甲醇加热器修改版讲解

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：邸凯目录方案简介._、rt 、【二、方案设计1、确定设计方案12、确定物性数据23、计算总传热系数24、计算传热面积35、工艺结构尺寸36、换热器核算4三、设计结果一览表14四、对设计的总结1517五、参考文献一、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

2、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 m2C /W2. 热损失5%。3. 初设 K=58.2W/( m. C)1 确定设计方案(1) 选择换热器的类型两

3、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。所以甲醇走管程，水蒸汽走壳程。 选用巾25x2.5mm的碳钢管，取管内流速取 ui=20m/s。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：t = 338 393二365.5K2管程流体的定性温度为：T

4、= 420K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：3密度p =2.3585kg/m定压比热容c p=1.92kJ/(kg)导热系数入o=0.0260 W/(mC )粘度卩 o=0.000148 Pas潜热=2128.8kJ/kg 甲醇在365.5K下的物性数据：3密度p i=1.09kg/m定压比热容 c pi=1.34kJ/(kg C) 导热系数入i=0.0256 W/(m C )粘度 卩 i=0.0000164 Pa s3 计算总传热系数(1)热流量WS =2500kg/hQ 二 WshCph- T2 =WscCpc t2 7 二 KA

5、%= 2500 1.34393 -338= 184250kg/h =51.18kwQ =1.05Q =1.05 184250 = 1934625kg/h =53.74kw(2)平均传热温差牝-选一 420 -338 - 420 -393 +9.51ln I2420 -338 In420 393(3) 水蒸汽流量Q讥，W4h19346252128.2=90.88kg/h90.882.3585 3600=0.0107m3/s(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0_ 53.74X10358.2x49.51= 18.652考虑 15% 的面

6、积裕度，S=1.15X S =1.15 X 18.65=21.45m5、工艺结构尺寸(1) 管径和管内流速选用巾25 X 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A N =.二diu 4N，,n= v2u二 dj二 2500/(3600 1.09) =101.4根，101 根：:.-3 *(20 103)220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。所需单程长度佥二拓養22柯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tm :实际平均温度，tm 二；：.-r；：tm

7、逆 /f P，Rt2 -h393 -338t2 t1393 -338一丸P 飞-t10.671420 338由查图可知:t =1.0单壳程，平均传热温差为叽九逆=1 49.51 =49.51C(5 )传热管排列和分程方法查表可得当d = 25mm时，管中心距为t =32 mm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c = 1 178= 10.89簡10”艮，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 Di =t(Nc-1) 2b,b=(11.5)dDj =32 (10-1) 2

8、1.5 25 =363mm 圆整可取Dj = 400mm（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 h = 0.25 X 400= 100mm 故可取 h= 100 mm取折流板间距 B = 0.5D，贝U B = 0.5X 400= 200mm可取B为200mm折流板数 血=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u= 1.0 m/s,则接管内径为d1=0.11674m4V _ 4 90.88/(3600 2.3585)二 u,二查表取壳程流体进出口接管内径

9、为 100 mm管程流体进出口接管：取接管内甲醇流速u= 20 m/s,则接管内径为=0.201m4x2500/(3600x1.09)3.14x20查表取管程流体进出口接管内径 查表得到符合国家标准的换热器公称直径：400mm；200mmG 400 I-2.5-17.3总管数:管子规格尺寸：传热面积：每管程的流通面积:匕=98根；025x2.5x300017.3 丁=0.0308 厂公称压强：管间距：管子排列方式:管程数：2.5MPt=32mm正三角形排列N=16 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，可采用以下公式笔二 0.725（-n 理业心查表得：入=0.6843W

10、/( m2T )：=919.882kg/,卩 一 -Pa s=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：-0.7252128.8 919.882 9.81 0.6845314= 2704.7w/m2，C103 0.148 10 0.025 1.7 管内对流传热系数为:.又因为Z/rf, = 3000/20 = 150 60遢= 0.020互&叫fdi流体被加热n取0.4.管程流通面积兀 2兀2sidi Nt0.022 90.0308m44管程流体流速及其雷诺数分别为Ui2500/(3600 1.09)0.0308=20.69m/sRe0.02 20

