化工设计-年产55万吨甲醇精馏车间设计-粗甲醇预热器设计.doc

化工设计课程设计 年产55万吨甲醇精馏车间设计粗甲醇预热器的设计 学生姓名： 学校： 专业班级：101 学号：10412041 指导老师： 时间：2013.10.14目录1.1设计条件及主要物性参数21.1.1设计条件21.1.2.主要物性参数31.2工艺设计计算31.2.1.估算传热面积31.2.2.换热器工艺结构41.2.3.壳体内径61.2.4折流板61.2.5.其它主要附件71.2.6接管71.3换热器核算71.3.1.热流量核算71.3.2 换热器内流体阻力计算101.4设备设计计算111.4.1筒体及封头壁厚计算111 .4.2主要附件选型131.4.3接管选型及补强131 .4.4管板的选型161.4.5管箱的选型171.4.6鞍座的选型181.5主要结构尺寸及计算结果汇总18附录：预热器装配图191.1设计条件及主要物性参数1.1.1设计条件1.设计任务粗甲醇原料预热器设计，对冷物流粗甲醇（甲醇90%）进行预热（由40 oC加热至69 oC），年需量60.9万吨/年，压力为0.15MPa，要求管程和壳程压差均小于50kpa，设计标准式列管换热器。2.选择换热器类型流体温度的变化情况：混合流体进口温度为40 oC，出口温度为69 oC，压力为0.15MPa，查表得对应饱和蒸汽温度为111.2 oC。出口温度不变，但发生相变，转化为水。由于管程和壳程压差均小于50KPa，且进出口温度变化不大。因此，选用固定管板式换热器。3.流程安排因为饱和蒸汽比较清净，表面传热系数与流速无关且冷凝液容易排出。所以饱和蒸汽宜走壳程。而甲醇的黏度<（0.5-1）×10-3Pa s。宜走管程。综上，甲醇走管程，水蒸气走壳程。1.1.2.主要物性参数1. 定性温度对于一般气体和水等低粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值。查表得甲醇黏度都很低，故管程液体的定性温度为 壳程饱和水蒸汽在0.15MPa压力下的定性温度为 。2.各组分物性参数根据定性温度分别查到管程和壳程流体的有关物性数据。如下表表1 水蒸气在111.2oC下的物性参数密度0.8585 kg/m3定压比热容Cp 4.235 kJ kg-1 k-1焓H 466.4 kJ kg-1 k-1汽化热r 2228.9 kJ kg-1热导率 0.685 w m-1  k-1黏度0.256×10-3 Pa s表2 甲醇在54.5下的物性参数密度793 kg/m3定压比热容Cp2.65 kJ kg-1 k-1热导率0.187 w m-1  k-1黏度0.49×10-3 Pa s1.2工艺设计计算1.2.1.估算传热面积1.换热器的热流量在热损失可以忽略不计的条件下，对于无相变的物流，换热器的热流量由下式确定：其中 Kg/h=t2-t1=69-40=29 K所以 热流量KJ/h=1641.88KW对于有相变化的单组份饱和蒸汽冷凝过程，其热流量衡算可表示为 则饱和水蒸气的用量 Kg/h2.平均传热温差由于在相同德流体进出口温度下，逆流流型具有较大的传热温差，所以在工程上，若无特殊需要，均采用逆流。故本次设计采用逆流方式。=55.4 3.估算传热面积 ，假设K=600 W/（m2·k）所以 m21.2.2.换热器工艺结构1.管径及管内流速若选择较小的管径，管内表面传热系数可以提高，而且对于同样的传热面积来说可以减小壳体直径。但管径小，流动阻力大，清洗困难，设计可根据具体情况用适宜的管径。管内流速的大小对表面传热系数及压力降的影响较大，一般要求所选的流速应使流体处于稳定的湍流状态，即雷诺指数大于10000，对于传热热阻较大的流体后易结垢流体应选取较大的流速。另外还要考虑在所选的流速下，换热器应有适当的管长和管程数，并保证不会由于流体的动力冲击导致管子强烈振动而损坏换热器。综上考虑，选用无缝钢管（20号钢），选取管内流速u=1m/s。2. 确定管长、管程数和总管数选定管径和管内流速后，可以下式确定换热器的单程传热管数。根单程传热管长度：=7.3m如果按单程计算的传热管长度太长，则应采用多管程。确定了每程传热管长度之后，即可求管程数。取每程传热管长度l=4.5 m则 管程数 换热器的总传热管数为（根）3.平均传热温差校正及壳程数选用多管程换热器损失部分传热温差，这种情况下的平均传热温差由计算，其中温差校正系数与流体的进出口温度有关，也与换热器的壳程数及管程数有关。其中 对单侧温度变化流体，逆流的平均传热温差相等。即=1，壳程数为14.传热管排列传热管在管板上的排列有三种基本形式，即正方形、正四边形和同心圆排列。传热管的排列应使其在整个管板上均匀而紧凑地分布，同时还有考虑流体性质，管箱结构及加工制造等方面等方面的要求。一般说来，正三角形排列在管板面积上课排较多的传热管，而且管外表面的表面传热系数较大。