热粗煤气、合成气热交换器设计的设计.doc

1、太原科技大学毕业设计（论文）热粗煤气、合成气热交换器设计 摘 要：换热器是许多工业部门广泛应用的工艺设备。设计中考虑操作条件及介质的特性，本设计采用固定管板式换热器结构。该设备适用于温度不大，壳程流体清洁，不易结垢拆卸，清洗的场合。在设计过程中，依照GB151-1999钢制管壳式换热器对换热器依次进行工艺计算、结构设计、强度计算，最后完成专题讨论。本设计每层管子排列方式采用正三角形排列，这种方法在相同的面板面积上可排较多的管子，且管外表面传热系数大。最后检测该换热器是否满足介质换热的需求。 关键词：换热器，固定管板，工艺设计，结构设计，强度计算。The design of hot coal g

2、as, synthesis gas heat exchanger Department of mechanical and electrical engineering equipment and process control1022Liu Huan instructs teacher: Yan JianxinAbstract : Heat exchanger is a kind of process equipment which is widely used by many Industry departments. Considering the operating condition

3、s and the characteristic of medium, this design uses the fixed tube sheet heat exchanger structure. The equipment is suitable for the situation that temperature is not high and not easy scaling. In this design process, according to the GB151-1999the type of steel tube shell heat exchanger conduct pr

4、ocess calculation, structure design, strength calculation, finally completes the seminar. The arrangement mode of each layers of tube in this design adopts equilateral triangle arrangement. This method in the same area of the panel can be discharged more pipes, and the outer surface of the tube own

5、high conduct heat coefficient. Finally, testing this heat exchanger whether meet the demand of heat transfer medium.Key words: Heat exchanger a fixed tube sheet process design structure design strength calculation目录摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- I -1工艺流程- 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换热器(w-501)的设计说明- 2 -1.4工艺过程及控制参数的选取- 3 -1.5控制方案的设计- 3 -1.6各仪表的作用方式- 4 -2工艺计算- 5 -2.1原始数据- 5 -2.2类型选择- 5 -2.3流体流径的选择- 5 -2.4工艺参数的计算- 6 -2.4.1确定冷热流体的定性温度- 6 -2.4.2物性参数

7、的计算- 6 -2.4.3计算热负荷- 11 -2.4.4平均温度差- 12 -2.4.5初选总传热系数- 13 -2.4.6初算所需传热面积- 13 -2.4.7换热器结构设计- 13 -2.4.8核算总传热系数- 14 -2.5核算压强降- 15 -2.5.1管程压强降- 15 -2.5.2壳程压强降- 16 -3结构设计- 18 -3.1设计条件- 18 -3.1.1设计压力- 18 -3.1.2设计温度- 18 -3.1.3计算压力- 18 -3.2筒体壁厚- 18 -3.2.1筒体选材- 18 -3.2.2筒体壁厚的计算- 18 -3.2.3筒体的强度校核- 19 -3.3管箱设计-

8、 20 -3.3.1管箱选材- 20 -3.3.2 管箱筒体厚度计算- 20 -3.3.3筒体的强度校核- 21 -3.4管箱法兰- 21 -3.4.1材料选择- 21 -3.4.2法兰型式及尺寸- 21 -3.5管箱法兰垫片- 22 -3.6管箱法兰紧固件- 23 -3.6.1螺柱- 23 -3.6.2螺母- 23 -3.6.3弹簧垫圈- 24 -3.7封头的设计- 24 -3.7.1封头的壁厚计算- 24 -3.7.2封头尺寸- 25 -3.8拉杆设计- 25 -3.8.1拉杆结构形式- 25 -3.8.2拉杆选材- 26 -3.8.3拉杆参数- 26 -3.8.4拉杆的布置- 26 -3

9、.9管板设计- 26 -3.9.1材料选择- 26 -3.9.2管板结构- 27 -3.9.3中心距的求取- 27 -3.9.4布管限定圆- 27 -3.9.5拉杆孔的设计- 27 -3.9.6实际布管- 27 -3.10换热管设计- 27 -3.11接管设计- 28 -3.11.1管程接管设计- 28 -3.11.2壳程接管设计- 29 -3.11.3排气管和排液管的设计- 29 -3.12接管外伸长度- 29 -3.12.1各接管尺寸设计- 29 -3.12.2管程接管位置的确定- 29 -3.12.3壳程接管位置的确定- 30 -3.13防冲挡板- 30 -3.14折流板- 31 -3.

