1、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 .1
2、11 .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
3、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 -3Pas。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 40695.2ct壳程饱和水蒸汽在 0.15MPa 压力下的定性温度为 。1
4、.2ht2.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 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 Pas表 2 甲醇在 54.5下的物性参数密度 793 kg/m3定压比热容 Cp 2.65 kJkg-1k-1热导率 0.187 wm-1 k-1黏度 0.4910-3 Pas1.2 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
5、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/h86.091763324mq=t2-t1=69-40=29 K所以 热流量 KJ/h=1641.88KW6769.52.910mpqCt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hDr则饱和水蒸气的用量 Kg/h65.94102538h2.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 12(.69)(1.240)lnlnmt3.估算传热面积，假设 K=600 W/（m 2k）PAKt所以 m295.104.3
6、6.p1.2.2.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25.mu=1m/s。2. 确定管长、管程数和总管数选
7、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2 27691385.6360(0.25.0)144viqndu 单程传热管长度： = =7.3m0PsALnd43.186.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 7.N245l换热器的总传热管数为 （根）86172TNn3.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mtmt逆 t换热器的壳程数及管程数有关。其中 12=TRt热 流 体 的 温 降冷 流
8、 体 的 温 升 .1.2069421Pt冷 流 体 的 温 升两 流 体 最 初 温 差 .7.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 1t=15.4.mt逆4.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
9、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=1.25d
10、0=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）62tS当 do=25mm 时 ，取管心距 t=1.25d0=1.253.2m各程相邻管心距 3()4m6.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 =0.81.05TNDt则壳体内径 mm，整圆可取 500 mm172.34930.81.2
11、.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 0.3.501BDm折流板数 块。4291N1.2.5.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
12、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 ，1/ums。31769130.269/30mqms则接管内径 m，
13、圆整后取管内径为 200mm114.0.185vqdu壳程流体进出口接管：取接管内流体流速 ，2/us32650.8/30.qms则接管内径 m，圆整后取接管内径为2240.85.31vqdu350mm。1.3 换热器核算1.3.1.热流量核算 1.壳程表面传热系数 01.50.1430.36()erwhRPd当量直径由正三角形排列得 220etd=2234(.540.0m壳程流通截面积 2.(1)0.5(1).32oodSBDt壳程流体流速 0.852.3/4voqumsS雷诺数 03.85Re 07.61d普朗特数34.250.Pr 1.8pC粘度校正 0.14()w则 w/K10.530
14、.68378279.2h2.管程表面传热系数0.8.23RePrni iihd当流体被加热时当流体被冷却时管程流体流通截面积： 222170.0.4TiiNSdm管程流体流速 m/s0.69.7iu雷诺数 32Re27.8.1i 普朗特数3650.49Pr 6.48所以 w/m2K0.80.7.232187.ih3.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wbR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 =50.41w管外侧污垢热阻 m2k/w30.14R0.4n管内侧污垢热阻 m2k/w30.176iR所以 m2k/w50.24.96105wR4.传热系数传热系数 0001cwimiKRdhhd533114.962.76025.279 187.02588 w/m2k5.换热器面积裕度计算传热面积 = =50.40 m2cmAKt3164.805实际传热面积 m20.2.51760.TdlN裕度 =1%cHA6.740%.5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：()tirspspNF其中直管阻力2iiiuld局部阻力2irp
