甲醇加热器修改版

1、甲醇加热器设计说明书班级：生工123班 姓名 ：万通 日期 ：2015.7.02 指导教师：邸凯 目录1、 方案简介········································&#

2、183;·······················1二、方案设计·························&

3、#183;······································11、确定设计方案·········

4、3;·················································

5、3;·12、确定物性数据···············································&

6、#183;·············23、计算总传热系数··································

7、83;························24、计算传热面积························

8、·····································35、工艺结构尺寸···········

9、83;·················································36、

10、换热器核算·················································&

11、#183;·············4三、设计结果一览表··································

12、83;·······················14四、对设计的总结·························

13、;···································15五、参考文献·············

14、83;·················································

15、83;17一、方案简介本设计任务是利用热流体（水蒸汽）给甲醇蒸汽加热。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.选择换热器时,要考虑的因素主要包括流体的性质，压力，温度及允许压力降的范围，对清洗、维修的要求，材料价格，使用寿命等。换热器的种类很多，不同的换热器适用于不同的场合，而管壳式换热器在生产中被广泛利用。与其他形式的换热器相比，其结构简单、紧凑，制造成本较低，能得到最小的壳体内径，管程可分成多程，壳程也分成双程，规格范围广，故在工程中广泛应用，管内不易积垢，即使产生了污垢也便于清洗。缺点是壳程不能清洗，检查困难，对于较脏或有腐蚀性

16、的介质不宜采用。二、方案设计用420K的饱和水蒸汽加热甲醇燃料气，甲醇处理量为2500kg/h,甲醇由338K上升到393K。设计条件：1.两侧污垢热阻为1/8700 ./W2.热损失5%。3.初设K=58.2W/(.)1确定设计方案 （1）选择换热器的类型两流体温度变化情况：热流体进口温度420K，出口温度420K。冷流体进口温度338K，出口温度393K。从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。（2）流动空间及流速的确定 由于该换热器是具有饱和蒸汽冷凝的换热器，且蒸汽较清洁，它对清洗无要求，故应使用水蒸汽走壳程，以便排除冷凝液。所以甲

17、醇走管程，水蒸汽走壳程。选用25×2.5mm的碳钢管，取管内流速取ui=20m/。 2、确定物性数据 定性温度：由于甲醇的粘度较小，其定性温度可取流体进口温度的平均值。 甲醇的定性温度为：管程流体的定性温度为： 根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 水蒸汽在420K下的有关物性数据如下： 密度 o=2.3585kg/m3定压比热容 cpo=1.92kJ/(kg·)导热系数 o=0.0260 W/(m·)粘度 o=0.000148 Pa·s潜热 =2128.8kJ/kg甲醇在365.5K下的物性数据： 密度 i=1.09kg/m3定压比热容

18、 cpi=1.34kJ/(kg·)导热系数 i=0.0256 W/(m·)粘度 i=0.0000164 Pa·s3计算总传热系数 （1）热流量（2）平均传热温差 （3）水蒸汽流量 （4）总传热系数K 由于壳程较大，K可取较大值，令初设值为58.2KW/ m2 K4、计算传热面积 考虑 15的面积裕度，S=1.15×=1.15×18.65=21.45m25、工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速 选用25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=20m/s（2）传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 根据列管式换热器传统标准选用Nt=

19、98根.（3）计算管长及管程数。所需单程长度根据传统换热器管长可取3米单程换热器（4）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 ,由查图可知，平均传热温差为（5） 传热管排列和分程方法 查表可得当时，管中心距为采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。横过管束中心线的管数 ,得到各程之间可排列10支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为102根，其中4根拉杆，则实际换热器为98根（5）壳体内径 壳体内径为 圆整可取 （6）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25，则切去的圆缺高度为h0.25×400100mm，故可取h100 mm。 取折流板间距B0.5D

20、，则B0.5×400200mm，可取B为200mm。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块)折流板圆缺面水平装配。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管外水蒸汽流速为 u1.0 m/s，则接管内径为 查表取壳程流体进出口接管内径为100 mm 管程流体进出口接管：取接管内甲醇流速 u20 m/s，则接管内径为 查表取管程流体进出口接管内径200mm查表得到符合国家标准的换热器G 400 I-2.5-17.3公称直径： 400mm； 公称压强： 2.5MP总管数： =98根； 管间距： t=32mm管子规格尺寸： 管子排列方式： 正三角形排列传热面

21、积： 17.3 管程数： N=1每管程的流通面积：=0.0308 6换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用以下公式 查表得： =0.6843W/()=919.882kg/Pas =2128.8kJ/kg0壁温为418.7K由以上计算得n=10(取整)代入上式整理得：管内对流传热系数为又因为流体被加热n取0.4.管程流通面积管程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 :传热系数K由已知可得管壁内外侧污垢热阻为1/8700 /W管壁热阻:因为25/20=1.25<2所以传热面积S该换热器的实际传热面积Sp 按照国家标准换热器G 400 I-2.5-17.3 取其实

