合成氨裝置-五級閃蒸汽熱交換器設計含10張CAD圖

合成氨裝置-五級閃蒸汽熱交換器設計含10張CAD圖,合成氨,裝置,閃蒸,熱交換器,設計,10,cad 題目名稱 合成氨裝置-五級閃蒸汽熱交換器設計 題目來源 國家、省（部）級 市、校級 企業(yè)（公司） √ 其他 題目類型 √ 工程設計 應用研究 基礎研究 其他 一、畢業(yè)設計概述 1.課題研究的意義 換熱設備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設備，但它具有結構堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器的結構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。 石油、化工、熱能、動力等工業(yè)部門所使用的換熱器中，管殼式換熱器居主導地位，氨肥行業(yè)也不例外。合成氨工業(yè)中，管殼式換熱器數(shù)量多，換熱器的型式、材質、設計壓力、設計溫度等設計條件的合理選擇，換熱管布管等內部結構的優(yōu)化設計，直接決定了換熱器的使用壽命、投資額度、換熱效果及產(chǎn)品收率。換熱器設計在合成氨工業(yè)中的重要性不言而喻。因此，對合成氨裝置-五級閃蒸汽熱交換器設計有著非常重要的意義。 2.畢業(yè)設計的依據(jù)及參數(shù) 通過這次畢業(yè)設計，我們必須全面掌握熱交換器的工藝計算、結構設計、強度計算以及CAD制圖，掌握熱交換器的標準化設計方法，具備工程設計的能力。設計要求如下：H2S：進出口溫度-55/-20，流量5000 m3/hr，壓力0.12MPa；液氨：進出口溫度-18/-30，壓力2MPa。 3.課題的研究現(xiàn)狀 管殼式換熱器單位體積內能夠提供較大的傳熱面積，傳熱效果比較好，并且適應性較強，是生產(chǎn)上應用最廣泛的換熱設備。在經(jīng)濟水平飛速發(fā)展的現(xiàn)在社會，人們開始更多地重視生活上每一個細節(jié)的品質，也愈來愈需要更充裕更加便捷的熱能供應形式，作為一種傳統(tǒng)的換熱設備的管殼式換熱器，由于其構造簡單，解決能力大、選材區(qū)域廣，適應性強，容易制造而且成本相對低，方便清洗，在高溫高壓下也可以適用等很多的優(yōu)點，依然在換熱器中占主導位置。對于各型換熱器的強化換熱技術的研究，主要集中在對換熱器內流體流態(tài)變化以及對各部件的參數(shù)優(yōu)化研究兩方面，而對換熱器部件參數(shù)的主要研究對象就是換熱管（板）排列方式（順排或叉排）、換熱管（板）排數(shù)、換熱管（板）間距大小、肋片布置間距、肋片形狀。 4.課題研究的內容 （1）工藝計算 熱力工藝計算 ① 熱平衡計算：熱平衡計算，并確定傳熱對數(shù)平均溫差； ② 總傳熱系數(shù)的計算：初步確定換熱器的結構，冷、熱側流體的對流換熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)的計算； ③ 總傳熱面積的確定：由傳熱方程，確定換熱器的總換熱面積和最后結構參數(shù)； ④ 阻力計算：根據(jù)所確定的設備結構參數(shù)，確定流體的流動阻力降。 強度校核計算 ① 換熱器總體結構及零部件進行設計； ② 對受壓元件進行強度校核計算。 （2）結構設計 管殼式換熱器的材料應根據(jù)操作壓強、溫度及流體的腐蝕性等來選用。在高溫下一般材料的機械性能及耐腐蝕性能要下降。同時具有耐熱性、高強度及耐腐蝕性的材料是很少的。目前，常用的金屬材料有碳鋼、不銹鋼、低合金鋼、銅和鋁等；非金屬材料有石墨、聚四氟乙烯和玻璃等。根據(jù)實際需要，可以選擇使用不銹鋼材料。管殼式換熱器的結構設計，是為了保證換熱器的質量和運行壽命，必須考慮很多因素如材料、壓力、溫度、壁溫差、結垢情況、流體性質以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結構形式。 在合成氨裝置中，合理設計換熱器結構，對實現(xiàn)工藝過程、提高傳熱效率、節(jié)省能源及降低設備投資等方面有重要的意義。因此，設計換熱器時應反復計算，綜合分析，不斷調整優(yōu)化換熱器結構，從而進一步提高整體傳熱效率，以獲得滿足工藝要求的最優(yōu)結果。 換熱器結構設計要求包括：管子數(shù)，管子排列方式，管間距的確定，殼體尺寸計算，換熱器封頭選擇，容器法蘭的選擇，管板尺寸確定塔盤結構，人孔數(shù)量及位置，儀表接管選擇等。 