低溫液氮洗多股流纏繞管換熱器

1、蘭州交通大學(xué)課程設(shè)計(jì)第1章 緒 論11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 設(shè)計(jì)目的11.3設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)2第2章 設(shè)計(jì)方案及工藝流程22.液氮洗基本原理及流程簡述22.1液氮洗基本原理22.2液氮洗工序生產(chǎn)流程簡述42.3纏繞管的分類72.4纏繞管換熱器的特點(diǎn)93.1換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算103.2纏繞管式換熱器具體計(jì)算內(nèi)容103.3纏繞管式換熱器工藝性能參數(shù)確定113.4標(biāo)準(zhǔn)狀況下各介質(zhì)性能參數(shù)153.5工況下各介質(zhì)流量參數(shù)確定153.6.3界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0的計(jì)算243.6.4管內(nèi)側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0303.6.5傳熱溫差計(jì)算（利用對數(shù)平均溫差法計(jì)算）343.6.5.1污氮采用逆流換熱353.6.5.2氮?dú)夂蜌錃?/p>

2、混合氣體采用逆流換熱363.6.5.3氫氣混合氣體采用逆流換熱363.6.6管內(nèi)側(cè)壓力損失373.6.7殼側(cè)壓力損失403.7.2界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0的計(jì)算483.7.3管內(nèi)側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0553.7.3傳熱溫差計(jì)算（利用對數(shù)平均溫差法計(jì)算）603.7.3.1凈化氣采用順流換熱613.7.3.2污氮采用逆流換熱613.7.3.3氫氣和氮?dú)饣旌蠚怏w采用逆流換熱623.7.3.4氫氣采用逆流換熱633.7.4管內(nèi)側(cè)壓力損失633.7.5殼側(cè)壓力損失663.8.2界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0的計(jì)算753.8.3管內(nèi)側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0823.8.4傳熱溫差計(jì)算（利用對數(shù)平均溫差法計(jì)算）873.8.4.1凈化氣采用順

3、流換熱883.8.4.2污氮采用逆流換熱893.8.4.3氫氣和氮?dú)饣旌蠚怏w采用逆流換熱893.8.4.4氫氣采用逆流換熱903.8.5管內(nèi)側(cè)壓力損失913.8.6殼側(cè)壓力損失94第四章 換熱器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算96一、內(nèi)筒的強(qiáng)度計(jì)算96（一）1.高壓氮?dú)饫鋮s器內(nèi)筒強(qiáng)度計(jì)算962.一號原料氣體冷卻器內(nèi)筒強(qiáng)度計(jì)算973.二號原料氣冷卻器內(nèi)筒強(qiáng)度計(jì)算99（二）1.高壓氮?dú)饫鋮s器內(nèi)筒下封頭強(qiáng)度計(jì)算1002.一號原料氣體冷卻器內(nèi)筒下封頭強(qiáng)度計(jì)算1013.二號原料氣體冷卻器內(nèi)筒下封頭強(qiáng)度計(jì)算102二、外筒（塔殼）的強(qiáng)度計(jì)算103（一）1.高壓氮?dú)饫鋮s器外筒的強(qiáng)度計(jì)算1033.外壓圓筒上封頭設(shè)計(jì)105（二

4、）1.一號原料氣體冷卻器外壓圓筒強(qiáng)度計(jì)算1063.外壓圓筒上封頭設(shè)計(jì)108（三）1.二號原料氣體冷卻器外壓圓筒強(qiáng)度計(jì)算1093.外壓圓筒上封頭設(shè)計(jì)110三、中心筒的強(qiáng)度校核111第1章 緒 論1.1 設(shè)計(jì)背景 來自低溫甲醇洗崗位的凈化氣體成分為H2 96.42% 、 N2 0.65%、CO 2.7%、Ar0.17%、CH4 0.058%、CO2 0.001%、CH3OH 0.001%，凈化氣中除H2、N2還含有CH4、CO2、CO3OH、CO、Ar等成分，少量的CO是合成催化劑的毒物必須除凈；CH4和Ar為惰性氣體，如不除去會(huì)在合成回路中積累，增加操作的能耗，又會(huì)降低氨凈值。主要流程：（1）用

5、分子篩干燥器吸附凈化氣中的微量CO2 、CH3OH。（2）把凈化工藝氣中的 CO、CH4、Ar脫除干凈。（3）配置氫氮比為3：1的合成氣，供氨合成用。1.2 設(shè)計(jì)目的此次設(shè)計(jì)是為了研究液氮洗核心工藝技術(shù)，主要是液化工藝、低溫貯運(yùn)工藝等，核心設(shè)備包括大型螺旋管式換熱器、大型制冷壓縮機(jī)、低溫氣體（BOG）壓縮機(jī)、節(jié)流減壓裝置、低溫泵、節(jié)流閥等，一般隨著工藝技術(shù)整體打包由跨國公司整體組織提供。其中氮?dú)獾蜏匾夯に嚰夹g(shù)是最核心的工藝技術(shù)，技術(shù)難度大，設(shè)備流程復(fù)雜，國際上流行采用混合制冷劑液化技術(shù)，由美國液化空氣公司提供，是目前國際上最先進(jìn)的液化工藝技術(shù)，涉及復(fù)雜的理論計(jì)算過程、數(shù)值模擬過程、工藝設(shè)計(jì)過

