1、(此文檔為word格式，下載后您可任意編輯修改！)化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn) 5200 噸合成氨廠變換工段列管式熱交換器的工藝設(shè)計(jì)一根底數(shù)據(jù)1.半水煤氣的組成體積%H 36.69 CH 0.31 CO 32.07 HS 0.2 CO 8.75 O 0.2 N 21.78 2.水蒸汽飽和半水煤氣時的體積比為 1.2:1 ;飽和水蒸汽后濕混合煤氣壓力為 7.45 kgfcm (絕)；溫度為 144 ；要求經(jīng)熱交換器后溫度到達(dá) 378 后再進(jìn)變換爐。 90 % ;變換爐出口變換氣溫度為 480 ，壓力為 7.15 kgfcm (絕)。4.每年估計(jì)大修、中修兩個月，年工作日按300天計(jì)。5

2、.每生產(chǎn)一噸氨需耗半水煤氣量為 3562 標(biāo)準(zhǔn)米。6.要求熱交換器管、殼程的壓力降均小于 250 毫米水柱。二設(shè)計(jì)范圍1.列管熱交換器傳熱面積；2.列管熱交換器結(jié)構(gòu)及工藝尺寸；3.繪制列管熱交換器結(jié)構(gòu)圖。目錄摘要 5一概述 6二熱交換器設(shè)計(jì)的主要因素 6三列管式換熱器的設(shè)計(jì)步驟 7 7 .凈化前組成7 .凈化后組成 8 .混合后組成 9 .變換氣組成 10 11 .冷、熱流體的摩爾流率 11 .冷流體的物性參數(shù) 11 11 12 .2.1.常壓下，各氣體在時的比熱 12 .2.2.常壓下，混合氣在時的比熱 12 12 13 13 13 14 14 14 14 14 15 15 15 .熱流體的

3、物性參數(shù)15 15 16 16 16 17 17 17 17 17 18 18 18 18 .冷、熱流體的物性表 18193.4.管、殼程數(shù)確實(shí)定19192020 .管程設(shè)計(jì)確定換熱管規(guī)格、管數(shù)和布管 20 .設(shè)置拉桿 21 .確定管程流速 22 .殼程設(shè)計(jì) 22 22 .2.管外傳熱面積的設(shè)計(jì)值A(chǔ)。 22 22 .核算傳熱面積A22 i23 。23 25 25 .5.傳熱系數(shù)k。 25 .6.核算傳熱面積A。 26 26 .管程阻力損失26 .殼程阻力損失273.9.計(jì)算溫差應(yīng)力、確定熱補(bǔ)償方法 28 .換熱管壁溫的計(jì)算28 .圓筒壁溫的計(jì)算29 .溫差應(yīng)力的計(jì)算30 .確定熱補(bǔ)償方法 31

4、31 .管箱 31 .接管 313132參考文獻(xiàn) 33摘要本文設(shè)計(jì)的是列管式固定管板換熱器用于合成氨工藝中CO的變換。通過內(nèi)插法計(jì)算冷、熱流體的物性參數(shù)；通過試差法確定換熱器的管數(shù)、內(nèi)徑、換熱管長度、長徑比、換熱面積、傳熱系數(shù)、管殼程流速等。并進(jìn)行熱量、傳熱面積、壓降的校核。關(guān)鍵詞：列管式換熱器，CO變換，內(nèi)插法，試差法。傳熱設(shè)備簡稱換熱器，是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備。石油化工廠中，它的投資占到建廠投資的 15左右，它的重量占工藝設(shè)備總重量的；在我國一些大中型煉油企業(yè)中，各式熱交換器的裝置到達(dá) 300500臺

