化工设计年产55万吨甲醇精馏车间设计粗甲醇预热器设计说明

1、 1 / 20化工设计课程设计化工设计课程设计 年产年产 5555 万吨甲醇精馏车间设计万吨甲醇精馏车间设计粗甲醇预热器的设计粗甲醇预热器的设计学生：学生： 学校：学校： 专业班级：专业班级：101101 学号：学号：1041204110412041 指导老师：指导老师： 2 / 20目录目录1.11.1 设计条件与主要物性参数设计条件与主要物性参数 2 21.1.11.1.1 设计条件设计条件 2 21.1.2.1.1.2.主要物性参数主要物性参数 3 31.21.2 工艺设计计算工艺设计计算 3 31.2.1.1.2.1.估算传热面积估算传热面积 3 31.2.2.1.2.2.换热器工艺结

2、构换热器工艺结构 4 41.2.3.1.2.3.壳体径壳体径 6 61.2.41.2.4 折流板折流板 6 61.2.5.1.2.5.其它主要附件其它主要附件 7 71.2.61.2.6 接管接管 7 71.31.3 换热器核算换热器核算 7 71.3.1.1.3.1.热流量核算热流量核算 7 71.3.21.3.2 换热器流体阻力计算换热器流体阻力计算 10101.41.4 设备设计计算设备设计计算 11111.4.11.4.1 筒体与封头壁厚计算筒体与封头壁厚计算 11111 1 .4.2.4.2 主要附件选型主要附件选型 13131.4.31.4.3 接管选型与补强接管选型与补强 131

3、31 1 .4.4.4.4 管板的选型管板的选型 16161.4.51.4.5 管箱的选型管箱的选型 17171.4.61.4.6 鞍座的选型鞍座的选型 18181.51.5 主要结构尺寸与计算结果汇总主要结构尺寸与计算结果汇总 1818附录：预热器装配图附录：预热器装配图 1919 3 / 201 1. .1 1 设计条件设计条件与主要物性参数与主要物性参数1 1.1.1.1.1 设计条设计条件件1.设计任务粗甲醇原料预热器设计，对冷物流粗甲醇（甲醇 90%）进行预热（由 40 oC加热至 69 oC） ，年需量 60.9 万吨/年，压力为 0.15MPa，要求管程和壳程压差均小于 50kp

4、a，设计标准式列管换热器。2.选择换热器类型流体温度的变化情况：混合流体进口温度为 40 oC，出口温度为 69 oC，压力为 0.15MPa，查表得对应饱和蒸汽温度为 111.2 oC。出口温度不变，但发生相变，转化为水。由于管程和壳程压差均小于 50KPa，且进出口温度变化不大。因此，选用固定管板式换热器。3.流程安排因为饱和蒸汽比较清净，表面传热系数与流速无关且冷凝液容易排出。所以饱和蒸汽宜走壳程。而甲醇的黏度 （0.5-1）10-3Pas。宜走管程。综上，甲醇走管程，水蒸气走壳程。1.1.2.1.1.2.主要主要物性参数物性参数1. 定性温度对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取

5、流体进出口温度的平均值。查表得甲醇黏度都很低，故管程液体的定性温度为 406954.52ct壳程饱和水蒸汽在 0.15MPa 压力下的定性温度为。111.2ht 2.各组分物性参数根据定性温度分别查到管程和壳程流体的有关物性数据。如下表表 1 水蒸气在 111.2oC 下的物性参数密度 0.8585 kg/m3定压比热容 Cp 4.235 kJkg-1k-1焓 H 466.4 kJkg-1k-1汽化热 r 2228.9kJkg-1热导率 0.685 wm-1 k-1黏度 0.25610-3 Pas 4 / 20表 2 甲醇在 54.5下的物性参数密度 793 kg/m3定压比热容 Cp2.65

6、 kJkg-1k-1热导率 0.187 wm-1 k-1黏度 0.4910-3Pas1.21.2 工艺设计计算工艺设计计算1.2.1.2.1.1.估算传热面积估算传热面积1.换热器的热流量在热损失可以忽略不计的条件下，对于无相变的物流，换热器的热流量由下式确定：其中 Kg/h86.09 1076913330 24mq=t2-t1=69-40=29 K所以 热流量KJ/h=1641.88KW676913 2.65 295.91 10mpq Ct 对于有相变化的单组份饱和蒸汽冷凝过程，其热流量衡算可表示为h hD r则饱和水蒸气的用量 Kg/h65.94 1026532228.9hhDr2.平均传