6、程、實(shí)驗(yàn)過程及加工制造過程等，本設(shè)計(jì)主要針對核心制冷工藝技術(shù)及其輔助設(shè)備進(jìn)行研究，突破氮?dú)庵评浜诵募夹g(shù)工藝。主要研究以下內(nèi)容：1、研究整個(gè)制冷工藝流程及制冷溫區(qū)2、研究工藝流程設(shè)備參數(shù)及需要的設(shè)備種類3、研究過程制冷參數(shù)的設(shè)置及相關(guān)設(shè)備的配置4、研究制冷成份及各成份對液化過程的影響5、進(jìn)行整體系統(tǒng)流程計(jì)算及制冷量與物流量的匹配6、確定系統(tǒng)流程工藝及工藝過程主要設(shè)備的進(jìn)出口參數(shù)7、螺旋管式換熱器內(nèi)部傳熱機(jī)理研究8、多股流傳熱換熱過程中內(nèi)部管束的布置情況1.3設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)此次研究主要通過查詢和參考國外先進(jìn)的大型制造廠家（主要是德國林德公司）的一些參數(shù)如工藝流程、基本原理和各項(xiàng)參數(shù)等等。從整個(gè)工藝流

7、程出發(fā)來看都是在遵循林德公司所確定的流程及其他大型制造廠家的制造過程。尤其在高壓氮?dú)饫鋮s器、1號原料氣體冷卻器、2號原料氣體冷卻器三個(gè)階段，出現(xiàn)了溫度變化和相變以及氣液混合成分，此時(shí)必須采用國際通用制冷劑軟件（NIST程序）才能進(jìn)行計(jì)算。而國內(nèi)沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)和研究標(biāo)準(zhǔn)，使得我們獲取的信息源泉很少。只能參照一些其他類型換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的參數(shù)第2章 設(shè)計(jì)方案及工藝流程2.液氮洗基本原理及流程簡述2.1液氮洗基本原理液氮洗工序的工藝原理包括：吸附原理、混合制冷原理及液氮洗滌原理。1）吸附原理吸附是一種物理現(xiàn)象，不發(fā)生化學(xué)變化。由于分子間引力作用，在吸附劑表面產(chǎn)生一種表面力。當(dāng)流體流過吸

8、附劑時(shí)，流體與吸附劑充分接觸，一些分子由于不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而碰撞在吸附劑表面，有可能被表面力吸引，被吸附到固體表面，使流體中這種分子減少，達(dá)到凈化的目的。分子篩對極性分子的吸附力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非極性分子，因此，從低溫甲醇洗工序來的氣體中CO2、CH3OH因其極性大于H2，就被分子篩選擇性地吸附，而H2為非極性分子，因此分子篩對H2的吸附就比較困難。被吸附到吸附劑表面上的分子達(dá)到一定，即達(dá)到了吸附平衡吸附劑達(dá)到了飽和狀態(tài)，這時(shí)每公斤吸附劑的吸附量達(dá)到最大值，稱為靜吸附容量（或稱平衡吸附容量）。在吸附過程中，由于流體的流動(dòng)速度的影響和出口氣體純度等的要求，并不能使全部吸附劑達(dá)到吸附平衡，尚有一部分吸附劑未飽和

9、，這時(shí)的吸附容量是單位吸附劑的平均吸附容量，稱為動(dòng)吸附容量。一般情況下，動(dòng)吸附容量僅為靜吸附容量的0.40.6倍。吸附劑床層的切換時(shí)間的確定是根據(jù)吸附劑在一定操作條件下的動(dòng)吸附容量來確定的，如果到了切換時(shí)間而不及時(shí)切換，出口氣體中雜質(zhì)含量就會(huì)超標(biāo)，因此必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的、定時(shí)切換再吸附器而進(jìn)行再生。2）混合制冷原理眾所周知，在一定條件下，將一種制冷工質(zhì)壓縮至一定壓力，再節(jié)流膨脹，產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)（J-T效應(yīng)）即可進(jìn)行制冷?？茖W(xué)實(shí)踐已經(jīng)證明：“將一種氣體在足夠高的壓力下與另一種氣體混合，這種氣體也能制冷”。這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)總壓力不變的情況下，氣體在摻入混合物中后分壓是降低的，相互混合氣體的

10、主要組分（如H2與N2、CO、CH4、Ar等）的沸點(diǎn)至少平均相差33 ，最好相差57，這樣更有利于低沸點(diǎn)組分H2的提純和低、高沸點(diǎn)組份的分離，并且消耗也低。液氮洗工序就運(yùn)用了上述原理。在換熱器（E1104、E1105、E1106）中用來自氮洗塔的產(chǎn)品氮洗氣，冷卻進(jìn)入本工序的高壓氮?dú)夂蛠碜缘蜏丶状枷吹膬艋瘹?；而在氮洗塔中，使凈化氣和液氮成逆流接觸；在此過程中，不僅將凈化氣中的CO、CH4、Ar等洗滌下來，同時(shí)也配入部分氮?dú)狻５@部分氮?dú)獠⒉荒苁钩龅此漠a(chǎn)品氣體中H2/ N2達(dá)到3:1，因此，還有另外一種配氮方式（此配氮過程是在換熱器（E1105、E1106）之間完成的，使H2/ N2最終達(dá)到3

