設(shè)計(jì)的管、殼程數(shù)（單殼程單管程）確定兩流體呈逆流。 設(shè)計(jì)該換熱器逆流操作有兩方面原因：在冷熱流體進(jìn)出口溫度相同的情況下，逆流的對(duì)數(shù) 平均傳熱溫差恒大于并流，所需的傳熱面積比并流時(shí)的少，則設(shè)備費(fèi)較低；逆流還

28、可以節(jié)省冷卻劑或加熱劑的用量。3.5傳熱平均溫差的計(jì)算 已知 t1=150oC t2=380oC T1=470 oC T2=220oC 因?yàn)樵摀Q熱器是逆流操作，則 t1=T1-t2=470 oC - 380oC =90.000oC t2=T2-T1= 220oC-150oC=70.000oC 3.6估算傳熱面積表17 列管式換熱器K值的大致X圍高溫流體低溫流體總傳熱系數(shù)K（kcal/h） 氣體(612atm) 氣體(612atm)3060 根據(jù)列管式換熱器中K值的大致X圍，取K=30kcal/h,由傳熱基本方程式 3.7結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.7.1管程設(shè)計(jì)-確定換熱器規(guī)格、管數(shù)和布管 初選管程流速 選用

29、252.5冷拔無縫鋼管 對(duì)于在時(shí)的： 對(duì)于在時(shí)的體積流率： 粗算列管根數(shù)： 確定列管在管板上的排列方法為正三角形排列，因?yàn)檎切闻帕斜容^緊湊，管外流體湍動(dòng)程度高，對(duì)流傳熱系數(shù)大。 表18 正三角形排列時(shí)管板上排管數(shù)目六角形的層數(shù)a對(duì)角線上的管數(shù)b不計(jì)弓形部分時(shí)管子的根數(shù)弓形部分管數(shù)管板上排管的總數(shù)在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第三排在弓形部分內(nèi)總管數(shù)122546984851713275479266613 表18是正三角形排列時(shí)不同層數(shù)對(duì)應(yīng)可排列的管子數(shù)，當(dāng)管子排列大于六層（管數(shù)超過127根），管束外緣與殼壁之間弓形區(qū)域應(yīng)增排管子。這樣既可以充分利用設(shè)備空間，又可以防止殼程流體短路旁流，

30、有利于傳熱。 根據(jù)表18確定管數(shù)，b=27。 對(duì)于正三角形排列，布管限定圓直徑表19 換熱器中心距換熱管外徑d0(mm)換熱管中心距t(mm)分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距tn(mm)253244 式中，為列管束最外層換熱管外壁到殼體內(nèi)壁的最小距離mm，,且不小于10mm。 相應(yīng)調(diào)整，3.7.2設(shè)置拉桿 為固定折流板或管子支持板，必須設(shè)置帶有同心定距管的拉桿（適用于換熱器外徑大于或等于19mm的管束）。 表20 拉桿直徑 表21 拉桿數(shù)量換熱器外徑mm拉桿直徑mm2516 拉桿直徑mmmmmm 公稱直徑DN 9001300166由表20和表21，確定拉桿直徑為16mm，拉桿數(shù)量為6根。拉桿應(yīng)盡量均

31、勻布置在管束的外邊緣，對(duì)于大直徑的換熱器，在布管區(qū)內(nèi)靠近折流板缺口處也應(yīng)布置適當(dāng)數(shù)量的拉桿。 一般每一根拉桿將占據(jù)一根換熱管的位置，根據(jù)管子排列層數(shù)a所對(duì)應(yīng)的管子數(shù)，扣除拉桿數(shù)，即獲得實(shí)際的換熱管數(shù)n。 實(shí)際的換熱管數(shù)根。3.7.3確定管程流速 3.7.4殼程設(shè)計(jì)3.7.4.1確定換熱管長(zhǎng)度 前面估算的傳熱面積 選取標(biāo)準(zhǔn)化L=6000mm 長(zhǎng)徑比 因?yàn)閾Q熱器豎放時(shí)長(zhǎng)徑大于6之間，因此所設(shè)計(jì)換熱器為臥式。3.7.4.2管外傳熱面積的設(shè)計(jì)值A(chǔ)0 3.7.4.3設(shè)置折流板 為加大殼程流體的湍動(dòng)程度，提高傳熱系數(shù)，還可代替支撐板起的支撐管子作用，當(dāng)列管長(zhǎng)度確定后，有式中 L列管長(zhǎng)度，m； h板間距，m

