年产10万吨合成氨半水煤气冷却器设计说明书

本设计通过对半水煤气冷却器的研究，对管壳式换热器有了初步的认识，根据给定的流体参数和各种工艺要求并且依据相关的专业知识来设计相应的管壳式换热器。本文首先是根据给定的原始数据进行工艺计算，然后选定换热器型号。这篇设计采用的是固定管板式换热器，确定换热参数。之后进行结构设计和强度计算，进行所需工况的校核，结果都需满足要求。最后进行接管补强等，结果都满足要求。然后根据标准选取接管、法兰、支座、垫片等部件。最后利用计算机CAD绘图软件绘制半水煤气冷却器的装配图、零部件结构图，编制有关技术文件。关键词 管壳式换热器 工艺计算 强度计算Based on the research of semi-water gas cooler, this design has a preliminary understanding of shell and tube heat exchanger, according to the given fluid parameters and various process requirements and according to the relevant professional knowledge to design the corresponding shell and tube heat exchanger. In this paper, the process calculation is carried out according to the given original data, and then the type of heat exchanger is selected. This design USES a fixed tube-plate heat exchanger to determine the heat transfer parameters. After that, the structural design and strength calculation were carried out, and the required working conditions were checked, and the results were all required to meet the requirements. In the end, the results meet the requirements. Then according to the standard selection of nozzles, flanges, bearings, gaskets and other parts. At last, the assembly drawing and component structure drawing of semi-water gas cooler are drawn with CAD drawing software, and relevant technical documents are compiled.Key words shell and tube heat exchanger process calculation strength calculation绪论1.1换热器介绍换热器是工程技术中广泛应用的关于冷热流体相互交换热量的机械设备。随着国民经济的可持续快速发展，换热器在各个行业的应用也越来越广泛。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。在工业生产中，换热器的主要作用是将热量由高热量的流体传递到低热量的流体，使得流体的温度达到工艺流程规定的标准，以满足工业生产中的工艺流程需要。除此之外，换热器也是回收余热、废热尤其是低级热能的有效装置。换热器作为工业生产中的一种广泛使用的节能设备，换热器在工业上的批量使用能够有效地提升能源的利用率，使得生产企业的成本损耗降低，效益明显提高。随着企业生产规模的不断提升与壮大，对换热器的要求也愈发的突出，使得换热器向着大型化，并且能够适应高温与高压的环境不断发展。换热器的强化传热就是采用一定的措施增大换热设备的传热速率，力图用较少的传热面积或体积的设备来完成传热任务。各类强化型换热器在石油、化工、制冷、航空、车辆、动力机械等工业部门已得到广泛应用。强化传热已被学术界称为第二代传热技术。换热器的强化途径主要有：提高传热系数，扩大传热面积，增大传热温差等。其中提高传热系数是当今强化传热的重点。传热系数的大小主要取决于换热器中两种流体的对流传热系数、污垢层的热阻和换热管管壁的热阻等。一般情况下换热管管壁的热阻比较小，可以忽略不计，而主要通过在管内装入各种强化添加物(内插物)，设置挡板，增强湍流强度和延缓污垢层的形成等措施，达到提高传热系数的目的。