10、14.1材料- 31 -3.14.2折流板的设计- 31 -3.15吊耳- 32 -3.16焊接结构设计- 33 -3.16.1焊接结构- 33 -3.16.2焊接材料的选择- 33 -3.17设备总质量估算- 34 -3.18支座选型- 34 -3.19鞍座位置确定- 35 -4强度校核- 37 -参考文献- 42 -致谢- 43 -附录- 43 -IV1 工艺流程1.1 合成氨的工艺流程合成氨生产工艺过程示意图：图1.1 合成氨工艺流程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N

11、2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+O2CO2+Q C+O2CO+Q CO+O2CO2+Q 气化层： C+ H2OCO2+H2 Q C+ H2OCO+ H2Q C+ H2CH4+Q CO+ H2OCO2+ 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+ H2OCO

12、2+ 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

13、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+3 H22NH3 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2535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

14、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 换热器(w-501)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。 控制方案的确定1.4 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

15、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。1.5 控制方案的设计采用单回路控制系统。图1.2热交换器温度简单控制方框图图1.3氨冷却器温度控制方案流程图1.6 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

16、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 2 工艺计算2.1 原始数据表2.1原始数据物 料温度（进口/出口）操作压力(MPa)体积流量 (/h)管程37/22.65120951壳程-27/-22.109753.2 表2.2 原始数据2含量成份管程变换气壳程合成气%40.0185.880.120.201.451.9849.794.8674.9517.647.035.490.921.2624.9882.290.150.292.2 类型选择因此不需考虑热补偿。2.3 流体流径的选择考虑逆流时

17、换热效率高，故选择逆流传热。壳程：变换气（操作压力：2.10 MPa）管程：变换气（操作压力：2.65 MPa） 2.4 工艺参数的计算2.4.1 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, 2.4.2 物性参数的计算1密度某况下理想气体的密度可按下式进行计算: 式中 P气体的绝对压强,Pa;M气体的相对分子质量,g/mol;T气体的热力学温度,k;R气体常数，其值为8.315J/(molk)。混合气体的折合摩尔质量为： 变换气的折合摩尔质量：=40.01%44+0.12%34+1.45%28+49.79%2+7.

18、03%16+0.92%28+0.15%40=20.5kg/mol合成气的折合摩尔质量=74.95%2+24.98%28=8.5kg/mol 管程变换气的密度：壳程合成气的密度2比热容混合气体的比热容公式为： 5，71式中各组分的质量分数； 各组分的比热容，KJ/(Kg。管壳程各组分的比热容可由插值法求得：表2.4 管程和壳程各组分比热容 成份含量CCOCAr管程(KJ/Kg)1.14830.99231.0810.5651.076414.480.55壳程(KJ/Kg)1.097314.304所以管程变换气的比热容为：=（0.861.15+0.0020.99+0.019821.081+0.0486

19、14.48+0.05492.31+0.01261.0764+0.550.029）=1.871 KJ/（Kg）同理可得壳程合成气的比热容为=17.64%14.304+82.23%1.097=3.433导热系数在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化甚微，可以忽略不计。只有在过高或过低的压强（高于或低于）下，才考虑压强的影响，此时随压强增高导热系数增大。常压下气体混合物的导热系数可用下式估算，即： 式中气体混合物中组分的摩尔分数；组分的摩尔质量，Kg/Kmol。由于变换气和合成气的操作压力都不大，因此上式可以用来计算混合气体在操作压力下的导热系数。查资料，将各组分的导热系数列于表2.5中表

