甲醇加热器修改版讲解.docx
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甲醇加热器修改版讲解
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甲醇加热器设计说明书
班级:
生工123班
姓名:
万通
日期:
2015.7.02
指导教师:
邸凯
一、方案简介································································1
二、方案设计································································1
1、确定设计方案·····························································1
2、确定物性数据·····························································2
3、计算总传热系数···························································2
4、计算传热面积·····························································3
5、工艺结构尺寸·····························································3
6、换热器核算·······························································4
三、设计结果一览表··························································14
四、对设计的总结····························································15
五、参考文献································································17
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,要考虑的因素主要包括流体的性质,压力,温度及允许压力降的范围,对清洗、维修的要求,材料价格,使用寿命等。
换热器的种类很多,不同的换热器适用于不同的场合,而管壳式换热器在生产中被广泛利用。
与其他形式的换热器相比,其结构简单、紧凑,制造成本较低,能得到最小的壳体内径,管程可分成多程,壳程也分成双程,规格范围广,故在工程中广泛应用,管内不易积垢,即使产生了污垢也便于清洗。
缺点是壳程不能清洗,检查困难,对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。
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1/8700㎡.℃/W
2.热损失5%。
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:
1
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ф25×2.5mm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。
393338?
K.5?
t?
365甲醇的定性温度为:
2管程流体的定性温度为:
KT?
420根据定性温度,分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。
下的有关物性数据如下:
水蒸汽在420K3ρ=2.3585kg/m密度o)c=1.92kJ/(kg·℃定压比热容po)λ=0.0260W/(m·℃导热系数osμ=0.000148Pa·粘度o=2128.8kJ/kg潜热
甲醇在365.5K下的物性数据:
3ρ=1.09kg/m密度i=1.34kJ/(kg·℃)定压比热容cpi=0.0256W/(m·℃)导热系数λi·s粘度μ=0.0000164Pai
3.计算总传热系数)热流量(1h/W?
2500kgS?
?
?
?
't?
?
TKA?
WC?
tQt?
WCT?
m211pcshphsc2?
?
338393?
2500?
1.34?
?
kw51.18?
184250kg/h?
'kw?
53.74505?
184250?
193462.kg/h05Q?
1.Q1?
.)平均传热温差(2?
?
?
?
393420?
338?
?
t?
t420?
?
2151?
?
?
?
t49.逆m338t?
420?
1lnln393420?
t?
22
(3)水蒸汽流量
'193462.5Q90.883'?
sm/?
0.?
?
90.88kgQ?
W/h?
0107,W?
hshs?
36002128.2.23585?
K)总传热系数(42K
m可取较大值,令初设值为58.2KW/由于壳程较大,K4、计算传热面积
''2S×18.65=21.45m=1.15×15考虑%的面积裕度,S=1.155、工艺结构尺寸
)管径和管内流速1(选用ф25×2.5传热管(碳钢),取管内流速ui=20m/s
)传热管数2(依据传热管内径和流速确定单程传热管数
2?
dVVV2500/(3600?
1.09)'siss根?
N?
101?
?
101.4根,N?
A?
?
?
2u4u?
d-32?
1020)?
(20?
iu
4
4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。
S21.45所需单程长度m79?
?
2.L?
?
?
d.02598?
N0oT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实际平均温度t:
?
t?
m?
?
'?
?
Rp?
f?
t?
?
?
t,tmt?
?
逆mT?
T0?
021?
0R?
?
?
tt393?
33812t?
t393?
33812?
0p?
?
.671
?
t420?
T33811?
?
?
单壳程0?
1.,平均传热温差为由查图可知t?
'?
℃51?
49.511t?
t?
?
?
?
?
49.tm?
逆m(5)传热管排列和分程方法
d?
25mmt?
32mm时,管中心距为查表可得当o3
采用组合排列法,即每程内均按正三角形排列。
横过管束中心线的管数,根,102即正六边形可排6层。
则实际排管数设为得到各程之间可排列10支管,根其中4根拉杆,则实际换热器为98)壳体内径(5''壳体内径为d)1.,b5?
(1tD?
(N?
1)?
2b~oicmm25?
3632?
1.5?
?
D?
32?
(101)?
i圆整可取mm?
