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地设计学生姓名： ?学校： ?专业班级： ?101学号： 10412041指导老师： ?目录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 19 页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. 61.2.6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. 91.4 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. 121.4.3接管选型及补强. 121 .4.4管板地选型. 151.4.5管箱地选型. 161.4.6鞍座地选型. 161.5 主要结构尺寸及计算结果汇总 . 17附录：预热器装配图. 171.1 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，设计标精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 19 页准式列管换热器.2.选择换热器类型流体温度地变化情况：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 .而甲醇地黏度（0.5-1）10-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地平均值.查表得甲醇黏度都很低，故管程液体地定性温度为406954.52ct壳程饱和水蒸汽在0.15MPa 压力下地定性温度为111.2ht.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地有关物性数据.如下表表 1 水蒸气在111.2oC 下地物性参数密度 0.8585 kg/m3定压比热容Cp 4.235 kJkg-1k-1焓 H 466.4 kJkg-1k-1汽化热 r 2228.9 kJkg-1热导率 0.685 wm-1 k-1黏度 0.25610-3 Pa s表 2 甲醇在 54.5下地物性参数密度 793 kg/m3定压比热容Cp2.65 kJkg-1k-1热导率 0.187 wm-1 k-1黏度 0.4910-3 Pa s1.2 工艺设计计算1.2.1.估算传热面积1.换热器地热流量在热损失可以忽略不计地条件下，对于无相变地物流，换热器地热流量由下式确定：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 19 页其中86.09107691333024mq Kg/h =t2-t1=69-40=29 K所以 热流量676913 2.65 295.91 10mpq CtKJ/h=1641.88KW对于有相变化地单组份饱和蒸汽冷凝过程，其热流量衡算可表示为hhD r则饱和水蒸气地用量65.94 1026532228.9hhDr Kg/h2.平均传热温差由于在相同德流体进出口温度下，逆流流型具有较大地传热温差，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.1212(111.2 69)(111.2 40)111.269lnln111.240mttttt=55.4 3.估算传热面积PAKt，假设 K=600 W/（m2 k）所以95.91 1049.4360060055.4pAm21.2.2.换热器工艺结构1.管径及管内流速若选择较小地管径，管内表面传热系数可以提高，而且对于同样地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地管径.管内流速地大小对表面传热系数及压力降地影响较大，一般要求所选地流速应使流体处于稳定地湍流状态，即雷诺指数大于10000，对于传热热阻较大地流体后易结垢流体应选取较大地流速.另外还要考虑在所选地流速下，换热器应有适当地管长和管程数，并保证不会由于流体地动力冲击导致管子强烈振动而损坏换热器.综上考虑，选用252.5mm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地单程传热管数.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 19 页227691385.6863600 793(0.0252 0.0025)144viqnd u根单程传热管长度：0PsALnd=49.43.14860.025=7.3m如果按单程计算地传热管长度太长，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7.3N1.624.5Ll换热器地总传热管数为286172TNNn（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 地 平 均 传 热 温 差 由mtmtt逆计算，其中温差校正系数t与流体地进出口温度有关，也与换热器地壳程数及管程数有关.其中1221=TTRtt热流体的温降冷流体的温升111.2111.2069402111=TttPt冷流体的温升两流体最初温差69400.407111.240对单侧温度变化流体，逆流地平均传热温差相等.即t=1，壳程数为1=1 55.455.4mtmtt逆4.传热管排列传热管在管板上地排列有三种基本形式，即正方形、正四边形和同心圆排列.传热管地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地要求.一般说来，正三角形排列在管板面积上课排较多地传热管，而且管外表面地表面传热系数较大.但正三角形排列时管外机械清洗较为困难，而且管外流体地流动阻力也较大.正方形排列在同样地管板面积上可配置地传热管最少，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.同心圆排列方式地优点在于靠近壳体地地方管子分布较为均匀，在壳体直径很小地换热器中可排列地传热管数比正三角形排列还多.由于壳外是清洁地饱和蒸汽，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.管心距地大小主要与传热管和管板地连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗外管面所需地空间.传热管和管板地链接方式有胀接和焊接两种，当采用胀接法，采用过小地管心距，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 地 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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 19 页距离可用下式计算62tS（mm）当 do=25mm 时 ，取管心距 t=1.25d0=1.25 25=31.2532mm各程相邻管心距3222 (6)442Smm6.管束地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地内径与传热管数、管心距和管程数有关：1.05TNDt其中 为管板利用率，取=0.8则壳体内径1721.05324930.8Dmm，整圆可取500 mm1.2.4 折流板列管式换热器地壳程流体流通面积比管程流通面积大，为增大壳程流体地流速，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.弓形折流板地圆缺面可以水平或垂直装配.