甲醇加热器设计说明书

甲醇加热器设计说明书班级：过控084姓名：日期：2010.9.07指导教师：设计成绩日期目录一、方案简介································································3二、方案设计································································41、确定设计方案·····························································42、确定物性数据·····························································43、计算总传热系数···························································44、计算传热面积·····························································55、工艺结构尺寸·····························································56、换热器核算·······························································7三、设计结果一览表··························································10四、对设计的评述····························································11五、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）·································六、参考文献································································12七、主要符号说明····························································12附图··········································································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：1.两侧污垢热阻为1/8700m2.热损失5%。3.初设K=58.21．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：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·s3．计算总传热系数（1）热流量Wi=2500kg/hQi=WicpiΔti=2500×1.34×(393-338)=184250kJ/h=51.18kWQi=51.181.05=53.74KW（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、计算传热面积考虑15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×18.65=21.45m25、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）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式中：对于三角形排列b=得D=378mm圆整可取D＝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＝0.25×400＝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＝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200mm查表得到符合国家标准的换热器G400I-2.5-17.3公称直径：400mm；公称压强：2.5MP总管数：=98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每管程的流通面积：=0.03086．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/kg0壁温为418.7K由以上计算得n=10(取整)代入上式整理得：=2705.68W/㎡℃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=/W④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=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）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＝27500〉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＝20.69m/s，ρ＝1.09kg/m3，所以PaudLpiiii83.1224269.2009.102.03035.0222Paupr91.699269.2009.132322∑△pi＝（△p1+△p2）FtPsNN＝（1224.83+699.91）×1.4×1×1＝2694.64Pa（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2)1(21oscouNnFfp其中：F=0.5fo=5.0×193.75-0.228=1.50510981.11.15.05.0TcNnsmuo/608.00176.0)3585.23600/(88.901p0.45×1.505×10×15×(2.3585×0.6082)/2＝49.21Pa流体流过折流板缺口的阻力△’pI＝NB（3.5－DB2）22oou＝19×（3.5－4.02.02）×(2.3585×0.6082)/2＝25.09Pa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。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＝450mm×8mm的壳体，则Do＝466mm，Di＝450mm。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)5.1.3水压校核由《过程设备设计》P193，公式（4-88），（4-89），得：)(2)]([CCDpnniTT1.250.4[0.45(0.0080.0010.0008)]2(0.0080.0010.0008)＝18.15MPa而0.9φσs=0.9×0.9×235=190.35MPa因为T0.9φσs，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=7850×3×3.14×（0.42－0.3942）/4=kg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，根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表：管板参数（管板按非标准设计）参数名称参数值管板直径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M16×80螺栓数量n2/个12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔间距D1/mm530管板法兰直径Df/mm565管板螺栓内侧边间距D4/mm487管孔直径d1/mm19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注：管板体积1212242222004.0006.04nbdDDbndDVaaff=222223.140.5650.018120.0280.0060.4870.0040.450.0190.0381004=0.005913m单块管板质量：m=0.00591×7850＝46.39kg5.2.2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