二、畢業(yè)設計（論文）整體安排及進度 （1） 第七學期17周：與導師見面、布置任務，查閱文獻 （2） 第七學期18-19周：翻譯文獻，撰寫文獻綜述 （3） 第八學期1-2周：確定設計方案，工藝設計計算 （4） 第八學期3-4周：確定設計方案，工藝設計計算 （5） 第八學期5-6周：整理編寫設計說明書，并對說明書進行修改完善 （6） 第八學期7周：畢業(yè)實習 （7） 第八學期8-9周：計算機繪制總裝配圖，中期檢查 （8） 第八學期10-11：計算機繪圖部件圖、零件圖 （9） 第八學期12周：所有圖紙匯總、校對、修改 （10） 第八學期13周：基于Solidworks或者Pro-E進行三維制圖 （11）第八學期14周：整理畢業(yè)答辯材料，提交全部畢業(yè)設計材料 （12）第八學期15-16周：答辯，根完善據(jù)答辯提出的問題進行修改 三、畢業(yè)設計（論文）已完成的研究部分 1.工藝計算 （1）確定設計方案 根據(jù)設計條件可以確定換熱器的類型，本設計中選用管殼式換熱器，液氨走管程，H2S走殼程，并可查詢計算介質的物性參數(shù)，如下表： 表1定性溫度下的有關物性數(shù)據(jù) 介質 密度（kg/m3） 定壓比熱容(kJ/kg·℃) 導熱系數(shù)（W/m·℃） 粘度 (Pa·s) H2S 3.971 1.0617 0.00994 9.73×10-6 液氨 882.26 2.02 0.1875 1.95×10-4 （2）傳熱計算 熱流量算為198.5KW,平均傳熱溫差為21.5℃，液氨的消耗量為29480.2kg/h ， 先假設總傳熱系數(shù)為K=300 W/(m2?℃)。 （3）傳熱面積的計算 先估算傳熱面積，考慮面積裕度則實際傳熱面積為35.42m2。 （4）工藝結構尺寸的計算 考慮管程介質的腐蝕性，可選用Φ25mm×2mm的不銹鋼鋼管。根據(jù)計算選用雙管程， 管長為6米，傳熱管總根數(shù)為90根。采用單殼程結構，平均傳熱溫差為18.5℃。 傳熱管采用正三角形排列，管心距32mm，橫過管束中心線的管數(shù)為12根。殼體內徑計算為400mm。折流板數(shù)量39塊，采用弓形折流板，間距120mm，高度100mm。 殼程接管內徑為350mm，管程接管內徑取25mm。 （5）換熱器的核算 對熱量進行核算，計算殼體對流傳熱系數(shù)為93.94W/(m2?℃)，管程對流傳熱系數(shù)為1913.87W/(m2?℃)，管內側污垢熱阻RSO=17.6×10-5m2?k/w，管外側污垢熱阻RSi=25.4×10-5m2?k/w，則可計算出實際傳熱系數(shù)K和傳熱面積S，計算設計的換熱器面積裕度，為25.41%滿足設計要求。 經(jīng)過多次計算，可以得到假設總傳熱系數(shù)K0=300 W/(m2?℃)時換熱器的面積裕度滿足工藝計算要求，計算過程如下表2所示。 對換熱器內流體的流動阻力進行校核，計算可得管程流動阻力為6609.9Pa，小于35KPa，在允許范圍內，滿足設計要求。計算殼程流動阻力為2.36KPa，也小于35KPa，滿足設計要求。 圖1 工藝流程圖 表2工藝計算校正過程 假設總傳熱系數(shù)K0（W/m2·℃） 實際總傳熱系數(shù)K（W/m·℃） 傳熱面積S(m2) 實際傳熱面積 SP(m2) 面積裕度H% 是否符合標準 200 284.1 44.3 82.3 85.78 否 400 445.6 24.11 40.25 66.9 否 350 382.3 28.4 47.1 65.86 否 300 317.5 33.8 42.39 25.45 是 換熱器設計的主要結構尺寸和計算結果如下表3 表3換熱器主要結構尺寸和計算結果 換熱器形式：固定管板式 管口表 換熱面積/m2 35.42m2 符號 尺寸 用途 連接形式 工藝參數(shù) a DN250 液氨入口 名稱 管程 殼程 b DN250 液氨出口 物料名稱 液氨 H2S c DN250 H2S入口 操作壓力/MPa 2 0.12 d DN250 H2S出口 操作溫度/℃ -18/-30 -55/-20 e DN50 排氣口 流量/（kg/h） 29480.2 19855 f DN50 放凈口 流體密度/（kg/m3） 882.26 3.971 附圖 流速/（m/s） 0.657 10.56 傳熱量/(KW) 198.5 總傳熱系數(shù)/(W/m2·K) 317.5 傳熱系數(shù)/(W/m2·K) 0.1875 0.00994 污垢系數(shù)/( m2·K/W) 0.000176 0.000254 阻力降/MPa 0.023 0.0066 程數(shù) 2 1 推薦使用材料 不銹鋼 不銹鋼 管子規(guī)格 Φ25×2.0 管數(shù)90 管長6000mm 管間距/mm 32 排列方式 正三角形 折流板形式 上下 間距150mm 切口高度25% 殼體內徑/mm 400 保溫層厚度 2.