但正三角形排列时管外机械清洗较为困难，而且管外流体的流动阻力也较大。正方形排列在同样的管板面积上可配置的传热管最少，但管外易于进行机械清洗，所以当传热管外壁需要机械清洗时，常采用这种排列方法。同心圆排列方式的优点在于靠近壳体的地方管子分布较为均匀，在壳体直径很小的换热器中可排列的传热管数比正三角形排列还多。由于壳外是清洁的饱和蒸汽，所以采用正三角形排列。5.管心距管板上两传热管中心距离称为管心距。管心距的大小主要与传热管和管板的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗外管面所需的空间。传热管和管板的链接方式有胀接和焊接两种，当采用胀接法，采用过小的管心距，常会造成管板变形。而采用焊接法时，管心距过小，也很难保证焊接质量，因此管心距应有一定的数值范围，一般情况下，胀接时，取管心距t=(1.31.5)d0，焊接时，取t=1.25d0=0.0175 。本次设计选取焊接法。多管程结构中，隔板占有管板部分面积。一般情况下，隔板中心到离其最近一排管中心距离可用下式计算（mm）当do=25mm时 ，取管心距t=1.25d0=各程相邻管心距6.管束的分程方法采用多管程，则需要在管箱中安装分程隔板。分程时，应使各程管字数目大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短，一般采用偶数管程。管束分程方法常采用平行法。1.2.3.壳体内径多管程换热器壳体的内径与传热管数、管心距和管程数有关： 其中 为管板利用率，取=0.8则壳体内径 mm，整圆可取500 mm1.2.4折流板列管式换热器的壳程流体流通面积比管程流通面积大，为增大壳程流体的流速，加强湍流程度，提高其表面传热系数，需设置折流板。折流板有横向折流板和纵向折流板两大类，其形式有弓形折流板和圆盘-圆环形折流板。弓形折流板结构简单，性能优良，在实际中最常用。弓形折流板的圆缺面可以水平或垂直装配。水平装配可造成流体的强烈扰动，传热效果好。综上，本设计采用横向弓形折流板，水平装配。折流板间距折流板数块。1.2.5.其它主要附件1.旁路挡板在换热器壳程，由于管束边缘和分程部位都不能排满换热管，所以在这些部位形成旁路。为防止壳程物料从这些旁路大量短路，必要时应设置旁路挡板来增大旁路的阻力，迫使物料通过管束进行换热。旁路挡板可用钢板或扁钢制成。当换热器直径小于1000mm时，可将旁路挡板分段焊在折流板之间，每块挡板的长度等于两块折流板间的间距。2.防冲板为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起侵蚀及振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。对于壳体内径大于325mm时的折流板左、右缺口和壳体内径小于600mm时的折流板上、下缺口的换热器，常将防冲板焊于壳体上。由于本次设计的壳体内径为500mm，所以选用此方法。1.2.6接管管程流体进出口接管：取接管内甲醇流速， 。则接管内径 m，圆整后取管内径为200mm壳程流体进出口接管：取接管内流体流速， 则接管内径 m，圆整后取接管内径为350mm。1.3换热器核算1.3.1.热流量核算 1.壳程表面传热系数当量直径由正三角形排列得 =壳程流通截面积壳程流体流速雷诺数普朗特数粘度校正 则w/ K2.管程表面传热系数 当流体被加热时 当流体被冷却时管程流体流通截面积：管程流体流速m/s雷诺数普朗特数所以 w/m2 K3.污垢热阻和管壁热阻管壁热阻取决于传热管壁厚的材料，其值为 其中 b 为传热管壁厚，取0.0025m；为管壁热导率，查表得碳钢在55.4下的热导率 =50.41管外侧污垢热阻 m2·k/w 管内侧污垢热阻 m2·k/w所以 m2·k/w4.传热系数传热系数588 w/m2 k5.换热器面积裕度计算传热面积=50.40 m2实际传热面积 m2裕度=传热面积裕度合适，该换热器能够温差生产任务。1.3.2 换热器内流体阻力计算1.管程阻力 管程流体的阻力等于流体流经传热管的直管阻力和换热器管程局部阻力之和，即： 其中直管阻力局部阻力为管程结垢校正系数，可近似取1.5；Ns为壳程数，Np为管程数。由Rei=32237.88，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得i=0.039,流速ui=0.996m/s =793kg/m3 ，为局部资料系数，取3.则 Pa Pa管程流体阻力在允许范围之内。2.壳程阻力当壳程装有弓形折流板时，计算阻力的方法较多。在工程中常用埃索法。埃索法如下： 其中流体流过折流板缺口的阻力 流体流过管束的阻力 管子排列形式对阻力的影响 壳程流体摩擦因子 所以 壳程流体阻力在允许范围之内。