合成氨裝置-中溫加壓變換第一熱交換器設(shè)計【浮頭式換熱器含11張CAD圖帶外文翻譯】
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I合成氨裝置-中溫加壓第一熱交換器摘 要：本設(shè)計需要設(shè)計一臺適用于合成氨變化工段的浮頭式換熱器，要求是滿足中溫加壓變化工藝。本換熱器傳熱系數(shù)為 17W/m2.℃ ，換熱面積為 682.5m2，傳熱面積裕度 36%，公稱直徑為 DN=1500mm，換熱器總長約為 11300mm，設(shè)備凈重 26383kg，充滿水時設(shè)備最大重量為 38083kg，換熱面積為 682.5m2，屬于第Ⅱ類壓力容器。半水煤氣與變換氣危害程度是中度，屬于第一組介質(zhì)。換熱管選用規(guī)格為 φ 25×2.5mm 的標準無縫鋼管，長度 9m，排列方式轉(zhuǎn)角正方形。半水煤氣走殼程，變換氣走管程，殼程的設(shè)計壓力 2.31Mpa，設(shè)計溫度是 170℃；管程設(shè)計壓力是 1.98Mpa、設(shè)計溫度是350℃。本換熱器是單殼程雙管程。殼體壁厚 20mm，材料是 Q345R，前管箱封頭是EHA1500×20-Q345R,，后管箱 EHA1600×20-Q345R，球冠形封頭是SDH1500×24(19.7)-Q345R；管板材料是 16MnⅡ鍛件，固定管板厚度 128mm，浮動管板厚度 110mm。容器法蘭為長頸對焊法蘭，除浮動管箱的法蘭為 DN1600mm，其余三個法蘭均為 DN1500mm，浮頭法蘭厚度計算得 120mm。折流板計算時取 18 塊，實際繪圖時為 16 塊折流板，間距 450mm，上下布置。管程需要設(shè)置防沖板，接管均選取外徑 530mm，管程接管壁厚是 48mm，殼程接管壁厚 42mm。最后選取固定端管箱用 Solid works 三維建模，并進行有限元進行分析。 關(guān)鍵詞：浮頭式換熱器；工藝計算；結(jié)構(gòu)計算；有限元分析IIIIISynthetic ammonia plant - medium temperature pressurized first heat exchangerAbstract： This design requires the design of a floating head heat exchanger suitable for the ammonia synthesis section. The requirement is to meet the medium temperature pressure change process. The nominal diameter of the heat exchanger is DN=1500mm, the total length of the heat exchanger is approximately 11300mm, the net weight of the equipment is 26383kg, the maximum weight of the equipment when water is full is 38083kg, and the heat exchange area is 682.5m2, which belongs to the pressure vessel of the second type. Half-water gas and shift gas damage is moderate, belonging to the first group of media. The heat exchange tubes are made of standard seamless steel tubes with a size of φ25×2.5mm, with a length of 9m and an arrangement of square corners. The half-water gas goes through the shell process, shifts the gas to go through the tube process, the design pressure of the shell process is 2.31Mpa, the design temperature is 170°C; the design pressure of the tube process is 1.98Mpa, and the design temperature is 350°C. The heat exchanger is a single-shell dual-tube process. The shell thickness is 20mm, the material is Q345R, the front tube box head is EHA1500×20-Q345R, the rear tube box EHA1600×20-Q345R, the spherical head is SDH1500×24 (19.7)-Q345R; tube sheet material 16Mn II forgings, fixed tube plate thickness 128mm, floating tube plate thickness 110mm. The container flange is a long neck butt welding flange, except for the floating tube box flange DN1600mm, the remaining three flanges are DN1500mm, the floating head flange thickness is calculated as 120mm. The calculation of baffle plates takes 18 pieces and the actual drawing time is 16 pieces of baffles, with a spacing of 450 mm and arranged