5、以上。就其壓力、溫度來說，國外的管殼式熱交換器的最高壓力達(dá) 840bar，最高溫度達(dá) 1500。而最大的外形尺寸長達(dá) 33m，最大的傳熱面積達(dá) 6700。按用途分為加熱器、冷凝器、冷卻器、蒸發(fā)器、過熱器和廢熱鍋爐；換熱器按傳熱特征可分為直接接觸式、蓄熱式、間壁式；按制造材料可分為金屬、陶瓷、塑料、石墨、玻璃的交換器等；按熱流體與冷流體的流動方向可分為順流式、逆流式、錯流式。目前，在換熱設(shè)備中，使用量最大的是列管式換熱器。列管式換熱器又稱固定管板式換熱器。固定管板式換熱器由殼體、管束、管板、封頭等部件構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)較緊湊，排管較多，在相同的直徑情況下面積較大，制造較簡單。其特點(diǎn)是傳熱面積比浮頭式換

6、熱器大20%30%；旁路漏流較小；鍛件使用較少，本錢低20%以上；沒有內(nèi)漏；殼體和管子的溫差應(yīng)力應(yīng)小于等于50，大于50時應(yīng)在殼體上設(shè)置膨脹節(jié)；殼程無法清洗適用于管外物料比擬清潔且不易結(jié)垢的場。由于結(jié)構(gòu)緊湊、鞏固，且能選用多種材料來制造，故適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其是在大型裝置和高溫、高壓中得到普遍的采用。完善的換熱器在設(shè)計(jì)時應(yīng)滿足以下各項(xiàng)根本要求: 傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)溫度、壓力、流量、相態(tài)等與物理化學(xué)性質(zhì)密度、黏度、腐蝕性等是工藝過程所規(guī)定的條件。設(shè)計(jì)時要根據(jù)這些條件進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算，使所設(shè)計(jì)的換熱器有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。 換熱器是壓力容器，在進(jìn)行強(qiáng)度、

7、剛度、溫差應(yīng)力以及疲勞壽命計(jì)算時，應(yīng)遵照我國?鋼制石油化工壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定?與?鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定?等有關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。三列管式換熱器的設(shè)計(jì)步驟： 物料衡算以每生產(chǎn)一噸氨為計(jì)算基準(zhǔn)。 凈化前組成 每生產(chǎn)一噸氨需半水煤氣量為3562標(biāo)準(zhǔn)m，即0 ，101.3 kpa下、 V= 3562 m 0 ，101.3 kpa下、1 kmol氣體的體積為22.4 n=159.018 kmol表1 各氣體的摩爾質(zhì)量 CO CO M(kgkmol) 2.016 28.00 44.00 28.02 16.03 34.09 32.00 : v%=n%=36.69 %×36.69%=58.344 kmo

8、lm=××2.016=117.622 kg表2 凈化前半水煤氣的組成體積分率%=摩爾分率% nkmol mkg 質(zhì)量分率w%m= = 同理求出其他組成見表2 凈化后的組成： 該過程中只有HS變化，從0.2%降至0.1% ，那么此體積也是在0、下測得，故：表3凈化后的半水煤氣組成體積分率%=摩爾分率% nkmol mkg 質(zhì)量分率w%m=117.622+1427.916+612.832+7.903+5.420+10.176+962.207=3144.056 kg 混合氣組成因?yàn)闉闃?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)0、下對應(yīng)的體積，所以需將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際狀態(tài)144、下的體積值。 那么：V水蒸氣實(shí)=904.

9、455 V半水煤氣實(shí)由PV=nRT可得： =349.291 kmol表4混合氣的組成體積分率%=摩爾分率% nkmol mkg 質(zhì)量分率w% =158.859=190.432 kmol=××18.02=3431.585 kg=+=3144.056+3431.585=6575.641 kg 變換氣的組成變換反響中，CO的轉(zhuǎn)化率為90%，且O 全部消耗.消耗的CO的量： ×90%=45.897 kmolCO+=+CO+10.25 千卡 2+O2反響值： =45.897=5.100 kmol =+=190.432+0.636-45.897=145.171 kmol =+

