甲醇加热器设计说明书修改版2

甲醇加热器设计说明书一、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,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容.易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。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：两侧污垢热阻为1/8700m热损失5%。初设K=58.21．确定设计方案试算并初选换热器规格（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。因为加热介质是饱和蒸汽，宜于通入壳程，甲苯则通入管内。（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。所以甲醇走管程，水蒸汽走壳程。选用ф25×2.5的碳钢管，取管内流速取ui=20m/ｓ。（3）确定流体的物性数据，并选择列管换热器的型式定性温度：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 ρo=2.3585kg/m3定压比热容 cpo=1.92kJ/(kg·℃)导热系数 λo=0.0260W/(m·℃)粘度 μo=0.000148Pa·s潜 热=2128.8kJ/kg. . ..甲醇在365.5K下的物性数据：密度 ρi=1.09kg/m3定压比热容 cpi=1.34kJ/(kg·℃)导热系数 λi=0.0256W/(m·℃)粘度 μi=0.0000164Pa·s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。（4）计算热负荷Q按管内甲苯计算，即Wi=2500kg/hQ i=Wicpi ti=2500×1.34×(393-338)=184250kJ/h=51.18kWQi=51.18 (1+5％)=53.74KW水蒸汽流量可由热量衡算求得，即. . ..其中Qo=Qi×1.05（5）计算平均温差t1t2420338420393tmln42049.51Clnt1338t24203936）初选换热器规格初设K=58.2故初选固定管板式换热器规格如下：壳径D：400㎜公称面积S：17.3. . ..管程数：4管数n：76管长L：3000㎜管子直径：ф25×2.5每 管 程 的 流 通 面 积 ：=0.0060公称压强：2.5MP管间距：t=32mm壳程：1. . ..管子排列方法： 正三角形排列工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=20m/s2）平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数. . ..按单壳程温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差3）传热管排列和分程方法采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。取管心距t=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数Nc 1.1 76 10根. . ..得到各程之间可排列 10支管，即正六边形可排 6层。4）壳体内径壳体内径为式中：对于三角形排列 b= 得D=62.5+288=350.5mm圆整可取D＝400mm（5）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 h＝0.25×400＝100mm，故可取h＝100mm。取折流板间距B＝0.5D，则B＝0.3×400＝200mm，可取B为200。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。（6）接管壳程流体进出口接管：取接管外水蒸汽流速为 u＝1..0m/s，则接管内径为. . ..查表取壳程流体进出口接管内径为 100mm管程流体进出口接管：取接管内甲醇流速 u＝20m/s，则接管内径为查表取管程流体进出口接管内径 200mm7）其他设备拉杆直径为12，拉杆数不少于4个。3．换热器核算（1）热量核算. . ..①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：λ=0.6843W/(㎡℃). . ..=919.882kg/. . ..μPas. . ..=2128.8kJ/kg壁温为418.7K，包和水蒸气与壁温只差 t 1.7C由以上计算得n=10(取整)代入上式整理得：12128.8919.8829.810.6745340.7522554.4W22C1030.1481030.0251.7m②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sidi2NT3.14240.02760.00604管程流体流速及其雷诺数分别为250036001.09uo20.69ms0.0060Re0.0220.691.092.751040.0164103普兰特准数. . ..③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Rwd00.00255105m2.CWw50. . ..④传热面积S该换热器的实际传热面积 SpSp d0lNT 3.14 0.0253 76 17.3m2. . ..按照国家标准换热器 G400I-2.5-17.3 取其实际传热面积=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）核算壁温①由于管壁薄，热阻很小，所以计算公式如下：Tm(1Rsi)tm(1RS0)ti01Rsi1RS0i0由于冷热流体都是气体热流体的平均温度冷流体的平均温度

T1TTK147Cm(1)4202tm0.4t20.6t10.4120C0.665C87C其中：Wm2K03673.92/63.98W/m2KRso Rsi 1/8700m2C/W带入个数据，则. . ..147C(1/87001/82.54)87C(1/2705.681/8700)t11/87001/2705.681/87001/82.54144.71C②壳体壁温可以近似取为壳程流体的平均温度，即： t2 147C③壳体壁温与传热壁温只差t t2 t1 (147 144.71)C 2.29C该温差较小，且换热器壳程流体压力较低，因此，可以选用固定管板式换热器。（3）换热器内流体的压力降①管程流动阻力∑ΔPi=( P1+ P2)FtNsNpNs=1,Np=1,Ft=1.4. . ..由Re＝27500〉104，传热管相对粗糙度0.1mm0.10.005，查di20莫狄图得λi＝0.035W/m·℃，流速ui＝20.69m/s，ρ＝1.09kg/m3，所以piLui231.0920.692i20.03521224.83Padi0.02pr3u231.0920.692699.91Pa22∑△pi＝（△p1+△p2）FtNsNP＝（1224.83+699.91）×1.4×1×12694.64Pa（符合设计要求）管程压力降在允许范围之内。②壳程压力降流体流经管束的阻力p1Ffonc(Nsuo21)2. . ..其中：F=0.5fo=5.0×193.75-0.228=1.505nc1.1NT0.51.1980.510uo90.88/(36002.3585)0.608m/s0.0176p10.45×1.505×××(2.3585×0.6082)/2＝49.21Pa1015流体流过折流板缺口的阻力’pI＝NB（3.5－2B）D

