整体锻焊式氨合成塔换热器设计

整体锻焊式氨合成塔换热器设计1.1氨合成塔内换热器的设计条件表7-1冷热流体进出换热器的温度及流量介质进换热器温度T1、t1℃出换热器温度T2、t2℃流量kmol/h热流体45021515811.77冷流体6025617788.241.2设计方案选择1.2.1流程安排由本书3.5.2节可知本设计选用固定管板式换热器。从两流体的压力来看，热流体压力较冷流体的高，为了减小壳体承受的压力和防止合成后的NH3泄漏，选择热流体走管程，从上部进；冷流体走壳程，从下部进；冷副气从下部进，不进行换热，直接进触媒层冷管。1.2.2物性数据的确定1．定性温度：管程混合气体的定性温度为℃壳程混合气体的定性温度为℃2．冷热流体的平均密度及平均分子量由于冷热流体均是混合气体，故需求其平均密度及平均分子量。a)热流体混合气体各组分在332.5℃下的密度：N2：kg/m3H2：kg/m3NH3：kg/m3CH4：kg/m3Ar：kg/m3由本书表2-7可知热流体的组成，故热流体混合气体的平均密度：(7-1)kg/m3热流体混合气体的平均分子量：(7-2)b)冷流体混合气体各组分在158℃下的密度：N2：kg/m3H2：kg/m3NH3：kg/m3CH4：kg/m3Ar：kg/m3由本书表2-7可知冷流体的组成，故热流体混合气体的平均密度：kg/m3热流体混合气体的平均分子量：查参考文献[1]附图9、19、29得，冷热流体物性数据如表7-2表7-2冷热流体物性数据流体定性温度℃密度ρkg/m3比热容CpkJ/kg·K粘度μPa·s导热系数λW/m·K热流体332.578.974420.442.72×10-56.977冷流体15898.636344.422.16×10-51.3261.3换热器工艺结构设计1.3.1初算换热面积1．换热器的热流量kJ/h=31593020.9kcal/h2．平均传热温差换热器内流体流动方式为逆流。(7-3)℃3．平均传热温差校正校正系数由参考文献[6]《化工原理》上册图4-19(a)查得φΔt=0.65所以℃4．计算传热面积取总传热系数K=450W/(m2·K)=387kcal/(m2·h·K)则所需传热面积(7-4)m21.3.2工艺结构尺寸1．管径和管内流速为了提高传热效率，同时减少流体流动阻力，结合考虑其他性能，本设计选择Φ25mm×2.5mm的1Cr18Ni9Ti无缝钢管，取管程流速ui=25m/s，壳程流速uo=12m/s。2．换热器内径选择换热器内径D=1900mm。3．换热管排列形式及中心距换热管在管板上的排列形式中正三角形形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，用得最为普遍，故本设计采用正三角形排列形式。依据换热管外径在参考文献[2]表6-1中查得换热管中心距d=32mm。4．管数已选取换热器内径D=1900mm，由参考文献[6]282页根据公式可求得管束中心线上管排的管数nc(7-5)根对正三角形排列的管数N：根(7-6)每根管子的长度L：m(7-7)根据参考文献[2]257页中换热管的推荐长度，采用L=4.5m，则根根据参考文献[7]查得管子在管板上的排列，取N=2833根。5．折流板尺寸为了充分利用高压容器空间，本设计选用圆盘-圆环形折流板。a)通道截面积A冷流体体积流量m3/h=0.55m3/s(7-8)则通道截面积m2b)内挡板外径D2由可求得D2其中a——单位空间面积里管子面积，则解上式得D2=1.87mc)外挡板内径D1由可求得D1，其中D0为中心管直径，按国家标准选用Φ219×10mm，则有解上式得D1=0.42md)折流板间距B由可求得B，其中，则有解上式得B=0.058m由于折流板的最小间距不宜小于壳体内径的1/5，即mm。根据折流板间距标准选取B=600mm。e)折流板数NB取折流板数NB=6块f)由参考文献[8]表4-8选取折流板的厚度为16mm。6．管板设计a)管板管孔直径及允许偏差由GB151-1999表16查得管孔直径为25.25mm，其允许偏差mm。b)管板最小厚度本设计中管板与换热管采用强度焊接，焊接结构如图7-1所示。管板的最小厚度取20mm。c)管板与壳体的焊接为了减少焊接应力，管板与壳体的焊接采用花板上开槽结构，如图7-2。图7-1管板与换热管的焊接型式示意图图7-2管板与壳体的焊接型式示意图7．拉杆a)拉杆的直径和数量由GB151-1999《管壳式换热器》表43、44查得拉杆的直径为16mm，拉杆的数目为12根。b)定距管定距管选用与换热管相同直径的Φ25mm×2.5mm无缝钢管。c)拉杆与管板的连接型式拉杆与管板的连接采用焊接连接，如图7-3所示。8．壳体厚度由工艺条件已知设计温度260℃，设计压力图7-2拉杆与管板的连接型式pc=6.4MPa，壳体材料选用1Cr18Ni9Ti，材料260℃时的许用应力=124MPa，取焊缝系数=1.00，钢材厚度负偏差C1=0mm，腐蚀裕量C2=2mm，则计算厚度(7-9)mm设计厚度mm名义厚度mm有效厚度mm1.4换热器主要结构尺寸换热器主要结构尺寸见表7-3。表7-3换热器主要结构尺寸表型式固定管板式管径/mmΦ25×2.5壳体内