反应器气体冷却器设计

反应器气体冷却器设计反应器气体冷却器设计摘要根据现有E-112冷却器的操作条件进行了该装置的热工艺计算结构设计和强度校核其核心部分是换热系数的计算和结构设计采用莫斯廷斯基法进行了常规热计算和校核并根据《GB151-1999管壳式换热器》对该固定管板式换热器进行了结构设计计算其特点是管板延长部分兼作法兰并且带有膨胀节最后从开发前景做出了经济性分析关键词换热器工艺计算结构设计波型膨胀节II反应器气体冷却器设计AbstractThermal process calculation structural design and strength check on the existingE-112 cooler were carried out according to its operating condition The core parts arecalculation of heat transfer coefficient and structural design In this paper a methodMoshitingshiji conventional thermal calculation and verification and the structuredesign is made based onGB150-98 steel pressure vessel whose characteristic is thatthe board prolongation is made as flange and having expansion joints Finally economicanalysis is made in this article from the market analysisKeywords heat exchanger Thermal Process Calculation structural designwave-type expansion jointIII反应器气体冷却器设计目录第一章概述 111 压力容器简介 112 压力容器的分类 113 换热器 414 本题目设计内容 7第二章管壳式换热器的工艺热计算921 换热器设计要求及工艺参数 922 换热器的传热计算 1123 换热器换热面积计算 12第三章结构设计与校核 2031 结构尺寸参数 2032 采用元件及数据 2233 壳体圆筒计算 2334 管箱圆筒计算 2335 螺栓及法兰计算 2336 管板计算 2837 开孔补强计算 4638 其他部件的设计选型 52 第四章结论与展望 54第五章经济分析报告 5551 开发前景 5552 市场前景分析 55参考文献 56致谢 57附录 58声明 59IV反应器气体冷却器设计第一章概述11 压力容器简介化工容器广泛地应用于化工食品医药石油及其相关的其他工业部门可以毫不夸张地说化学工业的生产离不开容器然而化工容器与其他行业的容器相比较有其自身的特点它经常在高温高压下工作它里面的介质经常是属于易燃易爆有毒有害以及具有腐蚀性的介质因而要保证化工容器能长期安全地运行化工容器必须具备足够的强度密封性耐蚀性及稳定性化工容器常见的结构形式是一个钢制圆筒形结构主要有钢制圆筒体和两端的封头组成并安装有各种化工工艺接管如物料进出口管压力表接管液面计接管等以及为检修方便开设的人孔手孔和为保护容器安全而设置的安全装置如安全阀爆破片等整个容器借助支座安放在基础上[1]容器承受的载荷主要是压力载荷大多数容器承受的压力是内压即使是贮存液体的常压容器在尺寸较大时也有流体静压力的作用除内压外还有承受外压载荷的容器按压力大小可以有多种分类受内压的容器其主要失效形式属于弹塑性失效而外压容器的失效形式主要是整体丢稳泄漏也是容器失效的一种形式所以对化工容器来说由于介质的腐蚀毒性易燃易暴行密封是操作的必要条件化工容器抵抗化学介质作用的能力主要是通过选择合适的材料来解决12 压力容器的分类压力容器形型式多样根据不同的需要压力容器可以有若干种分类[2 3 ] com 压力容器的使用位置分类a固定式压力容器b移动式压力容器com 