甲醇加热器.docx

甲醇加热器设计说明书 班级：化工117班 姓名：董军良 日期 ：2014.6.15 指导教师：邸凯 目录1、 方案简介3二、方案设计31、确定设计方案32、确定物性数据33、计算总传热系数44、计算传热面积45、工艺结构尺寸46、换热器核算 5三、主要构件的设计计算及选型81、壳体82、垫圈的选择 83、法兰选择84、封头设计 95、支座的设计96、管板设计10四、换热器主要结构尺寸和计算结果表10五、设计总结12六、参考文献13一、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。 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423K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3%。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423K，出口温度423K。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。所以甲醇走管程，水蒸汽走壳程。选用252.5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： t=423k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=2.543kg/m3定压比热容 cpo=4.312kJ/(kg)导热系数 o=0.6833 W/(m)粘度 o=0.0001863 Pas潜热 =2118.5kJ/kg甲醇在365.5K下的物性数据： 密度 i=1.09kg/m3定压比热容 cpi=1.34kJ/(kg)导热系数 i=0.0256 W/(m)粘度 i=0.0000164 Pas 3计算总传热系数 （1）热流量Wi=2500kg/hQi=Wicpiti=25001.34(393-338)=184250 kJ/h=51.20 kWQi=51.181.03=53.73KW=189777.5KJ/h（2）平均传热温差 tm=t1-t2lnt1t2=423-338-423-393ln423-338423-393=52.50（3）水蒸汽流量 w1=Q0=189777.52118.5=89.58Kg/h（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 传热面积：S=Q0Ktm=5272058.252.50=17.13考虑 15的面积裕度，S=1.15S=1.1517.13=19.7m25、工艺结构尺寸（1）管径和管内流速 选用252.5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 n=w1u4di2=425003600203.140.02021.09=103根据列管式换热器传统标准选用Nt=98根.（3）计算管长及管程数。所需单程长度：l=snd0=19.71033.140.025=2.44m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 R=423-423393-338=0 P=393-338423-338=0.64按单壳程温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差:tm=tmt=152.50=52.50（5）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=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数 Nc=1.110311得到各程之间可排列11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（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h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板间距B0.5D，则B0.3400200mm，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。 （7）接管 壳程流体进出口接管：取接管外水蒸汽流速为 u25 m/s，则接管内径为 d1=4vu=489.5836002.5433.1425.0=0.0223m查表取壳程流体进出口接管内径为di=22 mm，即用304。 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-16-22/23.2公称直径： 400mm； 公称压强： 2.5MP总管数： NT=98根； 管间距： t=32mm管子规格尺寸：252.53000 管子排列方式： 正三角形排列传热面积： 17.3 管程数： N=1 （8） 其他设备 拉杆直径为12，拉杆数不少于4个。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：=0.6833W/() =917.0kg/ =0.186310-3Pas r=2118.5KJ/kg设壁温为421.5K，饱和水蒸气与壁温只差t=1.5由以上计算得n=11(取整)代入上式整理得：0=0.72542118.591720.683339.8111230.18610-30.0251.5=2584.96w/ 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:Si=3.1440.022102=0.032管程流体流速及其雷诺数分别为 U0=250036001.090.032=19.909m/s Re=0.0219.9091.090.0000164=2.64104普兰特准数 Pr=1.341030.016410-30.0256=0.86i=0.0230.02560.022.641040.80.860.4=95.45w/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:Rw=0.002550=510-5/w K=1d0idi+Rid0di+bd0dm+10+Rs0=59.32w/传热面积SS=QKtm=5373059.3252.50=17.25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 取其实际传热面积=22.3该换热器的面积裕度为 :H=Sp-SS=22.3-17.2517.25=29%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 由于管壁薄，热阻很小，所以计算公式如下：由于冷热流体都是气体热流体的平均温度:Tm=12T1+T2=423K=150冷流体的平均温度其中：0=2584.96W/ i=95.45w/ 带入个数据，则：t1=15018700+195.45+8712584.96+18700195.45+18700+12584.96+18700=147.19壳体壁温 可以近似取为壳程流体的平均温度，即：t2=148.5 壳体壁温与传热壁温只差t=t2-t1=148.5-147.19=1.31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 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, Ft=1.4由Re26400，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得i0.035 W/m， 流速ui19.909m/s，1.09kg/m3，所以:p1=iLdiui22=1134.12pa p2=1.5u22=1.51.0919.90922=324.03papi（p1+p2）Ft （1134.12+324.03）1.4112041.41Pa （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=0.5 fo=5.026400-0.228=0.49 nc=1.1NT0.5=1.11020.5=11 U0=89.5836002.5430.0250=0.391m/s0.50.4911152.5430.39122=7.858pa流体流过折流板缺口的阻力 pINB（3.5）14(3.5）2.5430.391226.8Pa总压降：po（p1p2）Fs Ns（7.858+6.8）1114.658Pa（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1、壳体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DN400mm6mm的壳体，则Do400mm，Di388 mm。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) 2 垫圈的选择介质法兰公称压力 介质温度 配用压紧面形式选用垫圈名称材料甲醇（蒸汽）1.6200平行耐油橡胶石棉耐油橡胶石棉水蒸气1.6150平行石棉橡胶垫圈中亚石油橡胶板3 法兰选择接管法兰用板式平焊钢制管法兰20026，304各两个接管法兰各数据参数如下公称通径管外径 连接尺寸 法兰厚度法兰内经法兰外 径螺栓孔中心直径 K螺栓孔直径螺栓孔数量螺 纹200219340295221226222250273405355261228276壳体法兰用甲型平焊凹凸形管法兰一个壳体法兰各参数如下公称直径 法兰/ 螺栓规格数量40053049045544544330204 封头设计 材料： 选用椭圆型封头（） 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400100250.2040.01155 支座的设计 估计支座和物料的总质量 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 公称直径安装尺寸2.54005466 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 物 性流率250089.58温度 K进/出338/393423/423定性温度92.5150热容 1.344.312密度1.092.543黏度 18.6310-5导热系数0.02560.6833雷诺准数26400设备 结构 参数型式固定管板式台数1壳体内径400壳程数1管径管心距32管长3000管子排列正三角排列管数目（根）98折流板个数14管程数1材质碳钢传热面积22.3折流板距200公称压力0.6主要计算结果管程壳程流速 19.90925传热系数59.3259.32污垢热阻热负荷 53.73kw平均温差 52.50k总传热系数 59.32面积裕度 29%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246.3992.783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排气液管法兰22.344.688隔板114.8414.849封头216.6033.210封头法兰117.8017.8011传热管984.16407.6812拉杆49.24 / 8.7836.0413定距管L127.6815.09L227.4114折流板142.4834.7215管箱123.0723.0716管箱法兰117.8017.8017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： V23.14（0.025/2）22.914104=0.149m3 壳体体积为： V13.14（0.450/2）22.9140.463m3 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。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=0.341.7900.6086(m)，此时=0.025gL=0.02510209.811.790=705.94Nm抗弯截面模量：=0.0013=705.94/0.0013=0.543MPat=133MPa故此壳体适用。五、设计总结经过两个星期的学习，我们这个团队终于完成了化工原理课程设计。从开始接到这个课题到完成，每走一步对我们来说都是新的尝试与挑战。在这段时间里，我们学到了很多知识也有很多感受，我们开始独立的学习，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐的清晰，使自己成果一步一步完善起来，每一次的改进都是我们学习的收获。1、数据计算 这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。当我们在计算总传热系数时，由于计算的复杂和数据难以确定，最后导致裕度的计算超出了范围