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正文內(nèi)容

流化床冷卻器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-21 23:37 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 工業(yè)上常用的熱器分為外壁和內(nèi)壁兩種[3]: —夾套式換器 如圖22所示,這種換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且不影響床內(nèi)流化質(zhì)量,不會(huì)使床層產(chǎn)生死角。因此,可保持床內(nèi)溫度均勻。整個(gè)床層溫差很小,這對(duì)于溫差控制很?chē)?yán)的操作非常合適。又因它在床層內(nèi)不占空間位置,所以也適合在流化床內(nèi)_安置內(nèi)部構(gòu)件。但安內(nèi)部構(gòu)件后,床層軸向、徑向溫差要增大。這類(lèi)換熱器受顆粒磨損也較其他類(lèi)型換熱器小,不易損壞,使用壽命長(zhǎng)。主要缺點(diǎn)是傳熱面積受設(shè)備尺寸限制。圖22 夾套式換熱器 對(duì)大型流化床設(shè)備,都是在床內(nèi)設(shè)置具有一定傳熱面積的內(nèi)壁換熱器,以滿(mǎn)足工藝過(guò)程要求。在床內(nèi)安置換熱設(shè)備要往意以下幾點(diǎn): ①設(shè)備外表面盡量簡(jiǎn)潔光滑,以減少對(duì)床內(nèi)流化質(zhì)量的影響。②盡量減少床內(nèi)的水平平面構(gòu)件,防止在床內(nèi)出現(xiàn)局部死角以及對(duì)換熱管起屏蔽作用。③設(shè)備在床內(nèi)部的焊接點(diǎn)越少越好,避免熱膨脹引起焊縫脹裂以及被運(yùn)動(dòng)顆粒磨損,造成泄漏。④因流化床與換熱器處于不伺溫度條件下操作,所以要考慮流化床與換熱器之間的不同熱膨脹,采取熱補(bǔ)償措施。 常用的內(nèi)壁換熱器有以下幾種[4]: (一)列管式換熱器 列管式換熱器是將熱管豎直放置在床內(nèi),無(wú)論在濃相還是稀相都可使用。目前,這種換熱器常用單管式和套管式(亦稱(chēng)指型管)兩種。 (二)鼠籠式換熱器這種換熱器焊縫較多,由于總管與支管的剛性不同,因此,熱膨脹情況不一,在溫差大的場(chǎng)合,焊縫容易脹裂,造成滲漏等現(xiàn)象。這種換熱器的傳熱面積較大。 (三)管束換熱器管束可以列置亦可橫排,根據(jù)不同工藝過(guò)程而定。橫排管束式換熱器用于流化質(zhì)量要求不高而熱交換量很大的場(chǎng)合,如沸騰燃燒鍋爐等。 (四)蛇管換熱器 與一般蛇管換熱器似。根據(jù)換熱量大小,可在濃相段設(shè)置一個(gè)或多個(gè)。流化床大致可分為兩種情形[1]: 一種是流體介質(zhì)與固體顆粒間的傳熱,這也包括固體顆粒不參與反應(yīng)(例如催化劑)、但有兩種或兩種以上的流體介質(zhì)相草作用、相互傳熱的情況。這部分傳熱可以看作是流化床反應(yīng)器必需的傳熱,因?yàn)榱骰擦己玫木鶞匦?、較大的蓄熱能力及床層中劇烈的顆粒運(yùn)動(dòng)可能有助于目標(biāo)反應(yīng)的完成。對(duì)流態(tài)化燃燒而言,氣體與顆粒間的傳熱既涉及碳粒的氧化然燒速度,也涉及床層運(yùn)行的穩(wěn)定和燃料顆粒的著火性能。 另一種是流態(tài)化床層與固體壁面間的傳熱。固體壁面包括兩類(lèi):一類(lèi)是流化床的容器壁面,一類(lèi)是床層中特別設(shè)置的裝置壁面。對(duì)于需要保持較高溫度的流化床反應(yīng)器而言,流化床層與容器壁面間的傳熱可能成為熱損失,例如流態(tài)化鍋爐的流化床層與爐墻壁面間的傳熱是鍋爐的散熱損失,對(duì)于需要保持溫度大致穩(wěn)定在一定范圍的流化床來(lái)說(shuō),床層中特別設(shè)置的裝置(如橫排管、縱排管、肋管等)則是為了對(duì)床層進(jìn)行加熱或移出反應(yīng)熱量。