400Di)折流板(6%,则切去的圆缺高采用弓形折流板,取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25100mm。
=100mm,故可取h=0.25度为h=×400200mm。
200mm,可取B为BB=0.5D,则=0.5×400=取折流板间距)折流板间距-1=3000/200-1=14(块=折流板数N传热管长/B折流板圆缺面水平装配。
(7)接管,则接管内径为u=1..0m/s壳程流体进出口接管:
取接管外水蒸汽流速为
4V4?
90.88/(3600?
2.3585)水sm11674d?
?
0.?
1?
?
u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
管子排列方式:
管子规格尺寸:
正三角形排列
管程数:
17.3N=1传热面积:
=0.0308每管程的流通面积:
6.换热器核算
)热量核算1(
①壳程对流传热系数对圆缺形折流板,可采用以下公式
4
查表得:
)
=0.6843W/(㎡℃λ
=919.882kg/
s
μPa
=2128.8kJ/kg0
壁温为418.7K)取整由以上计算得n=10(代入上式整理得:
1?
?
4326845.9.81?
.2128.8?
919880?
?
?
2?
℃?
/m?
2704.7w?
0.725?
?
?
o2?
?
3?
7.?
148?
101.?
0025.10?
0?
?
3?
②管内对流传热系数为?
又因为
0.4.流体被加热n取管程流通面积?
?
222m0308.?
98?
s0d?
N?
0?
.02Tii44
管程流体流速及其雷诺数分别为).09/(3600?
12500m/s69?
u?
20.i03080.09?
1..02?
20.690410?
2.75R?
?
e3?
10?
0.0164?
?
/P?
C普兰特准数:
pr
③传热系数K5
1/8700由已知可得管壁内外侧污垢热阻为/W
:
管壁热阻?
3105?
b2.?
52?
℃)/(mwR?
?
?
5?
10
w?
w50d?
(25?
20)/2?
22.5mm因为25/20=1.25<2所以m1?
K
ddbd1ooo?
R?
R?
?
sosi?
?
?
dddoiiim1?
5?
10251?
.0255?
100.0250.10?
?
?
?
?
7.022587002704002087000.020.98.67?
0.2)m℃?
?
74.89w/(
④传热面积S
310?
53.74Q2''m?
?
14.49S?
5149.t74.89?
K?
m该换热器的实际传热面积Sp
2?
?
m.09?
98?
?
23?
0.025?
3S?
LNdop
取其实际传热面积按照国家标准换热器G400I-2.5-17.317.3=该换热器的面积裕度为S?
S4917.3?
14.p%100%?
4019%?
100?
?
H.?
49.14S传热面积裕度合适,该换热器能够完成生产任务。
)换热器内流体的压力降2(
①管程流动阻力
?
?
NPNFP?
?
?
?
?
P?
P2i1tS?
25mm?
2.5mm,F?
1.4,N:
为结垢校正系数,对于F(管程数,N:
串联的壳程数)spttNs=1,Np=1,Ft=1.4
?
局部阻力系数一般取3)(
6
?
0.14?
,查莫狄图由Re=27500〉,传热管相对粗糙度10005.?
?
0mm.01?
20di0.030W/m·℃,λi=得kg/m3,所以ρ=1.09流速u=20.69m/s,i269.09?
2031.?
0?
.03?
?
1049.86pa?
P
120.0222?
u69.1.09?
20ipa913?
?
699.?
P?
3?
?
222NN1
)×1.4×p+△p)F1×=(1049.86+699.91=(△∑△pti12Ps=2449.68Pa(符合设计要求)
管程压力降在允许范围之内。
②壳程压力降
?
''?
(?
P?
?
P?
P)FNsos121?
FN?
1ss流体流经管束的阻力2?
u?
?
'oo1Nn?
?
P?
Ff
1coB2其中:
F=0.5
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0.228Re.0f?
5oo2222Nd?
D0250.?
1010.4?
oid?
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?
0.03312mm
eD?
Nd0.4?
101?
0.025oi?
ud0.03312?
0.608?
2.3585oeo?
320.90Re?
?
o?
0.0001480.50.5?
1?
9810?
n?
1.1N1.Tc90.88/(3600?
2.3585)?
0.608mu?
/s
o0.0176?
?
?
p243.85Pa)/2×15×(2.35850.608=×0.5320.90×10×1
流体流过折流板缺口的阻力
2?
u2.2?