32、； 確定選用圓缺形折流擋板，則弓形高度hd一般為外殼內(nèi)徑的2045%。 取弓形高度 hd=25%，取 一般取板間距h=0.21D， 取h=600mm采用我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化的擋板間距，選用600mm板間距，有指導(dǎo)書查得，do=32mm的管子最大。 擋板數(shù)3.7.5核算傳熱面積A3.7.5.1管程對(duì)流傳熱膜系數(shù) 在管程定性溫度265下，物性數(shù)據(jù)前面已經(jīng)求得： m2=2.1710-5Pas M=18.8784 kgkmol-1 m2=5.9110-2wm-1k-1 m2=3.0942kgm-3 Cpm2=（7.85064.187）KJkmol-1K-1= 根據(jù)公式：，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4 當(dāng)Re=20

33、0010000時(shí)， 3.7.5.2殼程對(duì)流傳熱膜系數(shù) 在殼程定性溫度345oC下，物性數(shù)據(jù)前面已經(jīng)求得： m1=2.3810-5Pas M=18.8964 kgkmol-1 m1=0.0988wm-1K-1 m1=2.5963kgm-3 Cpm=（8.08714.187）KJkmol-1K-1= 假設(shè)壁溫Tw=335 管子按正三角形排列時(shí)，當(dāng)量直徑 流體流過的最大截面積S 當(dāng)殼程設(shè)置有25%的圓缺形擋板： 壁溫 當(dāng)Tw=335oC，查得各組分的黏度如下：表22 各氣體在Tw=335oC的黏度H2COCO2N2CH4H2SO2H2O(Cp)0.01410.03400.02850.03150.02

34、000.02720.03500.0281在此溫度下，變換氣的黏度 因此假設(shè)成立，璧溫3.7.5.3污垢熱阻Ra的確定 由指導(dǎo)書上可知，半水煤氣之類氣體的污垢熱阻可以取為0.0010.002（m2hoCkcal-1），所以選取污垢熱阻Ra為0.0015（m2hoCkcal-1）。 管外壁污垢熱阻Ra0=0.0015（m2hoCkcal-1） = 管內(nèi)壁污垢熱阻Rai=0.0015（m2hoCkcal-1） = 3.7.5.4管壁熱阻 式中：b為管壁厚度，m；為管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，；管壁材料為鋼，鋼的導(dǎo)熱系數(shù) 3.7.5.5傳熱系數(shù)K0 以列管外表面Ao為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)Ko按下式 式中： 3.7.

35、5.6核算傳熱面積A0按傳熱基本方程式計(jì)算需要的管外傳熱面積裕度3.8計(jì)算阻力壓降3.8.1管程阻力損失 流體流經(jīng)管式換熱管時(shí)由于流動(dòng)阻力而產(chǎn)生一定壓降，所以換熱器設(shè)計(jì)必須要滿足工藝要求的壓力降,則用下面公式計(jì)算總壓將 式中 Pt因摩擦阻力引起的壓降 Ft結(jié)垢系數(shù)，對(duì)于252.5mm管，取1.4 NS取殼程數(shù) Np管程數(shù)每程直管的壓降： 因?yàn)檩p度腐蝕的無縫鋼管，絕對(duì)粗糙度=0.2mm。 查摩擦系數(shù)與Re及的實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖可得：=0.04627每程局部阻力引起的壓降（包括回彎和進(jìn)、出口）又因?yàn)樵O(shè)計(jì)的管殼程數(shù)為單管程單殼程 則管程總壓降 Pt=(136.4138+21.8977)111.4=172.2

36、914Pa又因?yàn)橐鬅峤粨Q管殼程的壓力降小于250mm水柱。 故，即管程壓降符合要求的壓降X圍。3.8.2殼程阻力損失 殼程的流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，常用埃索法計(jì)算： 式中 P1流體橫向通過管束的阻力損失 P2流體通過折流擋板缺口的阻力損失 Fs殼程校正系數(shù) Fs =1.0； Ns串聯(lián)殼程數(shù) Ns=1.0； F管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)的校正系數(shù)，正三角排列F=0.5； =5.0Reo-0.228； ； 0殼體流體的密度kg/m； 0殼程流體的黏度Pa.s； d0管外徑m； u0按殼程最大截面積計(jì)算的流速m/s； nc橫過管束中心線的管數(shù)； 單程數(shù)正三角形排列nc=1.1； n換熱器總管數(shù)； h折流擋板間距

