31化工原理课程设计

2012级《化工原理》课程设计第1页，共26页东莞理工学院《化工原理》课程设计说明书题目：列管式换热器的设计学院：班级：学号：姓名：指导教师：何运兵时间：2015年6月2012级《化工原理》课程设计第2页，共26页目录一．化工原理课程设计任务书.........................错误!未定义书签。1.1.题目1.2.任务及操作条件1.3.绘制换热器装配图二.概述............................................错误!未定义书签。2.1合成氨工业概述2.1.1合成氨工业重要性2.1.2合成氨的原料及原则流程2.2世界合成氨生产技术及进展1.2.1国外合成氨技术现状及发展1.2.2我国合成氨技术的基本状况2.3换热器概述1.3.1列管换热器结构1.3.2列管换热器分类1.3.3列管换热器主要部件2.4设计背景及设计要求2.4.1设计背景2.4.2设计要求三．换热器工艺设计................................................113.1换热器工艺方案确定3.1.1换热器类型选择及流体流动路径选择3.1.2流体流速选择3.1.3换热器设备设计原则3.2列管式换热器的工艺计算3.2.1确定物性数据3.2.2初算换热器传热面积四．机械结构设计..................................................144.1主要工艺及结构基本参数计算4.2换热器筒体尺寸与接管尺寸确定4.3换热器封头选择4.3.1封头选型及尺寸确定4.3.2封头厚度选取4.4管板的确定4.4.1管板尺寸4.4.2管板与壳体的连接4.4.3管板厚度五．换热器核算....................................................215.1管、壳程压强降计算及校验5.2总传热系数计算及校验六．设计结果表汇..................................................24七．参考文献......................................................25附·化工原理课程设计之心得体会....................................252012级《化工原理》课程设计第3页，共26页§一.化工原理课程设计任务书1.1.题目：列管式换热器的设计1.2.任务及操作条件1.2.1.设计任务：试设计一台固定管板式换热器以完成合成氨车间用冷却水冷却变换气的任务。1.2.2.设计条件：(1)处理能力：4000m3/h(2)设备形式：列管式换热器(3)操作条件①变换气：入口温度140℃，出口温度55℃②冷却介质：自来水，入口温度30℃，出口温度40℃③允许压强降：不大于100kPa④已知操作条件下变换气的物性数据：相对分子量M17导热系数λ，W/(m•℃)0.058密度ρ，kg/m30.925允许压强降，Pa3920粘度μ，Pa•s0.0155×10-5进口温度T1，℃150比热cp，kJ/(kg•℃)1.9出口温度T2，℃60⑤操作条件下水的数据：水质处理过软水全年最高温度30℃1.3.绘制换热器装配图（见A1图纸另附）§二.概述2012级《化工原理》课程设计第4页，共26页2.1.合成氨工业概述氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各化工产品首位；同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10%的能源用于生产合成氨。2.1.1合成氨工业重要性合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，有十分广泛的用途。氨可生产多种氮肥,如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等；还可生产多种复合肥，如磷肥等。氨也是重要的工业原料。应用于基本化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮无机盐的生产;有机工业各种中间体，制药中磺胺药物，高分子中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等的生产；国防工业中三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维等的生产2.1.2合成氨的原料及原则流程合成氨的原料是氢气和氮气。氮气来源于空气，可以在制氢过程中直接加入空气，或在低温下将空气液化、分离而得；氢气来源于水或含有烃的各种燃料。工业上普遍采用的是以焦炭、煤、天然气、重油等燃料与水蒸气作用的气化方法。合成氨生产的原则流程如图示。合成氨过程由许多环节构成，氨合成反应过程是整个工艺过程的核心。2.2世界合成氨生产技术及进展2.2.1国外合成氨技术现状及发展自20世纪20年代第一套合成氨工业投产以来，尽管合成氨生产的基本原理未变，但在合成气制备、合成气净化、氨合成等工艺单元，均取得了重大的技术进步，实现了不少单元技术的革新，以至全流程的更新，使装置规模不断扩大，能量消耗逐步接近理论值。与此同时，在天然气、重油和煤等制氨原料中，由于天然气具有投资省、能耗低的明显经济性优势，使世界上约有85%的装置以天然气为原料。因此合成氨技术的发展主要体现在天然气制氨的技术进步中。20世纪60年代中期，美国凯洛格公司首先开发出以天然气为原料、日产1000吨的大型合成氨技术，其装置在美国投产后每吨氨能耗达到42.0吉焦的先进水平。凯洛格传统合成氨工艺首次在合成氨装置中，采用了离心式压缩机，并将装置中工艺系统与动力系统与动力系统非有机结合起来，实现了装置的单系列大型化（无并行装置）和系统能量自我平衡（即无能量输入），是传统型制氨工艺的2012级《化工原理》课程设计第5页，共26页最显著特征。