甲醇加热器设计说明书 wps 2.docx
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甲醇加热器设计说明书wps2
化工原理课程设计
——甲醇加热器的设计
班级:
过控114班
姓名:
辛霖
学号:
2011112083
指导教师:
佟白
日期:
2013.8.19~9.1
目录
1、简介································1
2、设计任务书···························2
3、工艺计算····························3
3.1确定设计方案···························3
3.2确定物性数据···························3
3.3计算中涉及到的符号说明····················4
3.4估算传热面积···························4
3.5工艺结构尺寸···························6
4、换热器计算···························8
4.1传热能力核算···························8
4.2壁温核算·····························9
4.3核算压强降····························10
5、设备参数计算························12
5.1壳体壁厚·····························12
5.2接管法兰·····························13
5.3设备法兰·····························13
5.4封头设计·····························14
5.5支座设计·····························15
5.6换热器主要结构尺寸和计算结果表·············16
6、参考文献····························18
7、设计总结·····························19
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。
2、设计任务书
齐齐哈尔大学
化工原理课程设计任务书
专业:
过程装备与控制工程
班级:
过控114班
姓名:
辛霖
设计日期:
2013.8.19~9.1
设计题目:
甲醇加热器设计
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·℃/K
2.热损失3%。
3.初设K=58.2W/m²℃
设计要求:
1.设计满足以上条件的换热器,并写出设计说明书
2.根据所选换热器,画出设备装配图
指导教师:
佟白
2013年8月19日
3、工艺计算
3.1确定设计方案
(1)选择换热器的类型
两流体温度变化情况:
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。
3.2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。
密度ρ(kg/m3)
定压比热容
Cp(kJ/kg·℃)
导热系数λ(W/m·℃)
粘度
μ(Pa·s)
潜热(kJ/kg)
水蒸气
(420K)
2.415
1.92
0.0260
0.000148
2128.8
甲醇
(365.5K)
1.09
1.34
0.0222
0.0000121
——
3.3计算中涉及到的符号说明:
传热面积
A
雷诺准数
Re
折流板距
B
截面积
S
定压比热容
Cp
温度
T,t
平均传热温差
流速
U
直径
D,d,ф
体积
V
校正系数
F,εη
传热系数
α
高度
H
壁厚
δ
总传热系数
K
密度
ρ
长度
L
许用应力
σ
质量
M
导热系数
λ
管数/板数
N
黏度
μ
普兰特常熟
Pr
变量代号
△
热负荷
Q
热阻
R
3.4估算传热面积
3.4.1平均传热温度
3.4.2热流量
3.4.3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
由于平均传热温差校正系数大于0.8,壳程流体流量较大,故取单壳程合适。
3.4.4传热面积
设
估算传热面积为:
(估算性影响,根据前述经验范围,取实际传热面积为估算值的1.15倍)
3.4.5水蒸气的流量
3.5工艺结构尺寸
3.5.1管径和管内流速
选用较高级碳钢传热管
取管内流速
3.5.2管程数和传热管数
依据传热管内径和流速确定单程传热管数:
按单管程计算,所需要的传热管长度为:
则换热器的管程的管程数为:
3.5.3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)
隔板中心到其最近一排管中心距离按计算得:
3.5.4壳体内径
按卷制壳体的进及挡,可取D=400mm
3.5.5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=0.3D
则B=0.3×400=120mm,可取B为150mm。
折流板数NB=传热管长/折流板间距-1=2000/150-1=12块)
折流板圆缺面水平装配。
3.5.6附件
本换热器壳体内径为400mm,查表得其拉杆直径,个数大于或等于4个。
3.5.7接管
壳程流体进出口接口:
取接管内流体流速
则接管内径:
管程流体进出口接管:
取接管内流体流速
则接管内径:
所以
取壳程流体进出口接管规格为:
取管程流体进出口接管规格为:
4、换热器核算
4.1传热能力核算
4.1.1壳程流体传热膜系数
由于壳程流体中水蒸气存在相变,所以
4.1.2管内传热膜系数
管程流体流通面积:
管程流体流速:
雷诺准数:
普兰特准数:
由以上公式,可得管内传热膜系数:
4.1.3污垢热阻和管壁热阻:
由已知可得管壁内外侧污垢热阻为1/8700/W
管壁热阻碳钢在该条件下:
(碳钢在该条件下导热系数约为50)
所以:
4.1.4传热面积裕度:
实际传热面积:
裕度:
该换热器能够完成任务
4.2壁温核算
因管壁很薄,且管壁热阻很小,故管壁温度按公式:
所以,传热管平均壁温:
壳体壁温课近似取为壳程流体的平均温度,即:
T=147℃
壳体壁温和传热管壁温之差为:
该温差较小,故不要设温度补偿装置,因此选用固定式换热器。
4.3核算压强降
4.3.1管程压强降
由Re=36000,传热管绝对粗糙度
则相对粗糙度为:
管程流体流速
则
所以:
4.3.2核算壳程压强降
Ns(串联的课程数)=1
Fs(结垢校正系数)=1.0
流体流经管束的阻力损失:
壳体的当量直径:
壳程流通面积:
壳体流体流速:
水蒸气在壳体内流动的雷诺系数:
有以上计算可得:
流体流过折流板缺口的阻力损失:
总阻力损失:
计算结果管程和壳程压强降都满足设计要求。
5、设备参数计算
5.1壳体壁厚
为了使设备在生产过程中安全可靠,壳体壁厚应不小于最小值。
所以,壳体壁厚取10mm.
5.2接管法兰
接管处选择平焊法兰,Pg=16.31kg/cm²
管程进出口接管法兰查表得Dg=70mm
壳程进出口接管法兰查表得Dg=250mm
公称直径
管子
法兰
螺栓
橡胶石棉垫片
Dg
(mm
dh
(mm
D
D1
D2
b
kg
数量
直径
外径
内径
厚度
70
76
180
145
122
24
3.45
4
M16
122
76
1.5
250
273
405
355
320
32
15.7
12
M22
320
273
2
5.3设备法兰
根据设备工艺要求,选用凹凸面对焊法兰。
Dg
dh
D
D1
D2
D3
D4
D6
b
h
400
426
580
525
490
447
473
474
38
90
法兰重量kg
螺栓
垫片
凹面
凸面
数量
直径
外径
内径
厚度
28.8
33.2
16
M27
473
426
3
5.4封头设计
选用椭圆形封头,标记为:
Dg400×10
公称直径
mm
曲面高度
mm
直边高度
mm
内表面积
m²
容积
m³
400
100
40
0.223
0.0134
5.5支座设计
耳式支座(B型)
支座号
允许载荷
公称直径
高度H
底板/mm
筋板/mm
L1
B1
δ
S1
L2
B2
δ
1
10
400
125
100
60
6
30
160
70
5
5.6换热器主要结构尺寸和计算结果表
名称
壳程
管程
流速kg/h
2500
89.15
温度进/出K
338/393
420/420
物性参数
定性温度K
365.5
420
密度kg/m³
1.09
2.415
热容Kj/kg℃
1.34
1.92
黏度
0.0000121
0.000148
导热系数
0.0222
-
雷诺准数
36000
254.88
设备结构参数
型号
固定管板式
台数
1
壳体内径
400mm
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