up and down. The tube process needs to set the anti-shunt plate. The outer diameter of the tube is 530mm, the wall thickness of the tube-receiving tube is 48mm, and the wall thickness of the tube shell is 42mm.Finally, the fixed-end tube box was selected for three-dimensional modeling with Solid works, and finite element analysis was performed.Key words: loating head heat exchanger； process calculation;；structural calculation；finite element analysis．IV術(shù) 語 表 t 管 程 介 質(zhì) 定 性 溫 度 ℃ T 殼 程 介 質(zhì) 定 性 溫 度 ℃ i? 管 程 介 質(zhì) 密 度 3kg/m O? 殼 程 介 質(zhì) 密 度 3kg/m pc 管 程 介 質(zhì) 定 壓 比 熱 容 J()?℃ poc 殼 程 介 質(zhì) 定 壓 比 熱 容 J()?℃ i?管 程 介 質(zhì) 導 熱 系 數(shù) 2W/℃ ? 殼 程 介 質(zhì) 導 熱 系 數(shù) 2W/℃ ? 管 程 介 質(zhì) 粘 度 Pas? ? 殼 程 介 質(zhì) 粘 度 Pas? K估 總 傳 熱 系 數(shù) 估 計 值 Q 換 熱 量 k mt? 對 數(shù) 平 均 溫 差 ℃ oq 殼 程 介 質(zhì) 粘 度 3/h S 換 熱 面 積 3 u 管 程 介 質(zhì) 流 速 值 ms sn單 程 換 熱 管 數(shù) L 換 熱 管 長 度 N估 換 熱 管 估 計 值 pN 管 程 數(shù) a 管 心 距 cn 橫 過 中 心 線 管 數(shù) td 換 熱 管 內(nèi) 徑 D 殼 體 內(nèi) 徑 ? 管 板 利 用 率 .0d 換 熱 管 外 徑 h折 流 板 圓 缺 高 度 m B 折 流 板 間 距 m pN 折 流 板 數(shù) i 布 管 圓 限 定 圓 直 徑 o? 殼 程 傳 熱 系 數(shù) e 當 量 直 徑 S 殼 程 流 通 截 面 積 2 ou 殼 程 介 質(zhì) 實 際 流 速 /s Re 殼 程 雷 諾 數(shù) Pr 殼 程 介 質(zhì) 普 朗 特 數(shù) i管 程 流 通 截 面 積 i 管 程 介 質(zhì) 實 際 流 速 / 管 程 雷 諾 數(shù) 管 程 介 質(zhì) 普 朗 特 數(shù) i? 管 程 傳 熱 系 數(shù) 2W/(m)?℃ siR 管 程 污 垢 熱 阻 so 殼 程 污 垢 熱 阻 K 實 際 總 傳 熱 系 數(shù) 值 2W/(m)?℃ pS 實 際 傳 熱 面 積 H 面 積 裕 度 i??管 程 流 動 阻 力 Pa sF 結(jié) 構(gòu) 矯 正 系 數(shù) sN 殼 程 數(shù) ? 傳 熱 管 壁 相 對 粗 糙 度 o 殼 程 流 動 阻 力 ip? 流 體 流 經(jīng) 管 束 的 阻 力 Pa p 流 體 流 經(jīng) 折 流 板 的 阻 力 of 殼 程 流 通 摩 擦 系 數(shù) s 殼 程 設(shè) 計 壓 力 MPa t 管 程 設(shè) 計 壓 力 M l液 柱 靜 壓 力 ? 計 算 厚 度 m it 管 程 設(shè) 計 溫 度 ℃ o 殼 程 設(shè) 計 溫 度 ℃ []st? 殼 程 設(shè) 計 溫 度 下 許 用 應 力 []t? 管 程 設(shè) 計 溫 度 下 許 用 應 力 Pa 1C 鋼 板 負 偏 差 m 2C 腐 蝕 余 量 s? 殼 程 焊 接 接 頭 系 數(shù) t? 管 程 焊 接 接 頭 系 數(shù) t殼 體 壓 力 Pa d? 設(shè) 計 厚 度 n? 名 義 厚 度 e 有 效 厚 度 m V術(shù) 語 表 （ 續(xù) ） et? 接 管 有 效 厚 度 m h 接 管 外 伸 高 度 m 1A 封 頭 多 余 金 屬 面 積 2 2A 接 管 多 余 金 屬 面 積 2 3 接 管 區(qū) 焊 縫 面 積 ? 有 效 補 強 面 積 aL接 管 和 封 頭 的 距 離 bL 接 管 和 封 頭 的 距 離 c 接 管 與 封 頭 的 距 離 1F 溫 差 引 起 的 軸 向 力 N 2F 流 體 壓 力 引 起 的 殼 壁 軸 向 N 3 流 體 壓 力 引 起 的 管 壁 軸 向 力 tA 管 壁 總 截 面 積 2m sA 殼 壁 總 截 面 積 2m sT 管 壁 溫 度 ℃ 1? 冷 流 體 對 流 傳 熱 系 W/()?℃ 2?熱 流 體 傳 熱 系 數(shù)2W/()?℃ tT 管 壁 溫 度 ℃ tE 管 子 的 彈 性 模 量 MPa sE 殼 體 的 彈 性 模 量 MPa Q 內(nèi) 壓 產(chǎn) 生 的 總 軸 向 載 荷 N mQ 殼 程 流 體 作 用 在 管 板 上 的 力 N t 管 程 流 體 作 用 在 管 板 上 的 k 管 程 流 體 作 用 在 頂 蓋 上 的 力 q換 熱 管 拉 脫 力 l 焊 腳 高 度 m rC 系 數(shù) i 換 熱 管 回 轉(zhuǎn) 半 徑 cl 換 熱 管 失 穩(wěn) 當 量 長 度 換 熱 管 失 穩(wěn) 許 用 應 力 b 管 板 名 義 厚 度 m l 相 鄰 折 流 板 間 距 f?’ 殼 體 法 蘭 厚 度 'f? 管 箱 法 蘭 厚 度 aW預 緊 狀 態(tài) 需 要 最 小 螺 栓 載 N GD 墊 片 壓 緊 力 作 用 中 心 直 徑 A 預 緊 狀 態(tài) 需 要 最 小 螺 栓 2 pW 最 小 螺 栓 載 荷 N m 需 要 螺 栓 面 積 2 A 操 作 狀 態(tài) 需 要 最 小 螺 栓 面 2m 1M 系 數(shù) mM 基 本 法 蘭 力 矩 ? r? 