化工設計年產(chǎn)萬噸甲醇精餾車間設計粗甲醇預熱器設計

1、化工設計課程設計 年產(chǎn)55萬噸甲醇精餾車間設計粗甲醇預熱器的設計 學生姓名： 學校： 專業(yè)班級：101 學號：10412041 指導老師：目錄1.1設計條件及主要物性參數(shù)21.1.1設計條件21.1.2.主要物性參數(shù)31.2工藝設計計算31.2.1.估算傳熱面積31.2.2.換熱器工藝結構41.2.3.殼體內徑61.2.4折流板61.2.5.其它主要附件71.2.6接管71.3換熱器核算71.3.1.熱流量核算71.3.2 換熱器內流體阻力計算101.4設備設計計算111.4.1筒體及封頭壁厚計算111 .4.2主要附件選型131.4.3接管選型及補強131 .4.4管板的選型161.4.5管

2、箱的選型171.4.6鞍座的選型181.5主要結構尺寸及計算結果匯總18附錄：預熱器裝配圖191.1設計條件及主要物性參數(shù)1.1.1設計條件1.設計任務粗甲醇原料預熱器設計，對冷物流粗甲醇（甲醇90%）進行預熱（由40 oC加熱至69 oC），年需量60.9萬噸/年，壓力為0.15MPa，要求管程和殼程壓差均小于50kpa，設計標準式列管換熱器。2.選擇換熱器類型流體溫度的變化情況：混合流體進口溫度為40 oC，出口溫度為69 oC，壓力為0.15MPa，查表得對應飽和蒸汽溫度為111.2 oC。出口溫度不變，但發(fā)生相變，轉化為水。由于管程和殼程壓差均小于50KPa，且進出口溫度變化不大。因此

3、，選用固定管板式換熱器。3.流程安排因為飽和蒸汽比較清凈，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無關且冷凝液容易排出。所以飽和蒸汽宜走殼程。而甲醇的黏度<（0.5-1）×10-3Pa s。宜走管程。綜上，甲醇走管程，水蒸氣走殼程。1.1.2.主要物性參數(shù)1. 定性溫度對于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。查表得甲醇黏度都很低，故管程液體的定性溫度為 殼程飽和水蒸汽在0.15MPa壓力下的定性溫度為 。2.各組分物性參數(shù)根據(jù)定性溫度分別查到管程和殼程流體的有關物性數(shù)據(jù)。如下表表1 水蒸氣在111.2oC下的物性參數(shù)密度0.8585 kg/m3定壓比熱容Cp 4

4、.235 kJ kg-1 k-1焓H 466.4 kJ kg-1 k-1汽化熱r 2228.9 kJ kg-1熱導率 0.685 w m-1  k-1黏度0.256×10-3 Pa s表2 甲醇在54.5下的物性參數(shù)密度793 kg/m3定壓比熱容Cp2.65 kJ kg-1 k-1熱導率0.187 w m-1  k-1黏度0.49×10-3 Pa s1.2工藝設計計算1.2.1.估算傳熱面積1.換熱器的熱流量在熱損失可以忽略不計的條件下，對于無

5、相變的物流，換熱器的熱流量由下式確定：其中 Kg/h=t2-t1=69-40=29 K所以 熱流量KJ/h=1641.88KW對于有相變化的單組份飽和蒸汽冷凝過程，其熱流量衡算可表示為 則飽和水蒸氣的用量 Kg/h2.平均傳熱溫差由于在相同德流體進出口溫度下，逆流流型具有較大的傳熱溫差，所以在工程上，若無特殊需要，均采用逆流。故本次設計采用逆流方式。=55.4 3.估算傳熱面積 ，假設K=600 W/（m2·k）所以 m21.2.2.換熱器工藝結構1.管徑及管內流速若選擇較小的管徑，管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以提高，而且對于同樣的傳熱面積來說可以減小殼體直徑。但管徑小，流動阻力大，清洗困難，

6、設計可根據(jù)具體情況用適宜的管徑。管內流速的大小對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及壓力降的影響較大，一般要求所選的流速應使流體處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，即雷諾指數(shù)大于10000，對于傳熱熱阻較大的流體后易結垢流體應選取較大的流速。另外還要考慮在所選的流速下，換熱器應有適當?shù)墓荛L和管程數(shù)，并保證不會由于流體的動力沖擊導致管子強烈振動而損壞換熱器。綜上考慮，選用無縫鋼管（20號鋼），選取管內流速u=1m/s。2. 確定管長、管程數(shù)和總管數(shù)選定管徑和管內流速后，可以下式確定換熱器的單程傳熱管數(shù)。根單程傳熱管長度：=7.3m如果按單程計算的傳熱管長度太長，則應采用多管程。確定了每程傳熱管長度之后，即可求管程數(shù)。取每程傳熱管長度