按压力容器的形状分类a 圆桶形容器b球形容器c椭圆形容器1反应器气体冷却器设计d矩形容器e组合容器com 按压力容器的压力等级分类a低压代号 L 容器 01Mpa≤p ＜16 Mpab 中压代号M 容器 16 Mpa≤p ＜100 Mpac高压代号 H 容器 100 Mpa≤p ＜100 Mpad超高压代号 U 容器 p≥100 Mpa外压容器中当容器的内压力小于一个绝对大气压约 01Mpa 时又称为真空容器com 压力容器在生产中的作用分类a反应压力容器代号 R 主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器如反应器、反应釜、聚合釜、高压釜、合成塔、蒸压釜、煤气发生炉等 b换热压力容器代号 E 主要是用于完成介质交换的压力容器如管壳式余热锅炉、热交换器、冷凝器、冷却器、蒸发器、加热器等c分离压力容器代号 S 主要是用于完成介质流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、干燥塔等d储存压力容器代号 C其中球罐代号B 主要是用于储存、盛装气体净化分离的压力容器如液氨储罐、液化石油气储罐等com 压力容器的承压方式分类a内压容器b外压容器com 压力容器的壳壁温度分类a低温容器b常温容器c中温容器d高温容器com 按压力容器的结构、壁厚及制造方法分类2反应器气体冷却器设计a按容器的结构分类一般可分为单层、多层、绕带绕板及夹套四类b按容器的壁厚分类可分为薄壁容器和厚壁容器两类com 按容器的制造方法分类a铸造容器b锻造容器c焊制容器com 按压力容器的安全技术管理分类1 第三类压力容器a高压容器b中压容器仅限毒性程度为极度和高度危害介质c中压储存容器仅限易燃或毒性程度为中度危害介质且Pv 乘积大于等于 10 Mpam3d 中压反应容器仅限易燃或毒性程度为中度危害介质且Pv 乘积大于等于05Mpa ．m 3e低压容器仅限毒性程度为极度和高度危害介质且Pv 乘积大于等于 02Mpa ．m 3f高压、中压管壳式余热锅炉g中压搪瓷玻璃容器h使用强度级别较高指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于 540Mpa的材料制造的压力容器i移动式压力容器包括铁路罐车介质为液化气体、低温液体、罐式汽车[液化气体运输半挂车、低温液体运输半挂车、永久气体运输半挂车]和罐式集装箱介质为液化气体、低温液体等j 球形储罐容积大于等于 50 m 3k低温液体储存容器容器大于 5 m 32 第二类压力容器a中压容器b低压容器仅限毒性程度为极度和高度危害介质c低压反应容器和低压储存容器仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质3反应器气体冷却器设计d低压管壳式余热锅炉e低压搪瓷玻璃压力容器3 第一类压力容器除上述以外的低压容器为第一类压力容器com 压力容器的毒性分类a极度危害Ⅰ级最高容许质量浓度＜01mg m 33 b高度危害Ⅱ级最高容许质量浓度 01～＜10mg m3c 中度危害Ⅲ级最高容许质量浓度 10～＜10mg m3d轻度危害Ⅳ级最高容许质量浓度≥10mg m13 换热器com 换热器的应用及地位在工业生产中凡用来实现冷热流体热量交换的设备统称为换热器换热器是化工石油制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一据统计在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40左右海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的[4 ]由传热学理论可知道热交换是一种复杂的过程它是由系统内两部分的温度差异而引起的热量总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分传热的基本方式有热传导对流和辐射3种因此在换热器中热量总是从热流体传给冷流体起加热作用的热流体又称加热介质如水蒸汽烟道气导热油或其他高温流体等起冷却作用的冷流体又称冷却介质如空气冷冻水冷冻盐水等在热交换过程中热冷流体的温度是因整个流程而不断变化的即热流体的温度由于放热而下降冷流体的温度由于吸热而上升目前应用最广泛的换热器为列管式热交换器此外尚有板式热交换器绕管式热交换器螺旋板式热交换器等列管式热交换器包括固定管板式浮头式U 