管 板 徑 向 應 力 Pa Y 系 數(shù) ，管 板 布 管 區(qū) 周 邊 處 徑 向 Mpa ??tr? 設(shè) 計 溫 度 管 板 材 料 許 用 應 MPa ,f 殼 體 法 蘭 應 力 p? 布 管 區(qū) 周 邊 剪 切 應 力 ?? 殼 體 法 蘭 許 用 應 力 1 筒 體 質(zhì) 量 kg 2m 管 箱 質(zhì) 量 kg 3m 管 板 質(zhì) 量 4 容 器 法 蘭 質(zhì) 量 5 封 頭 質(zhì) 量 6接 管 法 蘭 質(zhì) 量 7 折 流 板 質(zhì) 量 8 管 束 質(zhì) 量 9 分 程 隔 板 質(zhì) 量 kg 10 介 質(zhì) 質(zhì) 量 kg 總 質(zhì) 量 aR 圓 筒 平 均 半 徑 ih 封 頭 曲 面 深 度 m L 封 頭 切 線 間 距 m 0F 封 頭 質(zhì) 量 反 力 N i封 頭 質(zhì) 量 彎 矩 N? M 鞍 座 界 面 軸 向 彎 矩 ? A 鞍 座 外 伸 長 度 B 鞍 座 外 伸 長 度 0b 鞍 座 腹 板 厚 度 rb 鞍 座 墊 板 有 效 寬 度 VI目錄摘 要 .........................................................................................................................................IABSTRACT...............................................................................................................................II1 緒論 ..........................................................................................................................................71.1 生產(chǎn)合成氨的工藝介紹 ......................................................................................................71.2 變換工段簡介 ......................................................................................................................81.3 管殼式換熱器的簡介 ..........................................................................................................82 換熱器的工藝計算 .................................................................................................................92.1 換熱器的工藝計算流程圖 ..................................................................................................92.2 原始數(shù)據(jù)給定與物料成分說明 ........................................................................................102.3 換熱器類型、流動空間和流動方式初選 ........................................................................112.4 物料定性溫度與該溫度下的物料參數(shù)確定查取 ............................................................112.5 換熱器工藝數(shù)據(jù)計算 ........................................................................................................122.6 計算工藝結(jié)構(gòu)尺寸 ............................................................................................................122.7 熱力核算 ............................................................................................................................152.8 管殼間壁溫差與接管尺寸 ................................................................................................172.9 換熱器內(nèi)流體的壓強校核 ................................................................................................172.10 工藝計算數(shù)據(jù)表匯總 ......................................................................................................183 