7、热温差由于在一样德流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以在工程上，若无特殊需要，均采用逆流。故本次设计采用逆流方式。=55.4 1212(111.269)(111.240)111.269lnln111.240mttttt3.估算传热面积 ，假设 K=600 W/（m2k）PAK t 5 / 20所以 m295.91 1049.43600 600 55.4pA1.2.1.2.2.2.换热器工艺结构换热器工艺结构1.管径与管流速若选择较小的管径，管表面传热系数可以提高，而且对于同样的传热面积来说可以减小壳体直径。但管径小，流动阻力大，清洗困难，设计可根据具体情况用适宜的管径。管流速的大

8、小对表面传热系数与压力降的影响较大，一般要求所选的流速应使流体处于稳定的湍流状态，即雷诺指数大于 10000，对于传热热阻较大的流体后易结垢流体应选取较大的流速。另外还要考虑在所选的流速下，换热器应有适当的管长和管程数，并保证不会由于流体的动力冲击导致管子强烈振动而损坏换热器。综上考虑，选用无缝钢管（20 号钢） ，选取管流速 u=1m/s。25 2.5mm2. 确定管长、管程数和总管数选定管径和管流速后，可以下式确定换热器的单程传热管数。根227691385.6863600 793(0.0252 0.0025)144viqnd u 单程传热管长度：=7.3m0PsALnd49.43.14 8

9、6 0.025如果按单程计算的传热管长度太长，则应采用多管程。确定了每程传热管长度之后，即可求管程数。取每程传热管长度 l=4.5 m则 管程数 7.3N1.624.5Ll换热器的总传热管数为（根）2 86172TNNn3.平均传热温差校正与壳程数选用多管程换热器损失部分传热温差，这种情况下的平均传热温差由计算，其中温差校正系数与流体的进出口温度有关，也与mtmtt逆t换热器的壳程数与管程数有关。其中 1221=TTRtt热流体的温降冷流体的温升111.2 111.206940 6 / 202111=TttPt冷流体的温升两流体最初温差69400.407111.240对单侧温度变化流体，逆流的

10、平均传热温差相等。即=1，壳程数为 1t=1 55.455.4mtmtt逆4.传热管排列传热管在管板上的排列有三种基本形式，即正方形、正四边形和同心圆排列。传热管的排列应使其在整个管板上均匀而紧凑地分布，同时还有考虑流体性质，管箱结构与加工制造等方面等方面的要求。一般说来，正三角形排列在管板面积上课排较多的传热管，而且管外表面的表面传热系数较大。但正三角形排列时管外机械清洗较为困难，而且管外流体的流动阻力也较大。正方形排列在同样的管板面积上可配置的传热管最少，但管外易于进行机械清洗，所以当传热管外壁需要机械清洗时，常采用这种排列方法。同心圆排列方式的优点在于靠近壳体的地方管子分布较为均匀，在壳

11、体直径很小的换热器中可排列的传热管数比正三角形排列还多。由于壳外是清洁的饱和蒸汽，所以采用正三角形排列。5.管心距管板上两传热管中心距离称为管心距。管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗外管面所需的空间。传热管和管板的方式有胀接和焊接两种，当采用胀接法，采用过小的管心距，常会造成管板变形。而采用焊接法时，管心距过小，也很难保证焊接质量，因此管心距应有一定的数值围，一般情况下，胀接时，取管心距 t=(1.31.5)d0，焊接时，取 t=1.25d0=0.0175 。本次设计选取焊接法。多管程结构中，隔板占有管板部分面积。一般情况下，隔板中心到离其最近一排管中心

12、距离可用下式计算（mm）62tS 当 do=25mm 时 ，取管心距 t=1.25d0=1.25 25=31.2532mm各程相邻管心距3222 (6)442Smm6.管束的分程方法采用多管程，则需要在管箱中安装分程隔板。分程时，应使各程管字数目大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短，一般采用偶数管程。管束分程方法常采用平行法。1.2.31.2.3. .壳体径壳体径多管程换热器壳体的径与传热管数、管心距和管程数有关： 7 / 20其中 为管板利用率，取 =0.81.05TNDt则壳体径 mm，整圆可取 500 mm1721.05 324930.8D 1.2.41.2.4 折流板折流板列管式换热