10、=58.344-0.636+45.897=103.601 kmol =+=13.928+45.897=59.825 kmol =0 kmol××10÷10.33=701.157 kpa表5 變換氣的組成體積分率%=摩爾分率% nkmol mkg 質(zhì)量分率w%O 0 0 0 0=103.601+5.1+59.825+34.634+0.493+0.159+145.171=348.983 kmol=6572.568 kg 熱量衡算及物性數(shù)據(jù) 冷、熱流體的摩爾流率 以1噸物料為衡算基準(zhǔn)熱流體 冷流體 每年估計(jì)大修、中修兩個月，年工作日按300天計(jì) ，年產(chǎn)量5200噸，那么

11、熱流體 冷流體 冷流體的物性參數(shù) .1 冷流體的定性溫度：， ； .2 冷流體的比熱 .2.1 常壓下，各氣體在=261時比熱表6 常壓下0t 時氣體的平均定壓熱容kcalkmol· 溫度 400 6.98 由內(nèi)插法可求出=261時，常壓下各氣體的比熱見表七。表7 各氣體在常壓， =261時的平均定壓熱容kcalkmol· 摩爾分率 常壓下，混合氣體在=261時的比熱=×××××××÷100 · .2.3 將常壓下，261時的校正為該溫度下下的表8 各氣體組分的臨界溫度，臨界壓力 摩爾

12、分率%y 33.2 1.297 16.704 CO 132.9 3.496 14.600 CO 304.2 =××××××××÷100=403.08 K××××××××÷100=13.64 Mpa查通用熱容校正圖得 =+=7.7456+0.15=7.8956 .3 冷流體的黏度 .3.1 各氣體在=261時的黏度表9 各氣體在=261時的的黏度 摩爾分率%y 0.0128 2.016 16.704 CO 0.0280

13、 28.00 14.600 ·s .3.2 混合氣在=261時的的黏度. .4 冷流體的導(dǎo)熱系數(shù) .4.1 各氣體在=261時的導(dǎo)熱系數(shù)表10 各氣體組分在=261時的導(dǎo)熱系數(shù) 1 =1.163 計(jì)算的時，應(yīng)用公式其中=0.0113 =273.15K =534.15 K =0.0374 .4.2 混合氣在=261時的導(dǎo)熱系數(shù).5 冷流體在=261時的密度.5.1 各氣體在=261時的密度730.576 kpa表11 各氣體在=261.P=730.576 kpa下的密度 由 計(jì)算上表中的各值式中：P=730.576 kpa T=534.15 k 混合氣在=261.P=730.576 k

14、pa下的密度=××××××××÷100.6 冷流體吸熱量：.7 冷流體的平均摩爾質(zhì)量： 熱流體的物性參數(shù)： .1 熱流體的出口溫度.設(shè)=220 =480 表12 各氣體在平均溫度T=340時常壓下的比熱 摩爾分率常壓下=×××××××÷100=8.086 kcalkmol·=346.18 k=11.20 Mpa查通用熱容校正圖得： =+=8.086+0.06=8.092 又試差成功、取 .2 熱流體的定性溫度 .3

15、熱流體的比熱 =8.092 .4 熱流體的黏度表13 各氣體組分在時的黏度 摩爾分率%y 0.0146 2.016 29.687 CO 0.0318 28.00 1.461 O 0.0365 32.00 0·s.4.2 變換氣在時的黏度。.5 熱流體的導(dǎo)熱系數(shù) .5.1 各氣體組分在時的導(dǎo)熱系數(shù)表14 各氣體組分在時的導(dǎo)熱系數(shù) 1 =1.163 計(jì)算的時，應(yīng)用公式其中=0.0113 =273.15K =273.15+350=623.15 K =0.0493 .5.2 變換氣在時的導(dǎo)熱系數(shù).6 熱流體的密度 .6.1 各氣體在時的密度701.157 kpa表15 各氣體在時的密度P=7