1.4设备设计计算 1.4.1筒体及封头壁厚计算1.筒体壁厚设计采用内径=500mm，筒体长度=4500mm的工艺尺寸。其长径比=9，材料为Q345R钢板，焊接结构采用单面焊无损探伤，所以取焊接系数 =0.8。设计温度为150。设计压力，计算压力。当钢板厚度在4.55.5mm时，钢板负偏差C1=0.5mm。由于钢铁对于水蒸气有良好的抗腐蚀性，腐蚀率在0.1mm/a以下，且设计筒体为单面腐蚀，故去腐蚀裕量C2=2.0mm。对于本设计是用钢板就卷焊的筒体以内径作为公称直径DN=500mm。假设Q345R钢的厚度在316mm之间，根据GB150固定式容器查得，设计温度下钢板的许用应力=183MPa。室温强度指标=510MPa，=345MPa。设计壁厚： 圆整后得名义厚度=5mm。有效厚度。2.封头壁厚 设计采用标准椭圆形封头，封头曲面深度mm，直边高度h2=25mm。设计厚度 圆整后得名义厚度=5mm。有效厚度。3.筒体及封头水压强度校核试验压力，有效厚度=2.5mm，强度指标=345MPa，压力试验时的应力 因为，所以筒体及封头满足水压试验的强度要求。1 .4.2主要附件选型1.折流板本设计折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为500mm,厚度为10mm。缺口弓形高度为圆形板直径的约1/4，本设计圆整为150mm。折流挡板上换热管孔直径为25.8mm，共有172-43=129个。选择折流挡板间距B=150mm。折流挡板数NB =29块。2.拉杆 折流板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有全焊接结构、拉杆定距管结构、定距螺栓拉杆等。 本设计采用拉杆定距管结构。拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接。这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热管后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常用的形式。拉杆直径为16mm，每个折流挡板上有4个。3.防冲板 防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为壳程进口接管截面积的倍，实际上接管管径确定后，就是一个防冲板与壳体内壁的高度H1的确定，一般规定接管外径。所以取高度70mm。 防冲板直径应大于接管外径50mm，取300mm。厚度为4.5mm。 1.4.3接管选型及补强1.甲醇进料管甲醇进料流量为，接管内径为200mm。采用的低合金无缝钢管，接管长度为150mm。配用具有突面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰WN200-2.5 RF Q235-B。本设计选用=200mm，壁厚=6mm的接管，由标准查得补强圈尺寸为外径D2=400mm，内径D1=212mm。开孔补强计算如下：（1）不计焊缝系数的筒体计算壁厚 （2）开孔所需补强的面积A 开孔直径： 开孔所需的补强面积：（3）有效宽度B 外侧有效高度 （4）有效补偿面积 式中 A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积， A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积， A3焊缝金属截面积， 其中 接管材料选择与筒体相同的材料（Q345R）进行补偿，故=1。 代入上式得 接管计算厚度 有效补强面积 因为Ae>A 所以开孔不需加补强。2.甲醇出料管采用的低合金无缝钢管，接管长度为150mm。配用具有突面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰WN200-2.5 RF Q235-B。无需补强。3.水蒸气进料管水蒸气进料流量为，接管内径为350mm。采用的低合金无缝钢管，接管长度为150mm。配用具有突面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰WN350-2.5 RF Q235-B。本设计选用=350mm，壁厚=6mm的接管，由标准查得补强圈尺寸为外径D2=620mm，内径D1=362mm。开孔补强计算如下：（1）不计焊缝系数的筒体计算壁厚 （2）开孔所需补强的面积A 开孔直径： 开孔所需的补强面积：（3）有效宽度B 外侧有效高度 （4）有效补偿面积 其中 接管材料选择与筒体相同的材料（Q345R）进行补偿，故=1。 代入上式得 接管计算厚度 有效补强面积 因为Ae>A 所以开孔不需加补强。4.