11、.69 1.090.0164 104= 2.75 10普兰特准数：Pr二Cp/ n 1.34x10s X0.0164X10-1rr=0 0256= 0.869867JF/缶八C) 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：Rw2.5 10*5052=5 10 (mC) / w因为 25/20=1.252 所以 dm =(25 20)/2 = 22.5mmdo:idi 瞪bdoo0.02598.67 0.02087000.0201 .25 5 10 .250.02251+87001 +2704.7= 74.89w/(m2 C) 传热面积S=14.49m2Q 53.7

12、4 103K tm 一 74.89 49.51 该换热器的实际传热面积SpSp = ：doLN = ： 0.025 3 98 = 23.09m2T2按照国家标准换热器G 400 I-2.5-17.3取其实际传热面积P=17.3 m该换热器的面积裕度为Sp -SS100%17.3-14.4914.49100% =19.40%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Ear十山巳 FtNsNp （Ft为结垢校正系数，对于 25mm 2.5mm,Ft = 1.4,Np:管程数，N：串联的壳程数）Ns=1, Np=1, Ft=1.4（局部阻力系数一般取3）由 Re

13、= 27500104，传热管相对粗糙度1mm厂一齐 O.O。5 ,查莫狄图得入 i = 0.030 W/m 流速 Ui = 20.69m/s,C,p = 1.09kg/m3,所以231.09 汉 20.692.：R =0.031049.86 pa0.02 -22Pui1.09X20.692-P2 =3 =3699.91 pa2 -=( + p2)Ft NsNP =( 1049.86+699.91 )x 1.4 X1x 1=2449.68Pa （符合设计要求）管程压力降在允许范围之内。壳程压力降送也Po =3R+p)FsNsNs =1,Fs =1流体流经管束的阻力= Ffnc Nblouo2其中

14、：F=0.50.228fo =5.0 Re。2 2 xDi -Ndode 二Di NdodeU。J Re。0.42-101 0.0252= 0.03312mm 0.4 101 0.025.3312 .6。8 23585 =320.900.000148nc =1.1N； =1.1 98=100.0176u。，.88/(3600 23585)7608m/s卩1 =0.5 X 320.90 X 10X 15X (2.3585 X 0.608 )/2= 43.85 Pa流体流过折流板缺口的阻力2=15.26Pa2B P U2 疋 0 22：P2 = INK 3 5 )。= 14X ( 3.5 ) X

15、(2.3585 X 0.608 2)/2Di 20.4II总压降：刀Ap。=(也P +AR ) Fs Ns =( 43.85 + 15.26 )X 1 X 1 =59.11Pa（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D = 400 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 DN= 450mnX 8m

16、m的壳体，贝U Do= 466mm D = 450 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FC =1.6MPa;查表得许用应力二七=113MPa考虑到使用年限，取腐蚀裕量C2=1.0mm1.6 4002 113 0.8-1.61.0 = 5.4mm 0.66 (mm)实际选用板厚名义厚度为S n。3 n = S + G +厶 式中 根据3在4.5至U 5.5之间C = 0.5mm 圆整后：3 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:PtQ (、n -C)2(n -C)1.25 0.4 0.

17、45(0.008 -0.001 -0.0008)2 沃(0.008 0.001 0.0008)=18.15 MPa而 0.9 $ d s=0.9 X 0.9 X 235=190.35 MPa因为二t0.9 $ d s，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=7850X 3 X 3.14 X( 0.4 2 -0.394 2) /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，根据非标進设计得管板相关参数。具体参数列于下表：参数名称参数值

18、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M16X 80螺栓数量n2/个12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔间距Di/mm板法 _ 直d /mn530吕板法兰直径d /mm管板螺栓内侧边间距 D/mm565487管孔直径dmm19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管板参数(管板按非标准设计)注：管板体积 V d2 -d；n2 bf 0.006D2 0.004D； - d；banJ4= 3.1442 2-| ：0.5650.018 120.0282 2 20.006 0.4870.

