合成氨车间变换气冷却器设计

课程设计说明书学 院： 生态与资源工程学院专业班级： 2011级化学工程与工艺 (1)班课程名称： 化工原理课程设计题 目： 合成氨车间变换气冷却器设计学生姓名： 张明声 学号： 20114122004指导老师： 范荣钰2014年6月目录摘要................................................................11.概述..............................................................12、任务书...........................................................12.1、设计题目...................................................12.2、设计任务...................................................12.2.1变换器.................................................12.2.2变换气物性数据.........................................12.2.3冷却水.................................................12.3、设计要求...................................................12.4、结果提供..................................................23、设计要求.........................................................24、设备工艺设计如下.................................................24.1、设计方案的确定.............................................24.1.1、选定换热器类型........................................24.1.2.选定流体流动空间及流速.................................34.2、确定物性数据...............................................34.3、估算传热面积...............................................34.3.1传热量.................................................34.3.2冷却用水量.............................................34.3.3计算逆流平均温度差.....................................34.3.4.初选经验传热系数K值...................................34.3.5估算传热面积...........................................44.4、工艺结构尺寸...............................................44.4.1管径和管内流速.........................................44.4.2.管程数和传热管数.......................................44.4.3.传热管排列和分程方法...................................54.4.4.壳体内径...............................................54.4.5.折流板.................................................54.5、换热器核算 64.5.1 传热能力核算 64.5.2换热器内流体的流动阻力 7摘要本文设计的是列管式固定管板换热器用于合成氨工艺中CO的变换。通过内插法计算冷、热流体的物性参数；通过试差法确定换热器的管数、内径、换热管长度、长径比、换热面积、传热系数、管壳程流速等。并进行热量、传热面积、压降的校核。概述传热设备简称换热器，是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。石油化工厂中，它的投资占到建厂投资的 1/5左右，它的重量占工艺设备总重量的；在我国一些大中型炼油企业中，各式热交换器的装置达到 300～500台以上。就其压力、温度来说，国外的管壳式热交换器的最高压力达 840bar，最高温度达1500℃。而最大的外形尺寸长达 33m，最大的传热面积达 6700。按用途分为加热器、冷凝器、冷却器、蒸发器、过热器和废热锅炉；换热器按传热特征可分为直接接触式、蓄热式、间壁式；按制造材料可分为金属、陶瓷、塑料、石墨、玻璃的交换器等；按热流体与冷流体的流动方向可分为顺流式、逆流式、错流式。2、任务书2.1、设计题目合成氨车间变换气冷却器设计2.2、设计任务2.2.1 变换器处理量 6000（10000，15000）Nm3/h；入口温度 140℃（150℃），出口温度 57℃（62℃）；允许压降 ：不超过5000Pa；2.2.2 变换气物性数据分子量17；密度为0.925kg/m3;粘度为0.0155mPa*s;比热容为1.9kJ/(kg*℃);导热系数为:0.058W/（m*℃）;2.2.3 冷却水水质：处理过的软水；全年最高温度 30℃2.3、设计要求完成换热器的工艺设计，主要包括：1、设计方案的确定；逆流或并流，冷却水进出口温度、流体流速选择等；2、换热器形式和流体空间的确定13、物料衡算和能量衡算：传热量，冷却水消耗量，平均温差；4、换热器结构设计；管程和壳程，传热面积，管长和管子数，壳体直径，管板和折流板；5、传热系数 K的计算和校核，压降计算与校核；6、编写设计说明书，画换热器工艺条件图；7、对设计过程的评述和有关问题的讨论。2.4、结果提供1、设计说明书一份；2、换热器工艺条件图一张。3、设计要求浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。以便于进行检修、清洗。浮头盖在管束装入后才能进行装配，所以在设计中应考虑保证浮头盖在装配时的必要空间。钩圈对保证浮头端的密封、防止介质间的串漏起着重要作用。随着浮头式换热器的设计、制造技术的发展，以及长期以来使用经验的积累， 钩圈的结构形式也得到了不段的改进和完善。钩圈一般都为对开式结构，要求密封可靠，结构简单、紧凑、便于制造和拆装方便。浮头式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性，在长期使用过程中积累了丰富的经验，不断促进了自身的发展。故迄今为止在各种换热器中仍占主导地位。4、设备工艺设计如下两流体均为无相变，本设计按非标准系列换热器的一般设计步骤进行设计。