合成气变换气第一热交换器设计附外文翻译.docx

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合成气变换气第一热交换器设计附外文翻译

合成气、变换气第一热交换器设计（附外文翻译）

太原科技大学

毕业设计（论文）

设计论文题目：

合成气、变换气第一热交换器设计

姓名

学院（系）化学与生物工程学院

专业过程装备与控制工程

年级1021班

指导教师

2012年6月1日

太原科技大学毕业设计（论文）任务书

（由指导教师填写发给学生）

学院（直属系）：

化学与生物工程学院时间：

2012年3月1日

学生姓名指导教师设计（论文）题目合成气、变换气第一热交换器设计主要研

究内容1.工艺计算；

2.机械设计；

3.零部件设计；

4.autocad绘图。

研究方法调查法、观察法、文献研究法等主要技术指标或研究目标通过这次毕业论文的设计，进一步加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握；培养设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、外文应用等基本工作实践能力，加深对autocad绘图软件的使用能力。

主要参考文献

1天津大学化工原理教研室，《化工原理》上册，天津科技出版社，1992年

2国家技术监督局，《钢制管壳式换热器》（GB151-99），1999年

3国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》（上、下册），化学工业出版社，1987年

说明：

一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）

目录

中文摘要IV

AbstractV

第一章绪论1

1.1合成氨的工艺流程1

1.2低温甲醇洗工段工艺流程2

1.3第一换热器3w-505A的设计说明2

第二章控制方案的确定2

2.1工艺过程及控制参数的选取2

2.2控制方案的设计3

2.3各仪表的作用方式4

第三章工艺计算5

3.1原始数据5

3.2类型选择5

3.3流体流径的选择6

3.4工艺参数的计算6

确定冷热流体的定性温度6

定性温度下的物性参数6

计算热负荷7

平均温度差8

初选总传热系数8

初算所需传热面积8

换热器结构设计8

核算总传热系数9

3.5核算压强降11

强降11

强降11

第四章机械设计13

4.1结构设计13

件13

厚13

计15

兰16

兰垫片17

兰紧固件17

设计19

计20

计21

管设计22

设计23

外伸长度23

挡板24

板25

26

结构设计27

总质量估算27

的设计29

位置确定31

补强条件32

4.2强度校核33

板换热器设计计算33

筒计算34

箱封头计算35

箱封头计算35

兰计算37

强计算39

分兼作法兰固定式管40

第五章技术条件的编制48

5.1技术条件的说明48

钢材48

焊接48

热处理48

无损探伤48

质量证明书、标志、油漆、包装、运输48

换热器的尺寸偏差49

5.2设备的技术条件49

换热器的技术条件49

折流板或支持板技术条件49

管板技术要求49

法兰技术条件50

支座技术条件50

参考文献51

致谢52

附录53

摘要

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。

本文以固定管板式管式换热器为研究对象，在查阅国内外众多文献的基础上，对换热器的发展、背景、分类和用途进行了探索和研究，以气气换热器的设计过程为主线，结构设计为主体，全面介绍换热器的设计全过程。

本文主要以循环水和氯乙烷为介质，按实际设计步骤依次进行工艺计算、结构设计和强度校核，并画出换热器的CAD结构图。

主要研究内容如下：

（1）对换热器的发展、分类、材料和运用进行阐述，了解换热器的基本构造和基本原理。

（2）通过查阅换热器设计相关标准得出的数据，对换热器进行设计，具体分为换热器的工艺计算，结构设计和强度校核。

（3）换热器的外部设计包括它的筒体的设计、封头的设计、管箱和换热器支座的设计。

（4）换热器的内部设计包括：

它的换热管的尺寸、固定管板的厚度以及折流挡板的尺寸。

除了上述以外，换热器的研究内容还应包括它的压力容器法兰、管法兰、开孔与补强、接管处的零部件，还有它的附件、各个开孔处的应力校核等等。

本文是在压力容器设计应用分类方法的基础上，查阅换热器设计相关标准，在此加以研究和分析得出换热器的设计数据，并作出CAD图，对我们了解换热器的设计流程和作用有了更深刻了解。

关键词：

换热器，工艺计算，机械设计，强度校核

Abstract

Theheatexchangeristheprocessofheattothecoldfluid,chemicalproductionprocessofheatexchangeandtransmissionofessentialequipment.