11、:1；同時(shí)，在整個(gè)氮?dú)馀c凈化氣體混合的過程中，使PN25.9MPaG配到凈化氣中,其分壓下降為PN21.3MPaG,產(chǎn)生J-T效應(yīng)而獲得了液氮洗工序所需的絕大部分冷量。（混合制冷原理）3）液氮洗滌原理液氮洗滌近似于多組分精餾，它是利用氫氣與CO、Ar、CH4的沸點(diǎn)相差較大，將CO、CH4、 Ar從氣相中溶解到液氮中，從而達(dá)到脫除CO、CH4、Ar等雜質(zhì)的目的，此過程是在液氮洗工序的核心設(shè)備氮洗塔中完成的。由于氮?dú)夂鸵谎趸嫉臍饣瘽摕岱浅＝咏虼?，可以基本認(rèn)為液氮洗滌過程為一等溫等過程。下表為液氮洗工序中涉及到的氣體之有關(guān)物性參數(shù)。氣體的有關(guān)物性參數(shù)氣體名稱大氣壓下沸點(diǎn)大氣壓下氣化熱kJ/kg

12、臨界溫度臨界壓力atmCH4-161.45509.74-82.4545.79Ar-185.86164.09-122.4547.98CO-191.50215.83-140.2034.52N2-195.80199.25-147.1033.50H2-252.77446.65-240.2012.76從上表可以看出，各組分的臨界溫度都比較低，氮的臨界溫度為-147.1（其他組分可見上表），從而決定了液氮洗滌必須在低溫下x進(jìn)行。從各組分的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，H2的沸點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于N2及其它組分，也就是說，在低溫液氮洗滌過程中，CH4、Ar、CO容易溶解于液氮中，而原料氣體中的氫氣，則不易溶解于液氮中，從而達(dá)到了

13、液氮洗滌化原料氣體中CH4、Ar和CO的目的。2.2液氮洗工序生產(chǎn)流程簡述A凈化氣流程（包括合成氣流程）來自低溫甲醇洗工序的凈化氣，流量為86843 Nm3/h，壓力5.31 MPaG，溫度為-63.6。其中含H2: 96.42%，N2:0.65%，CO:2.70%，Ar:0.17%，CH4:0.058%，CO2：10 ppm（保證值20 ppm），CH3OH：10 ppm（保證值25 ppm）。首先進(jìn)入內(nèi)裝分子篩的吸附（V-1101A/B），將凈化氣中微量的CO2、CH3OH脫除干凈，出吸附器（V-1101A/B）后的凈化氣中，CO2和CH3OH的含量均在1 ppm以下；然后，凈化氣進(jìn)入冷箱

14、，在1號原料氣體冷卻器（E-1105）及2號原料氣體冷卻器（E-1106）中與返流的合成氣、燃料氣和循環(huán)氫氣進(jìn)行換熱，使出2號原料氣體冷卻器（E-1106）后的原料氣溫度降至-189，進(jìn)入氮洗塔（T-1101）的下部。在氮洗塔（T-1101）中，上升的原料氣與塔頂來的液氮成逆流接觸，并進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。CO、CH4、Ar等雜質(zhì)從氣相冷凝溶解于液氮中，而塔頂排除的氮洗氣中的H2與大約10%的蒸發(fā)液氮混合，進(jìn)入2號原料氣體冷卻器（E-1106），出2號原料氣體冷卻器（E-1106）后，將高壓氮?dú)馀淙氲降礆庵校笻2/N2達(dá)到3:1（體積比），配氮后的氮洗氣稱為粗合成氣。在1號原料氣體冷卻器（E-1

15、105）內(nèi)，合成氣與凈化氣、高壓氮等物流換熱后，出1號原料氣體冷卻器（E-1105）后溫度達(dá)-67.3，分為兩股，一股流量為31021 Nm3/h，進(jìn)入高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104），與燃料氣、循環(huán)氫氣一起冷卻高壓氮?dú)?，出高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）后，粗合成氣、燃料氣、循環(huán)氫等均被復(fù)熱至常溫；另一股流量為79783 Nm3/h，送低溫甲醇洗工序交回由凈化氣體自低溫甲醇洗工序帶來的冷量，返回后與高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）出口的粗合成氣匯合，在經(jīng)精調(diào)，最后把H2/N2為3/1的合成氣送入氨合成工序。B高壓氮?dú)饬鞒踢M(jìn)入液氮洗工序的氮?dú)?，壓力?.9 MPaG，溫度為42，流量為29806 N

16、m3/h，O2 10 ppm。它進(jìn)入冷箱后，在高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）內(nèi)，被部分粗合成氣、燃料氣和循環(huán)氫氣冷卻后，溫度降到-63.6，然后進(jìn)入1號原料氣體冷卻器（E-1105），被合成氣、燃料氣和循環(huán)氫氣進(jìn)一步冷卻，出1號原料氣體冷卻器（E-1105）后，高壓氮?dú)獗焕鋮s到-127.2。一股繼續(xù)在2號原料氣體冷卻器（E-1106）中被合成氣、燃料氣和循環(huán)氫氣再進(jìn)一步冷卻至-188.2而成為液態(tài)氮，進(jìn)入氮洗塔（T-1101）的上部而作為洗滌液，流量為9602 Nm3/h；另一股節(jié)流進(jìn)入氣體混合器（M-1101），與氮洗塔（T-1101）塔頂來的氮洗氣混合，成為H2/N2為3:1的合成氣，其流