13、器的壳程流体流通面积比管程流通面积大，为增大壳程流体的流速，加强湍流程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两大类，其形式有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板。弓形折流板结构简单，性能优良，在实际中最常用。弓形折流板的圆缺面可以水平或垂直装配。水平装配可造成流体的强烈扰动，传热效果好。综上，本设计采用横向弓形折流板，水平装配。折流板间距0.30.3 500150BDmm折流板数块。4500129150BN 1.2.51.2.5. .其它主要附件其它主要附件1.旁路挡板在换热器壳程，由于管束边缘和分程部位都不能排满换热管，所以在这些部位形成旁路。为防止壳程物料从这些旁路

14、大量短路，必要时应设置旁路挡板来增大旁路的阻力，迫使物料通过管束进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成。当换热器直径小于 1000mm 时，可将旁路挡板分段焊在折流板之间，每块挡板的长度等于两块折流板间的间距。2.防冲板为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀与振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。对于壳体径大于 325mm 时的折流板左、右缺口和壳体径小于 600mm 时的折流板上、下缺口的换热器，常将防冲板焊于壳体上。由于本次设计的壳体径为500mm，所以选用此方法。1.2.61.2.6 接管接管管程流体进出口接管：取接管甲醇流速，11/um s 8 / 20。31

15、769130.0269/36003600 793mqqms则接管径 m，圆整后取管径为 200mm11144 0.02690.1851vqdu壳程流体进出口接管：取接管流体流速，210/um s3226520.858/3600 0.8585qms则接管径m，圆整后取接管径为 350mm。22244 0.8580.3311vqdu1.31.3 换热器核算换热器核算1.3.1.3.1.1.热流量核算热流量核算1.壳程表面传热系数010.550.14300.36()erwhRPde当量直径由正三角形排列得22003424etddd=2234(0.0320.025 240.020.025m壳程流通截面

16、积20.025(1)0.15 0.5 (1)0.04230.032oodSBDmt壳程流体流速0.85820.3/0.0423vooqum sS雷诺数0030.02 20.3 0.8585Re3507.770.256 10deu普朗特数334.235 100.256 10Pr1.580.685pC 9 / 20粘度校正0.14()1w则w/K10.55300.6850.363507.771.5811279.230.02h 2.管程表面传热系数0.80.023RePrniiihd 当流体被加热时 当流体被冷却时管程流体流通截面积：2221720.020.027442TiiNSdmN管程流体流速m

17、/s0.02690.9960.027iu 雷诺数30.02 0.996 793Re32237.880.49 10i普朗特数332.65 100.49 10Pr6.940.187所以 w/m2K0.80.40.1870.02332237.886.941887.020.02ih 3.污垢热阻和管壁热阻管壁热阻取决于传热管壁厚的材料，其值为wwbR其中 b 为传热管壁厚，取 0.0025m；为管壁热导率，查表得碳钢在 55.4下的热导率 =50.41w管外侧污垢热阻 m2k/w300.14 10R管侧污垢热阻m2k/w30.176 10iR所以 m2k/w50.00254.96 1050.41wR4

18、.传热系数0.40.3n 10 / 20传热系数0000011cwimiiiKR dRddRhddhd533114.96 10250.176 1025250.14 101279.2322.52020 1887.02588 w/m2k5.换热器面积裕度计算传热面积=50.40 m2ccmAKt31641.88 10588 55.4实际传热面积m200.025 4.5 17260.76TAd lN裕度=100%ccAAHA60.7650.40100%20.6%15%50.40传热面积裕度合适，该换热器能够温差生产任务。1.1.3.3.2 2 换热器流体阻力计算换热器流体阻力计算1.管程阻力 管程流

19、体的阻力等于流体流经传热管的直管阻力和换热器管程局部阻力之和，即：()tirspsppp N N F 其中直管阻力22iiiiulpd局部阻力22irup为管程结垢校正系数，可近似取 1.5；Ns 为壳程数，Np 为管程数。由 Rei=32237.88，传热管相对粗糙度，查莫狄图得 i=0.039,0.20.0120流速 ui=0.996m/s =793kg/m3，为局部资料系数，取 3.则 Pa 24.5793 0.9960.0393451.50.022iP 11 / 20 Pa2793 0.99631180.02r P(3451.5 1180.0) 1 2 1.5138894.5PaA 所