Basedonthefixedtubeplateandtubetypeheatexchangerastheresearchobject,referringtomanydomesticandforeignliteratureonthebasisoftheheatexchanger,thedevelopment,background,classificationandapplicationareexploredandstudied,withgasheatexchangerdesignprocessasthemainline,structuredesignasthemainbody,acomprehensiveintroductiontoheatexchangerthedesignofthewholeprocess.Thispapermainlyinthecirculatingwaterandchlorineoxideasthedielectric,accordingtotheactualdesignstepsofprocesscalculation,structuredesignandstrengthcheck,anddrawtheheatexchangerCADstructure.Themainresearchcontentsareasfollows:

1heatexchangerdevelopment,classification,materialandapplyingheatexchangerwereintroduced,tounderstandthebasicstructureandbasicprinciple.

2byreferringtothedesignoftheheatexchangerstandardsderiveddata,heatexchangersdesign,dividedintospecificheatexchangerprocesscalculation,structuredesignandstrengthcheck.

3heatexchangerexteriordesignincludingitscylinderheaddesign,design,tubeboxandheatexchangerbearingdesign.

4heatexchangerinternaldesignincludes:

theheattransfertubesize,fixedtubeplatethicknessandthebaffledimensions.

Besidesmentionedabove,theresearchofheatexchangercontentshouldalsoincludethepressurevesselflange,pipeflanges,openingandreinforcement,tookovertheparts,anditsattachments,eachholestresscheckingetc.

Thisarticleisinpressurevesseldesignandapplicationofclassificationmethodbasedonthedesignofheatexchangers,consulttherelevantstandards,whicharestudiedandanalyzedthedesigndataoftheheatexchanger,makeCADpicture,onourunderstandingofheatexchangerdesignprocessandfunctionwillhaveamoreprofoundunderstandingof.

Keywords:

heatexchanger,processdesign,mechanicaldesign,strengthcheck

第一章绪论

在不同温度的流体之间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。

在换热器中至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，吸收热量。

在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中广泛使用各种换热器，且它们是上述这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。

随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。

换热器的设计、制造、结构改进及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。

合成氨的工艺流程

合成氨生产工艺过程示意图：

造气→粗煤气→低温甲醇洗及冷冻系统→液氨洗系统→氨合成→氨库

造气即原煤经处理系统产生煤与空气中分离的氮气在加压气化流中反应。

氨由H和N两种元素组成。

合成氨是以H2和N2在一定条件下全盛的。

H2是从煤中获得的，而N2是从空气中分离得到的。

原煤经过筛选，粉碎等过程后，在200#工段加压气化系统的燃烧炉内与高温水蒸气反应得到水煤气，反应的一系列方和如下：

燃烧层：

C+O2→CO2+Q

C+O2→CO+Q

CO+O2→CO2+Q

气化层：

C+H2O→CO2+H2－Q

C+H2O→CO+H2－Q

C+H2→CH4+Q

CO+H2O→CO2+H2+Q

粗煤气继续在200#经过洗涤降温，分离等程序最后进入300#，粗煤气变换系统的主要成分有CO2、CO、H2、H2S、CH4等。

到300#的粗煤气洗涤变换后进入400#，在300#的变换炉内发生的主要反应有：

C+H2O→CO2+H2+Q。

进入400#变换气冷却系统的变换气主要成分是CO2、H2，还有少量的CO、N2、H2S、CH4等。

400#2段的主要作用是冷却变换气，气体的成分基本没有变化。

CO2、H2S等有害物质和各种杂质的作用会影响合成氨的质量，还可能造成设备仪器的损坏等，因此，在合成氨之前必须将这些有害物质和杂质去除。

500#低温甲醇洗涤系统和600#液氮洗系统是用物理方法吸收，沉淀这些物质。

500#主要吸收CO2和H2S，从500#流出的净化气还有少量的CO、N2、CH4等。

600#主要吸收CO，从1800#、5800#空气分离得到的N2也进入600#，并和H2混合，得到比例大约为1：

3的N2和H2混合气体。

此混合气体进入900#氨全盛系统合成，反应方程式如下：

N2+3H2→2NH3

经氨合成系统合成的氨经处理后进入氨库。

1.2低温甲醇洗工段工艺流程

冷却工段即为气氨的液化。

气氨的液化包括气氨的压缩和冷凝，气氨在常压常温下冷凝温度为―33.35℃。

因此，在常压常温下，气氨不能用常温水使其冷却成液氨。

氨的冷凝温度随压力的提高而升高，当压力提高1.6MPa时，冷凝温度为40℃，高于一般冷却水温度，因此可以用25～35℃的常温水冷却，使之液化。

工艺流程：

气氨冷凝为液氨，是靠冷冻循环来完成的，冷冻循环主要由压缩、冷却、冷凝、节流膨胀、蒸发五个过程组成的。

气氨―冰机压缩提压后，进入氨冷却器，冷却后的气氨进入冷凝器，由冷却水把气氨冷凝为液氨，由冷却水将气氨放出的热量带走，冷凝后的液氨通过节流阀由冷凝压力降至蒸发压力。