水平装配可造成流体地强烈扰动，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0.30.3 500150BDmm折流板数4500129150BN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地阻力，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，每块挡板地长度等于两块折流板间地间距.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 19 页2.防冲板为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面地直接冲刷，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 时地折流板左、右缺口和壳体内径小于600mm 时地折流板上、下缺口地换热器，常将防冲板焊于壳体上.由于本次设计地壳体内径为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11/um s，31769130.0269/36003600793mqqms .则接管内径11144 0.02690.1851vqdum，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210/um s，3226520.858/36000.8585qms则接管内径22244 0.8580.3311vqdum，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010.550.14300.36()erwhRPde当量直径由正三角形排列得22003424etddd=2234(0.0320.025 240.020.025m精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 19 页壳程流通截面积20.025(1)0.15 0.5 (1)0.04230.032oodSBDmt壳程流体流速0.85820.3/0.0423vooqum sS雷诺数0030.0220.30.8585Re3507.770.256 10deu普朗特数334.235 100.25610Pr1.580.685pC粘度校正0.14()1w则10.55300.6850.363507.771.5811279.230.02hw/ 2.管程表面传热系数0.80.023RePrniiihd当流体被加热时当流体被冷却时管程流体流通截面积：2221720.020.027442TiiNSdmN管程流体流速0.02690.9960.027ium/s雷诺数30.02 0.996 793Re32237.880.49 10i普朗特数332.65 100.49 10Pr6.940.187所以0.80.40.1870.02332237.886.941887.020.02ih3.污垢热阻和管壁热阻管壁热阻取决于传热管壁厚地材料，其值为wwbR其中 b 为传热管壁厚，取0.0025m；w为管壁热导率，查表得碳钢在55.4下地热导率 =50.41管外侧污垢热阻300.1410R m2k/w0.40.3n精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 19 页管内侧污垢热阻30.176 10iRm2 k/w所以50.00254.96 1050.41wR m2k/w4.传热系数传热系数0000011cwimiiiKR dRddRhddh d533114.9610250.176 1025250.14101279.2322.52020 1887.025.换热器面积裕度计算传热面积ccmAKt=31641.88 1058855.4=50.40 m2实际传热面积00.0254.5 17260.76TAd lN m2裕度100%ccAAHA=60.7650.40100%20.6%15%50.40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.管程阻力管程流体地阻力等于流体流经传热管地直管阻力和换热器管程局部阻力之和，即：()tirspspppN N F其中直管阻力22iiiiulpd局部阻力22irup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0.20.0120，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.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 19 页则24.57930.9960.0393451.50.022iP Pa 27930.99631180.02rP Pa(3451.51180.0)1 2 1.5138894.5PaA 所以开孔不需加补强.2.甲醇出料管采用2006mmmm地低合金无缝钢管，接管长度为150mm.配用具有突面密封地带颈对焊法兰，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320.858/qms，接管内径为350mm.采用3506mmmm地低合金无缝钢管，接管长度为150mm. 配用具有突面密封地带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN350-2.5 RF Q235-B.本设计选用id=350mm ，壁厚m=6mm地接管，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）不计焊缝系数地筒体计算壁厚1.1 50015.12 2 1831.1citcp Dmmp（2）开孔所需补强地面积A开孔直径：23502(0.52)355iddCmm开孔所需地补强面积：2355 15.1536.05Admm（3）有效宽度B22 355710Bdmm外侧有效高度1h1355 646.15mhdmm（4）有效补偿面积123AeAAA其中1(B-d)()2()(1)emerAf接管材料选择与筒体相同地材料（Q345R）进行补偿，故rf=1.代入上式得21(710355)(2.51.51)351.45Amm精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 19 页接管计算厚度1.1 3551.342 2 1830.81.1cttcp dmmp21222()2()nttrntrAhC fhCC f12 ()0nttrhC f246.15(61.342.5)2199.37mm23126 6362Amm有效补强面积2123351.45199.3736586.82AeAAAmm因为 AeA 所以开孔不需加补强.4.水蒸气出料管采用3506mmmm地低合金无缝钢管，接管长度为150mm.配用具有突面密封地带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN350-2.5 RF Q235-B.无需补强 .5.排气管采用323.5mmmm地低合金无缝钢管，接管长度为150mm.配用具有突面密封地带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN25-2.5 RF Q235-B.无需补强 .6.排污管采用323.5mmmm地低合金无缝钢管，接管长度为150mm.配用具有突面密封地带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN25-2.5 RF Q235-B.无需补强 .1 .4.4 管板地选型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，查表得管板地厚度=34mm.（2）管板形状：管板同时起到法兰地作用，密封面为凸面，可以和管箱地法兰(密封面为凹面)连接 .