17、量為20204 Nm3/h。由于高壓氮導(dǎo)入凈化氣后其分壓降低產(chǎn)生J-T效應(yīng)，提供了液氮洗工序所需的冷量。（混合制冷原理）C燃料氣流程從氮洗塔（T-1101）塔底排出的餾份，流量為5844 Nm3/h，溫度-193，組成為：H2：11.08%，N2：45.42%，Ar：2.47%，CO：40.09%，CH4：0.94%，經(jīng)LV-1101減壓至1.8 MPaG后進(jìn)入氫氣分離器（V-1102）中進(jìn)行氣液分離。由氫氣分離器（V-1102）底部排出的液體即燃料氣，又經(jīng)TV-1139進(jìn)一步減壓至0.18 MPaG，然后進(jìn)入2號原料氣體冷卻器（E-1106）、1號原料氣體冷卻器（E-1105）和高壓氮?dú)饫鋮s

18、器（E-1104）中進(jìn)行復(fù)熱。出高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）后的壓力為0.08 MPaG，溫度為30，送往老廠的燃料氣系統(tǒng)；而在裝置開車期間送往火炬焚燒。D循環(huán)氫氣流程由氫氣分離器（V-1102）頂部排出的氣體，流量為480 Nm3/h，壓力為1.8 MpaG。進(jìn)入2號原料氣體冷卻器（E-1106）、1號原料氣體冷卻器（E-1105）和高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）中進(jìn)行復(fù)熱。出高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）后的壓力為1.75 MPaG，溫度為30，送往低溫甲醇洗工序（706）的循環(huán)氣壓縮機(jī)（C-1001）回收利用，提高原料氣體中有效組份的利用率，開車時(shí)送往火炬。E空分來的補(bǔ)充液氮流程正常操

19、作時(shí)，液氮洗工序不需要補(bǔ)充冷量；開車或工況不穩(wěn)定時(shí)，則需由液氮來補(bǔ)充冷量。（補(bǔ)氮條件）從空分裝置引入的液氮，流量為：500 Nm3/h，壓力為：0.45 MPaG。它經(jīng)HV-1101減壓后，壓力為0.18 MPaG，并在2號原料氣體冷卻器（E-1106）前進(jìn)入燃料氣管線，匯入燃料氣中。它經(jīng)2號原料氣體冷卻器（E-1106）、1號原料氣體冷卻器（E-1105）和高壓氮?dú)饫鋮s器（E-1104）復(fù)熱，向液氮洗工序提供補(bǔ)充冷量。(混合制冷原理）F分子篩吸附器再生流程分子篩吸附器（V-1101A/B）有兩臺，切換使用，即一臺運(yùn)行，另一臺再生，切換周期為24小時(shí)，自動(dòng)切換，屬程序控制，再生步驟為二十一步。

20、再生用0.45 MPaG的低壓氮?dú)?，由空分裝置提供；再生氮?dú)獾募訜嵊稍偕鷼怏w加熱器（E-1101）完成。E-1101為一蒸汽加熱器，采用3.62 MPaG的高壓蒸汽加熱，蒸汽則由高壓蒸汽管網(wǎng)供給。再生氮?dú)獾睦鋮s系統(tǒng)通過再生氣體冷卻器（E-1102）實(shí)現(xiàn)，所用冷卻水來自循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)。出再生氣體冷卻器（E-1102）的再生氮?dú)馑偷蜏丶状枷垂ば虻臍馓崴═-1003），作為氣提氮?dú)馐褂谩?.3纏繞管的分類隨著科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，各種工業(yè)部門要求熱交換器的類型和結(jié)構(gòu)要與之相適應(yīng)，流體的種類、流體的運(yùn)動(dòng)、設(shè)備的壓力和溫度等也都必須滿足生產(chǎn)過程的要求。近代尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展（如高溫高壓、高速、低溫、超

21、低溫等），又促使了高強(qiáng)度、高效率的緊湊熱交換器層出不窮。雖然如此，所有的熱交換器仍可按照它們的一些共同特征來加以區(qū)分。例如：1.按照用途來分：預(yù)熱器（或加熱器）、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器等等。2.按照制造熱交換器的材料來分：金屬的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的等等。3.按照溫度狀況來分：溫度工況穩(wěn)定的熱交換器，熱流大小以及在指定熱交換區(qū)域內(nèi)的溫度不隨時(shí)間而變；溫度工況不穩(wěn)定的熱交換器，傳熱面上的熱流和溫度都隨時(shí)間改變。4.按照熱流體與冷流體的流動(dòng)方向來分：a、順流式（或稱并流式）：兩種流體平行地向著同一方向流動(dòng)，如圖a；b、逆流式：兩種流體也是平行流動(dòng)，但它們的流動(dòng)方向相反，如圖b；c、錯(cuò)流式

22、（或稱叉流式）：兩種流體的流動(dòng)方向互相垂直交叉，如圖c；當(dāng)交叉次數(shù)在四次以上時(shí)，可根據(jù)兩種流體流向的總趨勢將其看成逆流或順流，如圖d或e；d、混流式：兩種流體在流動(dòng)過程中既有順流部分，又有逆流部分，圖f及g所示就是一例。5.按照傳送熱量的方法來分：間壁式、混合式、蓄熱式等三大類，這是熱交換器最主要的一種分類方法。 圖2.2 流體的流動(dòng)方式（a）順流（b）逆流（c）錯(cuò)流（d）總趨勢為逆流的四次錯(cuò)流 （e）總趨勢為順流的四次錯(cuò)流 （f）先順后逆的平行混流 （g）先逆后順的串聯(lián)混流（1）混合式（或稱直接接觸式）：這種熱交換器內(nèi)依靠熱流體與冷流體的直接觸而進(jìn)行傳熱，例如冷水塔以及噴射式熱交換器。（2）

