合成氨冷卻器設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書目錄目錄 11 換熱器概述 4.1.1 列管換熱器結(jié)構(gòu) 4.1. 2 列管換熱器分類 5.1. 3 列管換熱器主要部件 6.2 換熱器工藝設(shè)計 82.1 換熱器工藝方案確定 8.2.1.1 冷卻介質(zhì)選擇 8.2.1.2 換熱器類型選擇與流體流動路徑選擇 8.2.1.3 流體流速選擇 8.2.2 列管式換熱器的工藝計算 9.2.2.1 確定物性數(shù)據(jù) 9.2.2.2 初算換熱器傳熱面積 103 主要工藝與基本參數(shù)計算 113.1 換熱管相關(guān)設(shè)計 113.2 其他部件相關(guān)設(shè)計與計算 114 換熱器核算 124.1 傳熱能力核算 124. 2 換熱器壓降計算與校核 155 換熱器主要工藝

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)和計算結(jié)果一覽表 16參考文獻 18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：6000Nm3/h入口溫度145 C,出口溫度57 C;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/m 3;粘度為： 0.0155mPa.S ;比熱容為：1.9 kJ/ （ kg. C）導熱系數(shù)為：0.058 W/ （ m. C； （ 3 ）冷卻水水質(zhì)：處理過的軟水 全年最高溫度： 30 C3 設(shè)計要求 完成換熱器的工藝設(shè)計,主要包括：等;1)設(shè)

3、計方案的確定： 逆流或并流,冷卻水進出口溫度、 流體流速擇換熱器形式和流體的空間確定; 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、食品與其它許多工業(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

4、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、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

5、可以選用的結(jié)構(gòu)材料范圍廣，故適應(yīng)性強、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4 / 18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

6、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，當管壁與殼壁溫差較大時，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(yīng)力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50 C以上時，為安全起見，換熱器應(yīng)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 °C和殼程流體

7、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 的作用，就應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。（ 2）浮頭式換熱器浮頭式換熱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5 / 18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(yīng)力。但其結(jié)構(gòu)復雜、笨

8、 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

9、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 _19mm X2mm 和L25mm X2.5mm 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，在上面幵孔以裝設(shè)換熱管束

10、，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

11、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。11 / 18在合成氨生產(chǎn)過程中，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與一氧化碳的轉(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與某些換熱器，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 C,出口溫度40 Co2.1

12、.2 換熱器類型選擇與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 C,出口溫度57 C;(2) 冷卻介質(zhì)：處理后軟水，入口溫度30 C,出口溫度40 C；由于變換氣被冷卻且要求壓力降不允許超過5000N/仃，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, 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(yīng)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

13、，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Re>10 4，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 o2.2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= 30 C +40 C 2=35 C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)流體定性溫度/ C密度/(kg/m 3)黏度/Pa?s比熱容/ : kJ/(kg? O 熱導率/ : W/(m? O 混合氣體103.50.9250.01551.90.058冷卻水35

14、9940.7254.080.626已知換熱器的體積流量為 6000Nm 3/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=6000 X 150+272273=9296.7m3/h222初算換熱器傳熱面積(1 )熱負荷與冷卻介質(zhì)消耗量計算熱負荷Q二V Cpi(T2-Ti)=9296.7X 0.925 X 1.9 X-550CU1.5196X 106kj/h=422.08kw冷卻水消耗量：Vo =Q p OCPOt2t1 = 1.5196X 64008 X 994 X-3K0=37.467m3/h(2) 計算平均溫差 匚，并確定管程數(shù)先取逆流流向，先按單殼程單管程

15、考慮，計算出平均溫度差？ tm? tm '=?t2 -?t1ln?t2?t1=150-C0 C -(57 G30 C )ln150 -C0 C(57C-30 C )=59.09 C相關(guān)參數(shù)R=T1-T2t2-t1=150 C-57 C 40 G30 C =9.3P=t2-t1T1-t1=40 C-30 C 150 G30 C =0.0833根據(jù)如=(R2+1)R-1I nln 1-P1-PRI n2-P(1+R-R2+1)2-P(1+R+R2+1)代入數(shù)據(jù)得 如=0.969如=0.969>0.8，可見用單殼程單管程合適。因此平均溫度差?tm= ipX ?tm'=0.969