換熱器的結構設計 （1）設計參數(shù)的選定 按公式計算管程設計壓力為2.2MPa，殼程設計壓力為0.132MPa，為使接下來的換熱器結構設計便于計算，換熱器的管程和殼程的設計壓力應該選取合適值，并且滿足所選擇的壓力大小，可選取管程設計壓力為2.2Mpa，殼程設計壓力為0.2Mpa。設計溫度可參考相關標準確定，則設計壓力和設計溫度可以初步取下表3數(shù)據(jù)進行結構計算： 表4 熱交換器設計參數(shù) 殼程 管程 物料名稱 H2S 液氨 設計壓力 0.2 2.2 最大工作壓力 0.12 2 設計溫度 -40 -30 （2）筒體 由于介質在低溫下操作且具有較強的腐蝕性，所以可初步選取筒體材料為15MnNiDR低溫用鋼。初步選定筒體直徑400mm，筒體厚度不低于8mm，長度取6000mm。筒體結構如下圖： 圖2 筒體結構形式 （3）管箱 原則上選取管箱材料和筒體材料相同的15MnNiDR低溫用鋼。由于該熱交換器為單殼程，雙管程，查《過程設備設計》表6-1可選用B型封頭管箱，管箱結構形式如下圖所示。 圖3 封頭管箱結構形式 （4）封頭 考慮到介質的低溫和具有的腐蝕性能，則選取封頭材料為15MnNiDR低溫用鋼。封頭的結構尺寸如下表所示。 表5 DN400標準橢圓形封頭參數(shù) （） 總深度（） 內表面積 （） 容積 （） 封頭質量（kg） 名義厚度（） 400 125 0.2049 0.0115 13.1 8 （5）換熱管的選取 由于管程走液氨，不發(fā)生相變，且液氨具有腐蝕性，而09MnNiD低溫用鋼管擁有良好的耐腐蝕性和冷加工性能，所以選用09MnNiD不銹鋼鋼管，根據(jù)工藝計算2.4.1，換熱管的規(guī)格應該選取Φ25mm×2mm。 （6）防沖擋板及導流筒 防沖板的直徑應大于接管內徑50mm，由工藝計算，已知殼程接管內徑為350mm，則防沖板的直徑為400mm。材料選取為不銹鋼，所以防沖擋板的最小厚度為3mm。防沖擋板可焊接在筒體上，但不應阻礙管束的拆裝。 （7）管板設計 換熱器的設計中管程和殼程的介質均在低溫下操作，且都具有腐蝕性，所以選用15MnNiDR低溫用鋼板作為管板材料。換熱管排列方式為正三角形，換熱管中心距為32mm，管心距44mm。布管方式如下： 圖4 換熱管布管方式 （8）折流板設計 采用弓形折流板，高度為100mm，管孔直徑25mm，折流板厚度取4mm。折流板缺口朝上，采用平接口安裝。折流板間距計算為120mm。 3.校核計算 （1）筒體計算 筒體縱向焊接方式采用的是雙面焊，全焊透方式，焊接結束后進行局部無損探傷。腐蝕裕量C1=3.00mm，厚度負偏差C2=0.3mm。筒體計算厚度0.27mm，筒體設計厚度0.57mm，名義厚度3.57mm，取筒體厚度為8mm。進行水壓試驗校核，滿足強度要求。 （2）封頭計算 選取標準橢圓封頭，腐蝕裕量C1=3.00mm，厚度負偏差C2=0.3mm。封頭計算厚度2.99mm，筒體設計厚度3.29mm，取筒體厚度為8mm，有效壁厚4.7mm。進行水壓試驗校核，滿足強度要求。 （3）管板計算 本熱交換器的連接結構是采用管板和殼程圓筒進行整體連接，其余延長部分由螺柱、螺母和墊片進行連接。根據(jù)整體連接方式進行整體管板的校核計算，按照6種計算工況進行校核： 1）只有殼程設計壓力ps,而管程設計壓力pt=0,不計入膨脹變形差； 2）只有殼程設計壓力ps,而管程設計壓力pt=0,計入膨脹變形差； 3）只有殼程設計壓力pt,而管程設計壓力ps=0,不計入膨脹變形差； 4）只有殼程設計壓力pt,而管程設計壓力ps=0,計入膨脹變形差； 5）管程、殼程壓力共同作用，不計入膨脹變形差； 6）管程、殼程壓力共同作用，計入膨脹變形差； 校核結果均滿足強度要求。 四、下一部分的工作安排 1.計算機繪制總裝配圖； 2.計算機繪圖部件圖、零件圖； 3.所有圖紙匯總、校對、修改； 4. 基于Solidworks或者Pro-E進行三維制圖； 5. 整理畢業(yè)答辯材料。 五、畢業(yè)設計（論文）工作中存在的問題 1.在計算過程中有些數(shù)據(jù)存在計算上的錯誤，且不易被發(fā)現(xiàn)； 2.相關結構尺寸的選取參考不到相應的資料； 3.在相關標準上無法準確查到與自己設計相關的內容； 4.在WORD內容的書寫過程中有關格式不清楚 學生（簽字） 年 月 日 指導教師（簽字） 年 月 日