ouo2

2＝19×（3.5－20.2）×(2.3585×0.6082)/2＝25.09Pa0.4总压降：∑△po＝（△’p1＋△’p2）FsNs＝（49.21＋25.09）×1×1＝74.3Pa（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。三、主要构件的设计计算及选型壳体. . ..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 Di＝400mm。查阅《结构与零部件（上）》P123，表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DN＝400mm×6mm的壳体，则Do＝400mm，Di＝388mm。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Pc=1.6MPa;查表得许用应力[ ]t=113MPa考虑到使用年限，取腐蚀裕量 C2=1.0mmPcDiC21.6400≈0.66(mm)2[]tPc1.05.4mm21130.81.6实际选用板厚名义厚度为δn。δn=δ+C1+式中根据δ在4.5到5.5之间C＝0.5mm圆整后：δ=5.4+0.5+△≈6(mm)1n垫圈的选择介质法兰公称介质温度配用压紧选用垫圈压力C面形式名称材料MPa. . ..甲醇（蒸1.6200平行耐油橡胶耐油橡胶汽）石棉石棉水蒸气1.6150平行石棉橡胶中亚石油垫圈橡胶板法兰选择①接管法兰用板式平焊钢制管法兰 250 28各两个200 26接管法兰各数据参数如下公称管外连接尺寸法兰法兰通径径mm厚度内经DnDn法兰螺栓螺栓螺栓螺纹CB外径孔中孔直孔数TnmmmmD心直径量径KLn2002193402952212M20262222502734053552612M2428276②壳体法兰用甲型平焊凹凸形管法兰 400 30一个壳体法兰各参数如下 PN 1.0MPa公称直径 法兰/mm 螺栓. . ..DnDD1D2D3D4d规格数量40053049045544544330M2020封头设计材料：Q235-A 选用椭圆型封头（ JB/T4737 95）封头参数如下：公称直径曲面高度直边高度内表面面积容积DNh1/mmh2/mmFm2Vm3400100250.2040.0115支座的设计估计支座和物料的总质量MmaxM壳体M附件M物料钢V估1）M法兰M钢管N（水蒸气2甲醇V估7.85103(0.420.3942)31(2.35851.09)(0.420.3942)27.85103(0.02520.022)398(17.729.92)3.147.85103(0.0142920.06615)54.22.5862039.6kg选用A型悬挂式支座，部分参数尺寸如下支座尺寸允许负荷 t

公称直径DN 安装尺寸A2.5 400 546管板设计. . ..四、换热器主要结构尺寸和计算结果表尺寸及结果表管程壳程流率kg/h250053.74温度K进/出338/393420/420定性温度C365.5420热容kJ/kgC1.344.304物密度kg/m31.092.3585黏度Pas0.016410-30.14810-3导热系数0.02560.6843W/mC雷诺准数27500370性型式 固定管板式 台数 1. . ..设备结构参数

壳体内径400壳程数1mm管径mm252.5管心距mm32管长mm3000管子排列正三角排列管数目（根）76折流板个数14管程数4材质碳钢传热面积m217.3折流板距200mm公称压力2.5主要计算结果管程壳程流速m/s20传热系数w/m2C2128.898.67污垢热阻m2C/w0.85981040.8598104热负荷kw53.74kw平均温差C49.51k总传热系数w/m2C75.55裕度20.56%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重量/kg1壳体（YB231-70）263.17263.172管板246.3992.78. . ..3壳程接管21.913.824壳程接管法2凹3.08/凸7.92兰4.845管程接管22.575.146管程接管法2凹4.36/凸9.86兰5.57排气液管20.290.588排气液管法22.344.68兰9隔板114.8414.8410封头216.6033.211封头法兰117.8017.8012传热管1004.1641613拉杆2/29.24/8.7818.0214定距L’127.6815.09管L’227.4115折流板192.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法兰117.8017.8018支座213.627.2换热器总重量/kg1018.1（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为：. . ..V 2＝3.14×（0.025/2 ）2×2.914×104=0.149m3壳体体积为：V 1＝3.14×（0.400/2 ）2×2.914＝0.463m3忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为：M总=1018.1+（0.463-0.149 ）×996.0＝1330.84kg。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：qLqxxAqx2(xA)qxAxLA2Q(x)和M(x)qx2qLxqAL(AxLA)2qLqxLAxL222qx22LqxqL(LAxL)22换热器的受力可简化为如图：A ALqL2 LqA弯矩图为： 8qA222. . ..L=1.790m，M总=1018.1kg，g=9.81N/kg。M总校正为1020kg。取A=0.34L=0.34×1.790≈0.608