19、004 0.45 0.0190.038 100单块官板质量:m=0.00591 X 7850= 46.39kg=0.00591 m35.2.2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 长度约为5mmP172，表1-6-20，管子伸出5.3拉杆本换热器壳体内径为 450mm查阅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：dn=16mm拉杆长：Li=2.930mL2=2.780m前螺纹长La=20mm后螺纹长Lb=60mm拉杆数：4根拉杆位置如左

20、图的圆圈位置所示。2拉杆质量：m=7850X( 2X 2.930+2 X 2.780 )x 3.14 X 0.016 /4=18.02 kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：Li =2.77 m , L2=2.67m。粗略计算定距管质量2 2m =7850X( 2X 2.77+2 X 2.67 )X 3.14 X (0.025 0.02 )/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D=450mm600,对于碳钢，得隔板厚度为：b = 10mm。分程隔板长 L=260+25+112+5+32 10=424mm其中10m

21、m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=0.450X 0.424 X 0.010 X 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N b=19块圆缺高度h = 110 mm板间距 B = 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 D a= (450 3.5 0.5)mm=446mm折流板厚度 C = 5 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查换热器设计手册圆缺部分面积：

22、2 2 2Af =0.20738 X Da =0.20738 X 0.446 = 0.0413 mP184公式计算:22 - - 2折流板体积X 0.0050.44$ -0.0413 - 3.14 0.02542 100 3.14 0.0162 4八44丿3=0.000316 m3折流板质量： m=19X 0.000316 X 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 （JB1154 73）两个， 材料采用高合金钢，公称直径 Dg= 450mm（以外径为公称直径），曲面高度h1 = 112mm直边 高度 h2 =

23、25mm 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=3.14X 0.450 X 0.260 X 0.008 X 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D=510mm D2=482mm孔直 径=25mm厚度b=32mm,法兰重量=17.80kg 。所用螺栓规格 M22X 90mm螺栓数目：12。一个法

24、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D1 =0.12 m4M _ 4一20620/(360。996Q=3.14 0.51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=3.14 X 0.129 X 0.004 X 0.15 X 7850=1.91kg进水口采用凸

25、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 D = 200mm 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 p 山 2=996.0 X 0.51 2=259.062200 kg/（m s2），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u o= 10 m/s，则接管内径为D2 二 %= 4 6439.14/（3600 “36. m二 u。，3.14 10取标准管径为150 mm查表材料与零部件P132无缝钢管（YB231-70

26、），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 X 0.1545 X 0.0045 X 0.15 X 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 D = 225mm 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）,取排气液管：外径= 45mm管厚 =3.5mm,伸出高度=

27、80mm质量=7850 X 3.14 X 0.045 X 0.0035 X 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=20mmD=145mm D=110mm D2=88mm 质量 m= 2.34kg。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 ,A= 0.2 X 3=0.6m，支座间距=3000- 2X 5-2 X 600=1

28、790mm6.3.2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拉杆2/29.24 / 8.7818.0214定距管L 127.6815

29、.09L 227.4115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：23V 2= 3.14 X( 0.025/2 ) X 2.914 X 104=0.149m壳体体积为：23V 1= 3.14 X( 0.450/2 ) X 2.914 = 0.463m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 )X 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：-qx(x 兰

30、 A )Q(x)二业-qx A z x 乞 L - A 和 I 2qL qx L A 乞 x 乞 Lx2(x EA)2M (x) = - x2 生 x-(A _x _ L - A)2 2 2-x2 Lqx -吐(L - A _x _L)2 2换热器的受力可简化为如图:弯矩图为:AALqL2 LqA8 2 qA2L=1.790m，M 总=1018.1kg，g=9.81N/kg。M 总校正为 1020kg。取 A=0.34L=0.34 X 1.790 0.6086(m)，此时qL2LqA-2=0.025 M 总 gL=0.025 X 1020 X 9.81 X 1.790=705.94Nm抗弯截面模量：44、44WJ(D。2 )=二(0.466 -0-450 )=0.0013 m3 32D。32 0.466max8MmaxmaxWz=705.94/0.0013=0.543MPa=450mm封头法兰d尸450mm隔板b=10mm拉杆X 4根d=16