較為常見(jiàn)的是移出反應(yīng)熱量,例如流態(tài)化鍋爐內(nèi)部設(shè)置的各種排管、脅管就是鍋爐的主要傳熱面之一,這些傳熱面從流化床中吸收的熱量占鍋爐總傳熱面吸收熱量的很大一部分,有的可以占到40%。這部分傳熱量是流化床層與固體壁面間的有效傳熱量。 床層對(duì)管壁傳熱系數(shù)的影響因素[4]極多,主要因素有以下幾點(diǎn): 1. 操作速度的影響 固定床的傳熱系數(shù)較低,氣速增加給熱系數(shù)也稍有增加。達(dá)到臨界流化速度以后,傳熱系數(shù)隨氣速增加而增加,當(dāng)增至一定值后開(kāi)始逐步減慢。 在相近的氣速下,床層與管壁的傳熱系數(shù)隨顆粒粒徑的減小而增大,這是由于顆粒與壁面的氣膜更緊密接觸所致。 不同的氣固系統(tǒng),從各準(zhǔn)數(shù)方程式中表明,傳熱系數(shù)也各有差異。換熱器置于床中不同半徑時(shí),給熱系數(shù)不等,換熱器置于距中心2/5時(shí)給熱系數(shù)最高,換熱器橫放和豎放給熱系數(shù)都不相同如圖23所示[4]。圖23 傳熱系數(shù)校正值圖 24 蛇形換熱管管徑選取一般蛇形彎管自來(lái)水流速[8]取值u<,故取u=由 = (2—12) ==則d===由無(wú)縫鋼管規(guī)格GB8163—87,取d=22mm冷卻水質(zhì)量流速[8] (2—13)G== Re= (2—14)==7833(過(guò)渡流)流體在圓形直管作強(qiáng)制湍流時(shí)[8] = (2—15)==2369修正系數(shù)[8] = (2—16)==流體在圓形直管中作過(guò)渡流=2396=2227流體在彎管中對(duì)流時(shí)[8] = (2—17)r—彎曲半徑,m.在換熱構(gòu)件設(shè)計(jì)中換熱器在床層中距軸中心位置為2/5D時(shí)換熱系數(shù)最大[4]則r== m==3475 床層對(duì)彎管壁傳熱系數(shù)[4] =(1) (2—18)式中:床層與壁管壁傳熱系數(shù), 顆粒密度 氣體密度 氣體流速,m/s 氣體粘度Pas 顆粒平均直徑,m 流化空隙率 氣體導(dǎo)熱系數(shù), 氣體比熱容, 固體比熱容,= =542 蛇形換熱構(gòu)件總的傳熱系數(shù)[8] (2—19)式中:剛的導(dǎo)熱系數(shù)=45, 冷卻水側(cè)污垢熱阻= , 流化顆粒側(cè)污垢熱阻=.則= =342圖 26 單管式列管換熱器由換熱器在床層中距軸中心位置為2/5D時(shí)換熱系數(shù)最大則取r=結(jié)合實(shí)際情況取主管n=8 ,u=則管徑==m由無(wú)縫鋼管規(guī)格GB8163—87,取d=11mm2mm材料為20鋼流體對(duì)直管傳熱系數(shù)G=u==Re===2886(過(guò)渡流)修正系 === = ==2284==2284=1485又床層對(duì)豎直管傳熱系數(shù) =6913 =即K=457圖 25 鼠籠式換熱構(gòu)件由換熱器在床層中距軸中心位置為2/5D時(shí)換熱系數(shù)最大則取r=上下兩個(gè)環(huán)形彎管流速取=則 ==由無(wú)縫鋼管規(guī)格GB8163—87,取d=27mm2mm材料為20鋼根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)豎直管取n=16 ,===m由無(wú)縫鋼管規(guī)格GB8163—87,取d=9mm2mm材料為20號(hào)鋼對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)設(shè)取,取直管有效高度L=則彎管部分面積 ==直管部分面積 ==傳熱面積 =兩者傳熱系數(shù)比 則預(yù)取傳熱系數(shù) = (2—20)==流體對(duì)彎管傳熱系數(shù)==199==6331(過(guò)渡流)湍流下傳熱系數(shù) = (2—21)==1303修正系數(shù) =====1303=1186==1186=1991 床層對(duì)彎管傳熱系數(shù)與蛇形管相同,=542 取剛和污垢導(dǎo)熱系數(shù)分別為:=45, =64.