37、m； D換熱器內(nèi)徑m； NB折流擋板數(shù) NB=9； ； ； 則殼程總壓降Ps=(P1+P2)FsNs =(1817.3894+441.6392)11 =2259.0816Pa 因?yàn)镻s P(250mmH2O)=2451.6Pa，所以殼程壓降符合要求的壓降X圍。3.9計(jì)算溫差應(yīng)力，確定熱補(bǔ)償方法3.9.1換熱器壁溫的計(jì)算14 熱流體側(cè)的壁溫： 冷流體側(cè)的壁溫： 一般情況下取 式中： K以換熱管外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的總傳熱系數(shù)，w/()； rdh熱流體側(cè)污垢熱阻，/w； rdc冷流體側(cè)污垢熱阻，/w； Tm,tm分別為熱、冷流體的平均溫度，； Ti,T0分別為熱流體的進(jìn)、出口溫度，； Ti,to分別

38、為冷流體的進(jìn)、出口溫度，； tt管壁溫度，；ts殼壁溫度，； tm流體的有效平均溫差，； 冷流體側(cè)以換熱器外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的給熱系數(shù)，w/()； 熱流體側(cè)以換熱器外表面積為基準(zhǔn)計(jì)算的給熱系數(shù)，w/()。， ， ， ， 3.9.2圓筒壁溫的計(jì)算當(dāng)圓筒外部有良好的保溫，或殼程流體溫度接近于環(huán)境溫度，或傳熱條件使得圓筒壁溫接近介質(zhì)溫度時(shí)，殼體壁溫取殼程流體的平均溫度。3.9.3溫差應(yīng)力的計(jì)算15 管子或殼體中的溫差軸向力： 管子及殼體中的溫差應(yīng)力： 式中：Et,Es分別為管子和殼體材料的彈性模量，MPa； 分別為管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，1/； to安裝時(shí)的溫度，； tt ,ts分別是為操作狀

39、態(tài)下管壁溫度和殼壁溫度，。 管子所選材料20，殼體材料為20R。 ， ， ， ， 其中：為列管式換熱器外壁的厚度，mm。3.9.4確定熱補(bǔ)償方法 一般，當(dāng)管束與殼體的壁溫差大于50時(shí)，就需要采用一定的熱補(bǔ)償裝置。 因?yàn)?所以，不需要采用熱補(bǔ)償裝置。3.10設(shè)計(jì)管箱和接管3.10.1管箱換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間稱為管箱，管箱的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆，利于檢修和清洗拆下管箱。管箱的作用是將管道輸送來的流體均勻分布到每個(gè)傳熱管和把管內(nèi)流體匯集在一起送出換熱器。因?yàn)椴捎玫氖枪潭ü馨迨綋Q熱器，而且年產(chǎn)量較小，換熱溫差較小，為了降低設(shè)備成本，所以不設(shè)置管箱，而采用與管板制成一體的固定管板筒體，再與封頭焊接在一起

40、，設(shè)計(jì)筒體參數(shù)為：耐受外壓壓力為1.0MPa，材料為20R，公稱直徑DN=900mm，長(zhǎng)度L=90mm。3.10.2接管 接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置，接管內(nèi)表面宜與殼體內(nèi)表面平齊，接管與外部線可采用焊接連接。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度高于300時(shí)，必須采用整體法蘭。 水煤氣進(jìn)、出口料管：20010的熱軋無縫鋼管，材料20； 變換氣進(jìn)、出口料管：15010的熱軋無縫鋼管，材料20； 排氣口：386的冷軋無縫鋼管，材料20。3.11確定換熱管與管板連接方法 換熱管與管板的連接方法通常采用的脹接法和焊接法，只有在密封有特殊要求的場(chǎng)合，才采用脹焊并用。 焊接法可用在壓力40kgfcm-2以上或溫度高于300的系統(tǒng)，而且焊接工藝比脹接工藝簡(jiǎn)單，本次設(shè)計(jì)的換熱器溫度和壓力均小于允許最大值，設(shè)計(jì)的溫度大于300，因此優(yōu)先選用焊接。3.12化工工藝設(shè)計(jì)參數(shù)匯總 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果參數(shù)管程殼程摩爾流速/kmolh-1244.276244.031進(jìn)口溫度/oC-1150470出口溫度/oC-1380220壓力/kgfcm-27.487.20 物性定性溫度/oC265345密度/kgm-33.09422.5963定壓比熱容/kcalkmol-1oC-17.85068.0871粘度/pas2.1710-52.3810-5熱導(dǎo)率/wm-1k-10.05910.0988 換熱器主要參數(shù)形式列管式臺(tái)數(shù)1殼體