水蒸气出料管采用的低合金无缝钢管，接管长度为150mm。配用具有突面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰WN350-2.5 RF Q235-B。无需补强。5.排气管采用的低合金无缝钢管，接管长度为150mm。配用具有突面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰WN25-2.5 RF Q235-B。无需补强。6.排污管采用的低合金无缝钢管，接管长度为150mm。配用具有突面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰WN25-2.5 RF Q235-B。无需补强。1 .4.4管板的选型1.左管板（1）管板厚度选用固定管板兼作法兰形式。管板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用16Mn。当设计压力为1MPa，壳体内径为500mm时，查表得管板的厚度=34mm。（2）管板形状：管板同时起到法兰的作用，密封面为凸面，可以和管箱的法兰(密封面为凹面)连接。管板直径与管箱法兰的相同，为700mm。外周均布24个20螺孔。（3）管板的开孔左管板共有172个安装换热管的开孔和4个拉杆安装孔以及1道管程隔板密封槽。2.右管板右管板厚度及形状与左管板一致。有172个安装换热管的开孔，但没有拉杆安装孔及管程隔板密封槽。 1.4.5管箱的选型1.左管箱（1）左管箱短节左管箱短节为圆柱筒体，内径与壁厚选择与设备壳体相同。左管箱短节连接甲醇进、出管口。选择左管箱短节的长度为管口接管公称直径的两倍，即200×2=400mm。选择Q345R材料制作。左管箱短节的标记：筒体 DN500 =5 L=400。（2）左管箱封头选择公称直径为500mm的标准椭圆封头。壁厚5mm。材质也是Q345R。标记：EHA 500×5-Q345R JB/T 4746-2010。（3）左管箱隔板由于管程压强降较小，用公式计算隔板厚度会小于GB151规定的隔板最小厚度（换热器公称直径<=600时，碳钢隔板的最小厚度为10mm），所以直接选择隔板厚度为10mm。数量为1块隔板。材料为Q235-B。（4）左管箱法兰及密封垫片法兰选择甲型平焊容器法兰，公称直径500mm，公称压力2.5MPa，密封面为凹面(FM)，与凸密封面的左管板连接。外周均布24个20螺孔，用M20双头螺柱与左管板连接。标记： HG20595-09 法兰WN500-2.5 FM Q235-B密封垫片选择甲型平焊容器法兰用非金属软垫片，公称直径500mm，公称压力2.5MPa。 2.右管箱右管箱封头、法兰及密封垫片与左管箱一致。短节长度为100mm，标记：筒体 DN500 =5 L=100。右管箱无隔板。 1.4.6鞍座的选型鞍座分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S），在一台容器上F型和S型总是配对使用。本设计选用BI型双鞍座，其中一个为F型，另一个为S型。设计高度为200mm，其承载能力一般不必进行验算。查表得，公称直径在500900mm时，其允许载荷为155KN，包角为120度，筋板数为2。底板长460mm，宽150mm，厚10mm。筋板长250mm，宽120mm，厚8mm。垫板弧长590mm，宽240mm，厚6mm。腹部厚8mm。鞍座标记为： 换热器总长为5300mm，换热器管束长=4500mm，一般当时，取两鞍座间距。本设计取0.6。即两鞍座间距。 1.5主要结构尺寸及计算结果汇总表3 换热器主要结构尺寸和计算结果参数管程壳程流率/(kg/h)769132652进/出口温度/oC40/69111.2/111.2压力/kPa10001000物性定性温度/oC54.5111.2密度/(kg/m3)7930.8585定压比热容/kj/(kg K)2.654.235黏度/Pa s0.49×10-30.256×10-3热导率/W/(m K)0.1870.685普朗特数6.941.58设备结构参数形式固定管板式台数1壳体直径/mm500壳程数1管径/mm25×2.5管心距/mm32管长/mm45000管子排列管数目/根172折流板数/个29传热面积/m260.76折流板间距/mm150壳体及封头壁厚/mm5拉杆数/个4左管箱长度/mm400右管箱长度/mm100管程数2材质Q345R碳钢主要计算结果管程壳程流速/(m/s)0.99620.3表面传热系数/W/( m2 K)1887.021279.23污垢热阻/( m2 K/W)0.00001760.00014阻力/kPa13.89443.693热流量/kW1641.88传热温差/K55.4传热系数/W/( m2 K)588裕度/%20.6附录：预热器装配图