节流膨胀后的氨在氨冷器中蒸发吸收被冷却水的热量，此时液氨又变为气氨送入冰机进口，如此构成一个循环，这个循环周而复始的进行，被冷却物质的温度便于降低达到工艺要求。

1.3第一换热器3w-505A的设计说明

第一换热器的主要作用是实现两种不同温度、不同压力之间的热量交换，从而满足工艺要求。

第二章控制方案的确定

2.1工艺过程及控制参数的选取

1．被控变量的选择：

本过程主要是冷却变换气，使变换气出口温度达到一定值来达到下道工段的要求。

因而选择其出口温度为被控变量。

2．操纵变量：

变换气进口流量。

被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好。

3．干扰因素：

（1）变换气进口温度,压力及流量的变化；

（2）变换气进口温度,压力及流量的变化；

（3）周围环境的影响。

最终确定参数如下：

被控变量：

变换气出口温度。

给定值：

变换气出口给定温度。

测量值：

由检测元件测得的变换气的实际出口温度值。

被控对象：

变换气出口管。

操纵变量：

变换气进口流量。

2.2控制方案的设计

采用单回路控制系统。

图2.1热交换器温度简单控制方框图

图2.2氨冷却器温度控制方案流程图

2.3各仪表的作用方式

对于系统而言，当发生故障时，应保证气氨出口温度不要太高，即在考虑安全及节能方面，应选用气开阀。

各仪表的作用方式为：

1.气开阀：

正作用“+”；

2.变送器：

正作用“+”；

3.当阀关小时，气氨出口温度升高，“-”“-”“+”，取反，故调节器为反作用“-”。

验证：

阀开大

工艺计算

3.1原始数据

物料温度（进口/出口）℃操作压力MPa体积流量/h变换气12.5/-312.61850合成气-66/-261.3

气体管程壳程体积分数%质量分数%体积分数%质量分数%40.0185.880.120.21.451.9849.794.8674.9517.467.035.490.921.2624.1882.290.150.29

3.2类型选择

因此不需考虑热补偿。

3.3流体流径的选择

考虑逆流时换热效率高，故选择逆流传热。

壳程：

变换气（操作压力：

1.3MPa）

管程：

变换气（操作压力：

2.6MPa）　　　

3.4工艺参数的计算

确定冷热流体的定性温度

工程上对于低黏度流体大多以其平均温度作为定性温度。

热流体进出口温度,℃

冷流体进出口温度,℃

定性温度下的物性参数

成分管程

-9.25℃下的物性参数密度

比热容

导热系数

粘度

1.9760.930.140.0131.5391.050.140.01121.2501.10.220.01640.089915.40.210.00760.7172.270.340.011.2511.20.250.0161.78220.80.170.02成分壳程

-46℃下的物性参数密度比热容导热系数粘度0.085015.50.020.00671.2301.250.0210.0142物性参数的计算

1管程

密度1.976×85.88%+1.539×0.2%+1.250×1.98%+0.0899×4.86%+0.717×5.49%+1.251×1.26%+1.781×0.29%1.8

比热容0.93×85.88%+1.05×0.2%+1.1×1.98%+15.4×4.86%+2.27×5.49%+1.2×1.26%+20.8×0.29%1.77

粘度85.88％×0.013+0.2％×0.0112+1.98％×0.0164+4.86％×0.0076+5.49％×0.01+1.26％×0.016+0.29％×0.020.0164×10-3

导热系数85.88％×0.14+0.2％×0.14+1.98％×0.22+4.86％×0.2+5.49％×0.34+1.26％×0.25+0.29％×0.170.157

2壳程

密度0.850×17.46%+1.230×82.29%1.045

比热容15.5×17.46%+1.25×82.29%3.74

粘度0.0067×17.46%+0.0142×82.29%0.0129×10-3

导热系数0.02×17.46%+0.021×82.29%0.0208

类别密度比热容黏度导热系数管程1.81.770.01630.0129壳程1.0453.740.1570.0208

计算热负荷

计算平均温度（采用逆流操作）

管程变换气12.5-31

壳程合成气-26-66

38.535

[3，223]

初步假定换热器为单管程单壳程，即平均温度差取。

平均温度差

根据P.R查图4-25（C）得：

1

初选总传热系数

40

初算所需传热面积

[3，223]