20、2.5管程和壳程各组分导热系数 成份含量CCOCAr管程(Kcal/m)0.01370.01310.02260.0300.02260.1630.0173壳程(Kcal/m)0.0230.163由上可得管程变换气导热系数为： 0.04107 (W/m)壳程合成气的导热系数为: 4.粘度气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加得很少，在一般工程计算中可予以忽略。只有在过高或过低的压强（高于2或低于3）下，才考虑压强对气体粘度的影响。常压气体混合物的粘度，可采用下式计算，即： 式中 混合气体的粘度；气体混合物中组分的摩尔分数；与气体混合物同温下组分的粘度；气体混合物中组分的相对分子质量。查资料，

21、将各组分的粘度列于表2.6中表2.6 管程和壳程各组分粘度 成份含量CCOCAr管程 (pas)1.371.1661.661.0301.7000.8422.092壳程 (pas)1.7010.843由上可得管程变换气粘度为： (pas)壳程合成气的粘度为5.普兰特数普兰特数由如下公式求取： 式中 C流体的比热容，KJ/(Kg； 流体的粘度，Pas； 流体的导热系数，W/(m)。计算得管程变换气普兰特数为壳程合成气普兰特数为：2.4.3 计算热负荷利用热平衡方程式确定换热器的热负荷，计算换热器壳程流体的流量，并确定换热器效率以估算热量损失（主要指对周围环境的热损失）。若在换热器中传热的冷热流体没

22、有相变，热负荷可按下式计算 。 式中 管、壳程流体的质量流量，； 管、壳程流体的比热容，KJ/(Kg； 管程流体的进出口温度，； 壳程流体的进出口温度，。体积流量和质量流量的关系为：W=V 式中：W流体的质量流量，； V流体的体积流量，； 流体的密度，。将质量流量变换为工况温度和工况压力下为 = V=4898.6/h所以壳程变换气的质量流量为：取换热器的效率，于是换热器的热负荷为: 管程合成气质量流量：2.4.4 平均温度差初步确定换热器为单管程单壳程型的管壳式换热器。管壳式换热器主要流程形式有逆流式，并流式和错流式几种。对单管程单壳程换热器，采用逆流式。即有效平均温差为对数平均温差。逆流时的

23、对数平均温度差可用下式计算：其中：逆流时 30所以 即有效平均温差为：2.4.5 初选总传热系数 =2852.4.6 初算所需传热面积S（） 查资料3，54，初选总传热系数 根据传热基本方程式，初算传热面积： 于是，2.4.7 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 = 20 =16换热管总长在标准管长系列中选取换热管长度为=6m。管心距t=52mm，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=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1300。 3.折流板形式的选择最常用的为

24、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%1300 mm =260 mm。两相邻挡板的距离为壳体内径的（0.21）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0.2=0.41300mm=520 mm，可取为600mm。 折流板数（块）。2.4.8 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。7182.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

25、管间流速= ，对于气体不论加热还是冷却，可忽略此项不计，取=1.0，则 3.污垢热阻() 4.总传热系数的计算 =334.02）,在1.151.25的范围内,则初选合理。 2.5 核算压强降2.5.1 管程压强降 ,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 1.的求取 设管壁粗糙度，由关系图查得 上式适用范围为 =33。 pa2.的求取pa2.5.2 壳程压强降=（+）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

26、，当500时，1.的求取 2.的求取一般来说，气体流经换热器的压强降为110kPa，以上计算表面管程和壳程压降都符合要求。3 结构设计3.1 设计条件3.1.1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1.051.10倍。本设计取1.1倍。 壳程设计压力管程设计压力3.1.2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37，故取设计温度为50。壳程设计温度的确定，由于变换气最高操作温度为-2，故取设计温度为10。 3.1.3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

27、则可忽略液柱压力， 计算压力，3.2 筒体壁厚3.2.1筒体选材 由于筒体设计温度为10，设计压力为2.31，参考GB150-1998，由钢制压力容器GB150-1998,表4-1，4-2选16MnR，3.2.2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0.8 式中 计算厚度，； 计算压力，； 焊接接头系数。=mm设计厚度mm名义厚度名义厚度须向上圆整至材料标准厚度，而由GB151-1999表8知筒体最小厚度不小于10mm，所以取 3.2.3筒体的强度校核压力试验类型：液压试验试验压力值压