0B2'ooP?
2-15.26Pa=3.5N(=×-×)=14(3.5)×(2.35850.608)/2B
240.2Di''P?
?
P?
59.11Pa
+=(总压降:
∑△p=()FsNs43.8515.26)×1×1=o217
(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D=400mm。
i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D=466mm,D=450mm。
io
5.1.2壳体壁厚
P=1.6MPa;由于所设计的换热器为中低压容器,故可取设计压力为ct?
][=113MPa
查表得许用应力C考虑到使用年限,取腐蚀裕量=1.0mm2PD1.6?
400ic?
?
?
C?
?
?
1.0?
5.4mm≈0.66(mm)
2t?
?
61.?
0.8?
2?
113?
P]2[cC?
式中根据δ在4.5到5.5之间δ实际选用板厚名义厚度为δ。
=δ++nn1≈6(mm)
△δ圆整后:
=5.4+0.5+C=0.5mmn1
5.1.3水压校核
由《过程设备设计》P193,公式(4-88),(4-89),得:
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?
C)]?
p[D(nTi?
?
T?
?
C)2(n1.25?
0.4?
[0.45?
(0.008?
0.001?
0.0008)]?
0.0008)0.001?
?
2?
(0.008=18.15MPa
而0.9φσ=0.9×0.9×235=190.35MPa
s?
<0.9φσ因为,所以水压试验时强度足够。
sT5.1.4壳体质量
壳体长度=3m
8
22/4=88.07kg)×3.14×(0.4-0.394质量=7850×3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)
参数名参数
450/mm管板直565管板外D/mm
38/mm管板厚18螺栓孔直/mm
M180螺栓规
12螺栓数28/mm螺栓孔高bf530/mm管板螺栓孔间距D1565管板法兰直径D/mmf
487D/mm
管板螺栓内侧边间距419/mm管孔直径d1100管孔数/个5换热管外伸长度/mm
30.00591管板体积/m46.39
管板质量/kg
?
?
?
?
?
22222ndbDD?
0?
V.D004?
.d?
nb?
0006注:
管板体积12a2ff14a43.14?
?
=?
?
222221000.019?
?
?
0.487?
0.004?
0.450.038?
?
0.565?
0.01812?
?
?
0.0280.006?
?
43m=0.0059146.39kg
=m=0.00591×7850单块管板质量:
5.2.2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。
根据《换热器设计手册》P172,表1-6-20,管子伸出长度约为5mm。
5.3拉杆
本换热器壳体内径为450mm,查阅《化工单元过程及设备课程设计》P135,表4-7和表4-8得:
9
d=16mm
拉杆螺纹公称直径:
n=2.930m拉杆长:
L1=2.780mL2=20mm前螺纹长La=60mm后螺纹长Lb4根拉杆数:
拉杆位置如左图的圆圈位置所示。
左视图
2/4=18.02kg
×0.0162.780)×3.14拉杆质量:
m=7850×(2×2.930+2×'‘2.67m。
,L=拉杆外套有定距管,规格与换热管一样,长度:
L=2.77m21粗略计算定距管质量22)/4=15.09kg
0.02×(0.025-×2.77+2×2.67)×3.14m'=7850×(2
分程隔板5.4,因本此设计换热器的公称直径4-1查阅《化工单元过程及设备课程设计》P127,表。
=10mm=450mm<600D,对于碳钢,得隔板厚度为:
bi为隔5mm10mm为管箱嵌入法兰深度,分程隔板长L=260+25+112+5+32-10=424mm,其中板嵌入管板深度。
7850=14.84kg
××0.010分程隔板质量以长方体板粗略估计:
m=0.450×0.424
折流板5.5折流板选型5.5.1
本次设计的冷却器采用弓形折流板。
如右图所示。
前面第四章第四节已算出:
块折流板数N=19B110mm=圆缺高度h150mm=板间距B,1-6-33表1-6-26和表查阅《换热器设计手册》P182,得:
0.5)mm=446mm-3.5-折流板直径D=(450a=5mm。
折流板厚度C=19+0.4=19.4mmI级换热器,管孔直径GB151折流板的管孔,按规定P184公式计算:
查《换热器设计手册》22AmD2圆缺部分面积:
0.0413=0.20738×=0.20738×0.446=fa?