熱交換器的結(jié)構(gòu)計算 ...........................................................................................................213.1 設(shè)計參數(shù)的選定 ................................................................................................................213.2 殼體壁厚的計算與校核 ....................................................................................................213.3 管箱尺寸的計算與校核 ....................................................................................................223.3.1 固定端管箱厚度計算 .....................................................................................................223.3.2 浮動管箱 .........................................................................................................................23VII3.3.3 固定端管箱封頭 .............................................................................................................243.3.4 浮頭管箱封頭 .................................................................................................................253.4 管板 ....................................................................................................................................253.4.1 固定管板 .........................................................................................................................263.4.2 計算布管限定圓 .............................................................................................................273.4.3 浮動管板計算 .................................................................................................................273.4.4 鉤圈式浮頭的尺寸 .........................................................................................................313.4.5 球冠形封頭計算 .............................................................................................................323.4.6 浮頭法蘭計算 .................................................................................................................333.4.7 鉤圈計算 .........................................................................................................................343.5 接管與管法蘭以及開孔補強計算 ....................................................................................373.5.1 接管計算 .........................................................................................................................373.5.2 接管開孔補強計算 .........................................................................................................383.5.3 接管最小安裝位置計算 .................................................................................................413.5.4 管箱尺寸確定方法 .........................................................................................................423.6 法蘭 ....................................................................................................................................423.6.1 固定管箱法蘭 .................................................................................................................423.6.2 外頭蓋法蘭、外頭蓋側(cè)法蘭 .........................................................................................433.6.3 管法蘭 .............................................................................................................................443.7 折流板的厚度及空間布置 ................................................................................................453.8 防沖板和導流筒的設(shè)置 ....................................................................................................453.8.1 管程防沖結(jié)構(gòu) .................................................................................................................453.8.2 殼程防沖結(jié)構(gòu) .................................................................................................................463.9 拉桿的尺寸 ........................................................................................................................46VIII3.10 分程隔板 ..........................................................................................................................473.11 換熱器各部分質(zhì)量計算 ..................................................................................................473.12 鞍式支座的選取與校核 ..................................................................................................503.13 管箱吊耳的選取 ..............................................................................................................503.14 標牌選取 ..........................................................................................................................504 固定端管箱的有限元分析 ...................................................................................................524.1 工程背景 ............................................................................................................................524.2 設(shè)計問題轉(zhuǎn)為實驗問題 ....................................................................................................524.3 SOLIDWORKS 建模以及有限元分析報告 ...........................................................................534.4 材質(zhì)屬性 ............................................................................................................................554.5 負載和夾具 ........................................................................................................................554.5 網(wǎng)格信息 ............................................................................................................................564.6 合力信息 ............................................................................................................................574.7 算例結(jié)果 ............................................................................................................................574.8 結(jié)論 ....................................................................................................................................595 經(jīng)濟核算 ...............................................................................................................................606 總結(jié) .......................................................................................................................................61參 考 文 獻 .............................................................................................................................62致 謝 .........................................................................................................................................64第 9 頁 共 63 頁1 緒論1.1 生產(chǎn)合成氨的工藝介紹（1）氨合成的主要化學反應方程如下： ??2323(g)+g NHNQ?:（ 高 溫 、 高 壓 與 催 化 劑 )（2）生產(chǎn)合成氨的工藝流程圖見圖 1.1 所示：圖 1.1 氨廠的生產(chǎn)工藝流程圖（3）原料氣的制備方法制備半水煤氣的主要原料可以分為固（煤炭） 、液（石油）和氣（天燃氣）三種。原料可以分別按照圖 1.1 第一部分的工序進行原料氣體的制備，三種制氣方法各有長短。因為我國的資源分布呈現(xiàn)多煤炭、缺石油、少天燃氣的結(jié)構(gòu)特征，使用煤炭作為合成氨的主要生產(chǎn)原料必將成為中國合成氨產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的主要話題。因此本設(shè)計原料氣第 10 頁 共 63 頁選擇使用煤炭制備，故半水煤氣的物理性質(zhì)大致與焦爐氣類似，可能會帶有煤灰進入變換工段進行反應。又由于無論哪種制氣方法都會產(chǎn)生一氧化碳（含量為 12-30%） ，而一氧化碳不利于合成氨反應的進行，所以在壓縮工段前設(shè)計一個變換工段，目的是為了盡可能減少原料氣中一氧化碳含量和回收熱量使得能源得到充分的利用。本設(shè)計為中溫加壓第一熱交換器，是原料氣進入變換工段后通過的第一臺換熱設(shè)備，需要考慮可能存在的煤灰結(jié)垢問題的處理。結(jié)合任務(wù)書要求，確定該換熱器為管殼式換熱器。1.2 變換工段簡介變換工段：主要指半水煤氣中的一氧化碳與水蒸氣在催化劑存在的條件下進行變換反應生成二氧化碳和氫氣的過程，為合成氨提供氫元素。該工段可以說是生產(chǎn)合成氨工序中的最重要工序。變換反應如下：CO+H 2O = CO2+H2+Q(催化劑) 。由于一氧化碳變換過程是強制放熱過程，必須分段進行，便于熱量回收和控制變換段出口的一氧化碳殘余量。一般是先在高溫下進行反應，使得大部分的一氧化碳完成轉(zhuǎn)化；再在低溫條件下將一氧化碳的含量降低到 0.3%左右。變換氣殘余的一氧化碳再通過其他的方式除去后進入壓縮工段進行后續(xù)生產(chǎn)。1.3 管殼式換熱器的簡介管 殼 式 換 熱 器 由 殼 體 、 傳 熱 管 束 、 管 板 、 折 流 板 和 管 箱 等 零 部 件 組 成 。表 1.1 四種管殼式換熱器對比表換熱器類型管板與殼體連接方式管板數(shù)優(yōu)點 缺點 適用范圍固定管板式兩端管板均與殼體焊接固定兩個結(jié)構(gòu)緊湊；制造成本低；管內(nèi)便于清洗殼程不易清洗；管殼程溫差較大時，管與管板的接口脫開易發(fā)生泄露管殼程溫差較?。粴こ虨榍鍧嵙黧w浮頭式一端管板固定，另一端可自由浮動兩個殼體與管束不產(chǎn)生熱應力；管束可抽出，便于殼體檢修和清洗結(jié)構(gòu)復雜，造價高；內(nèi)浮頭蓋連接處泄露無法發(fā)現(xiàn)；排管數(shù)目較少管殼間溫差大；殼程介質(zhì)腐蝕性強；易結(jié)構(gòu)U 型管式管板與殼體固定一個結(jié)構(gòu)簡單，造價低；管束與殼體分離，消除熱應力；殼程檢修管束中央有空隙的，流體易走短路；管內(nèi)清洗不方便；只有最外層管高溫高壓；管內(nèi)為清潔流體第 11 頁 共 63 頁和清洗方便 子可以更換填料函式一端管板固定，另一端用填料函密封兩個結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單；殼體與管束間無熱應力；殼程檢修和清洗方便填料函處易泄露 低壓，小直徑（＜700mm） ；無毒、非易燃易爆上述各種管殼式換熱器均有其優(yōu)缺點，在選型實際設(shè)計換熱器時，選型要考慮各種條件和影響因素來綜合進行分析判別。但是選無論哪種換熱器都需要符合以下幾點原則：符合工藝規(guī)定條件；強度足夠、結(jié)構(gòu)合理可靠；制造、安裝和檢修方便；經(jīng)濟環(huán)保。