16、 X 59.09=57.2 C(3) 按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K估選取 K 估=120W/m2. C4）初算出所需傳熱面積 SS二QK?tm=422.08120X 59.09=59.53m23 主要工藝與基本參數(shù)計算3.1 換熱管相關(guān)設(shè)計（1 ）換熱管規(guī)格與材質(zhì)的選定選用? 25mmX 2.5mm 鋼管，管內(nèi)流速 ui=20m/s（2）換熱管數(shù)量與長度的確定來Zr管數(shù)N=msi n 4di2ui=9296.7- 3600 n 4 X 0.022 根20=429管長L=SN n d0=59.53429 X 3.14 X 0.025=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

17、 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Di=tnc-1+2b'式中 管中心距 t=1.25do=1.25 X 25mm=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'=1.5 X do=1.5 X 0.025m=0.038m。3.2 其他部件相關(guān)設(shè)計與計算（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=1.25 do=1.25 X 25mm=32mm ;橫過管中心線數(shù) nc=1.1N=1.1429=22.8 取整 nc=

18、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 X 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 X 800=200mm，取h=200mm。去折流板間距為 B=0.3Di=0.3 X 800=240mm，取40mm。則折流板數(shù)NB=傳熱管長折流板間距-1=2000240-1=7.33 "塊折流板圓缺水平面安裝。（3）溫度補償圈選用150 C +57 C2 30 C +40 C 2=103.5 -（35 C =68.5 C >50 C故需考慮設(shè)置補償圈，設(shè)

19、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 ? 25mmX 2.5mm 的定距管。4 換熱器核算(1 )殼程對流給熱系數(shù)ao的計算對于圓缺形折流板采用科恩公式計算a 0=0.36 入 deRe0.55Pr?3w0.14式中 當量直徑由正三角形排列得de=432t2- n 4do2 n do=4320.0322- n 4 X 0.02523.14 X 0.025=0.020m殼程流通截面積 So=BD1- d0t=0.24 X 0.8 -0X.01250.032=0.042m2uo二voSo=37.467-

20、36000.042=0.248m/s雷諾數(shù)Reo=deuo p o 口 o=0.020 X 0.248 X 9940.723=680010普朗特數(shù)Pro=cpouo 入 o=4.08 X 103 X 0.72-30.626=4.73取粘度校正系數(shù)? w0.14=1.05則a 0=0.360.6260.020 X 68000.55 X 4.7313 X 1.05=2546.07W/m2? C(2)管程對流給熱系數(shù)ao的計算a i=0.023 入 idiRei0.8Pri0.3式中 管程流通截面積Si= n Ndi2=3.14 X 0.0202 X 429=0.135管程流體流速、雷諾數(shù)與普朗特數(shù)

21、分別為ui二viSi=9296.7- 36000.135=20.0m/sRei二diuip i 口 i=0.020 x 20.0 x 0.92503=23871 x 10Pri二cpiui入 i=1.9 x 103 x 0.0305358=01508a i=0.0230.0580.02238710.80.5080.3=193.53 W/m2?總傳熱系數(shù)由下式計算K 計=11 a o+Rso+do a idi+Rsidodi+bdo入 dm式中 取水側(cè)和變換氣側(cè)污垢熱阻均為0.26 x -3m2? C /W碳鋼導熱系數(shù)入=45W/m? Cdm=do+di2=25+2020.0225mK 計x 0

22、.=112546.07+026 x -130+25193.53 x 20+0.26 x-3x102520+0.025002545 x 0.225=121.93W/m2? C(3) 傳熱面積的計算理論傳熱面積A=QK 計 ?tm=422.08 x 103131.93 x 57.23=60.48m2該換熱器的實際傳熱面積Ap= n doLNT=3.14 x 0.025-0X12 x 429=64.0m2面積裕度為H=Ap- AAX 100%=64.0 -60.4860.48 X 100%=6%4. 2 換熱器壓降計算與校核（1 ）管程壓降校驗（變換氣）?Pi=?P1+?P2FtNSNP式中， NS

23、，NP 管程和殼程數(shù)均為 1 ；Ft? 25mmX 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、出口壓力降）的壓力降?P1=入 iLdi+ E p iui22換熱管為新無縫鋼管，所以取換熱管壁粗糙度為s =0.1mm,則£ di=0.005，而 Rei 2.5 X，查圖得 入 i=0.033,流速 ui=20m/s,密度p i=0.925kg/m3 .所以：?P1=0.03320.02+1.50.925X 2022=888N/m2?Pi=888+ 0X 1.4 X 1X 1=1243.2N/m2<5000Pa管程壓降滿足要求。（ 2）殼程壓降校驗（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+1p, ouo22F=0.5 ；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'=0.5 X 0.669 X 23 X 7+1 X 994 X 0.24822=1881.4N/m2? P2&#