?
?
?
?
?
?
?
?
222?
?
DA?
dn?
dnV?
?
?
?
C折流板体积?
?
12af12444?
?
?
?
?
?
10
?
3.143.143.14?
?
?
?
?
22240.016?
?
100?
0.446?
?
0.0413?
?
0.0254?
0.005
×=?
?
?
?
?
?
444?
?
?
?
?
?
3m=0.0003167850=47.13kg
××0.000316折流板质量:
m=19封头及管箱5.6封头5.6.1
两个,—73),表查阅《材料与零部件》P3322-1-9,本换热器采用椭圆型封头(JB1154,直边=112mm材料采用高合金钢,公称直径D=450mm(以外径为公称直径),曲面高度h1g=16.6kg。
h=25mm,厚度=8mm,重量高度2一个焊接于管箱,一个焊接于法兰。
管箱5.6.2
=8mm,壁厚管箱长L=260mm,管箱外径=450mm(按非标准设计)。
×0.260×0.008×7850=23.07kg管箱质量:
m=3.14×0.450
封头法兰及管箱法兰5.6.31.6MPa,采用凹法兰,在公称压力P386,表2-2-221.0~查阅《材料与零部件(上)》。
孔直D=510mm,D=482mm范围内,选取的法兰参数为D=565mm,公称直径=450mm,孔间距2190mm,螺栓数目:
12。
径=25mm,厚度b=32mm,法兰重量=17.80kg。
所用螺栓规格M22×一个法兰焊接在管箱,再与前管板连接;另一个法兰焊接在封头,与后管板连接。
六、附属件的计算及选型
接管及其法兰6.1同时也考虑到接管内的流体流速为相应接管直径公式,P207,根据《流体力学与传热》1.4~倍。
管、壳程流速的1.2
=0.51m/s,则接管内径为①壳程流体进出口接管:
取接管内水的流速为ui
V4)?
996.04?
20620(/3600i?
D=0.12m
=1?
0.51?
3.14ui125mm
取标准管径为,伸出4mm表2-8-1,取管的外径=133mm,管厚=查表《材料与零部件(上)》P655。
高度=150mm7850=1.91kg
0.004×0.15×接管质量=3.14×0.129×,取P380,表2-2-19进水口采用凸法兰,出水口采用凹法兰,查阅《材料与零部件》。
法兰18mm200mm,D=178mm,孔直径==b=10mm法兰直径=235mm,厚度,螺栓孔间距D21,螺栓数量为4。
=2.42kg重量:
凹法兰=1.54kg,凸法兰,螺栓规格:
M16222s=259.06<2200kg/(m×=996.0u由于ρ0.51﹒),故不需防冲板。
ii11
,则接管内径为u=10m/s②管程流体进出口接管:
取接管内空气的流速为o
4V4?
6439.14/(3600?
11.36)o?
D==0.142m
2?
10?
3.14uo取标准管径为150mm
查表《材料与零部件》P132无缝钢管(YB231-70),取管的外径=159mm,管厚=4.5mm,查阅《材料与零部件(上》P655表2-8-1,伸出高度=150mm。
接管质量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg
进气口采用凹法兰,出气口采用凸法兰。
查阅《材料与零件》P380,表2-2-19,法兰的直径=260mm,厚度b=12mm,螺栓孔间距D=225mm,D=202mm,孔直径=18mm。
法兰重量:
21凹法兰=2.18kg,凸法兰=2.75kg,螺栓规格:
M16,数量为8。
6.2排气、排液管
查表《材料与零部件》P123无缝钢管(YB231-70),取排气液管:
外径=45mm,管厚=3.5mm,伸出高度=80mm。
质量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。
查阅《材料与零部件》P384,表2-2-23,配套法兰:
选用凸法兰,d=45mm,厚度b=20mm,HD=145mm,D=110mm,D=88mm,质量m=2.34kg。
21
6.3支座设计
6.3.1支座的设计选型
查《材料与零部件(上)》P627-628,表2-7-1鞍式支座尺寸,当公称直径=450mm时,b=160mm,L=420mm,B=120mm,b=90mm,m=200mm,质量=13.6kg,1A=0.2×3=0.6m,支座间距=3000-2×5-2×600=1790mm。
6.3.2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总重量/kg
263.1
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