管板直径与管箱法兰地相同，为700mm.外周均布24 个 20螺孔 .（3）管板地开孔左管板共有172 个安装换热管地开孔和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 个安装换热管地开孔，但没有拉杆安装孔及管程隔板密封槽.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 19 页1.4.5 管箱地选型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 .选择左管箱短节地长度为管口接管公称直径地两倍，即2002=400mm. 选择 Q345R 材料制作 .左管箱短节地标记：筒体DN500 =5 L=400.（2）左管箱封头选择公称直径为500mm 地标准椭圆封头.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 规定地隔板最小厚度（换热器公称直径 =600 时，碳钢隔板地最小厚度为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)，与凸密封面地左管板连接.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 鞍座地选型鞍座分为轻型（A）和重型（ B）两大类，每种形式地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：/4712.12007500JB TBIF鞍座/4712.12007500JB TBIS鞍座换热器总长为5300mm，换热器管束长0L=4500mm，一般当03000Lmm时，取两鞍座间距0(0.5 0.7)BLL.本设计取0.6.即两鞍座间距00.60.645002700BLLmm.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 19 页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/(kgK)2.654.235黏度 /Pas0.4910-30.25610-3热导率 /W/(mK)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 /mm252.5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/( m2K)1887.021279.23污垢热阻 /( m2K/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/( m2K)588裕度 /%20.6附录：预热器装配图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 19 页252423222120191817161098765432115141312114172116148212412931.2143214424.50.030.17886710.51.444.082.5L=4380Q345R20件号图号或标准号名 称数量材料备注重总重量（Kg ）化工设计院 职责 设计 制图 校对 审核审定签 名日期设计项目设计阶段施工图比例共 页第 页B01-111R-00粗甲醇预热器装配图DN500 5300拉杆16螺母M20接管 2126双头螺柱 M20130非金属垫片 G6-500总重： 3890Kg符号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称abdef25PN25DN200HG20595-09PN25DN350HG20595-09PN25 DN25HG20595-09PN25DN350HG20595-09甲醇出口水蒸气进口排气口排污口水蒸气出口甲醇进口管 口 表工作压力 /MPa设计压力 /MPa物料名称焊缝系数 容器类别11.1粗甲醇0.8工作温度设计温度腐蚀裕度 /mm1501502技术特性表1.本设备按照国家劳动总局压力容器安全监察规定及GB150-2011固定式压力容器技术条件进行制造、试验和验收。2.焊接采用电弧焊，焊条型号用 E5016 焊条。3.焊接接头形式及尺寸除图中注明外，对接焊缝按JB/Z105-73, 角焊缝按设计规定附录 D ，接管与壳体及壳体之间焊接采用全焊透结构，法兰焊接按相应法兰标准中的规定。4.对接焊缝进行局部探伤，符合 GB3325-87 中的级为合格。5.本设备需进行整体热处理，以清除残余应力。6.热处理后设备以 1.38MPa 表压进行水压试验，合格后再以1.4MPa 表压进行气密性试验。7.水压试验后，应进行表面裂缝检查，检查部位为壳体对接焊缝，热影响限接管与壳体连接焊缝及热影响区等的内外表面，补强圈、支座与壳壁连接焊缝及热影响区。8.管口方位按本图。9.设备制造完后，外表面涂二道防锈漆，现场安装后再涂标色漆。10.接地线应牢固地固定在固定支座28上。技 术 要 求46055不按比例不按比例不按比例20cPN25DN200HG20595-0916Mn石棉橡胶板GB/T816320不按比例不按比例12345678910111213141516171819202223242527282930512350120 16252.5M1618242810126252.51303245221235036363 3 3234133010601000360150754024224配M20 螺栓150 2126500400 21262700 362 6 32 3.5323.5 3626150652302305300abcdefdefabcF 型S 型2525252525PN25 DN25HG20595-09RFRFRFRFRFRFHG20595-09法兰 WN200-2.5 RFQ235-B5.8411.7JB/T4746-10265130封头 DN5005Q345RL=150HG20595-09管箱筒体 DN500 =521180Q345RL=400212.5接管 2126HG20595-09法兰 WN200-2.5 RFQ235-BL=1502145290管板 =34HY05-ALNQ50016MnJB/T4707-00GB/T6107JB/T4720-9216Mn214.5接管 3626HG20595-09法兰 WN350-2.5 RFQ235-B714L=15010.86防冲板 =4.5HY05-ALNQ50016Mn筒体DN500 =5HY05-ALNQ500折流板 =10定距管 252.52020Q235-B1.24GB/T8163换热管252.58.32HY05-ALNQ500Q235-B7.80210.4320接管 323.5HG20595-09法兰 WN25-2.5 RFQ235-B0.731.46L=1505.8411.7GB/T8163L=4500HG20595-09管箱筒体 DN500 =5120Q345RL=100210.4320接管 323.5HG20595-09法兰 WN25-2.5 RFQ235-B0.731.46L=150GB/T8163262728292630482410.030.171.444.08螺母M20双头螺柱 M20130非金属垫片 G6-50016Mn石棉橡胶板JB/T4707-00GB/T6107JB/T4720-9216Mn214.5接管3626HG20595-09法兰 WN350-2.5 RFQ235-B714L=15020JB/T4712-07GB/T8163GB/T8163GB/T8163GB/T8163140支座DN500-BIM垫板Q345R组合件JB/T4712-07140支座DN500-BIM垫板Q345R组合件精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 19 页