在实际的操作过程中可以通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面强化换热器的传热。1.2课题背景合成氨工业作为我国农业和工业的原料基础，它的发展对有着重要的意义。我国从建国以来，合成氨工业从无到有经历直到现在的处于国际新进行列。而在合成氨生产过程中，始终伴随着热量的交换。热交换器性能的优劣直接决定了合成氨系统能否经济运行。正基于此，新材料、高性能换热器技术也正逐步渗透到合成氨工业生产中，且日益显示出其巨大的作用。1.3课题的研究目的和意义在炎热的夏季，进入一段压缩机的半水煤气温度较高，直接降低了压缩机的打气量，因此在夏季合成氨产量会大幅降低。如果将半水煤气的温度降低5则压缩机的排气量可增加3%左右，所以半水煤气的冷却效果对合成氨后工序的生产非常重要。本课题就是针对这一问题进行半水煤气冷却器的强化传热设计，以达到提高冷却器的传热效果、降低半水煤气的温度、减小设备体积、降低设备造价的目的。换热器的工艺计算2.1设计任务和技术要求设计任务：年产10万吨合成氨半水煤气冷却器技术要求：（1）将半水煤气从45oC冷却到25oC。（2）冷却介质采用冷水，入口温度10oC，出口温度15oC。（3）换热器的管程和壳程的压降10kpa。表2-1半水煤气干气组成组分H2COCO2O2N2CH4+Ar%36.933.86.10.222.50.2+0.32.2热流量Q0的计算由公式P1V1T1=P2V2T2可得V2=P1V1T2T1P2=40000100(273.15+35)(140+100)273.15=18802.2kg/h取定换热器热效率为=0.98Q0=V2Cp2T0-T1=18802.27.2745-250.98=2679163.08kJ/h=744.2kw2.3冷却水用量：Wi=Q0Cp1t1-t0=2679163.084.185=129116.3kg/h2.4流体的平均温度：因给热系数公式要求，要用流体的算术平均温度Tm=0.5T1+T0=0.525+45=35tm=0.5t0+t1=0.510+15=12.52.5平均温度下的物性参数2.5.1 tm=12.5时，水的物性参数查工程常用物质的热物理性质手册P43黏度：1=1.220510-3pas或Nsm-2密度:1=999.35kg/m3导热系数：1=0.59w/mk定压比热容：Cp1=4.18kJ/kgk2.5.2 Tm=35时，半水煤气的物性参数2.5.2.1半水煤气的黏度由附录1-6-3可得=yii(t)MiyiMi式中半水煤气在温度t时的黏度； yi水煤气中组分i组分的分子分数； i(t)半水煤气中i组分在温度为t时的黏度； Mi半水煤气中i组分的分子量。查附录表1-6-1至1-6-8可得表2-2半水煤气各组分黏度组分H2COCO2O2N2CH4+Ar黏度90.5180.0150.0210.0282.0114.8+233.52=yiitMiyiMi=2290.536.9+22818033.8+2446.1150+2322100.2+22.5282228+0.2114.8216+0.3233.52402236.9+22833.8+2446.1+0.2232+22822.5+2160.2+2400.3=1.960810-5Pas2.5.2.2半水煤气的密度在压强为几个大气压以下时，各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，压强越低，符合越好，在压强趋于零的极限下，严格遵循。由公式P1V1T1=P2V2T2可得：V2=P1V1T2P2T1=0.122.4(273.15+35)273.15(0.14+0.1)=10.5则：2=0.3692+0.33828+0.06144+0.00232+0.22528+0.00216+0.0034010.5=1.85kg/m32.5.2.3半水煤气的导热系数由附录1-7-2可查得=yii(t)3Miyi3Mi式中半水煤气在温度为t时的导热系数；yi半水煤气中i组分的分子分率；i(t)半水煤气中i组分在温度为t时的导热系数；Mi半水煤气中i组分的分子量。查附录图1-7-1到1-7-6可得2-3半水煤气各组分导热系数组分H2COCO2O2N2CH4+Ar导热系数1575.0220.047.5230.0225.0325.5+160.02=yii(t)3Miyi3Mi=(36.91575.032+33.8220328+6.147.5344+0.2230332+22.5225328+0.2325.5316+0.3160340)10-336.932+33.8328+6.1344+0.2332+22.5328+0.2316+0.3340=112673.43241.1510-3=0.47623千卡米小时=0.5539WmK2.5.2.4半水煤气的定压比热容由附录1-5-16可得：Cp=yiCpi(t)式中：Cp半水煤气在温度为t时的定压比热容；yi半水煤气中i组分的分子分数；Cpi(t)半水煤气中i组分在温度为t时的定压比热容。