23、蓄熱式（或稱回?zé)崾剑浩渲幸灿泄腆w壁面，但兩種流體并非同時(shí)輪流地和壁面接觸。當(dāng)熱流體流過時(shí)，把熱量儲蓄于壁內(nèi)，壁的溫度逐漸升高；而當(dāng)冷流體流過時(shí)，壁面放出熱量，壁的溫度逐漸降低，如此反復(fù)進(jìn)行，以達(dá)到熱交換的目的。在間壁式、混合式和蓄熱式三種類型中，間壁式熱交換器的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、分析研究和計(jì)算方法比較豐富和完整，因而在對混合式和蓄熱式熱交換器進(jìn)行分析和計(jì)算時(shí)，常采用一些淵源于間壁式熱交換器的計(jì)算方法。下面首先介紹一種不同于上面幾種的一類高效換熱器：纏繞管式換熱器（俗稱：螺旋管式換熱器）。2.4纏繞管換熱器的特點(diǎn)纏繞管式換熱器用作氮?dú)庖夯鞯蜏負(fù)Q熱器是其自身的特點(diǎn)決定的: 1、管內(nèi)介質(zhì)以螺旋方式流動(dòng),

24、殼程介質(zhì)逆流橫向交叉通過繞管,換熱器層與層之間換熱管反向纏繞,管、殼程介質(zhì)以純逆流方式進(jìn)行傳熱,即使在較低的雷諾數(shù)下其流動(dòng)形態(tài)也為湍流,換熱系數(shù)較高; 2、多種介質(zhì)共存于一臺纏繞管式換熱器進(jìn)行傳熱時(shí),由于其傳熱元件為圓管,纏繞管式換熱器對不同介質(zhì)之間的壓差和溫 差限制要求較小,降低了生產(chǎn)裝置的操作難度,提高了設(shè)備的安全性; 3、結(jié)構(gòu)相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補(bǔ)償; 4、易實(shí)現(xiàn)大型LNG液化作業(yè)。 美國空氣產(chǎn)品化學(xué)工程公司( air product s)是LNG領(lǐng)域SWHE最大的供貨商,在19772008 年間,為79 套LN G 裝置(其液化能力累計(jì)達(dá)到2. 3 ×10

25、8 t/ a)生產(chǎn)了纏繞管式換熱器。德國林德(Linde) 公司在近5 年內(nèi)一共生產(chǎn)了累計(jì)金屬重量達(dá)到3 120 t的多股流纏繞管式換熱器應(yīng)用于LN G工廠。纏繞管式換熱器的關(guān)鍵技術(shù)主要有: （1） .結(jié)構(gòu):纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)和工藝條件緊密聯(lián)系在一起,合理分配液化段和過冷段的熱負(fù)荷,使液化段和過冷段相對協(xié)調(diào);結(jié)合特大型換熱器的載荷分配以及換熱管相對較軟的特性,采用足夠剛度的中心筒,從設(shè)計(jì)上保證纏繞的均勻性。組合設(shè)計(jì)技術(shù)的充分應(yīng)用使“冷塔”結(jié)構(gòu)合理;管殼程及物料進(jìn)出口位置的合理選擇,使流體的分布更均勻;多管板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。（2） .材料:由于大型氮?dú)?液化工廠的熱負(fù)荷都是數(shù)十乃至

26、數(shù)百兆瓦級的,再加上低溫要求,目前適用的材料只有兩種:奧氏體不銹鋼和鋁合金。換熱面積2×104 以下的纏繞管式換熱器換熱管還可以考慮采用薄壁奧氏體不銹鋼材料,2 ×104 以上的纏繞管式換熱器換熱管基本采用鋁合金材料。全奧氏體不銹鋼材料的纏繞管式換熱器制造起來相對簡單,若換熱管采用鋁鎂合金管則面臨著幾個(gè)問題: 超長型鋁鎂合金換熱管的國產(chǎn)化; 換熱器其他受壓元件的選材及其與換熱管的適應(yīng)性; 管板的復(fù)合技術(shù)研究,在常溫下成形后復(fù)合管板的低溫機(jī)械性能研究以及管板過渡層材料厚度的研究; 精密沖壓內(nèi)件的成型技術(shù)研究,保證對換熱管的零損傷。3.1換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算在設(shè)計(jì)一個(gè)熱交換器時(shí)，從

27、收集原始資料開始，到正式繪出圖紙為止，需要進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)計(jì)算工作，這種計(jì)算一般包括下列幾個(gè)方面的內(nèi)容：1. 熱計(jì)算根據(jù)給出的具體條件，例如熱交換器的類型，流體的進(jìn)、出口溫度，壓力，它們的物理化學(xué)性質(zhì)，在傳熱過程中有無相變等等，求出熱交換器的傳熱系數(shù)，進(jìn)而算出傳熱面積的大小。2. 結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算熱交換器主要部件和構(gòu)件的尺寸，例如管子的直徑、長度、根數(shù)，殼體的直徑，縱向隔板和折流板的尺寸和數(shù)目，分程隔板的數(shù)目和布置，以及連接管尺寸等等。3. 流動(dòng)阻力計(jì)算進(jìn)行流動(dòng)阻力計(jì)算的目的在于為選擇泵或風(fēng)機(jī)提供依據(jù)或者核算其壓降是否在限定的范圍之內(nèi)。當(dāng)壓降超過允許的數(shù)值時(shí)，則必須改變熱交換器的