称为合成氨工艺的“经典之作”。之后ICI-Uhde、Topsoe、Braun公司等相继开发出与凯洛格工艺技术，其中Topsoe和ICI在以清幽为原料的制氨技术方面，处于世界领先地位。这是合成氨工业史上的第一次技术变革和飞跃。2.2.2我国合成氨技术的基本状况我国氮肥工业自20世纪5年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦煤、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右，氮肥工业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力今后的发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。我国目前有大型合成氨装置共计34套，生产能力约1000万t/a；其下游产品除1套装置生产硝酸磷肥之外，均为尿素。按照原料类型分：以天然气（油田气）为原料的17套，以轻油为原料的6套，以重油为原料的9套，以煤为原料的2套。除上海吴泾化工厂为国产化装置外其他均系从国外引进。2.3换热器概述换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在一般化工厂的建设中，换热器约占总投资的11%。在炼油厂的常、减压蒸馏装置中，换热器约占总投资的20%。今后换热器的发展趋势将是不断增加紧凑性、互换性、不断降低材料消耗，提高传热效率和各种比特性，提高操作和维护的便捷性。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。列管式换热器是间壁式换热器的主要类型。2.3.1列管换热器结构管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。管壳式换热器主要由壳体、管束、折流板、管板和封头等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束安装在壳体内，两端固定在管板上。封头用螺栓与壳体两端的法兰相连。它的主要优点是单位体积所具有的传热面积大、结构紧凑、传热效果好。结构坚固，而且可以选用的结构材料范围广，故适应性强、操作弹性较大。与其它品种换热器比较,管壳式换热器的最大缺点是传热效率低。例如,对于水一水换热,传统的管壳式换热器K值范围一般为1150～2230W/㎡•℃,而板式换热器K值为1500～4700W/㎡•℃,螺旋板式为2000～2012级《化工原理》课程设计第6页，共26页3000W/㎡•℃。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。图1列管式换热器的基本结构2.3.2列管换热器分类列管式换热器种类很多，目前广泛使用的按其温差补偿结构来分，主要有以下几种：（1）．固定管板式换热器(代号G)此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。固定管板式换热器有结构简单、排管多、紧凑、造价便宜，等优点。但由于结构紧凑，固定管板式换热器的壳侧不易清洗，而且当管束和壳体之间的温差太大时，管子和管板易发生脱离，故不适用与温差大的场合。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。2012级《化工原理》课程设计第7页，共26页图2带有温度补偿的固定管板式换热器1—挡板；2—补偿圈；3—放气嘴（2）.浮头式换热器（代号F）浮头式换热器针对固定管板式换热器的缺陷进行了改进，浮头式换热器的一块管板用法兰与外壳相连接，另一块管板不与外壳连接，以使管子受热或冷却时可以自由伸缩，但在这块管板上连接一个顶盖，称之为“浮头”，所以这种换热器叫做浮头式换热器。其优点是：管束可以拉出，易于清洗和检修，所以能适用于管壳壁间温差较大，或易于腐蚀和易于结垢的场合；管束的膨胀不变壳体约束，因而当两种换热器介质的温差大时，不会因管束与壳体的热膨胀量的不同而产生温差应力。但其结构复杂、笨重、造价高限制了它的使用。图3.浮头式列管换热器1—管程隔板；2—壳程隔板；3—浮头（3）．填料函式换热器填料函式换热器也只有一端与壳体固定，另一端采用填料函密封。它的管束也可自由膨胀，结构比浮头式简单，造价较低。但填料函易泄露，故壳程压力不宜过高，也不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒的场合。（4）．U型管式换热器（代号Y）U形管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀。其缺点是管子内壁清洗困难，管子更换困难，管板上排列的管子少。优点是结构简单，质量轻，适用于高温高压条件。2012级《化工原理》课程设计第8页，共26页图4U型管式列管换热器1—U形管；2—壳程隔板；3—管程隔板2.3.3列管换热器主要部件（1）换热管换热管的尺寸和形状对传热有很大影响，管径越小，单位体积设备的传热面积就越大，这意味着设备越紧凑，体积则越小，对流传热系数较高。但制造麻烦，且小管易结垢，不易机械清洗。所以对清洁的流体小管子为宜，对粘度大或易结垢的液体管径则可取大些。目前我国列管式换热器系列标准中，所采用的无缝钢管规格多为19mm×2mm和25mm×2.5mm两种。换热器一般用光管，这样结构简单，制造容易，但对流传热系数较低。管子在管板上的固定，原则是必须保证管子和管板连接牢固，不能在连接处产生泄漏，否则会给操作带来严重故障。目前广泛采用胀接法和焊接法，在高温高压时有时也采用胀接加焊接的方法，近来出现了一种爆炸胀管法。胀接法是用胀管器挤压伸人管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形