查附录图1-5-1到1-5-8可得：2-4半水煤气各组分定压比热容组分H2COCO2O2N2CH4+Ar定压比热容6.916.899.077.227.978.51+4.98Cp2=yiCpit=0.3696.91+0.3386.89+0.0619.07+0.0027.22+0.2257.97+0.0028.51+0.0034.98=7.27千卡公斤分子表2-5管程流体和壳程流体的有关物性参数黏度Pas密度kg/m3导热系数Wm-1k-1定压比热容kJ/kgk-1冷水1.2210-3999.350.594.18半水煤气1.9610-51.850.557.272.6 平均有效温差tm按照纯逆流计算：t=T0-t1-T1-t0lnT0-t1T1-t0=30-15ln3015=21.6由热交换器原理与设计式（3-20）计算参数P、R：参数P：P=t1-t0T0-t0=15-1045-10=17参数R：R=T0-T1t1-t0=45-2515-10=4换热器按照单壳程4管程设计，查图3-8得温差校正系数=0.83有效平均温差：tm=t=0.8321.6=17.9282.7根据需求选取Q235材料作换热管管子外径d0=0.025m管子内径di=0.025-20.0025=0.02m管子长度取为L=3m2.8管程换热系数计算 由热交换器原理与设计附录10可假定传热系数K0=200W/m2初选传热面积：A0=QoK0tm=744.220017.928=207.55m2管子总数：n=A0d0l=207.550.0253=881.3取888根管程流通截面积：At=nt44di2=888440.022=0.0697m2管程流速：1=Wi1At3600=129116.3999.350.06973600=0.52ms管程雷诺数：Re1=1d11=999.350.20.521.220510-3=85155.6104（湍流）管程给热系数1：Re=d11r11=0.020.52999.351.2210-3=85191=0.0231d1d11r110.8Cp1110.4=0.0230.590.0250.0250.52999.351.220510-30.84.181.220510-30.590.4=135.2Wm22.9结构初步设计管间距s=0.032m，取1.25d0管束中心排管数:Nc=1.1Nt=1.1888=32.8取32根；壳体内径：Di=sNc-1+4D0=0.03232-1+40.025=1.092m取Di=1.1；长径比：LDi=2.7合理，选用弓形折流板；弓形折流板弓高：h=0.2Di=0.21.1=0.22m；折流板间距：B=Di/3=1.1/3=0.37m；折流板数量：nB=L/B-1=(3/0.33)-1=8折流板上管孔直径由GB 1512014可确定为0.0254mm；折流板直径由GB 1512014可确定为1.1995m。2.10壳程换热系数计算壳程流通面积：根据公式流体横过管束时流道截面积Ac1=BDi1-d0s=0.371.11-0.0250.032=0.089m2壳程流速：2=V236002Ac1=18802.236001.850.089=31.7ms壳程质量流速：W2=22=31.71.85=58.65kgm2s壳程当量直径：De=Di2-Ntd02Ntd0=1.12-8880.02528880.025=0.03m壳程雷诺数：Re2=22De2=1.8531.70.031.960810-5=8.97104切去弓形面积所占比例按照h/Di=0.2，查图可知，数值为0.145壳程传热因子查图可得js=85管壁温度假定值为tw2=25壁温下半水煤气黏度：查附录表1-6-1至1-6-8可得表2-6壁温下半水煤气各组分黏度组分H2COCO2O2N2CH4+Ar黏度88.5175.0140.0207.5177.0110.0+225.0w1=yiitMiyiMi=2288.536.9+22817533.8+2446.1140+232207.50.2+22.5177228+0.2110.0216+0.32252402236.9+22833.8+2446.1+0.2232+22822.5+2160.2+2400.3=1.6010-5Pasw2=1.6010-5Pas黏度修正系数：1=（2w2）0.14=（1.961.60）0.14=1.0288半水煤气的普朗特数为：Pr=1000cp222=10007.271.960810-50.5539=0.257壳程换热系数：2=2DePr13js=0.55390.030.257131.028885=1026.52.11传热系数计算查热交换器P212可得管程冷水和壳程半水煤气的污垢热绝缘系数为：r1=17.610-5m2/wr2=0.000086m2/w管壁热阻r忽略总传热系数：Kj=112+r2+r1d0di+11d0di=111026.5+0.000086+0.0001760.0250.02+1135.20.0250.02=95Wm2传热系数比值Kj/K0=95/200=0.475,合理。