彎管總傳熱系數(shù) (2—22)==415流體對(duì)直管傳熱系數(shù)== ==2061(層流)由于水被加熱取[8],則 (2—23) = =935床層對(duì)豎直管傳熱系數(shù)[4] (2—24)式中:校正系數(shù),由換熱器在床層中距軸中心位置而定即=6913==903 =415+903=708==(滿(mǎn)足條件)鼠籠式換熱構(gòu)件的尺寸圖 27 鼠籠式換熱構(gòu)件通過(guò)計(jì)算鼠籠式換熱構(gòu)件尺寸如圖27所示。其中:=800mm ,=6mm,=147mm,=120mm,=9mm2mm 氣體預(yù)分布器與分布板設(shè)計(jì)氣體分布板[4]在流化床中的作用有三:一是支承催化劑或其它固體物料。二是均勻分布?xì)怏w并創(chuàng)造一個(gè)良好的起始流化條件。三是抑制聚式流化原生不穩(wěn)定性的惡性引發(fā),使這個(gè)良好起始流化條件得以長(zhǎng)時(shí)期地穩(wěn)定保待下去。這三點(diǎn)足以說(shuō)明氣體分布板在流化床催化反應(yīng)器中所占據(jù)的重要地位置。預(yù)分布器[4]的作用,是在分布板之前,預(yù)先為氣體分布創(chuàng)造一個(gè)較好的流型,從而減輕分布板在均勻分布?xì)怏w方面的負(fù)荷。至于在其它方面,它并不能或很少能分擔(dān)分布板的作用。因此,與分布板相比,它居于次要的地位。從后面的分析,還可以進(jìn)而看到,有些場(chǎng)合有無(wú)預(yù)分布器對(duì)流化并無(wú)顯著影響,但多數(shù)情況,預(yù)分布器能夠起到上述減輕分布板均勻布?xì)庳?fù)荷的作用,從而使分布板和反應(yīng)器的操作更為合理。特別是對(duì)于大型裝置,更是如此。 國(guó)內(nèi)流化床采用的氣體預(yù)分部器型號(hào)有多種,主要有彎管,同心圓錐殼,帽式及錐底填充等。彎管預(yù)分布器用的最多,主要是器制造簡(jiǎn)單,與進(jìn)氣直沖分布板相比已起到一定預(yù)分布作用,操作可靠不易堵塞。本次設(shè)計(jì)就采用彎管式預(yù)分布器。圖 28 彎管式預(yù)分布器 進(jìn)氣管由無(wú)縫鋼管取d=25mm,材料為20號(hào)鋼;分布器厚度=12mm,材料為16Mn。我國(guó)目前在生產(chǎn)應(yīng)用的分布板,大致可分為四種型式,即直流,測(cè)流,密孔及填充型分布板,而其中每一種型式又包括多種不同結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)裝置,綜合其幾種分布器特點(diǎn)選取直流型分布器比較合適,該種分布板具有孔徑小,分布密,制造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。臨界開(kāi)孔率[4]: (2—25) ==式中:— 為開(kāi)孔率; —為進(jìn)口管內(nèi)徑; D—為分布板直徑; — 為分布板阻力系數(shù),~取開(kāi)孔孔由于在其他條件相同情況下,增大分布板壓降或減小開(kāi)孔率,一般能起到改善其布?xì)夂头€(wěn)定性能的作用;反之,壓降過(guò)小或開(kāi)孔率過(guò)大,分布板的布?xì)夂头€(wěn)定性能差。開(kāi)孔徑d=1mm,則開(kāi)孔面積==則 < (2—26)即 <=974則分布板孔數(shù)小于974個(gè),厚度取10mm。 壓降計(jì)算 冷卻器壓降主要分為三部分:流化床層壓降、分布板壓降、換熱構(gòu)件壓降。 流態(tài)化床的壓降很容易計(jì)算。處于流態(tài)化狀態(tài)時(shí)的壓降不再隨流速改變而改變,該壓降等于床層內(nèi)單位截面積上的顆粒重量,即[1] (2—27)式中L和,可對(duì)應(yīng)不同流速下的床高和空隙率。對(duì)于固定床,L和分別代表表靜止床高和固定床空隙率。二者也可以是臨界參數(shù)或流態(tài)化狀態(tài)時(shí)任意流速下的一對(duì)參數(shù),所對(duì)應(yīng)的壓降都是不變的。