7、l=4.5 m則 管程數(shù) 換熱器的總傳熱管數(shù)為（根）3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選用多管程換熱器損失部分傳熱溫差，這種情況下的平均傳熱溫差由計算，其中溫差校正系數(shù)與流體的進出口溫度有關，也與換熱器的殼程數(shù)及管程數(shù)有關。其中 對單側溫度變化流體，逆流的平均傳熱溫差相等。即=1，殼程數(shù)為14.傳熱管排列傳熱管在管板上的排列有三種基本形式，即正方形、正四邊形和同心圓排列。傳熱管的排列應使其在整個管板上均勻而緊湊地分布，同時還有考慮流體性質，管箱結構及加工制造等方面等方面的要求。一般說來，正三角形排列在管板面積上課排較多的傳熱管，而且管外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。但正三角形排列時管外機械清洗較為困難，而

8、且管外流體的流動阻力也較大。正方形排列在同樣的管板面積上可配置的傳熱管最少，但管外易于進行機械清洗，所以當傳熱管外壁需要機械清洗時，常采用這種排列方法。同心圓排列方式的優(yōu)點在于靠近殼體的地方管子分布較為均勻，在殼體直徑很小的換熱器中可排列的傳熱管數(shù)比正三角形排列還多。由于殼外是清潔的飽和蒸汽，所以采用正三角形排列。5.管心距管板上兩傳熱管中心距離稱為管心距。管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關，此外還要考慮到管板強度和清洗外管面所需的空間。傳熱管和管板的鏈接方式有脹接和焊接兩種，當采用脹接法，采用過小的管心距，常會造成管板變形。而采用焊接法時，管心距過小，也很難保證焊接質量，因此管心距

9、應有一定的數(shù)值范圍，一般情況下，脹接時，取管心距t=(1.31.5)d0，焊接時，取t=1.25d0=0.0175 。本次設計選取焊接法。多管程結構中，隔板占有管板部分面積。一般情況下，隔板中心到離其最近一排管中心距離可用下式計算（mm）當do=25mm時 ，取管心距t=1.25d0=各程相鄰管心距6.管束的分程方法采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板。分程時，應使各程管字數(shù)目大致相等，隔板形式要簡單，密封長度要短，一般采用偶數(shù)管程。管束分程方法常采用平行法。1.2.3.殼體內徑多管程換熱器殼體的內徑與傳熱管數(shù)、管心距和管程數(shù)有關： 其中 為管板利用率，取=0.8則殼體內徑 mm，整圓可取5

10、00 mm1.2.4折流板列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通面積大，為增大殼程流體的流速，加強湍流程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設置折流板。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩大類，其形式有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板。弓形折流板結構簡單，性能優(yōu)良，在實際中最常用。弓形折流板的圓缺面可以水平或垂直裝配。水平裝配可造成流體的強烈擾動，傳熱效果好。綜上，本設計采用橫向弓形折流板，水平裝配。折流板間距折流板數(shù)塊。1.2.5.其它主要附件1.旁路擋板在換熱器殼程，由于管束邊緣和分程部位都不能排滿換熱管，所以在這些部位形成旁路。為防止殼程物料從這些旁路大量短路，必要時應設置旁路擋板來增大旁路的阻力，迫

11、使物料通過管束進行換熱。旁路擋板可用鋼板或扁鋼制成。當換熱器直徑小于1000mm時，可將旁路擋板分段焊在折流板之間，每塊擋板的長度等于兩塊折流板間的間距。2.防沖板為了防止殼程物料進口處流體對換熱管表面的直接沖刷，引起侵蝕及振動，應在流體入口處裝置防沖板，以保護換熱管。對于殼體內徑大于325mm時的折流板左、右缺口和殼體內徑小于600mm時的折流板上、下缺口的換熱器，常將防沖板焊于殼體上。由于本次設計的殼體內徑為500mm，所以選用此方法。1.2.6接管管程流體進出口接管：取接管內甲醇流速， 。則接管內徑 m，圓整后取管內徑為200mm殼程流體進出口接管：取接管內流體流速， 則接管內徑 m，圓

12、整后取接管內徑為350mm。1.3換熱器核算1.3.1.熱流量核算 1.殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)當量直徑由正三角形排列得 =殼程流通截面積殼程流體流速雷諾數(shù)普朗特數(shù)粘度校正 則w/ K2.管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 當流體被加熱時 當流體被冷卻時管程流體流通截面積：管程流體流速m/s雷諾數(shù)普朗特數(shù)所以 w/m2 K3.污垢熱阻和管壁熱阻管壁熱阻取決于傳熱管壁厚的材料，其值為其中 b 為傳熱管壁厚，取0.0025m；為管壁熱導率，查表得碳鋼在55.4下的熱導率 =50.41管外側污垢熱阻 m2·k/w 管內側污垢熱阻 m2·k/w所以 m2·k/w4.傳熱系數(shù)傳熱

