甲醇加热器

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2目录一、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·······················133一、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ф25×2.5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：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ρo=2.543kg/m3定压比热容cpo=4.312kJ/(kg·C)导热系数λo=0.6833W/(m·C)粘度μo=0.0001863Pa·s潜热=2118.5kJ/kg甲醇在365.5K下的物性数据：密度ρi=1.09kg/m34定压比热容cpi=1.34kJ/(kg·C)导热系数λi=0.0256W/(m·C)粘度μi=0.0000164Pa·s3．计算总传热系数（1）热流量Wi=2500kg/hQi=WicpiΔti=2500×1.34×(393-338)=184250kJ/h=51.20kWQi=51.181.03=53.73KW=189777.5KJ/h（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/m2K4、计算传热面积传热面积：㎡考虑15％的面积裕度，S=1.15×S=1.15×17.13=19.7m25、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/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=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按单壳程温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差:5（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=1.25d0，则t=1.25×25=31.25≈32(mm)横过管束中心线的管数√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。（7）接管壳程流体进出口接管：取接管外水蒸汽流速为u＝25m/s，则接管内径为√√⁄查表取壳程流体进出口接管内径为di=22mm，即用Φ30×4。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200mm查表得到符合国家标准的换热器G400-I-16-22/23.2公称直径：400mm；公称压强：2.5MP总管数：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=0.6833W/(㎡℃)=917.0kg/Pas设壁温为421.5K，饱和水蒸气与壁温只差由以上计算得n=11(取整)代入上式整理得：6√(⁄)㎡②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()㎡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:㎡λ㎡④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G400I-2.5-17.3取其实际传热面积=22.3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：7000011)1()1(SsiiSmsiimRRRtRTt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CCCtttm87656.01204.06.04.012其中：㎡㎡WCmRRsiso/8700/12带入个数据，则：()()②壳体壁温可以近似取为壳程流体的平均温度，即：③壳体壁温与传热壁温只差()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=(ΔP1+ΔP2)FtNsNpNs=1,Np=1,Ft=1.4由Re＝26400〉410，传热管相对粗糙度mm1.0005.0201.0id，查莫狄图得λi＝0.035W/m·℃，流速ui＝19.909m/s，ρ＝1.09kg/m3，所以:λ∑△pi＝（△p1+△p2）FtPsNN＝（1134.12+324.03）×1.4×1×1＝2041.41Pa（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82)1(21oscouNnFfp其中：F=0.5fo=5.0×26400-0.228=0.49⁄1p0.5×0.49×11×15×流体流过折流板缺口的阻力△’pI＝NB（3.5－DB2）22oou＝14×(3.5－4.02.02）×＝6.8Pa总压降：∑△po＝（△’p1＋△’p2）FsNs＝（7.858+6.8）×1×1＝14.658Pa（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cP=1.6MPa;查表得许用应力t][=113MPa，考虑到使用年限，取腐蚀裕量2C=1.0mmmmCPDPctic4.50.16.18.011324006.1][22≈0.66(mm)实际选用板厚名义厚度为δn。δn=δ+1C+式中根据δ在4.5到5.5之间C1＝0.5mm圆整后：δn=5.4+0.5+△≈6(mm)2垫圈的选择介质法兰公称压力MPa介质温度C配用压紧面形式选用垫圈名称材料甲醇（蒸汽）≤1.6≤200平行耐油橡胶石棉耐油橡胶石棉水蒸气≤1.6≤150平行石棉橡胶垫圈中亚石油橡胶板3法兰选择①接管法兰用板式平焊钢制管法兰Φ200×26，Φ30×4各两个9接管法兰各数据参数如下公称通径nD管外径nD连接尺寸mm法兰厚度mmC法兰内经mmB法兰外径D螺栓孔中心直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹nT200219340295221220M26222250273405355261224M28276②壳体法兰用甲型平焊凹凸形管法兰30400一个壳体法兰各参数如下MPaPN0.1公称直径nD法兰/mm螺栓D1D2D3D4Dd规格数量4005304904554454433020M204封头设计材料：AQ-235选用椭圆型封头（954737/TJB）封头参数如下：公称直径DN曲面高度mmh/1直边高度mmh/2内表面面积2Fm容积3Vm400100250.2040.01155支座的设计估计支座和物料的总质量max3222232231217.8510(0.40.394)3(2.5431.09)(0.40.394)27.8510(0.0250.02)398(17.729.92)3.147.8510(0.0142920.06615)54.22.5862039.3MMMMVVMMN壳体物料附件钢估水蒸气甲醇估法兰钢管（）kg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ND安装尺寸A102.54005466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hkg/250089.58温度K进/出338/393423/423定性温度C92.5150热容CkgkJ/1.344.312密度3/mkg1.092.543黏度sPa3-100164.0导热系数CmW/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mm400壳程数1管径mm5.225管心距mm32管长mm3000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2m22.3折流板距mm200公称压力0.6主要计算结果管程壳程流速sm/19.90925传热系数Cmw2/59.3259.32污垢热阻wCm/21870018700热负荷wk53.73kw平均温差C52.50k11总传热系数Cmw2/59.32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