型管式滑动管板式填料函式及插管式热交换器等列管式热交换器虽然在热交换效率紧凑性和金属消耗量等方面不及其它形式的热交换器但是它具有结构坚固可靠性高适应性大材料范围广等优点仍得到广泛的应用为了适应温4反应器气体冷却器设计度和压力对介质的腐蚀要求在上述基础上变型的也很多如利用工艺流程中产生的余热生产高压蒸汽的废热锅炉就是个节能型热交换设备在化工生产中应用很广泛近年来我国在高温高压热交换器的材料结构和制造方面都取得了一定的进展如四川化工厂的年产 20 万吨合成氨装置中一段废热锅炉和高压蒸汽发生器等在管箱外壳保温膨胀节和密封结构等方面均有一些改进管子进口部分的热防护也获得一定改善为了解决高压差和高温差采用了薄管板或挠性管板结构以减少热应力使用小管子紧密排列改善了管子与管板的连接另外在大型尿素装置中高压汽塔的管板上堆焊合金层以满足耐腐蚀的要求同时该结构也能满足耐高温的要求[56 ]为了适应大型化工装置的生产工艺要求热交换器也随之大型化在大型化过程中遇到的一个复杂问题就是管束的振动通过人量的试验研究现在已能预测管束的自振频率在设计中可以确定适当的流速范围避免流体的激振还在结构上采取了防振措施如采用栅格式紧固装置代替折流板管束被井字型栅格条紧紧固定栅格条与管子外壁不留间隙使用结果表明这种结构可有效地克服管束的振动延长管子的使用寿命结构紧凑符合小管径密排列的原则可降低壳程压降清洗方便不易淤塞脏物板式热交换器近年来也获得了较为广泛的应用板式热交换器有其独到的优点如高的传热系数多股流可拆卸清洗方便等在纯碱行业中板式热交换器取代了效率低下的套管式热交换器而被广泛应用在大型纯碱装置上板式热交换器的单张最大面积已达 13m2 其在合成氨尿素装置上也得到了应用所选用的板材除了不锈钢 304316 外还有钦板目前板式热交换器的主要薄弱环节是因结构和密封胶条所限尚不适宜于操作压力高和温度高的场合另外结构类似于板式热交换器的冷箱即钎焊的铝合金板式热交换器在国外已有操作压力为8 MPa 左右的冷箱产品而国内只有低压级的与国外尚有一定的差距[78]com 换热器的分类随着科学和生产技术的发展．各种工业部门要求热交换器的类型和结构要与之相适应流体的种类流体的运动设备的风力和温度等也都必须满足生产过程的要求近代尖端科学技术的发展加高温高压高速低温超低温等又促使了高强度高效率的紧凑热交换器层出不穷虽然如此所有的热交换器仍可按照它5反应器气体冷却器设计们的一些共同特征来加以区分[9] 例如1 按照用途来分预热器或加热器冷却器冷凝器蒸发器等等2 按照制造热交换器的材料来分金属的陶瓷的塑料的石墨的玻璃的等等3 按照温度状况来分温度工况稳定的热交换器热流大小以及在指定热交换区域内的温度不随时间而变温度工况不稳定的热交换器传热面上的热流和温度都随时间改变4 按照热流体与冷流体的流动方向来分顺流式逆流式措流式混流式5 按照传送热量的方法来分间壁式混合式蓄热式等三大类这是热交换器最主要的一种分类方法按照传热壁面的形状．问壁式热交换器义可分成管式热交换器板式热交换器夹套式热交换器以及各种异形传熬面组成的特殊型式热交换器等类型com 换热器的研究意义随着现代新工艺新技术新材料的不断发展和能源问题的日益严重必然带来更多的高性能高参数换热设备的需求换热器的性能对产品质量能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用有时甚至是决定性的作用目前在发达的工业国家热回收率已达96换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的3540 其中管壳式换热器仍然占绝对的优势约70 