合成氨冷卻器

課程設計闡明書學院：生態(tài)與資源工程學院專業(yè)班級：級化學工程與工藝（1)班課程名稱:化工原理課程設計題目：合成氨變換氣冷卻器設計

目錄TOC\o”1—3"\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc”目錄 2HYPERLINK\l”_Toc"1換熱器概述 4HYPERLINK\l”_Toc”1.1列管換熱器構造 4HYPERLINK\l”_Toc”1。2列管換熱器分類 4HYPERLINK\l”_Toc”1。3列管換熱器重要部件 52換熱器工藝設計 6_Toc”2。1.1冷卻介質(zhì)選擇 6HYPERLINK\l”_Toc”2.1。2換熱器類型選擇及流體流動途徑選擇 62.2列管式換熱器的工藝計算 7_Toc"2。2。2初算換熱器傳熱面積 8HYPERLINK\l”_Toc"3重要工藝及基本參數(shù)計算 93.2其它部件有關設計及計算 9HYPERLINK\l”_Toc”4換熱器核算 10HYPERLINK\l”_Toc”4.1傳熱能力核算 105換熱器重要工藝構造參數(shù)和計算成果一覽表 13參考文獻 15化工原理課程設計任務書1設計題目—合成氨車間變換氣冷卻器設計設計一臺列管式換熱器以完畢合成氨車間用冷卻水冷卻變換氣的任務。2設計條件（1）變換氣解決量：6000Nm3/h入口溫度145℃，出口溫度57℃；允許壓降:不超出4000Pa；（2）變換氣物性數(shù)據(jù)分子量：17；密度為0。925kg/m3；粘度為:0.0155mPa.S；比熱容為：1。9kJ/（kg?！妫粚嵯禂?shù)為：0.058W/（m.℃)；（3）冷卻水水質(zhì)：解決過的軟水全年最高溫度：30℃3設計規(guī)定完畢換熱器的工藝設計，重要涉及：（1）設計方案的擬定：逆流或并流,冷卻水進出口溫度、流體流速擇等；（2）換熱器形式和流體的空間擬定；（3）物料衡算和能量衡算：傳熱量，冷卻水消耗量，平均溫差；(4）換熱器構造設計：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）編寫設計闡明書，畫換熱器工藝條件圖；（7）對設計過程的評述和有關問題的討論。4成果提供(1）設計闡明書一份；（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備，又稱熱交換器.換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產(chǎn)中占有重要地位.在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類諸多,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，間壁式換熱器應用最多.列管式換熱器是間壁式換熱器的重要類型。1。1列管換熱器構造 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。管殼式換熱器重要由殼體、管束、折流板、管板和封頭等部件構成.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。它的重要優(yōu)點是單位體積所含有的傳熱面積大、構造緊湊、傳熱效果好.構造結實，并且能夠選用的構造材料范疇廣，故適應性強、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)，普通在殼體內(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諸多,現(xiàn)在廣泛使用的按其溫差賠償構造來分，重要有下列幾個:（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。普通在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。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構造簡樸、排管多、緊湊、造價便宜，等優(yōu)點。但由于構造緊湊，固定管板式換熱器的殼側不易清洗,并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,故不合用與溫差大的場合。為了克服溫差應力必須有溫差賠償裝置,普通在管壁與殼壁溫度相差50℃以上時,為安全起見，換熱器應有溫差賠償裝置。但賠償裝置(膨脹節(jié))只能用在殼壁與管壁溫差低于60～70℃和殼程流體壓強不高的狀況.普通殼程壓強超出0。6Mpa時由于賠償圈過厚，難以伸縮，失去溫差賠償?shù)淖饔?就應考慮其它構造.（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點進行了改善，浮頭式換熱器的一塊管板使用方法蘭與外殼相連接,另一塊管板不與外殼連接，以使管子受熱或冷卻時能夠自由伸縮，但在這塊管板上連接一種頂蓋，稱之為“浮頭”，因此這種換熱器叫做浮頭式換熱器。其優(yōu)點是:管束能夠拉出，易于清洗和檢修,因此能合用于管殼壁間溫差較大，或易于腐蝕和易于結垢的場合；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)生溫差應力。但其構造復雜、笨重、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，構造比浮頭式簡樸，造價較低。但填料函易泄露,故殼程壓力不適宜過高，也不適宜用于易揮發(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，從而解決熱賠償問題。管程最少為兩程，管束能夠抽出清洗，管子能夠自由膨脹。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)點是構造簡樸，質(zhì)量輕，合用于高溫高壓條件。1.3列管換熱器重要部件(1）換熱管換熱管的尺寸和形狀對傳熱有很大影響，管徑越小，單位體積設備的傳熱面積就越大，這意味著設備越緊湊，體積則越小，對流傳熱系數(shù)較高.但制造麻煩，且小管易結垢，不易機械清洗。因此對清潔的流體小管子為宜,對粘度大或易結垢的液體管徑則取大些?，F(xiàn)在我國列管式換熱器系列原則中，所采用的無縫鋼管規(guī)格多為19mm×2mm和25mm×2.5mm兩種.換熱器普通用光管，這樣構造簡樸，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普通用圓平板，在上面開孔以裝設換熱管束，管板又與殼體連接。管板與殼體的連接辦法與換熱器的形式有關.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，故慣用可拆連接方式,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，可避免管子的變形.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，嚴重時反而會使對流傳熱系數(shù)減小。折流擋板形式較多，重要有兩種，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。在合成氨生產(chǎn)過程中，換熱器應用十分廣泛，重要用于熱量的交換和回收。合成氨變換工段中重要涉及一氧化碳的轉化和能量的回收運用，列管換熱器在傳熱效率,緊湊性和金屬耗量雖不及某些換熱器，但它含有構造簡樸,結實耐用，合用性強，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換熱器工藝設計2。1換熱器工藝方案擬定2.1.1冷卻介質(zhì)選擇根據(jù)設計任務選擇解決后冷水作為冷卻介質(zhì).選擇冷卻水循環(huán)水入口溫度30℃，出口溫度40℃。2.1.2換熱器類型選擇及流體流動途徑選擇兩流體的溫度變化狀況以下：（1)變換氣：入口溫度150℃，出口溫度57℃；（2）冷卻介質(zhì)：解決后軟水,入口溫度30℃，出口溫度40℃;由于變換氣被冷卻且規(guī)定壓力降不允許超出5000N/㎡，因此按變換氣走管內(nèi)考慮；而冷卻水為解決后冷水，結垢不嚴重，安排走管間（殼程）。且考慮冬季操作時，其進口溫度會減少,預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，對應地進行熱膨脹的賠償，故而初步擬定選用帶有膨脹節(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，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.因此適宜的流速要通過經(jīng)濟衡算得出.普通流體盡量使Re〉104,粘度高的流體常按滯流設計。根據(jù)工業(yè)上慣用的流速范疇選用變換氣在管內(nèi)流速ui=20m/s.2。2列管式換熱器的工藝計算2.2。1擬定物性數(shù)據(jù)水的定性溫度取進出口溫度的平均值:t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)流體物性定性溫度/℃密度/（kg/m3）黏度/Pa?s比熱容/［kJ/(kg?℃)］熱導率/[W/（m?℃)］混合氣體103.50.9250。01551.90.058冷卻水359940.7254。080。626已知換熱器的體積流量為6000Nm3/h,無法設計出符合工業(yè)生產(chǎn)原則的換熱器，故將其換算為其進口溫度時的體積流量V2.2。2初算換熱器傳熱面積（1）熱負荷及冷卻介質(zhì)消耗量計算熱負荷Q=V冷卻水消耗量:V（2）計算平均溫差,并擬定管程數(shù)先取逆流流向，先按單殼程單管程考慮，計算出平均溫度差??有關參數(shù)R=P=根據(jù)ψ=代入數(shù)據(jù)得ψ=0.969ψ=0.969>0.8?(3）按經(jīng)驗數(shù)值初選總傳熱系數(shù)K估QUOTEK估選用QUOTEK估=120W/m2.K（4）初算出所需傳熱面積SS=3重要工藝及基本參數(shù)計算3。1換熱管有關設計(1）換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定選用?25mm×2.5mm鋼管，管內(nèi)流速ui=20m/s（2)換熱管數(shù)量及長度的擬定 管數(shù)N=管長L=按商品管長系列規(guī)格，取去管長L=2m（3）管子排列方式管子的排列方式，采用正三角形排列。殼體內(nèi)徑采用下列公式計算D式中管中心距t=1.25d橫過管中心線數(shù)nc=1.1N=1.1429=22.8取整QUOTEnc=233.2其它部件有關設計及計算（1）殼體內(nèi)徑計算殼體內(nèi)徑采用下列公式計算D式中管中心距t=1.25d橫過管中心線數(shù)nc=1.1N管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離b'=1.5(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=0.25×800=200mm去折流板間距為B=0.3DN折流板圓缺水平面安裝。（3）溫度賠償圈選用150℃+57℃故需考慮設立賠償圈，設立波形膨脹節(jié)進行賠償。（4）其它附件選用?12mm鋼拉桿，數(shù)量6根。根據(jù)GB/T8163-流體輸送用無縫鋼管，采用?25mm×2.5mm的定距管.4換熱器核算4.1傳熱能力核算（1)殼程對流給熱系數(shù)αo對于圓缺形折流板采用科恩公式計算α式中當量直徑由正三角形排列得d殼程流通截面積S