20、以开孔不需加补强。2.甲醇出料管采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突2006mmmm面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN200-2.5 RF Q235-B。无需补强。3.水蒸气进料管水蒸气进料流量为，接管径为 350mm。采用320.858/qms的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突面密封的3506mmmm带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN350-2.5 RF Q235-B。本设计选用=350mm，壁厚=6mm 的接管，由标准查得补强圈尺寸为外径idmD2=620mm，径 D1=362mm。开孔补强计算如下：

21、（1）不计焊缝系数的筒体计算壁厚1.1 50015.12 2 183 1.1citcp Dmmp（2）开孔所需补强的面积 A 16 / 20 开孔直径：23502 (0.52)355iddCmm 开孔所需的补强面积：2355 15.1536.05Admm（3）有效宽度 B22 355710Bdmm 外侧有效高度1h1355 646.15mhdmm（4）有效补偿面积123AeAAA 其中1(B-d)()2()(1)emerAf 接管材料选择与筒体一样的材料（Q345R）进行补偿，故=1。rf 代入上式得 21(710355)(2.5 1.51)351.45Amm 接管计算厚度1.1 3551.3

22、42 2 183 0.8 1.1cttcp dmmp 21222 ()2()nttrntrAhC fhCC f12 ()0nttrhC f2 46.15 (6 1.342.5)2199.37mm23126 6362Amm 有效补强面积2123351.45 199.3736586.82AeAAAmm 因为 AeA 所以开孔不需加补强。4.水蒸气出料管采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突3506mmmm面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN350-2.5 RF Q235-B。无需补强。5.排气管采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突3

23、23.5mmmm 17 / 20面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN25-2.5 RF Q235-B。无需补强。6.排污管采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突323.5mmmm面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN25-2.5 RF Q235-B。无需补强。1 1 .4.4.4.4 管板的选型管板的选型1.左管板（1）管板厚度选用固定管板兼作法兰形式。管板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用 16Mn。当设计压力为 1MPa，壳体径为 500mm 时，查表得管板的厚度 =34mm。

24、（2）管板形状：管板同时起到法兰的作用，密封面为凸面，可以和管箱的法兰(密封面为凹面)连接。管板直径与管箱法兰的一样，为 700mm。外周均布 24 个 20 螺孔。（3）管板的开孔左管板共有 172 个安装换热管的开孔和 4 个拉杆安装孔以与 1 道管程隔板密封槽。2.右管板右管板厚度与形状与左管板一致。有 172 个安装换热管的开孔，但没有拉杆安装孔与管程隔板密封槽。1 1.4.5.4.5 管箱的选型管箱的选型1.左管箱（1）左管箱短节左管箱短节为圆柱筒体，径与壁厚选择与设备壳体一样。左管箱短节连接甲醇进、出管口。选择左管箱短节的长度为管口接管公称直径的两倍，即2002=400mm。选择

25、Q345R 材料制作。左管箱短节的标记：筒体 DN500=5 L=400。（2）左管箱封头 18 / 20选择公称直径为 500mm 的标准椭圆封头。壁厚 5mm。材质也是 Q345R。标记：EHA 5005-Q345R /T 4746-2010。（3）左管箱隔板由于管程压强降较小，用公式计算隔板厚度会小于 GB151 规定的隔板最小厚度（换热器公称直径=600 时，碳钢隔板的最小厚度为 10mm） ，所以直接选择隔板厚度为 10mm。数量为 1 块隔板。材料为 Q235-B。（4）左管箱法兰与密封垫片法兰选择甲型平焊容器法兰，公称直径 500mm，公称压力 2.5MPa，密封面为凹面(FM)

26、，与凸密封面的左管板连接。外周均布 24 个 20 螺孔，用 M20 双头螺柱与左管板连接。标记： HG20595-09 法兰 WN500-2.5 FM Q235-B密封垫片选择甲型平焊容器法兰用非金属软垫片，公称直径 500mm，公称压力 2.5MPa。 2.右管箱右管箱封头、法兰与密封垫片与左管箱一致。短节长度为 100mm，标记：筒体 DN500=5 L=100。右管箱无隔板。1 1.4.6.4.6 鞍座的选型鞍座的选型鞍座分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S） ，在一台容器上 F 型和 S 型总是配对使用。本设计选用 BI 型双鞍座，其中一