16、01.157 kpa 摩爾分率 變換氣在時的密度701.157 kpa.7 熱流體的平均摩爾質(zhì)量 冷熱流體的物性表表16 冷、熱流體的物性表 摩爾流率 導(dǎo)熱系數(shù) 黏度 比熱 平均摩爾質(zhì)量 平均密度 定性溫度 kmolk) pas kcalkmol kgkmol kgm 冷流體 252.266 0.0652 7.8956 18.850 3.10 261熱流體 252.043 0.1118 8.0940 18.865 2.56 350 冷、熱流體的流程安排換熱器內(nèi)流體流程流程安排依據(jù)：(1) 粘性大的流體應(yīng)走殼程，流體在有折流板的殼程流動時，在較低的雷諾數(shù)下，即可達(dá)湍流，有利于提高傳熱系數(shù)。(2)

17、 壓力高的流體走管程，因?yàn)楣茏又睆叫。惺軌毫Φ哪芰茫€防止了采用高壓殼體和高壓密封。(3) 具有腐蝕性的流體走管程，這樣可以用普通材料制造殼體，而管束、管板和封頭要采用耐蝕材料。(4) 蒸汽一般通入殼程，因?yàn)檫@樣便于排除冷凝液，而且蒸汽教清潔，其給熱系數(shù)又與流速關(guān)系小。(5) 需要提高流速以增大其給熱系數(shù)的流體應(yīng)當(dāng)走管內(nèi)，因?yàn)楣軆?nèi)截面積小，而且易于采用多管程以增大流速。(6)被冷卻的流體應(yīng)走殼程，便于散熱。 分析濕混合煤氣和變換氣的物理化學(xué)性質(zhì)：本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，濕混合煤氣的壓力大于變換氣的壓力；而且濕混合煤氣中水汽處于飽和狀態(tài)，H2S造成的腐蝕性大，而變換氣中水汽處于不飽和狀態(tài)，故H2S造

18、成的腐蝕性較小；而且變換氣是被冷卻的流體。根據(jù)上述流程安排依據(jù)，綜合考慮：濕混合煤氣走管程，變換氣走殼程。3.4 管、殼程數(shù)確實(shí)定權(quán)衡傳熱和流體輸送兩方面的得失后，確定為單管程單殼程。3.5 傳熱平均溫差的計(jì)算根據(jù)冷熱流體的流程安排和所設(shè)計(jì)的管、殼程數(shù)單殼程單管程確定兩流體呈逆流。計(jì)算其平均溫差： =144 =378 =480 =220 因?yàn)樵摀Q熱器逆流操作，那么 =480378=102 =220144=76 3.6 估算傳熱面積表17 列管式換熱器K值大致范圍。 高溫流體 低溫流體 總傳熱系數(shù)k 氣體612atm 氣體612atm 3060根據(jù)列管式換熱器中k值的大致范圍，取k=30由傳熱根

19、本方程式可得： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管程設(shè)計(jì)確定換熱管規(guī)格、管數(shù)和布管。初選管程流速= 2 ms選用的冷拔無縫鋼管。 對于=261的有：對于=261的體積流率： 粗算列管根數(shù)： 確定列管在管板上排列方法為正三角形排列，因?yàn)檎切伪葦M緊湊，管外湍流程度高，傳熱系數(shù)大。表18是正三角形排列時不同層數(shù)對應(yīng)可排列的管數(shù)，當(dāng)管子排列6層管子數(shù)超過127根，管束外緣與殼壁之間弓形區(qū)域應(yīng)增排管子，這樣可以充分利用設(shè)備空間，又可以防止殼程流體短路旁流，有利于傳熱。表18 正三角排列時管板上排管數(shù)目六角形的層數(shù)a對角線上的管數(shù)b不計(jì)方形局部時的管子跟數(shù)弓形局部管數(shù)管板上排列的總數(shù)n在弓形的第一排在弓形的第二排在弓形的第