其余30为各类高效紧凑式换热器新型热管和蓄热器等设备其中板式板翅式热管及各类高效传热元件的发展十分迅速随着工业装置的大型化和高效率化换热器也趋于大型化并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展20世纪70年代初发生的世界性能源危机有力地促进了传热强化技术的发展为了节能降耗提高工业生产的经济效益要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备因此换热器有多种形式每种结构形式都有其特点和适用范围只有熟悉和掌握这些特点并根据生产工艺具体情况才能进行合理选型和正确的设计自从七十年代发生世界性的能源危机以来各国都在寻找新的能源和节约能源的途径而要研究如何开发诸如核能、地热、太阳能等新能源如何回收尤其是化工系统存在的大量余热并加以利用都离不开换热器我国近几年来也大力开展节能运动许多厂矿以及设计研究单位、高等院校非常重视新能源的开发与余热的利用研制出各种新型结构的、高效的换热器及传热元件[1011]6反应器气体冷却器设计热交换器由于其在化工生产中所占的重要位置因此对热交换器的研究设计制造使用历来受到国内外的重视今后在基础理论研究方面从数学模型和物理模型出发用数学方法推导出精确的计算公式应用计算机进行最优化设计与控制达到最高的技术经济性能从传热分析应力分析信息储存与检索以及模拟和控制方面进行开发有些程序可从工艺设计开始直到绘出图纸这些都是缩短与国外的差距尽快赶上世界先进水平的重点研究课题同时还要继续研究开发热交换器新结构新品种研究热交换器向高参数延伸开发振动的研究采用新材料特别是开发耐腐性能优异的非金属材料制造热交换器有相变的传热研究是涉及能量的转换和传质技术高效传热设备的研究使得传热表面形状更加复杂介质流动更加无规律性研究设计更加复杂总之热交换器在化工生产士的应用向更深更广的领域延伸研究设计制造维修的课题将会更多更复杂任重而道远我们应在新形势下为今后热交换器研究取得更大成果而共同努力大致说来随着换热器在生产中的地位和作用不同对它的要求也不同但总的说来均需满足以下一些基本要求[12]首先满足工艺过程的要求以换热器中应用最为广泛的管壳式换热器为例其工作压力可以从高真空到 80MPa工作温度可以从－100℃以下到1200℃的高温这就要求换热器在各种不同的工作条件下均有较高的换热强度且应尽量减少热量损失其次要求在该工作压力下具有一定的强度但结构又要求简单紧凑便于安装和维修第三造价要求低但运行却又要求安全显然要同时满足上述这些要求是十分困难的甚至是相互矛盾的这就对每一个换热器的研究者和制造者提出一个很高的要求即如何在相对地满足上述要求的基础上设计和制造出最适用的换热器14 本题目设计内容所要研究的内容和解决的问题如下1 反应器冷却器热计算和结构设计所要解决的主要问题是换热器的传热系数的确定和缓热面积的计算7反应器气体冷却器设计2 换热器的强度校核3 换热器图纸设计管壳式换热器的设计涉及到非常多的知识考察了设计人员对综合知识的掌握和运用此设计过程训练了我们学生的综合运用知识应用文献资料设计能力计算能力外语应用计算机应用和技术经济分析等各方面的能力设计计算的常规计算公式繁多涉及到了传热学化工原理的知识最后的装配图和零件图不但要求由手工绘画还要求计算机绘制这就要利用到Auto CAD 软件要想有更好的视觉效果时可以应用到的软件UG或其他三维制图软件绘制三维视图可见换热器研究的意义不但对换热器发展有着重要的推动作用对设计人员综合能力的培养也是非常有意义的8反应器气体冷却器设计第二章管壳式换热器的工艺热计算21 换热器设计要求及工艺参数com 设计参数表 2-1 设计参数表壳程管程设计压力MPa 391 25设计温度℃275 316操作温度℃ 220饱和水220饱和蒸汽 280反应器出料241反应器流量kgh 进口出口出料进口出口3物料蒸汽10×10 待定程数个环氧乙烷饱和蒸汽饱和水11com 定性温度及物性参数tt进口饱和水温度 220oC 出口饱和蒸汽温度 220oC11反应器出料进口温度t2 280oC 出口温度t2 241oC壳程工作压力P 2266MP 管程工作压力P 201MP1 2壳程蒸汽的流量 10× 103 kgh1 壳程物性参数t 1 t定性温度饱和蒸汽和饱和水的情形温度tm1 