28、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。3.3 管箱设计3.3.1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。3.3.2 管箱筒体厚度计算计算厚度 =设计厚度名义厚度，取有效厚度3.3.3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 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

29、力校核条件，故合格。3.4管箱法兰3.4.1材料选择 管程设计压力为2.915MPa，温度为50，选16Mn II。 3.4.2法兰型式及尺寸依据JB/T 4703-2000选取长颈对焊法兰，DN=1300，PN=4.0MPa，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3.1带颈对焊法兰密封面型式表3.1带颈对焊法兰 表3.2带颈对焊法兰质量 3.5管箱法兰垫片依据HG/T 20627-2009选择增强性柔性石墨垫,垫片尺寸如下表： 表3.3垫片尺寸3.6管箱法兰紧固件3.6.1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， 本次选用

30、等长双头螺柱，A型。 图3.2等长双头螺柱结构图 表3.4等长双头螺柱的型式与尺寸 , 162024273036,405060657080,22.53445,56666,162024273036,极限偏差单件质量, 公称尺寸3000.6250.9001.1601.4223.6.2螺母根据机械设计课程设计手册第三版，表319螺纹规格DM24damax25.9dwmin33.3emin39.55smax36cmax0.8m六角螺母21.5max薄螺母12技术条件材料公差产品等级钢A级用于DM163.6.3弹簧垫圈规格为16,材料为65Mn,表面氧化的标准型弹簧垫圈的标记垫圈GB/T9316规格(螺

31、纹大径)M24S(b)公称6.0m3Hmin12max15 3.7封头的设计 选用标准椭圆形封头，材料为Q345R。3.7.1封头的壁厚计算形状系数式中曲面高度，mm，即计算厚度 最小成型厚度,根据GB/T25198-2010压力容器封头可查得相应的名义厚度为有效厚度3.7.2封头尺寸选择以内径为基准的椭圆形封头，代号为EHA，其尺寸和结构如下： GB_T25198-2010表3.5 EHA椭圆形封头内表面积，容积公称直径总深度内表面积容积13003501.9340.3208椭圆形封头质量 242.2 JB4746-2002 表3.6 EHA椭圆型封头结构3.7.3封头的强度校核 对于标准椭圆

32、形封头，=1.0椭圆形封头的最大工作压力为3.8拉杆设计3.8.1拉杆结构形式换热管外径大于19mm，故选择拉杆定距管结构。3.8.2拉杆选材选择拉杆和定距管材料为10。3.8.3拉杆参数拉杆的直径和数量按下表选择： 表3.7拉杆数量选用表拉杆尺寸与结构如下： 拉杆直径拉杆螺纹公称直径121215502.0表3.8拉杆尺寸表图3.3拉杆结构图 3.8.4拉杆的布置拉杆应尽量布置在管束的外边缘，本设计采用四根拉杆。3.9管板设计3.9.1材料选择 选择管板材料为16Mn。3.9.2管板结构 选择e型的连接方式即：管板与壳程圆筒连接为整体，其延长部分兼做法兰与管箱法兰用螺柱连接。管板的尺寸参照与设备法兰相配的凸面法兰的尺寸，管板外径760，厚度36，具体结构见管板零件图。 3.9.3中心距的求取本次设计换热管采用正三角形排列，其尺寸为，因此取换热器中心距为32mm。3.9.4布管限定圆 对固定管板式换热器,布管限定圆的直径为 圆筒内径,固定管板式换热器管束最外层管束外表面至壳体内表面的最短距离, ,一般不小于8，为换热管外径。 本次设计取=10mm，则=1300-210=1280mm。 表3.10 I级管束折流板和支持板管孔直径及允许偏差表3.9.5拉杆孔的设计拉杆孔直径 ,为拉杆直径。 拉杆与管板采用螺纹连接。螺纹深度,为拉杆螺纹孔公称直径,.