22、际传热面积=17.3 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Ns=1, Np=1, Ft=1.4由Re27500，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得i0.030 W/m·， 流速ui20.69m/s，1.09kg/m3，所以 pi（p1+p2）Ft （1049.86+699.91）×1.4×1×12449.68Pa （符合设计要求）管程压力降在允许范围之内。壳程压力降流体流经管束的阻力 其中：F=0.50.5×320.90×10×15×(2.358

23、5×0.6082)/2 43.85 Pa流体流过折流板缺口的阻力 NB（3.5）14×（3.5）×(2.3585×0.6082)/215.26Pa总压降：po（）Fs Ns（43.8515.26）×1×159.11Pa（符合设计要求） 其中，Fs为壳程压强降的校正系数，对于气体取1；Ns为串联的壳程数，取1。由于换热器壳程壳程流体的操作压力较低，所以计算得的壳程压力降也比较适宜。 五、主要构件的设计计算及选型5.1壳体5.1.1壳体直径根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di400 mm。查阅结构与零部件（上）P123，表

24、1-1-86 的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN450mm×8mm的壳体，则Do466mm，Di450 mm。5.1.2壳体壁厚 由于所设计的换热器为中低压容器，故可取设计压力为=1.6MPa;查表得许用应力=113MPa考虑到使用年限，取腐蚀裕量=1.0mm0.66 (mm)实际选用板厚名义厚度为n 。n =+ + 式中 根据在4.5到5.5之间 C10.5mm圆整后： n=5.4+0.5+6(mm) 5.1.3水压校核 由过程设备设计P193，公式（4-88），（4-89），得： 18.15 MPa 而0.9s=0.9×0.9×235=

25、190.35 MPa因为<0.9s，所以水压试验时强度足够。5.1.4壳体质量壳体长度=3m质量=7850×3×3.14×（0.420.3942）/4=88.07kg注：个别数据来源于后续步骤。详见附图。5.2管板5.2.1管板参数根据壳体内径尺寸，查阅换热器设计手册P161，表1-6-9 管板尺寸表，由于没有适合本次设计的标准管板，根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表： 管板参数（管板按非标准设计）参数名称参数值管板直径Da/mm450管板外径D/mm565管板厚度ba/mm38螺栓孔直径d2/mm18螺栓规格M16×80螺栓数量n2/

26、个12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔间距D1/mm530管板法兰直径Df /mm565管板螺栓内侧边间距D4/mm487管孔直径d1/mm19管孔数/个100换热管外伸长度/mm5管板体积/m30.00591管板质量/kg46.39注：管板体积=0.00591单块管板质量：m=0.00591×785046.39kg5.2.2管板与壳体的连接 管板兼作法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰连接。5.2.3管子在管板上的固定方式 采用焊接法在管板上固定管子。根据换热器设计手册P172，表1-6-20，管子伸出长度约为5mm。5.3拉杆本换热器壳体内径为450mm，查阅

27、化工单元过程及设备课程设计P135，表4-7和表4-8得：拉杆螺纹公称直径：=16mm拉杆长：L1=2.930m L2=2.780m前螺纹长La=20mm后螺纹长Lb=60mm拉杆数：4根左视图拉杆位置如左图的圆圈位置所示。拉杆质量：m=7850×（2×2.930+2×2.780）×3.14×0.0162/4=18.02 kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=2.77 m，L2=2.67m。粗略计算定距管质量 m=7850×（2×2.77+2×2.67）×3.14×(0.02520

28、.022)/4=15.09 kg5.4分程隔板查阅化工单元过程及设备课程设计P127，表4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=450mm<600 ，对于碳钢，得隔板厚度为：b10mm 。分程隔板长L=260+25+112+5+3210=424mm，其中10mm为管箱嵌入法兰深度，5mm为隔板嵌入管板深度。分程隔板质量以长方体板粗略估计：m=0.450×0.424×0.010×7850=14.84kg5.5折流板5.5.1折流板选型 本次设计的冷却器采用弓形折流板。如右图所示。前面第四章第四节已算出：折流板数 NB=19 块圆缺高度 h110 mm板间距 B

29、150mm查阅换热器设计手册P182，表1-6-26和表1-6-33，得：折流板直径 Da(4503.50.5)mm=446mm折流板厚度 C5 mm。折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=19+0.4=19.4mm查换热器设计手册P184 公式计算： 圆缺部分面积：=0.20738×=0.20738×0.44620.0413折流板体积 C=×0.005=0.000316 折流板质量：m=19×0.000316×7850=47.13 kg5.6封头及管箱5.6.1 封头查阅材料与零部件P332，表2-1-9，本换热器采用椭圆型封头

