废气锅炉设计过程.docx

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废气锅炉设计过程

第一章前言0

1.1废热锅炉在工业生产中的地位0

1.2废热锅炉分类0

1.3完善废热锅炉的基本要求1

1.4废热锅炉的设计内容2

第二章设计参数及要求3

第三章热力计算6

3.1热平衡计算7

3.2估算传热面积7

3.2.1对数平均温差8

3.2.2传热面积8

3.2.3传热系数9

3.2.4传热面积1..2

第四章流动阻力计算1..3

4.1管侧阻力1..3

4.1.1沿程阻力1..3

4.1.2进出口连接管阻力1..4...

4.1.3回弯阻力1..4

4.2壳程阻力1..5

第五章结构设计1..6

5.1管板的结构设计1..6

5.1.1管板尺寸1..8

5.1.2换热管与管板连接2..1...

5.2管箱2..2

5.3封头2..3

5.4接管2..3

5.4.1壳程接管2..3

5.4.2管程接管2..3

第六章运行及维护2..4

6.1运行及维护2..4

6.2准备工作2..6

6.3开车运行2..7

结论2..9

致谢3..2

参考文献3..3

第一章前言

废热锅炉是利用工业生产过程中的余热来生产蒸气的锅炉，废热锅炉属于一种高温高压的换热器。

1.1废热锅炉在工业生产中的地位

废热锅炉较早是用来产生一些低压蒸气，回收的热量有限，只是作为生产的一般辅助性设备。

随着生产技术的发展，废热锅炉的参数逐渐提高，废热锅炉由生产低压蒸气的工艺锅炉转变为生产高压蒸汽的动力锅炉。

废热锅炉在整个装置中已逐渐成为动力源，其运行状况直接关系到装置中的整个生产过程。

因此，在这种情况下，废热锅炉往往成为整个装置不可分割的关键性设备之一。

生产过程对于废热锅炉的依赖性也日益增大，人们对废热锅炉的重视程度也相应地增加。

1.2废热锅炉分类

在废热锅炉中进行的是热量传递的过程，因此，废热锅炉的基本结构也是一个具有一定传热表面的换热设备。

但是由于化工生产中，各种工艺条件和要求差别很大，因此化工用的废热锅炉结构形式也是多种多样的。

1）按照炉管是水平还是垂直放置，废热锅炉可以分为卧式和立式两类。

2）按照操作压力的大小，废热锅炉可以分为低压（蒸汽压力在1.3MPa以下），中压（蒸汽压力在1.4-3.9MPa范围内）高压（蒸汽动力在4.0-10MPa范围内）三种。

3）按照锅炉的结构形式不同，废热锅炉可以分为：

列管式，U型管式，刺刀管式，螺旋盘管式，以及双套管式等。

4）按照其生产工艺或使用场合不同，废热锅炉可以分为：

重油气化废热锅炉，乙烯生产裂解气急冷废热锅炉，合成氨前置式，中置式或后置式废热锅炉等。

1.3完善废热锅炉的基本要求

1）合理的实现所规定的工艺条件传热量，流体的热力学参数与物理化学性质是工艺过程所规定的条件。

应根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经过反复比较，使所设计的换热设备具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。

为此，具体的做法可以是：

增大传热系数，增大平均温度差，妥善布置传热面。

2）安全可靠（最基本的要求）废热锅炉也是压力容器，在进行强度，刚度，温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵守我国《钢制石油化工压力容器设计规定》与《钢制管壳式换热器设备规定》等有关规定与标准。

这对保证设备的安全可靠起着很大的作用。

所以，废热锅炉应具备足够的强度，刚度，稳定性，耐腐蚀性，密封性。

3）有利于安装，操作与维修直立设备的安装费往往低于水平的或倾斜的设备。

设备与部件应便于运输与装拆，在厂房中移动时不会受楼梯。

梁，柱等的妨碍。

根据需要可添置气，液排放口，检查孔与敷设保温层。

4）经济合理设备在进行结构设计时，在安全合理的前提下，应注意节约钢材，尤其是贵重的不锈钢等材料，以降低设备的材料成本。

另外，在制造时，应优化加工工艺，采用简便，省时的加工方法，以降低设备的制造成本。

只有这样，才能降低设备的总成本，取得经济效益

1.4废热锅炉的设计内容

废热锅炉作为废热回收利用的一种装置，一般均要求承受较高温度下运行的苛刻条件。

由于设备需要长期在高温下运行，所以对其结构的要求和制造材料的选用都是设计者重点考虑的。

1.5.1设计计算内容

工艺尺寸的设计与计算，零件结构的设计与计算。

为达到刚度和强度，要求设计壳体厚度时的弹性失效准则，考虑到容器宏观强度和致密性，必须采用耐压试验，设计中，局部应力引起的失效是不允许的，故必须采用开孔补强设计。

1.5.2具体设计计算步骤

在化工企业中列管式换热器的类型很多，如板式，套管式，蜗壳式，列管式。

其中，列管式换热器虽在热效率，紧凑性，金属消耗量等方面均不如板式换热器，但它却具有结构坚固，可靠性高，适应性强，材料范围广等特点，因此成为石油化工生产中，尤其是高温高压和大型换热器的主要结构形式。