則 =9000分布板之所以能夠均勻分布?xì)怏w,創(chuàng)造一個(gè)良好的起始流化條件并得以關(guān)期穩(wěn)定地保持下去,除了因?yàn)樗厦婢鶆蚍植贾S多小孔或錐帽這個(gè)淺顯的道理以外,最重要的原因是它對(duì)于通過(guò)的流體具有一定的阻力或壓降。只有當(dāng)這個(gè)阻力大于氣體流股沿整個(gè)床截面重排的阻力,分布板才能起到破壞流股均勻布?xì)獾淖饔谩R仓挥挟?dāng)分布板的阻力大到足以克服聚式流化原生不穩(wěn)定性的惡性引發(fā),分布板寧有可能將已經(jīng)建立的良好起始流化條件長(zhǎng)期繼續(xù)下去?;ひ苯鹧芯克?jīng)對(duì)氣體分布板的穩(wěn)定性問(wèn)題題作過(guò)理論分析,他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出分布板壓降經(jīng)驗(yàn)公式[4]: (2—28)則 =500換熱構(gòu)件壓降由兩部分組成,可按下式計(jì)算[8]: (2—29)式中:為流體流過(guò)直管因摩擦阻力引起的壓降; 為流體流過(guò)環(huán)管因摩擦阻力引起的壓降;其中,的計(jì)算如下: (2—30) (2—31)式中:為摩擦系數(shù);為流體密度; 、分別為直管總長(zhǎng)度和彎管長(zhǎng)度; ﹑分別為直管和彎管內(nèi)徑: 分別為直管和彎管內(nèi)流體流速。當(dāng)Re在2000~3000000內(nèi)時(shí)[8]=3548=66=3548+66=3614 強(qiáng)度計(jì)算 由工藝計(jì)算殼體在46溫度下設(shè)計(jì)壓力為=,選取低合金鋼16Mn制成的無(wú)縫鋼管。材料46時(shí)許用應(yīng)力=170,取焊縫系數(shù)=1,腐蝕余量=2mm則計(jì)算厚度[9]: (2—32)=設(shè)計(jì)厚度 =+2= (2—33)考慮到筒體直接截取無(wú)縫鋼管,故取名義厚度=14mm筒體有效厚度 ==142=12mm (2—34)所選材料的屈服應(yīng)力=345水壓實(shí)驗(yàn)壓力 = (2—35)水壓實(shí)驗(yàn)校核 (2—36)=水壓實(shí)驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平≤==>殼體允許最大工作壓力 (2—37)=13>設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力 (2—38)=<=170開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)。選取20號(hào)熱軋?zhí)妓劁摴埽摴艿脑S用應(yīng)力=130, = (2—39)接管計(jì)算壁厚 (2—40)=接管有效壁厚 mm (2—41)開(kāi)孔直徑 ==31mm (2—42)接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 ==62mm (2—43)接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度 == (2—44) 需要補(bǔ)強(qiáng)面積 == (2—45)可以作為補(bǔ)強(qiáng)的面積為 == (2—46) == (2—47) =+= (2—48)本次設(shè)計(jì)其余接管材料都是用20鋼。 本次設(shè)計(jì)封頭在46溫度下設(shè)計(jì)壓力為=,選取低合金鋼16Mn制成管。材料46時(shí)許用應(yīng)力=170,取焊縫系數(shù)=1,腐蝕余量=2mm則計(jì)算厚度 (2—49)=設(shè)計(jì)厚度=+2=考慮到封頭與殼體便于焊接,故取名義厚度=14mm筒體有效厚度==142=12mm所選材料的屈服應(yīng)力=345水壓實(shí)驗(yàn)壓力=水壓實(shí)驗(yàn)校核=水壓實(shí)驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平≤==>殼體允許最大工作壓
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