30、(JB115473)两个，材料采用高合金钢，公称直径Dg450mm（以外径为公称直径），曲面高度h1112mm，直边高度h225mm，厚度8mm,重量=16.6kg。一个焊接于管箱，一个焊接于法兰。5.6.2 管箱管箱长L=260mm，管箱外径=450mm（按非标准设计），壁厚=8mm管箱质量：m=3.14×0.450×0.260×0.008×7850=23.07 kg。5.6.3封头法兰及管箱法兰 查阅材料与零部件（上）P386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力1.01.6MPa范围内，选取的法兰参数为D=565mm，公称直径=450mm，孔间距

31、D1=510mm，D2=482mm。孔直径25mm，厚度b=32mm ，法兰重量=17.80kg 。所用螺栓规格M22×90mm，螺栓数目：12。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。六、附属件的计算及选型6.1接管及其法兰根据流体力学与传热P207，接管直径公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.21.4倍。壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为 ui= 0.51m/s，则接管内径为=0.12 m取标准管径为 125 mm查表材料与零部件（上）P655表 2-8-1，取管的外径133mm，管厚4mm，伸出高度150mm。接管质量=

32、3.14×0.129×0.004×0.15×7850=1.91kg进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅材料与零部件P380，表2-2-19，取法兰直径235 mm，厚度b=10mm，螺栓孔间距D1200mm，D2=178mm，孔直径18mm。法兰重量：凹法兰1.54kg，凸法兰=2.42kg，螺栓规格：M16，螺栓数量为4。由于iui2=996.0×0.512=259.06<2200 kg/(ms2)，故不需防冲板。管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 10 m/s，则接管内径为=0.142 m取标准管径为 150 mm查

33、表材料与零部件P132无缝钢管（YB231-70），取管的外径159mm，管厚4.5mm ，查阅材料与零部件（上P655表 2-8-1，伸出高度150mm。接管质量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg进气口采用凹法兰，出气口采用凸法兰。查阅材料与零件P380，表2-2-19，法兰的直径260mm，厚度b=12mm，螺栓孔间距D1225mm，D2=202mm，孔直径18mm。法兰重量：凹法兰2.18kg，凸法兰=2.75kg，螺栓规格：M16，数量为8。6.2排气、排液管查表材料与零部件P123无缝钢管（YB231-70

34、），取排气液管：外径45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。质量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。查阅材料与零部件P384，表2-2-23，配套法兰：选用凸法兰，dH=45mm，厚度b=20mm，D=145mm，D1=110mm，D2=88mm，质量m2.34kg。6.3支座设计6.3.1 支座的设计选型查材料与零部件（上）P627-628，表2-7-1 鞍式支座尺寸，当公称直径450mm时，b1=160mm , L=420mm , B=120mm， b=90mm，m=200mm，质量=13.6kg，A0.2&#

35、215;3=0.6m，支座间距30002×52×600=1790mm。6.3.2 支座承载能力校核（1）换热器的质量统计于下表：序号各零部件数量单件重量/kg总重量/kg1壳体（YB231-70）263.17263.172管板246.3992.783壳程接管21.913.824壳程接管法兰2凹3.08/凸4.847.925管程接管22.575.146管程接管法兰2凹4.36/凸5.59.867排气液管20.290.588排气液管法兰22.344.689隔板114.8414.8410封头216.6033.211封头法兰117.8017.8012传热管1004.1641613拉

36、杆2/29.24 / 8.7818.0214定距管L127.6815.09L227.4115折流板142.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法兰117.8017.8018支座213.627.2换热器总重量/kg1018（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为： V23.14×（0.025/2）2×2.914×104=0.149m3 壳体体积为： V13.14×（0.450/2）2×2.9140.463m3 忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为： = 1018.1+（0.463-0.149）×996.01330.84kg

37、。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（3）壳体刚度校核已知公式： 和 换热器的受力可简化为如图：AAL 弯矩图为：L=1.790m，=1018.1kg，g=9.81N/kg。校正为1020kg。取A=0.34L=0.34×1.7900.6086(m)，此时=0.025gL=0.025×1020×9.81×1.790=705.94Nm抗弯截面模量：=0.0013=705.94/0.0013=0.543MPa<t=133MPa故此壳体适用。七、设计计算结果汇总表换热器的主要结构尺寸及设计结果一览表参数管程壳程流量，kg/h250090.88物性操作温度，

38、65/120147/147定性温度，92.5147流体密度，kg/m31.092.3585定压比热容，kJ/(kg.k) 1.341.92黏度，pa.s定压比热熔/kJ/(kg·K)1.341.92导热系数，W/（m2·）0.02560.0260设备结构参数形式列管式台数1壳体内径，mm400壳程数1管径，mm管心距，mm32管长，mm3000管子排列正三角形管数目，根98折流板数14传热面积，23.09折流板间距，mm200管程数1材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s20.690.608表面传热系数，W/（m2·）98.672704.7污垢系数，m2·K/