u雷諾數(shù)Re普朗特數(shù)Pr取粘度校正系數(shù)?則α(2）管程對流給熱系數(shù)αoα式中管程流通截面積S管程流體流速、雷諾數(shù)及普朗特數(shù)分別為uRePrα總傳熱系數(shù)由下式計算K式中取水側和變換氣側污垢熱阻均為0.26×碳鋼導熱系數(shù)λ=45W/d（3)傳熱面積的計算理論傳熱面積A=該換熱器的實際傳熱面積A面積裕度為H=4。2換熱器壓降計算及校核（1）管程壓降校驗(變換氣）?式中，NSFt-?P2—換熱器為單程管，故?P1—流體流經(jīng)直管段（進、出口壓力降）的壓力降換熱管為新無縫鋼管，因此取換熱管壁粗糙度為ε=0.1mm,則εdi=0.005，而Rei≈2.5×10??∴管程壓降滿足規(guī)定。（2)殼程壓降校驗（冷卻水）?FsNS?P1'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F=0.5;nc—NB—折流板數(shù)為7；u則??P??∴殼程壓降滿足規(guī)定5換熱器重要工藝構造參數(shù)和計算成果一覽表表2換熱器重要工藝構造參數(shù)和計算成果一覽表參數(shù)管程殼程流率（m3/h)9296.737。5溫度（進/出）/℃150/5730/40物性參數(shù)定性溫度/℃103.559.1密度/（kg/m3)0。925994比熱容/[kJ/（kg.℃）］1。94。08黏度/mPa.s0。01550.725熱導率/［W/（m?！妫?.0580。626普朗特數(shù)0.5084.73設備構造參數(shù)型式固定管板式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm800殼程數(shù)1管子規(guī)格φ25mm2.5mm管心距/mm32管長/mm管子排列正三角形管子數(shù)目/根429折流板數(shù)/塊7傳熱面積/m264.0折流板距/mm240管程數(shù)1材質(zhì)碳鋼重要計算成果管程殼程流速/(m