13、系數(shù)588 w/m2 k5.換熱器面積裕度計算傳熱面積=50.40 m2實際傳熱面積 m2裕度=傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠溫差生產(chǎn)任務。1.3.2 換熱器內流體阻力計算1.管程阻力 管程流體的阻力等于流體流經(jīng)傳熱管的直管阻力和換熱器管程局部阻力之和，即： 其中直管阻力局部阻力為管程結垢校正系數(shù)，可近似取1.5；Ns為殼程數(shù)，Np為管程數(shù)。由Rei=32237.88，傳熱管相對粗糙度 ，查莫狄圖得i=0.039,流速ui=0.996m/s =793kg/m3 ，為局部資料系數(shù)，取3.則 Pa Pa管程流體阻力在允許范圍之內。2.殼程阻力當殼程裝有弓形折流板時，計算阻力的方法較多。在

14、工程中常用埃索法。埃索法如下： 其中流體流過折流板缺口的阻力 流體流過管束的阻力管子排列形式對阻力的影響 殼程流體摩擦因子 所以 殼程流體阻力在允許范圍之內。1.4設備設計計算 1.4.1筒體及封頭壁厚計算1.筒體壁厚設計采用內徑=500mm，筒體長度=4500mm的工藝尺寸。其長徑比=9，材料為Q345R鋼板，焊接結構采用單面焊無損探傷，所以取焊接系數(shù) =0.8。設計溫度為150。設計壓力，計算壓力。當鋼板厚度在4.55.5mm時，鋼板負偏差C1=0.5mm。由于鋼鐵對于水蒸氣有良好的抗腐蝕性，腐蝕率在0.1mm/a以下，且設計筒體為單面腐蝕，故去腐蝕裕量C2=2.0mm。對于本設計是用鋼板

15、就卷焊的筒體以內徑作為公稱直徑DN=500mm。假設Q345R鋼的厚度在316mm之間，根據(jù)GB150固定式容器查得，設計溫度下鋼板的許用應力=183MPa。室溫強度指標=510MPa，=345MPa。設計壁厚：圓整后得名義厚度=5mm。有效厚度。2.封頭壁厚 設計采用標準橢圓形封頭，封頭曲面深度mm，直邊高度h2=25mm。設計厚度圓整后得名義厚度=5mm。有效厚度。3.筒體及封頭水壓強度校核試驗壓力，有效厚度=2.5mm，強度指標=345MPa，壓力試驗時的應力因為，所以筒體及封頭滿足水壓試驗的強度要求。1 .4.2主要附件選型1.折流板本設計折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為500mm

16、,厚度為10mm。缺口弓形高度為圓形板直徑的約1/4，本設計圓整為150mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.8mm，共有172-43=129個。選擇折流擋板間距B=150mm。折流擋板數(shù)NB =29塊。2.拉桿 折流板一般采用拉桿與定距管等元件與管板固定，其固定形式有全焊接結構、拉桿定距管結構、定距螺栓拉桿等。 本設計采用拉桿定距管結構。拉桿一端用螺紋擰入管板，每兩塊折流板之間的間距用定距管固定，每根拉桿上最后一塊折流板與拉桿焊接。這種形式易于調節(jié)折流板之間夾緊程度，在穿進換熱管后，各折流板處于相對自由狀態(tài)，是列管換熱器最常用的形式。拉桿直徑為16mm，每個折流擋板上有4個。3.防沖板 防沖板

17、在殼體內的位置，應使防沖板周邊與殼體內壁所形成的流通面積為殼程進口接管截面積的倍，實際上接管管徑確定后，就是一個防沖板與殼體內壁的高度H1的確定，一般規(guī)定接管外徑。所以取高度70mm。 防沖板直徑應大于接管外徑50mm，取300mm。厚度為4.5mm。 1.4.3接管選型及補強1.甲醇進料管甲醇進料流量為，接管內徑為200mm。采用的低合金無縫鋼管，接管長度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對焊法蘭，法蘭標記：HG20595-09 法蘭WN200-2.5 RF Q235-B。本設計選用=200mm，壁厚=6mm的接管，由標準查得補強圈尺寸為外徑D2=400mm，內徑D1=212mm。開孔補強

18、計算如下：（1）不計焊縫系數(shù)的筒體計算壁厚（2）開孔所需補強的面積A 開孔直徑： 開孔所需的補強面積：（3）有效寬度B 外側有效高度（4）有效補償面積 式中 A1殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積， A2接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積， A3焊縫金屬截面積， 其中 接管材料選擇與筒體相同的材料（Q345R）進行補償，故=1。 代入上式得 接管計算厚度 有效補強面積 因為Ae>A 所以開孔不需加補強。2.甲醇出料管采用的低合金無縫鋼管，接管長度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對焊法蘭，法蘭標記：HG20595-09 法蘭WN200-2.5 RF Q235-B。無需補強。3.