27、个为 F 型，另一个为 S 型。设计高度为200mm，其承载能力一般不必进行验算。查表得，公称直径在 500900mm 时，其允许载荷为 155KN，包角为 120 度，筋板数为 2。底板长 460mm，宽 150mm，厚10mm。筋板长 250mm，宽 120mm，厚 8mm。垫板弧长 590mm，宽 240mm，厚 6mm。腹部厚 8mm。鞍座标记为：/4712.1 2007500JB TBIF鞍座/4712.1 2007500JB TBIS鞍座 换热器总长为 5300mm，换热器管束长=4500mm，一般当时，0L03000Lmm取两鞍座间距。本设计取 0.6。0(0.5 0.7)BLL

28、即两鞍座间距。00.60.6 45002700BLLmm1 1.5.5 主要结构尺寸与计算结果汇总主要结构尺寸与计算结果汇总表 3 换热器主要结构尺寸和计算结果 19 / 20参数管程壳程流率/(kg/h)769132652进/出口温度/oC40/69111.2/111.2压力/kPa10001000定性温度/oC54.5111.2密度/(kg/m3)7930.8585定压比热容/kj/(kgK)2.654.235黏度/Pas0.4910-30.25610-3热导率/W/(mK)0.1870.685物性普朗特数6.941.58形式固定管板式台数1壳体直径/mm500壳程数1管径/mm252.5

29、管心距/mm32管长/mm45000管子排列管数目/根172折流板数/个29传热面积/m260.76折流板间距/mm150壳体与封头壁厚/mm5拉杆数/个4左管箱长度/mm400右管箱长度/mm100设备结构参数管程数2材质Q345R 碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.99620.3表面传热系数/W/( m2K)1887.021279.23污垢热阻/( m2K/W)0.00001760.00014阻力/kPa13.89443.693热流量/kW1641.88传热温差/K55.4传热系数/W/( m2K)588裕度/%20.6附录：预热器装配图附录：预热器装配图 20 / 202524

30、23222120191817161098765432115141312114172116148212412931.2143214424.50.030.17886710.51.444.082.5L=4380Q345R20件号图号或标准号名 称数量材料备注重总重量（Kg）化工设计院 职责 设计 制图 校对 审核审定签 名日期设计项目设计阶段施工图比例共 页第 页B01-111R-00粗甲醇预热器装配图DN500 5300拉杆 16螺母M20接管 212 6双头螺柱M20130非金属垫片G6-500总重：3890Kg符号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称abdef25PN25D N200HG2

31、0595-09PN25D N350HG20595-09PN25D N25HG20595-09PN25D N350HG20595-09甲醇出口水蒸气进口排气口排污口水蒸气出口甲醇进口管 口 表工作压力/MPa设计压力/MPa物料名称焊缝系数 容器类别11.1粗甲醇0.8工作温度设计温度腐蚀裕度/mm1501502技术特性表1.本设备按照国家劳动总局压力容器安全监察规定及GB150-2011固定式压力容器技术条件进行制造、试验和验收。2.焊接采用电弧焊，焊条型号用E5016焊条。3.焊接接头形式及尺寸除图中注明外，对接焊缝按JB/Z105-73,角焊缝按设计规定附录D，接管与壳体及壳体之间焊接采用

32、全焊透结构，法兰焊接按相应法兰标准中的规定。4.对接焊缝进行局部探伤，符合GB3325-87中的级为合格。5.本设备需进行整体热处理，以清除残余应力。6.热处理后设备以1.38MPa表压进行水压试验，合格后再以1.4MPa表压进行气密性试验。7.水压试验后，应进行表面裂缝检查，检查部位为壳体对接焊缝，热影响限接管与壳体连接焊缝及热影响区等的内外表面，补强圈、支座与壳壁连接焊缝及热影响区。8.管口方位按本图。9.设备制造完后，外表面涂二道防锈漆，现场安装后再涂标色漆。10.接地线应牢固地固定在固定支座28上。技 术 要 求46055不按比例不按比例不按比例20cPN25D N200HG20595-0916Mn石棉橡胶板GB/T816320不按比例不按比例12345678910111213141516171819202223242527282