28、某些尺寸，或者改變流速等。4. 強(qiáng)度計(jì)算熱交換器各部件尤其是受壓部件（如殼體）的應(yīng)力大小，檢查其強(qiáng)度是否在允許范圍內(nèi)，對于在高溫高壓下工作的熱交換器，更不能忽視這一步。5.在熱交換器向著大型化發(fā)展并對傳熱進(jìn)行強(qiáng)化的情況下，有可能因流體的流速過高而引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可使整個(gè)熱交換器遭到破壞。因而在設(shè)計(jì)熱交換器時(shí)，還必須對其振動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)測或校核，判斷有無產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的可能，以便采取相應(yīng)的減振措施，保證安全運(yùn)行。3.2纏繞管式換熱器具體計(jì)算內(nèi)容 對于纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程主要有以下幾部分組成：1.根據(jù)工藝流程圖進(jìn)行介質(zhì)參數(shù)的確定; 2.通過查詢NIST程序確定各介質(zhì)的性能參數(shù)及不同壓

29、力狀態(tài)下各介質(zhì)的狀態(tài); 3.根據(jù)各級吸熱和放熱平衡求出各級介質(zhì)的質(zhì)流量和制冷量; 4.求出換熱器對外換熱的散熱量并進(jìn)行質(zhì)流量校核; 5.確定換熱系數(shù)，換熱面積和所需的纏繞管束個(gè)數(shù); 6.對管束進(jìn)行布置和排列,并求出各管束的壓力降損失; 7.進(jìn)行外殼的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核驗(yàn)證。3.3纏繞管式換熱器工藝性能參數(shù)確定1：高壓氮?dú)饫鋮s器11名稱TemperaturePressureDensityEnthalpyEntropy（K）(MPa)(kg/m3)(kJ/kg)(kJ/kg-K)進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口氮?dú)?15.15209.555.95.663362.88899.827316.311

30、91.725.6535.1811污氮208.05305.150.12670.12.07211.1124273.61373.595.26295.727氫氣/氮?dú)?05.85305.155.11675.0824.90316.598634.89976.7510.51811.88氫氣206.85305.151.76671.752.04621.37652651.14039.436.41841.941名稱CvCpTherm. Cond.Viscosity(kJ/kg-K)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口氮?dú)?.755410.778791.12331.30629

31、.63123.6810.0000195360.00001523污氮0.731230.732511.03031.028619.23926.4870.0000134360.000018202氫氣/氮?dú)?.31482.43433.41623.458984.14115.290.0000110.000014406氫氣9.520110.21713.73314.372138.37189.566.9962E-069.0965E-06 2：1號原料氣體冷卻器名稱TemperaturePressureDensityEnthalpyEntropy(K)(MPa)(kg/m?)(kJ/kg)(kJ/kg-K)進(jìn)口出口

32、進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口凈化氣210.15164.855.265.2358.60810.9451877.31451.222.57720.308氮?dú)?09.55152.855.66335.426799.827179.66191.72102.895.18114.6901污氮208.05142.850.12670.15342.07213.6856273.61205.975.26294.8166氫氣/氮?dú)?05.85142.755.11675.153324.90337.276634.89420.210.5189.266氫氣206.85143.251.76671.78332.04622.9879

33、2651.11807.936.41831.52名稱CvCpTherm. Cond.Viscosity(kJ/kg-K)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口凈化氣6.55816.08699.55849.2351129.25105.218.2866E-067.1467E-06氮?dú)?.778790.878241.3062.36323.68125.3020.000015230.000014273污氮0.731230.733921.03031.042319.23913.70.0000134369.7286E-06氫氣/氮?dú)?.31482.12023.41623.

34、406584.1464.7560.0000110.00000868氫氣9.52018.33413.73312.673138.3799.3746.9962E-060.000005471 3：2號原料氣體冷卻器名稱TemperaturePressureDensityEnthalpyEntropy(K)(MPa)(kg/m?)(kJ/kg)(kJ/kg-K)進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口凈化氣164.8585.155.2355.2110.94522.8351451.2731.8720.30814.362氮?dú)?52.8584.955.42675.19179.66785.63102.89-10

35、3.154.69012.988污氮142.8581.650.15340.183.6856793.32205.97-61.1514.81661.7967氫氣/氮?dú)?42.7581.655.15335.1937.27685.282420.2191.629.2667.1373氫氣143.2581.651.78331.82.98795.44941807.9106631.5224.74名稱CvCpTherm. Cond.Viscosity(kJ/kg-K)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口凈化氣6.08694.89.23519.3544105.2168.156

36、7.1467E-060.000005062氮?dú)?.878241.05522.3632.017325.302136.10.0000142730.00013275污氮0.733921.0811.04232.066513.7139.959.7286E-060.00015274氫氣/氮?dú)?.12021.93193.40654.918564.75658.5610.000008687.0268E-06氫氣8.3346.685212.67311.6499.37462.3450.0000054713.7754E-063.4標(biāo)準(zhǔn)狀況下各介質(zhì)性能參數(shù)名稱凈化氣氮?dú)馕鄣獨(dú)錃?氮?dú)鈿錃饷芏?.1320214931.2