换热器结构设计

1.换热管的选取

选定规格的管子，材料为碳钢。

所以2520

换热管总长

在标准管长系列中选取换热管长度为3m。

管心距t32mm，根据传热面求管根数n

换热管根数

外加4根拉杆

横过管束中心线的管数

管子按正三角形排列时16根

2.壳体内径的确定

管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离，取

按壳体标准系列取为600。

3.折流板形式的选择

最常用的为圆缺形挡板，切去的弓形高度约为外壳内径的10%~40%，一般取20%~25%，过高或过低都不利于传热。

本次设计取20%600mm120mm。

两相邻挡板的距离为壳体内径的（0.2~1）倍。

系列标准中采用的值为：

固定管板式的有150，300和600三种，单位mm。

本次设计取0.50.5600mm300mm，可取为300mm。

[3，277]

折流板数（块）。

核算总传热系数

1.管程对流传热系数

管程流速

管程雷诺数10888

普朗特数

当液体被加热时0.4，当液体被冷却时0.3；由于管内流体被冷却故取0.4。

31

2.壳程对流传热系数

换热管正三角行排列时

壳程当量直径

流体通过管间最大截面积

流体管间流速m/s

，对于气体不论加热还是冷却，可忽略此项不计，取1.0，则

6.3

3.污垢热阻

两流体介质组分相同，故查表可取

4.总传热系数的计算

46）

围内,则初选合理。

3.5核算压强降

强降

分别为直管和弯管中因摩擦阻力引起的压强降,；

结垢校正系数,对的管子取为1.4；

壳程数

管程数

设管壁粗糙度，，由关系图查得

上式适用范围为3~3。

pa

pa

强降

（+）

流体横过管束的压强降，

流体通过折流缺口的压强降，

壳程压强降的结垢校正系数，无量纲，气体可取1.0

壳程数

管子排列方法对压强降的校正系数，对正三角形排列0.5

壳程流体的摩擦系数，当〉500时，

一般来说，气体流经换热器的压强降为1~10kPa，以上计算表面管程和壳程压降都符合要求。

第四章机械设计

机械设计包括结构设计和强度计算两部分。

参考压力容器安全技术监察规程，本次设计的换热器为二类容器。

4.1结构设计

件

1．设计压力

设计压力根据最高工作压力确定。

设有安全阀时，设计压力取最高工作压力的1.05～1.10倍。

本设计取1.1倍。

壳程设计压力

管程设计压力

2.设计温度

管程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为12.5℃，故取设计温度为30℃。

壳程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为-26℃，故取设计温度为10℃。

3.计算压力

壳程液柱静压力pa

显然液柱静压力小于，故忽略液柱静压力，即壳程计算压力

同理可得管程计算压力

管程液柱静压力pa

则可忽略液柱压力，计算压力，

厚

1.筒体选材

由于筒体设计温度为10℃，设计压力为1.43，参考GB150-1998，由钢制压力容器GB150-1998,表4-1，4-2选16MnR，

2.筒体壁厚的计算

选取壳体材料为Q345R,查GB150得

设计温度下的许用应力

试验温度下的许用应力

试验温度下的屈服点

钢板负偏差

腐蚀裕量

焊接接头系数：

初选1

式中―计算厚度，；

―计算压力，；

―焊接接头系数。

mm

设计厚度mm

名义厚度mm

根据GB-19：

3.筒体的强度校核

压力试验类型：

液压试验

试验压力值

压力试验时允许通过的应力水平

试验压力下圆筒的应力

式中―有效厚度，-C，；

―名义厚度，；

―设计温度下圆筒的计算应力，；

C―厚度附加量，。

校核条件

故满足强度要求。

圆筒的最大工作压力[]为

设计温度下计算应力

校核条件，故合格。

计

1.管箱选材

选材同设备筒体为Q345R，查GB150可得，在相应设计条件下其、、同设备筒体，、、的取值参照设备筒体。

2.管箱筒体厚度计算

计算厚度

设计厚度mm

名义厚度mm

根据GB-19：

有效厚度

3.筒体的强度校核

压力试验类型：

液压试验

试验压力值

试验压力下圆筒的应力

校核条件

故满足强度要求。

圆筒的最大工作压力[]为

设计温度下计算应力

校核条件，故合格。

兰

1.材料选择

管程设计压力为2.86MPa，温度为30℃，选16MnII。

2.法兰型式及尺寸

依据JB/T4703-2000选取长颈对焊法兰，DN600，PN4.0MPa，密封面为凹面，密封面结构形式及法兰些列尺寸如下图标所示：

图4.1带颈对焊法兰密封面型式

表4.1带颈对焊法兰

表4.2带颈对焊法兰质量

兰垫片

依据HG/T20627-2009选择增强性柔性石墨垫

公称尺寸垫片内径垫片外径垫片厚度DNNPST600246106923

表4.3垫片尺寸

兰紧固件

1螺柱

对于4.0的螺柱应当选用40Cr，对应的螺母为35。

依据JB/T4707-2000，

本次