合成氨车间变换气冷却器设计.docx
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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
摘要1
1.概述1
2、任务书1
2.1、设计题目1
2.2、设计任务1
2.2.1变换器1
2.2.2变换气物性数据1
2.2.3冷却水1
2.3、设计要求1
2.4、结果提供2
3、设计要求2
4、设备工艺设计如下2
4.1、设计方案的确定2
4.1.1、选定换热器类型2
4.1.2.选定流体流动空间及流速3
4.2、确定物性数据3
4.3、估算传热面积3
4.3.1传热量3
4.3.2冷却用水量3
4.3.3计算逆流平均温度差3
4.3.4.初选经验传热系数K值3
4.3.5估算传热面积4
4.4、工艺结构尺寸4
4.4.1管径和管内流速4
4.4.2.管程数和传热管数4
4.4.3.传热管排列和分程方法5
4.4.4.壳体内径5
4.4.5.折流板5
4.5、换热器核算6
4.5.1传热能力核算6
4.5.2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。
1.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1500C。
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140C（150C），出口温度57C（62C）;
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*C）;导热系数为：
0.058W/（m*C）;
2.2.3冷却水
水质：
处理过的软水；
全年最高温度30C
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
3、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Dq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b仁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=（14562）/^103.5C
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©25mm2.5mm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
性
流体
定性温度
-C
密度
kg/m3
粘度
mPa•s
比热容
kJ/（kgC）
导热系数
W/（m•C）
变换气体
103.5
0.925
0.0155
1.9
0.058
冷却水
35
994
0.728
4.174
0.626
4.3、估算传热面积
4.3.1传热量
按管间某冷却液计算，即
10000Nm3/h=10000（145273）/273=15311m3/h
Q二mCpit-T?
=（153110.925/3600）1.9103145-62=620.4kW
4.3.2冷却用水量
忽略热损失，则水的用量为
=14.86kg/s
Q_620.4103
cpt2J_4.17410340-30
4.3.3计算逆流平均温度差
61.44C
145-40-62-30_
In〔145-40/62-30丨
4.3.4.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，氨一一水的传热系数的范围7
280W/（m/s-C）,现暂取170W/（m2/s;C）。
435估算传热面积
考虑15%的面积裕度，S=1.15S'=1.1559.39=68.3m2
4.4、工艺结构尺寸
4.4.1管径和管内流速
选用①252.5的碳钢换热管，管内流速Uj=20m/s
4.4.2.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
按单管程计算所需换热管的长度
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
二0.959
Jr2十1（t2—J）
2-P（1R-、1R21）
In-
2-P（1RvR21）
x8.321（40-30）
In
58
2-0.087（18.3-、8.321）
2-0.087（18.3v8.321）
.87C
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=1.25d°，则
t=1.2525:
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+6mm
S=32/2+6=22mm
分程隔板两侧相邻管排之间的管心距
ta=2S=222=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，取管板利用率叶二0.7，则壳体内径
D=1.05tN/=1.0532678/0.7=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=0.251100=275mm，取h=275mm
取折流板间距为B=0.3D，则B=0.31100=330mm,取B=330mm。
折流板数Nb二折流板管长距一仁2000_1=5（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
“0.36」宀叮
de
£）0.55（Cpo」。
f（」。
）0.14卩。
（d丿U...）
当量直径由正三角形排列得
叩322J32
4（tdo）4（0.032
d=24_=2
e
叱Io3.14X0.025
兀2
0.025）
40.020m
壳程流通截面积
S。
=BD（1-虫）=0.331.1（1一°025）=0.079m2
t0.032
壳程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为
14.86/3600「cc,Uo0.189m/s
0.079
0.020汉0.189汉994
Reo45161
7.2810°
3_4
4.174^10汉7.28勺0°
Pro4.854
0.626
1
0.62605532r
：
o=0.3651614.85431-2101.6W/（m.C）
0.020
（2）管程给热系数管程流通截面积
S=0.7850.020267^0.2128m2
管程流体流速、雷诺数及普朗特数分别为
15311/3600
519.98m/s
0.1064
r0.020勺9.98汇0.924Rei=
0.0000155
1.9"035.0000155
Pri
0.058
=23821（10000）
=0.5078
故米用下式计算
0058
:
i=0.023238210'80.5078*=161.4W/（mlC）
0.02
（3）污垢热阻与管壁热阻
管外侧污垢热阻：
查污垢经验数据取Rs^0.00026m2.C/W
管内侧污垢热阻：
查污垢经验数据取Rs^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
2
K-110.59W/（m.C）
（5）
传热面积理论传热面积
该换热器的实际换热面积
2
Aph呦oLNt=3.140.025（2-0.1）678=101.11m
面积裕度为
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
1管程流动阻力
—巾i*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，贝U；/d=0.005,而Ru=23821查图得
i=0.0152，流速q=19.98m/s，密度匸=0.925kg/m3，所以:
22
.LPUicc“c20.925S9.982“cccc
i_P1=r=0.0152280.63Pa
di20.02
22
c也c0.925X9.982uzccc
-P2=3—=3553.89Pa
2
对住25mm2.5mm的管子有Ft=1.4,Np=1,Ns=1
'p=（p：
p2）FtNPNs=（280.63553.89）1.41仁1168.33Pa
2壳程流动阻力
、」卩。
「P2）FsNs（Fs结垢校正系数，对液体Fs=0.5,Ns为壳程数）
F――正三角形排列，F=0.5
0228
fo
fo=5.0Reo.（Re。
500），得出fo=0.7120nc——n=1.1N，得出nc=29
折流板间距B=0.48m，折流板数NB=5，流速u^0.189m/s
流体流经折流板缺口的阻力
'p。
=（1099.7257.42）1.51=1560.69Pa
参考给定要求，该换热器的压降在合理的范围之内，故所设计的换热器合适。
参考文献:
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