4.1、设计方案的确定4.1.1、选定换热器类型两流体温度变化情况：热流体（混合气体）入口温度145?C，出口温度62?C；冷流体（冷却水）入口温度为30?C，出口温度为39?C。两流体定性温度如下：混合气体的定性温度 T (145 62)/2 103.5C2冷却水定性温度 t (40 30)/2 35C两流体的温差 T t 103.5 35 68.5C( 50C, 70C)可选用带温度补偿的固定管板式换热器。但考虑到该换热器用循环冷却水冷却，冬季操作时冷却水进口温度会降低，因此壳体壁温和管壁壁温相差较大，为安全起见，故选用浮头式列管换热器。4.1.2.选定流体流动空间及流速因循环水是处理过软水，不易结垢，故为了使传热效果增强，选定变换气走管程，冷却水走壳程。选择φ25mm2.5mm的较高级冷拔碳钢管，管内流速取20m/s。4.2、确定物性数据两流体在定性温度下的物性数据如下表物定性温度密度粘度比热容导热系数性kg/m3流体℃mPa·skJ/(kg·℃)W/(m·℃)变换气体103.50.9250.01551.90.058冷却水359940.7284.1740.6264.3、估算传热面积4.3.1传热量按管间某冷却液计算，即10000Nm3/h10000(145273)/27315311m3/hQmcp1T1T2(153110.925/3600)1.9103145-62620.4kW4.3.2 冷却用水量忽略热损失，则水的用量为m2Q620.410314.86kg/scpt2t143.3计算逆流平均温度差tm,逆145406230逆流温差ln145-40/6261.44C304.3.4. 初选经验传热系数 K值查找换热器设计手册，参照总传热系数的大致范围，氨——水的传热系数的范围 7——3280W/(m/s ℃),现暂取170W/(m2/s℃)。4.3.5估算传热面积Q620.410359.39m2Ktm,逆17061.44考虑15%的面积裕度， S 1.15S 1.15 59.39 68.3m24.4、工艺结构尺寸4.4.1 管径和管内流速选用Φ25 2.5的碳钢换热管，管内流速 ui 20m/s4.4.2.管程数和传热管数根据传热管内径和流速确定单程传热管数nsV15311/3600677.2678（根）2ui20.785di0.7850.0220按单管程计算所需换热管的长度S68.3L1.28mnsdo6783.140.025若采用2m长的管，1管程，则传热管的总根数 NT 6781 678（根）平均传热温差校正及壳程数t2t140300.087T1T2145-62Pt114530Rt18.3T1t24030R211P2P(1RR21)Ψln1/lnP(1RR21)R1PR28.3211ln10.087/ln20.087(18.38.321)8.310.0878.320.087(18.38.321)0.9594tmR21(t2t1)2P(1RR2lnR22P(1R8.321(4030)20.087(18.38.32ln220.087(18.38.358.87℃

))1)1)由于温差校正系数 >0.8，同时壳程流体亦较大，故取单壳程较合适。4.4.3.传热管排列和分程方法采用组合排列，即每层内按正三角形排列，隔板两侧按正方形排列。取管心距t 1.25do，则t 1.25 25 32mm隔板中心到其最近一排管中心的距离 S:按净空不小于 6mm的原则确定，亦可按下式求取：S=t/2+6mmS=32/2+6=22mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距ta 2S 2 22 44mm管中心距t与分程隔板槽两侧相邻排管中心距 ta的计算结果与表 3-6的结果一致证明可用。4.4.4.壳体内径采用多管程结构，取管板利用率 η 0.7，则壳体内径D 1.05t N/ 1.05 32 678/0.7 1046mm圆整取D=1100mm。4.4.5.折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，则切去的圆缺高度为h 0.25 1100 275mm，取h 275mm取折流板间距为 B=0.3D，则B 0.3 1100 330mm，取B=330mm。5折流板数NB传热管长1200015（块）折流板间距330折流板圆缺水平面安装。4.5、换热器核算4.5.1传热能力核算（1）壳程对流给热系数对于圆缺型折流板，可采用科恩公式du0.55Cpoo10.140.36o)()3(o)o(eoodeoow当量直径由正三角形排列得4(3t2do2)4(30.032240.0252)de2420.020mdo3.140.025壳程流通截面积SoBD(1do)0.331.1(10.025)0.079m2t0.032壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为14.86/36000.189m/suo0.079Reo0.020028104Pro4.1741037.281044.8540.6260.360.62651610.5512101.6W/(m2.C)o4.854310202）管程给热系数管程流通截面积Si 0.7850.0202 678 0.2128m2管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为15311/360019.98m/sui0.10640.02019.980.924Rei23821(10000)0.00001551.91030.0000155Pri0.0580.50786故采用下式计算0.0230.058238210.80.50780.4161.4W/(m2.C)0.023）污垢热阻与管壁热阻管外侧污垢热阻：查污垢经验数据取Rso0.00026m2.C/W管内侧污垢热阻：查污垢经验数据取 Rsi 0.0004m2.C/W管壁的热导率：碳钢的导热率45W/(m.C)（4）总传热系数1doRsidobdoRso1Kidididmo0.0250.0250.00250.0251161.40.0004450.000262101.60.020.020.0225K 110.59W/(m2.C)5）传热面积理论传热面积AQ620.410395.29m2Ktm110.5958.87该换热器的实际换热面积ApdoLNT3.140.025(20.1)678101.11m2面积裕度为HApA101.1195.29A100%6%95.29换热面积裕度合适，能够满足设计要求。4.5.2换热器内流体的流动阻力管程流动阻力pi (p1 p2)FtNpNs（Ft结垢校正系数， Np管程数，Ns壳程数）取换热管壁粗糙度为0.01mm，则/d0.005，而Rei23821，查图得7i0.0152，流速ui19.98m/s，密度0.925kg/m3，所以：p1Lui20.015220.92519.982i20.022280.63Padip23ui230.92519.982553.89Pa22对25mm2.5mm的管子有Ft1.4,Np1,Ns1pi(p1p2)FtNpNs(280.63553.89)1.4111168.33Pa壳程流动阻力po(p1'p2')FsNs（Fs结垢校正系数，对液体Fs0.5，Ns为壳程数）流体流经管束的阻力p1'F