列管式换热器主要有固定管板式换热器，浮头式换热器，填料式换热器和U形管式换热器，而其中固定管板式换热器由于结构简单，造价低，因此应用最普遍。

对于本设计，由于壳程与管程压力差比较低，可以克服应力所带来的问题。

又本设计壳程所流经的流体为CH4、N2混合气体，洁净不易结垢，从而避免了固定管板式换热器壳程难清洗和检修困难的问题。

列管式换热器机械设计包括：

1）壳体直径的决定和壳体壁厚的计算

2）换热器封头选择

3）压力容器法兰选择

4）管板尺寸确定

5）管板拉脱力的计算

6）折流板的选择与计算

7）温差应力的计算

8）接管，接管法兰选择及开孔补强等

9）绘制主要零部件图和装配图

第二章设计参数及要求

在石油、化工以及冶金及其他工业部门中，废热锅炉已被广泛应用。

由于各种工业生产的载热气体性质以及对所产生蒸汽的利用与要求的不同，因而所选废热锅炉的种类和结构也不同。

选择结构形式，是设计者首先要解决的问题。

废热锅炉必须满足工艺生产的需要；能够最大限度地回收热能，本设计中增加了很多折流板，一方面使得流体在壳程充分与管壁接触，另一方面增强了流体的扰动；产生蒸汽的压力和质量可以满足使用对象的要求；对废热锅炉系统则要求操作稳定，调节方便，结构简单，材料易得，造价便宜，加工造价便宜，加工制造容易，安装检修方便，使用寿命长，运转安全可靠等。

上述各项要求要同时都能满足是困难的，故在设计之前要全面进行分析，综合考虑，找出主要的，起决定性作用的要求，然后兼顾一般，选着一种比较合理的高效率的结构形式。

表2-1分别给出了一些流体的物性参数和设计条件。

表2-1设计所给参数

名称

壳程

管程

设计压力MPa

1

1

操作压力MPa

0.570

0.588

设计温度C

700

200

操作温度C

469.3

158

介质

CH4,N2

锅炉给水

换热面积m2

96.6

根据所给设计参数查相关零件的材料如表2-2所示:

表2-2主要零件材料及规格

名称

材料

规格，mm

椭圆形圭寸头

1Cr5Mo

EHB6006

管箱

Q235-B

600,6

法兰

Q235-B

DN=600,6

管板

1Cr5Mo

DN=600,52

管束

1Cr5Mo

D=252.5

管箱接管法兰

Q235-B

DN=450

壳程接管法兰

1Cr5Mo

DN=300

设备的使用条件如表2-3所示：

表2-3主要设计参数

冷侧

热侧

介质

锅炉给水

CH4,N4气体

流量kg/h

5539.1

39119

入口温度C

158（锅炉给水）

620.9

出口温度C

158（蒸汽）

469.3

续表2-3

入口压力bar

5.88

5.7

出口压力bar

5.68

5.5

热负荷kw5681

根据相关物性参数表所查得介质的物性参数如表2-4所示:

表2-4流体的物性参数

参数

壳程（CH4、N2）

管程（锅炉给水）

普兰德数（Pr）

0.69

1.1

粘度（）m2/s

-6

96.8910

4.85106

密度（）kg/m3

0.717

428.55

比热（Cp）kJ/（kg.°C）

3.5625

2.08

第三章热力计算

由于废热锅炉所回收的废热能源不同，废热锅炉的结构形式也不尽相同。

废

热能源可以分为两大类，即：

1）热气体的显热；2）废燃料或其中含有可燃气体

的废气。

其中回收热气体显热的废热锅炉，它与汽液热交换器差不多，不过液体则是沸腾状态。

在废热动力锅炉往往还附有蒸汽过热器，而蒸汽过热器则是典型的高温气-气热交换器。

有的场合把回收较低温度的热气体的显热，用来预热给水，而这种给水预热器就是气-液热交换器。

所以在利用热气体显热的废热锅炉系统中，热力计算基本上与热交换器差不多。

化工、炼油工业中的废热锅炉大多利用高中温气体显热，本章主要介绍这类废热锅炉的热力计算。

3.1热平衡计算

废热锅炉热气体所放出的热量等于管程介质所吸收的热量。

考虑周围环境的热损失，可得:

（3-1）

Qc1M1t1

式中Q—传热量，kw;

ci-壳程流体的比热，kj/（kg.C）；

Mi-壳程流体的质量流量，kg/s；

-热损失系数，取0.98。

利用热平衡方程确定传热量，即

Qc1M1t1

39119

=0.983.5625（620.9-469.3）

3600

=5868.665kw

3.2估算传热面积

换热器壳程流动高温气体，管程流动饱和水和蒸汽，其传热系数可以初步选

择在100至300W/（m2.C）之间，设计中初选传热系数为163W/（m2.C）。

321对数平均温差

考虑到增强传热效果，一般选用逆流的方式，对于有相变的情况有:

式中tmax—对数平均温差，C

t1-壳程进口温度，

C；

t2-管程进口温度，

C；

t3-壳程出口温度，

C；

t4-管程出口温度，

C。

从而

丄462.9311.3「

爪l462.9=381・9C

In

311.9

3.2.2

传热面积

（3-3）

估算换热面积，可按传热基本方程进行。

QKFtm

式中F—估算的传热面积，m2；

Q-传热量，kJ；

K-初选传热系数,W/（m2.C）。

从而

94.276197m2

F=5868.6651000

163381.9

323传热系数

在设计热交换器时，主要困难在于确定传热系数，困难的原因是由于热交换器传热面积几何形状的复杂，冲刷传热面的条件多种多样，流体温度沿传热面变化很多以及传热面的非等温性等。

本设计选用经验数据来确定传热系数的值，然后再进行校核。

根据间壁式换热器的传热过程，其传热系数可表示为如下：

（3-4）

11did

宀r1乜二亍

式中i—壳程换热系数，W/（m2.C）；

ri-CH4、N2的污垢热阻，（m2.C）/W；

D-水的污垢热阻，（m2.C）/W；

do-管子外径，mm；

di-管子内径，mm；

2-管程换热系数，W/（m2.C）o

①壳程换热系数

由所给温度和压力，初选用252.5，长6m的无缝钢