2.12管壁温度计算管壁外热流密度：q1=Q0Ntd0l=7442008880.0253=3558.65Wm2半水煤气定性温度：Ta=T1+FcT0-T1=25+0.345-25=31管外壁温度：Tw1=Ta-q112-r0=31-3559.6511026.5-0.000086=27.8误差校核：Tw1-T1=27.8-25=2.8，误差不大2.13管程压降计算管内壁温度：tw1=tm+q1d0di11+r1=12.5+3558.650.0250.021135.2+0.000176=46.2壁温下水的黏度：w2=610-4Pas黏度修正系数：2=（1w2）0.14=（1.2210-3610-4）0.14=1.1查图可得管程摩擦系数为：f1=0.0065管程数：Ne=4管内沿程压降计算：pi=(11)22lNednf12=(0.52999.35)22999.35340.020.00651.1=479.03Pa回弯压降：Pb=(11)2214n=0.52999.3522999.3544=2161.8Pa取进出口管处质量流速：WN2=1818.8kg/m2s;(依据23300取=1.82m/s)进出口管处压降：pn2=Wn22221.5=1818.822999.351.5=2482.6Pa管程结垢校正系数：d2=1.38;管程压降计算：p2=pi+pbd2+pN2=479.03+2161.81.38+2482.6=6126.95Pa2.14壳程压降计算壳程当量直径：de=Di2-Ntd02Di+Ntd0=1.12-8880.02521.1+8880.025=0.03m雷诺数：Re1=W2de2=58.650.031.9610-5=8.98104查得壳程摩擦系数：re=0.28管束压降：pi=W2222Dinb+1dere1=58.65221.851.18+10.030.281.0288=74220.32Pa取进出口质量流速：Wn1=63.8kg/m2s（22200取=34.48m/s）进出口管压降：pN1=WN12221.5=58.65221.851.5=1394.5Pa取导流板阻力系数：d=5导流板压降：pd=WN1222d=58.65221.855=4648.4Pa壳程结垢修正系数：d=3.44壳程压降：p1=pid+pd+pN1=74220.323.44+4648.4+1394.5=2616.8Pa管程允许压降：p2=10000Pa壳程允许压降：p1=10000Pap2p2p1p1即压降符合要求。表27换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程（冷水）壳程（半水煤气）流量kg/h129116.318802.2进出口温度10/1545/25操作压力MPa0.10.14物性参数定性温度12.535密度kg/m3999.351.85比热容CpkJ/kg7.274.18黏度Pas1.2210-31.9610-5导热率W/mK0.590.55普朗特数Pr5.4731.94设备结构参数形式固定管板式台数1壳体内径Dimm1100壳程数1管径dmm252.5管心距mm32管长lmm3000管子排列正三角形管子根数888折流板数目8传热面积m2207.55折流板间距mm370管程数4管子材料Q245主要的计算结果管程壳程流速m/s0.523.17表面传热系数W/m2K132.51026.5污垢热阻m2k/W1.7610-48.610-5阻力损失MPa0.04020.026热流量KW744.2传热温差17.928传热系数W/m2K95面积裕度20%3强度设计与校核3.1设计条件壳程：设计压力：Pc1=1.2P1=1.20.14=0.168MPa设计温度：取T=35筒体内径：Di=1100mm材料名称：Q245R管程：设计压力：Pc2=1.2P1=1.20.1=0.12MPa设计温度：取t=12.5管子规格：252.5材料名称：不锈钢无缝钢管3.2筒体计算3.2.1换热器筒体及封头壁厚计算条件：计算压力：Pc1=0.168MPa筒体内径：Di=1100mm设计温度下许用应力：t=137MPa材料名称：Q245R腐蚀裕量：c2=0焊接接头系数：=0.85=PcDi2t-Pc=2.156110021570.85-2.156=9.34设计厚度：d=+c=9.34按GB150钢板负偏差C1=0.3取名义厚度：n=10mm检查n=10mm，t没有变化，取n=10mm适当3.2.2封头设计下封头，取标准椭圆封头K=1；设计压力：Pc=1.10.1+10009.86=0.43工作温度：t=35材料为Q245R在工作温度下：t=147MPa，C2=2，C3=0焊接接头系数：=0.85，Di=1100mm=KPcDi2t-0.5Pc=12.156110021570.85-0.52.156=1.