1 220°C2查《化工物性算图手册》[13]得以下数据饱和水物性参数比热Cp 1 46KJ Kg K密度ρ 8475Kg m3粘度μ 149×106 Pa s19反应器气体冷却器设计导热系数λ 065W m °C1μ C普兰德数Pr1 1 p 1 089λ1汽化热r 4434kcalkg饱和水蒸汽物性参数比热Cp 1 341KJ Kg K密度ρ 116Kg m3粘度μ 169 ×106 Pa s1导热系数λ 00389W m °C1μ C普兰德数Pr1 1 p 1 148λ12管程物性参数t 2 t定性温度t 2 260°Cm 22表 2-2 管程物性参数[14]各组分百分比热容 c 导热系数λ粘度μ×105 密度ρp3KJ Kg °C W m KPa s Kg mO 45 0653 0024 203 14292N 54 0745 0022 17 12512CO 8 0653 0013 137 19762CH 2 1700 0030 103 07174C H 22 1222 0016 0935 12612 4C H O 2 26590 0067 0080 30072 4H O 75 0814 0039 1687 19652比热C 1349KJ Kg Kp 2粘度μ 1473 ×106 Pa s2导热系数λ 00224W m °C2μ C普兰德数Pr2 2 p 2 0887λ210反应器气体冷却器设计 3密度ρ 1397Kg m22 换热器的传热计算1热流体放出的热量3Q W r 51567 ×10 KJ S1 r若考虑换热器对外界环境的散热损失Q 则热流体放出的热量Q 将大于冷流c1体吸收的热量Q2 即Q Q Q1 2 c一般情况下Qc 很难估计而且随换热器的不同而不同如换热器是否保温热流体走管内还是管外等工程上常用热损失系数η加以估算即Q Q ηl 2 1 L热损失系数η的值通常取097-com98l3Q Q η 5054 ×10 KJ S2 1 L2环氧乙烷的质量流量Q2 5504 ×103M9606Kg S2Cp t t 1349 × 280 2412 2 23有效温度对数平均温度t tΔΔmin 280 241 241 220 0Δt 3715 C1m c Δt 280 220ln lnΔt 241 220min单一饱和水沸腾时因为整个过程的温度在整个热交换器是一的所以温差修11反应器气体冷却器设计正系数φ 1 有效温度Δtm φΔt1m c 1×3715 3715 C 23 换热器换热面积计算com 估算传热面积及传热面1传热量Q M q 10×103 ×4434 51567KJ S12 总温差ΔT 2605 220 405°C 总温差均保持一定3管内侧导热系数假定管内侧的导热系数为h 650kcal m2 h ki4 污垢系数由GB151-1999 [15] 可知ri 00001 ro 00002 5管金属热阻使用外径为 19mm 厚度为 2mm 的oCr18Ni9 钢管其导热系数 k 15W m Kw管子平均直径D D 19 15i 0D 17mmm 2 2热阻为ts D0 0002 0019 20000121m h °C kcal 2-1k D 15 0017w m6复合传热系数12反应器气体冷却器设计由尾花英郎《热交换器设计手册》[16] 可得公式1 1 D D t D0 0 s 0r r 2-2ih h D D k De i i i w i1 1 0019 001900001 0000121r00002 2-3h 650 0015 0015e∴h 4173kcal m2 h ke管外沸腾侧界膜导热系数用莫斯廷斯基公式求233h Z ΔT 2-4b水沸腾液的临界压力为4 2P 22MPa 2245 ×10 Kg mc水的沸腾压力P＝223MPa所以相对临界压力PR 0103PcP 017 12 10 333Z 010 c4 18R 4R 10R103332245 ×104 017 12 10010 18 0103 4 0103 100103104 × × × 2-5440假定蒸汽覆盖修正系数φ 0022沸腾温度范围修正系数F2。