第 12 頁 共 63 頁2 換熱器的工藝計算2.1 換熱器的工藝計算流程圖圖 2.1 換熱器的工藝計算流程圖第 13 頁 共 63 頁2.2 原始數(shù)據(jù)給定與物料成分說明整理任務(wù)書給定數(shù)據(jù)和查參考文獻得物料的各化學性質(zhì)后列表 2.1 與表 2.2。表 2.1 換熱器原始數(shù)據(jù)表物料 半水煤氣 變換氣用氣量（ ）3m/h6000 根據(jù)換熱量計算進口 /出口工作溫度 ( )℃ 35/260 365/280工作壓力( )MPa2.1 1.8表 2.2 物料組成成分（按體積百分數(shù)計算）組分(%) H2 CO CO2 O2 N2 CH4 Ar半水煤氣 38.67 30.38 8.35 0.30 21.30 0.73 0.27變換氣 51.20 2.60 28.00 / 17.24 0.01 0.95查取換熱器各結(jié)構(gòu)形式的適用條件以及效果匯總為下表:表 2.3 換熱器各部件適用條件和效果項目 結(jié)構(gòu)形式 結(jié)構(gòu)形式適用條件和效果光管 應用面廣，適用于任何條件。螺紋管 適合殼程流體的膜傳熱系數(shù)和為管程傳熱系數(shù) 1/3-1/5 的場合；可強化殼程傳熱，提高總傳熱系數(shù)，結(jié)構(gòu)速率低，操作周期長管子形式 波紋管 適用于管程流體的膜傳熱系數(shù)低于殼程 3/5 以下，Re 低的場合，可以大幅度提高管內(nèi)傳熱系數(shù)，防垢性能好，提高管外膜傳熱系數(shù)正三角形 適合殼程不易結(jié)構(gòu)，可化學清洗的場合；比轉(zhuǎn)角正方形排列時多了 17%，單位傳熱面積金屬耗量更低排列形式轉(zhuǎn)角三角形 適用于易解構(gòu)，粘度大的場合，適用面廣管徑Φ19mm×2mm 適合管程結(jié)構(gòu)不嚴重，允許壓降較高的場合；管壁薄，排管多，單位傳熱面積金屬耗量低第 14 頁 共 63 頁Φ25mm×2.5mm 適用面較廣單弓形 單弓形最常用，有水平切和垂直切兩種。切口率為 15-45%，垂直切適用于水平冷凝器、再沸器和懸浮固體粒子的熱交換器。折流板雙（三）弓形 克服單弓形因 180°轉(zhuǎn)彎造成的死區(qū)，以及阻力大、易振動等缺陷。主要用于殼側(cè)壓力降要求較小的場合管長/m 3，6，9 適用于任何條件；殼徑較大的換熱器使用較長管子較為經(jīng)濟。殼徑/mm 325-1800 適用于任何條件；殼徑越大單位傳熱面積金屬耗量越低，采用一臺大的換熱器比采用幾臺小的換熱器經(jīng)濟在后續(xù)工藝計算選擇時可以參考本圖。 2.3 換熱器類型、流動空間和流動方式初選（1）換熱器類型判別：半 水 煤 氣 與 變 換 氣 的 溫 度 變 化 情 況 ：變換氣進出口溫度 365/280℃。半水煤氣進出口溫度 35/260℃。即該換熱器用變換氣加熱半水煤氣，使得半水煤氣升溫與變換氣降溫并發(fā)生變換反應將半水煤氣中的 CO轉(zhuǎn)化為 CO2，滿足進入下一工段的條件。因為冷熱流體的溫差與壓力過大，該換熱器的管殼壁溫之差較大，因此為減小溫差熱應力的影響，可以選擇浮頭式換熱器。（2）流動空間選擇：A．因為熱流體是變換氣被冷卻，更適合在管程中流動，從而減少熱損失；而半水煤氣屬于冷流體，走殼程時有利于提高其傳熱膜系數(shù)。B．變換氣和半水煤氣可近似看作焦爐氣。相比之下，半水煤氣從焦爐出來時可能帶有更多的煤灰與水蒸氣存在，結(jié)垢的可能性更大。為了便于清洗，所以半水煤氣走殼程更合理。（3）兩流體流動方式的選擇：流體在換熱器中的流動方式對整個設(shè)計的合理性有很大的影響，所以應該慎重選擇。在充分考慮各條件以后確定在初步計算時用逆流傳熱更為合理，為能獲得更好的傳熱系數(shù)，故選擇逆流傳熱方式。2.4 物料定性溫度與該溫度下的物料參數(shù)確定查取第 15 頁 共 63 頁（1）定性溫度確定殼程半水煤氣定性溫度：(35260)/147.5T???℃（2.1） 管程變換氣定性溫度： (365280)/3.5t???℃（2.2） （2）由定性溫度查取相應手冊，得到物料氣的物性參數(shù)見表 2.3：表 2.3 定性溫度下的半水煤氣和變換氣的物性參數(shù)表參數(shù) 半水煤氣（殼程） 變換氣（管程）定性溫度 T（℃） 147.5 322.5粘度 μ（ Pa.S） 188×10-7 218×10-7比熱容 Cp（KJ/（Kg.℃） ） 0.3506 0.4498導熱系數(shù) λ（W/m.℃） 0.0728 0.1046平均壓力 P（Mpa） 2.1 1.8平均分子量M（Kg/Kmol）19.24 19.28（3）由理想氣體狀態(tài)方程 可得：=VnRT工況下半水煤氣的密度：Kg/m3 32.109.41.568(75)PMT?????（2.3）工況下變換氣的密度：Kg/m3 31.809.27.014(5)PRT?????（2.4）2.5 換熱器工藝數(shù)據(jù)計算第 16 頁 共 63 頁（1）用半水煤氣計算總換熱量。由于兩流體傳熱過程中無相變，流體傳熱量 由半水煤氣數(shù)據(jù)求得為：Qm0()iQqCpT??KW 601.5306(235)19.8?????（2.5）半水煤氣的用氣量為：Kg/h 061.56930mq???（2.6）初步估計變換氣的用氣量為： 10()miQqCpt??Kg/h 31.809.23754(5)????（2.7）（2）逆流對數(shù)平均溫差。兩流體間的平均傳熱溫差為：（2.8）212()()ln(3650)(835)16l2mTttt?????℃（3）假設(shè)總傳熱系數(shù)。 因為半水煤氣與變換氣都是氣體，由《化學工藝手冊》可取換熱系數(shù)經(jīng)驗值為W/m2.℃。第一次計算時取中間值 20 W/m2.℃，發(fā)現(xiàn)換熱面積裕度過大，不能滿10～足要求。第二次取傳熱系數(shù)為 15W/m2.℃，傳熱面積裕度小于 10%，不滿足工藝要求。。最后修改傳熱系數(shù)為 17W/m2.℃再進行計算，該換熱系數(shù)能滿足生產(chǎn)裕度要求。 （4）估算換熱面積。