19、水蒸氣進料管水蒸氣進料流量為，接管內徑為350mm。采用的低合金無縫鋼管，接管長度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對焊法蘭，法蘭標記：HG20595-09 法蘭WN350-2.5 RF Q235-B。本設計選用=350mm，壁厚=6mm的接管，由標準查得補強圈尺寸為外徑D2=620mm，內徑D1=362mm。開孔補強計算如下：（1）不計焊縫系數(shù)的筒體計算壁厚（2）開孔所需補強的面積A 開孔直徑： 開孔所需的補強面積：（3）有效寬度B 外側有效高度（4）有效補償面積 其中 接管材料選擇與筒體相同的材料（Q345R）進行補償，故=1。 代入上式得 接管計算厚度 有效補強面積 因為Ae>A

20、 所以開孔不需加補強。4.水蒸氣出料管采用的低合金無縫鋼管，接管長度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對焊法蘭，法蘭標記：HG20595-09 法蘭WN350-2.5 RF Q235-B。無需補強。5.排氣管采用的低合金無縫鋼管，接管長度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對焊法蘭，法蘭標記：HG20595-09 法蘭WN25-2.5 RF Q235-B。無需補強。6.排污管采用的低合金無縫鋼管，接管長度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對焊法蘭，法蘭標記：HG20595-09 法蘭WN25-2.5 RF Q235-B。無需補強。1 .4.4管板的選型1.左管板（1）管板厚度選用固定管板兼

21、作法蘭形式。管板與殼程圓筒連為整體，期延長部分兼做法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接；管板材料選用16Mn。當設計壓力為1MPa，殼體內徑為500mm時，查表得管板的厚度=34mm。（2）管板形狀：管板同時起到法蘭的作用，密封面為凸面，可以和管箱的法蘭(密封面為凹面)連接。管板直徑與管箱法蘭的相同，為700mm。外周均布24個20螺孔。（3）管板的開孔左管板共有172個安裝換熱管的開孔和4個拉桿安裝孔以及1道管程隔板密封槽。2.右管板右管板厚度及形狀與左管板一致。有172個安裝換熱管的開孔，但沒有拉桿安裝孔及管程隔板密封槽。 1.4.5管箱的選型1.左管箱（1）左管箱短節(jié)左管箱短節(jié)為圓柱筒體，內徑與

22、壁厚選擇與設備殼體相同。左管箱短節(jié)連接甲醇進、出管口。選擇左管箱短節(jié)的長度為管口接管公稱直徑的兩倍，即200×2=400mm。選擇Q345R材料制作。左管箱短節(jié)的標記：筒體 DN500 =5 L=400。（2）左管箱封頭選擇公稱直徑為500mm的標準橢圓封頭。壁厚5mm。材質也是Q345R。標記：EHA 500×5-Q345R JB/T 4746-2010。（3）左管箱隔板由于管程壓強降較小，用公式計算隔板厚度會小于GB151規(guī)定的隔板最小厚度（換熱器公稱直徑<=600時，碳鋼隔板的最小厚度為10mm），所以直接選擇隔板厚度為10mm。數(shù)量為1塊隔板。材料為Q235-

23、B。（4）左管箱法蘭及密封墊片法蘭選擇甲型平焊容器法蘭，公稱直徑500mm，公稱壓力2.5MPa，密封面為凹面(FM)，與凸密封面的左管板連接。外周均布24個20螺孔，用M20雙頭螺柱與左管板連接。標記： HG20595-09 法蘭WN500-2.5 FM Q235-B密封墊片選擇甲型平焊容器法蘭用非金屬軟墊片，公稱直徑500mm，公稱壓力2.5MPa。 2.右管箱右管箱封頭、法蘭及密封墊片與左管箱一致。短節(jié)長度為100mm，標記：筒體 DN500 =5 L=100。右管箱無隔板。 1.4.6鞍座的選型鞍座分為輕型（A）和重型（B）兩大類，每種形式的鞍座又分為固定支座（F）和滑動支座（S），在一臺容器上F型和S型總是配對使用。本設計選用BI型雙鞍座，其中一個為F型，另一個為S型。設計高度為200m