37、5041.25960.379720.0898853.5工況下各介質(zhì)流量參數(shù)確定1高壓氮?dú)饫鋮s器名稱Q(標(biāo)況）P（工況）G（質(zhì)量流量）Q（工況）Q（工況平均）Nm3/hKg/m3Kg/hm3/hm3/h進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口氮?dú)?98062980662.88899.82737269.422400 37269.422400 592.6317008373.3401024482.9859016污氮5207.55207.51.11242.07216559.367000 6559.367000 5896.5902253165.5648864531.07757氫氣/氮?dú)?10213102116.5

38、9824.90311779.294120 11779.294120 709.6815351473.0070321591.3442836氫氣4804801.37652.046243.144800 43.144800 31.3438430821.085328926.214585991號原料氣體冷卻器名稱Q(標(biāo)況）P（工況）G（質(zhì)量流量）Q（工況）Q（工況平均）Nm3/hKg/m3Kg/hm3/hm3/h進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口凈化氣86843868438.60810.94511465.142520 11465.142520 373.3401024207.4441857209.3921441

39、氮?dú)?98062980699.827179.6637269.422400 37269.422400 1331.9171141047.52331189.720207污氮5207.55207.52.07213.68566559.367000 6559.367000 3165.5648861779.7284022472.646644氫氣/氮?dú)?1080411080424.90337.27642074.494880 42074.494880 1689.5351921128.7288041409.131998氫氣4804802.04622.987943.144800 43.144800 21.08532

40、8914.4398406917.76258482號原料氣體冷卻器名稱Q(標(biāo)況）P（工況）G（質(zhì)量流量）Q（工況）Q（工況平均）Nm3/hKg/m3Kg/hm3/hm3/h進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口進(jìn)口出口凈化氣868438684310.94523.19111465.142520 11465.142520 66.8281242315.2136911735.33891839氮?dú)?6029602179.66789.1812006.340800 12006.340800 1047.5233494.3789625770.9511313污氮5207.55207.53.6856793.326559.36700

41、0 6559.367000 1779.7284028.268248626893.9983255氫氣/氮?dú)?1080411080437.27685.28242074.494880 42074.494880 1128.728804493.3572721811.043氫氣4804802.98795.449443.144800 43.144800 14.439840697.917348699116纏繞管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算過程3.6.1高壓氮?dú)饫鋮s器的設(shè)計(jì)計(jì)算過程3.6.1.1管子規(guī)格的確定查相關(guān)設(shè)計(jì)手冊：取 Pa Pa Pa Pa 取Pa管子壁厚計(jì)算公式： 式中：: 管壁厚 mm

42、 ；: 工作壓力， MPa；: 管子外徑 mm；: 焊縫系數(shù)，鋁合金6005取=1.0；: 管材在各種溫度下的許用應(yīng)力 MPa 。CC1+C2C壁厚附加量 mm ；C1×15 mm ；C2腐蝕裕度，取 1mm 。當(dāng) 時(shí)， 所選管子規(guī)格合適。 3.6.1.2管子壁厚的計(jì)算過程 污氮=因?yàn)?，所以所選管子規(guī)格合格。氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚怏w=因?yàn)?，所以所選管子規(guī)格合格。氫氣=因?yàn)?，所以所選管子規(guī)格合格。3.6.1.3管子根數(shù)的確定1.假設(shè)流速 -管內(nèi)污氮的假設(shè)流速；-管內(nèi)氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚怏w的假設(shè)流速；-管內(nèi)氫氣的假設(shè)流速。2 計(jì)算各介質(zhì)所需管子根數(shù)S-管子根數(shù)，個(gè)；Q-工況下體積流量，；V-管內(nèi)介

43、質(zhì)流速，m/s；-管子內(nèi)徑,mm。 污氮氮?dú)夂蜌錃饣旌蠚怏w氫氣=1472+1089+20+3=25843.6.2.3纏繞管換熱器殼程有效面積的計(jì)算根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊和計(jì)算得: ：層間距，mm；：管間距，mm;:首層管數(shù)，根；：相鄰兩層纏繞管根數(shù)只差。：上升高度，mm。：纏繞管上升角，：芯筒直徑，m。 則 由 得 則 （)則 因?yàn)?所以 ：纏繞管管子層數(shù)；：第層纏繞管管子數(shù)；：前層纏繞管管子總數(shù)；：前層纏繞管管子總數(shù)；：管子余裕量；：實(shí)際管子層數(shù)；：第層纏繞管實(shí)際管子數(shù)；：前層纏繞管實(shí)際管子總數(shù)。計(jì)算表:i123456789100.350.3780.4060.4340.4620.490.5180.