第 17 頁 共 63 頁換熱面積初步計算時需考慮 15%的裕度，故 計算得pA2159.801.5. 63.1m7pmQAKt?????（2.9）2.6 計算工藝結(jié)構(gòu)尺寸（1）初選管徑與管內(nèi)流速。常用換熱管規(guī)格有 、 （1Crl8Ni9Ti）192??5m2??(碳鋼 20)。 GB/T150 中規(guī)定 GB/T8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》中25m.??的 20 鋼不得用于換熱管，故 20 鋼換熱管選擇 GB/T9948-2013《石油裂化用無縫鋼管》。因為考慮到物料氣在造氣工況中可能帶有煤灰到變換工段，為防止管子堵塞，故選用 換熱管。。.由于管程物料是氣體，查《化工原理課程設(shè)計》表 2-2 得流速合理范圍為管內(nèi)流速50m/s～ 310m/siu?（2）傳熱管數(shù)目與管程數(shù)計算。確定單程換熱管總數(shù)目 （2.10）2243975/(.0136)501.2.8viqNdu?????根按照單管程計算的換熱管長度為（2.11）0623.15.81m.4csALdn????如果將換熱器設(shè)計為單管程，則換熱管過長，本換熱器長徑比不合理，故選擇使用用長度為 9m 的換熱管，重新進行管程數(shù)目的確定。（2.12）15.8=729pN??即是使用雙管程時，單程實際換熱管數(shù)目為 。 (2.13)5042=1N??（3）平均傳熱溫差及殼程數(shù)確定。第 18 頁 共 63 頁變溫傳熱時如下計算：（2.14)216035.8tPT???（2.15）12.Rt 2假 設(shè) 殼 程 數(shù) 為 ， 管 程 數(shù) 按 前 節(jié) 的 計 算 結(jié) 果 為 ， 根 據(jù) 管 程 數(shù) 和 殼 程 數(shù) 查 相 應 圖 表，得溫度校正系數(shù)為 。0.85??校正溫差為（2.16）16.40mtt????℃綜上所訴，換熱器選擇單殼程較為合理。（4）換熱管的排列和管心距。換熱管的排列形式主要有：三角形、轉(zhuǎn)角三角形、正方形和轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角正方形。其中，三角形排列結(jié)構(gòu)緊湊，正方形便于機械清洗。在我國的換熱器系列中，浮頭式多采用正方形排列方式，本設(shè)計采用轉(zhuǎn)角正方形排列。管心距，圓整后取 (2.17)1.25.31.25moad???32m中心管排列數(shù)目(2.18).9.047.cnN故中心排管數(shù)取值為 38 根。 （5）殼體內(nèi)徑。多管程結(jié)構(gòu)，因前節(jié)計算都考慮了裕度，取管板利用率為 0.55 進行計算殼體內(nèi)徑為：(2.20)1.05/324.513mDaN????圓整為標準 1500mm。將計算得換熱器參數(shù)整理列表為表 2-4：表 2-4 換熱器參數(shù)匯總表第 19 頁 共 63 頁殼徑/ m管長/ 中心排管數(shù) 單程管子數(shù) 管程數(shù) 排列方法1500 9000 38 502 2 轉(zhuǎn)角正方形（6）管板最大布管數(shù)的確定換熱器為浮頭式換熱器， 由 GB/T15中 6.3節(jié) 來 確 定 限 定 圓 直 徑 ：(2.19)??215084mLiDb????布管圖 2-3 如下：換熱管在該布管限定圓內(nèi)進行排列畫管線，在該圓內(nèi)的最大布管數(shù)目可達到 根，工藝計算時得出最少要求需要布置 1004 根換熱管，兩管程布置，8故該布管圓符合要求。而在實際繪圖中，單管程布置 535 根，雙管程，總管數(shù)為 1070根，大于工藝計算所需管數(shù)，可以進行制造生產(chǎn)。圖 2.3 最大布管圖與實際布管圖 （7）折流板選型與計算。采用單弓形折流板，根據(jù)相關(guān)標準，可以取弓形折流板的圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則相應的切去的圓缺高度為(2.21)0.25137mh??取折流板間距(2.22).=.045BD圓整后取 450mm則折流數(shù)目第 20 頁 共 63 頁（塊） 901145Bln???(2.23)折流板圓缺面水平裝配。（6）拉桿計算殼體內(nèi)徑 ，換熱管外徑 ，查《換熱器設(shè)計手冊》表 2-31150mD?25md?第 4.4 節(jié)查拉桿與定距管的尺寸表可得：表 2.3 拉桿參數(shù)殼體公稱直徑/mm 拉桿直徑/mm 拉桿根數(shù)1300-1500 16 102.7 熱力核算（1）殼程對流傳熱系數(shù)。因為折流板選擇圓缺形，故可采用凱恩公式：(2.24)0.1410.53o2.36ReProowd??????????殼程流體通過管間最大截面積：(2.25)200.25(1).451().1476m3SBDa?????殼程流體流速：(2.26)0693/0.61.29/s.147VuS（ ）當量直徑，由轉(zhuǎn)角正方形排列得：(2.27)2223()4.140.05.m3oeadd??????（ ）殼程流體雷諾數(shù)：第 21 頁 共 63 頁(2.28)07.21.9.56Re13880du??????(2.29)5.356Pr .0iCp???殼程中半水煤氣被冷卻，取 。所以0.14w??（ ）(2.30)0.5-51/30278.36(36)(9).449./(m)?????℃（2）管程流體雷諾數(shù)：(2.31)7Re0.29.0164288iidu??????因為管程變換氣被冷卻，故 n=0.3管程流通截面積 (2.32)22104S=0.785.=.576mi?管程流體流速：(2.33)392/6.9./s0.157iu??（ ）管程對流傳熱系數(shù)。(2.34)0.8.23RePrni iid???管程流體普朗特準數(shù)：(2.35)750.498210Pr 9.316iCp????????(2.36)0.8-50.2..3()()05719.9w/(m)