20、三排在弓形的第四排13142729547631910256690613721根據(jù)表18確定管數(shù)表3-17 換熱管中心距t(mm)換熱管外徑 換熱管中心距t 分層隔板槽兩側(cè)相鄰中心距25 32 44 設(shè)置拉桿 為固定折流板或管子支持板，必須設(shè)置帶有同心定距管的拉桿適用于換熱d。19的管束，由表20可確定拉桿直徑為16mm，表21可確定拉桿數(shù)量為6根。實(shí)際的換熱管數(shù)n=-6=721-6=715 根表20 拉桿直徑，mm換熱管外徑 d。，mm拉桿直徑2516表21 拉桿數(shù)量 拉桿直徑，mm公稱直徑DN，mm9001300166 確定管程流速 殼程設(shè)計(jì) .1 確定換熱管長度. .2.管外傳熱面積的設(shè)計(jì)

21、值A(chǔ)。.為加大殼程流體的湍流程度，提高傳熱系數(shù)，可在殼程設(shè)置折流擋板，折流擋板還可起支撐管子的作用，故可代替支撐板。確定折流擋板為圓缺形。. 核算傳熱面積A .1. 管程對流傳熱膜系數(shù).當(dāng)Re1000.Pr=0.6160，L:d50 時. 當(dāng)Re=200010000時.式中為校正系數(shù)，且 .2. 殼程對流傳熱膜系數(shù)假設(shè)壁溫正三角形排列時，流體流過的最大截面積：又對于時的體積流率：殼程流體的流速表22 各流體在時的黏度 在時的變換氣的黏度試差成功取壁溫 對流傳熱膜系數(shù) .3.污垢熱阻Ra 確實(shí)定.半水煤氣之類氣體的污垢熱阻可以取為0.0010.02 管外壁： × × 式中b為

22、管壁厚度，m；為管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，管壁材料為剛，剛的導(dǎo)熱系數(shù)管壁熱阻 以列管外外表積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù).式中： 3.8.計(jì)算阻力壓降 管程阻力損失管程總阻力損失應(yīng)是各程直管損失與每程回彎和進(jìn)出口等局部損失之和，那么管程總壓降可由下式計(jì)算：式中為管程結(jié)垢校正系數(shù)，對于直徑為的管， 為殼程數(shù)，即串聯(lián)的換熱器數(shù) 為每殼程的管程數(shù)各管程相同 為每程直管的壓降，可由求得，其中d ,l為管內(nèi)徑和每根管的長度輕度腐蝕的無縫鋼管,絕對粗糙度,由 查閱摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖可知每程局部阻力引起的壓降(包括回彎和進(jìn)出口)又設(shè)計(jì)的管殼程數(shù)為單管程單殼程 又要求熱交換器管、殼程的壓力降小于250mm水柱< 即管程

23、壓降符合要求的壓降范圍.殼程阻力損失式中：流體橫向通過管束的阻力損失 流體通過拆流檔極缺 的阻力損失 式中：F管子排列方式校正系數(shù),正三角形排列取0.5.折流擋板數(shù).為殼程流體的摩擦系數(shù),當(dāng)500 時 橫過管束中心線的管數(shù)；單程數(shù)正三角形排列：取殼體流體的密度；kgm³殼體流體的黏度；Pa·s； D殼體直徑，1000mm； 即殼程壓降符合要求的壓降范圍。3.9.計(jì)算溫差應(yīng)力，確定熱補(bǔ)償方法。 換熱管壁溫的計(jì)算.熱流體側(cè)的壁溫：冷流體側(cè)的壁溫：一般情況下取：式中：， =8mm，長度=.接管接管應(yīng)盡量沿?fù)Q熱器的徑向或軸向設(shè)置，接管內(nèi)外表宜與殼體內(nèi)外表平齊，接管與外部管線可采用焊接連接，當(dāng)