44、5460.5740.602i111213141516171819200.630.6580.6860.7140.7420.770.7980.8260.8540.882i212223242526272829300.910.9380.9660.9941.0221.051.0781.1061.1341.162i313233343536373839401.191.2181.2461.2741.3021.331.3581.3861.4141.442由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得 y=2 ：最外層纏繞圈的直徑，m；：i層纏繞管的平均直徑，m；：第一層隔板數(shù)；：第i層隔板數(shù)；：隔板總數(shù)；：最外層隔板數(shù)；: 換熱器內(nèi)筒直徑

45、，m；：內(nèi)筒截面積，；：芯筒截面積，；：纏繞管層間隙投影面積，；：一個(gè)隔板的截面積，；：有效面積對應(yīng)的直徑，m；3.6.3界膜導(dǎo)熱系數(shù)h0的計(jì)算1、殼側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)（1）流道構(gòu)成纏繞式熱交換器中，傳熱管在芯圓筒周圍介于隔板中間呈螺旋狀以次纏繞幾層，把圓筒狀盤管重疊幾層組成流道。傳熱管的纏繞角和縱向間距沿整個(gè)熱交換器通常是均勻的。另外，各圓筒狀盤管由很多管構(gòu)成。如圖3.5圖3.5：盤管層 要使內(nèi)側(cè)盤管層和外側(cè)盤管層中的纏繞角、傳熱管長和縱向間距不變，就應(yīng)與盤管螺旋直徑成比例且增加構(gòu)成盤管層的傳熱管數(shù)。盤管層的纏繞角，通常從內(nèi)側(cè)盤管層向左纏、向右纏、向左纏.相互交替。由這樣構(gòu)成的盤管層所組成的管束

46、，其管外側(cè)（殼側(cè)）流道形式，因圓周方向的位置不同而變化。如果令所有盤管層中傳熱管縱向間距相等，則傳熱管的傾斜角度（盤管纏繞角度）當(dāng)然也相等，盤管螺旋直徑大的外側(cè)盤管與內(nèi)側(cè)盤管相比，每圈的當(dāng)量管長都大。隨著圓周角增加，較快地達(dá)到同樣的高度。因此，如果按圓周方向的位置考慮相鄰二個(gè)盤管，則傳熱管的排列有圖八所示的直列、不規(guī)則錯(cuò)列、規(guī)則錯(cuò)列、不規(guī)則錯(cuò)列、直列那樣的變化。這樣，纏繞管式熱交換器的殼側(cè)流道構(gòu)成，就變成管子布置為直列、錯(cuò)列組合排列的管外流動(dòng)的流道構(gòu)成。 圖3.6 盤管層組成的管束圖 3.7、 傳熱管布置（圖3.6（A-A）斷面）（2）吉利（Gilli）計(jì)算公式吉利從流體與直管群錯(cuò)流流動(dòng)時(shí)的界

47、膜導(dǎo)熱系數(shù)推算流體在由盤管層組成的管束的管外側(cè)與管群錯(cuò)流流動(dòng)時(shí)的界膜導(dǎo)熱系數(shù)，提出下式。 （3.1）適用范圍： （3.2） （3.3）式中： D0: 傳熱管外徑，米。 h0：管外側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù)， J/·K : 管外側(cè)流體導(dǎo)熱系數(shù)， J/·K： 管外側(cè)流體的粘度， Kg/m·s C: 管外側(cè)流體的比熱， J/Kg·K傳熱管傾斜（傳熱管盤管纏繞角）修正系數(shù)Fi：對于纏繞管式換熱器的繞管纏繞角依據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)及纏繞過程的方便程度，選用纏繞角為15.84，由于左右交替纏繞所以取為0°，則=+=15.84°。 （3.4） =1.01如圖十二所示。

48、在盤管的中心線方向O-A流動(dòng)的流體，與傾斜角（盤管的纏繞角）的傳熱管碰撞，實(shí)際的流動(dòng)方向?yàn)镺-F方向。表示這個(gè)偏角，用下式汁算， （3.5）式中，K：盤管層織成的管束的特性數(shù)，纏繞管式換熱器，左纏和右纏盤管層交補(bǔ)布置時(shí)，K=1，因此，=0，在僅有左纏或右或中任何一個(gè)纏繞方向盤管組成熱交換器中，K=0； ：盤管的纏繞角（傳熱管的傾斜角），度； ：流體實(shí)際流動(dòng)方向與傳熱管垂直軸之間的夾角，度；圖3.8、 與傾斜管錯(cuò)流流動(dòng)管排數(shù)修正系數(shù)Fn： （3.6）n是流動(dòng)方向的管排數(shù)。必須注意的是，n是一條直線上的管排數(shù)。例如，圖3.7 所示的錯(cuò)列布置，當(dāng)在直管群布置時(shí)，通常取2行的管排數(shù)為管排數(shù)，定義n=6

49、，可是，在這里定義的n是1行的管排數(shù)，此時(shí)，n=0.5n=3。另外，由于n>10時(shí)，可以認(rèn)為Fn=1，所以在實(shí)際的纏繞管式熱交換器中，不需要這個(gè)修正系數(shù)。 當(dāng)n=6、n=3時(shí)的管排數(shù)計(jì)算方法： 圖3.9 管排數(shù)計(jì)算方法 在由盤管層組成的管束中，如前所述，直列和錯(cuò)列布置混合構(gòu)成流道，可是對于直列和錯(cuò)列場合，可以從格里米森（Grimison）提出的管子排列修正系數(shù)（圖3.10），推算如下： 圖3.10 由盤管層組成的管束的流道構(gòu)成由盤管層組成的管束中的流道構(gòu)成，可以用圖十四表示。圖中，E從O（直列）到（規(guī)則錯(cuò)列）連續(xù)地變化。E大于0，小于,范圍（不規(guī)則錯(cuò)列）內(nèi)的修正系數(shù)應(yīng)該成為圖十四所示的流動(dòng)方向布置間距為E的規(guī)則錯(cuò)列布置