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1、甲醇加热器设计说明书 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。二、
2、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 m2.热损失5%。3.初设K=58.21确定设计方案 1.试算并初选换热器规格（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。因为加热介质是饱和蒸汽，宜于通入壳程，甲苯则通入管。（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
3、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252.5的碳钢管，取管流速取ui=20m/。 （3）确定流体的物性数据，并选择列管换热器的型式 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。 水蒸汽在420K下的有关物性数据如下： 密度 o=2.3585kg/m3 定压比热容 cpo=1.92kJ/(kg) 导热系数 o=0.0260 W/(m) 粘度 o=0.000148 Pas 潜热 =2128.8kJ/kg 甲醇在365.5K下的物性数据： 密度
4、 i=1.09kg/m3 定压比热容 cpi=1.34kJ/(kg) 导热系数 i=0.0256 W/(m) 粘度 i=0.0000164 Pas 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。（4）计算热负荷Q 按管甲苯计算，即 Wi=2500kg/h Qi=Wicpiti=25001.34(393-338)=184250 kJ/h=51.18 kW Qi=51.18(1+5)=53.74KW 水蒸汽流量可由热量衡算求得，即 其中Qo= Qi1.05（5）计算平均温差（6）初选换热器规格 初设K=58.2 故 初选固定管板式换热器规格如下：
5、壳径D：400 公称面积S：17.3 管程数：4 管数n：76 管长L：3000管子直径：252.5每管程的流通面积：=0.0060公称压强： 2.5MP管间距： t=32mm壳程： 1 管子排列方法： 正三角形排列2.工艺结构尺寸 （1）管径和管流速 选用252.5传热管(碳钢)，取管流速ui=20m/s（2）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（3）传热管排列和分程方法 采用组合排列法，即每程均按正三角形排列。取管心距t=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数根得到各程之间可排列10支管
6、，即正六边形可排6层。（4）壳体径 壳体径为 式中：对于三角形排列b=得D=62.5 +288=350.5mm圆整可取D400mm （5）折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体径的25，则切去的圆缺高度为h0.25400100mm，故可取h100 mm。 取折流板间距B0.5D，则B0.3400200mm，可取B为200。 折流板数 NB=传热管长/折流板间距-1=3000/200-1=14(块)折流板圆缺面水平装配。 （6）接管 壳程流体进出口接管：取接管外水蒸汽流速为 u1.0 m/s，则接管径为 查表取壳程流体进出口接管径为100 mm 管程流体进出口接管：取接管甲醇流速 u
7、20 m/s，则接管径为 查表取管程流体进出口接管径200mm（7） 其他设备 拉杆直径为 12，拉杆数不少于4个。3换热器核算 （1）热量核算 壳程对流传热系数 对圆缺形折流板，可采用以下公式 查表得： =0.6843W/()=919.882kg/Pas =2128.8kJ/kg壁温为418.7K，包和水蒸气与壁温只差由以上计算得n=10(取整)代入上式整理得：管对流传热系数为又因为流体被加热n取0.4.管程流通面积管程流体流速及其雷诺数分别为 普兰特准数 传热系数K由已知可得管壁外侧污垢热阻为1/8700 /W管壁热阻 传热面积S该换热器的实际传热面积Sp 按照国家标准换热器G 400 I
8、-2.5-17.3 取其实际传热面积=17.3 该换热器的面积裕度为 传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2） 核算壁温 由于管壁薄，热阻很小，所以计算公式如下：由于冷热流体都是气体热流体的平均温度冷流体的平均温度其中： 带入个数据，则壳体壁温 可以近似取为壳程流体的平均温度，即：壳体壁温与传热壁温只差该温差较小，且换热器壳程流体压力较低，因此，可以选用固定管板式换热器。（3）换热器流体的压力降 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)FtNsNpNs=1, Np=1, Ft=1.4由Re27500，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得i0. W/m， 流速ui20.69m/s，1.09kg/
9、m3，所以 pi（p1+p2）Ft （1224.83+699.91）1.4112694.64Pa （符合设计要求）管程压力降在允许围之。壳程压力降流体流经管束的阻力 其中：F=0.5fo=5.0193.75-0.228=1.5050.451.5051015(2.35850.6082)/2 49.21 Pa流体流过折流板缺口的阻力 pINB（3.5）19（3.5）(2.35850.6082)/225.09Pa总压降：po（p1p2）Fs Ns（49.2125.09）1174.3Pa（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
10、操作压力较低，所以计算得的壳程压力降也比较适宜。 三、主要构件的设计计算及选型1壳体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径Di400 mm。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DN400mm6mm的壳体，则Do400mm，Di388 mm。壳体壁厚 由于所设计的换热器为中低压容器，故可取设计压力为=1.6MPa;查表得许用应力=113MPa考虑到使用年限，取腐蚀裕量=1.0mm0.66 (mm)实际选用板厚名义厚度为n 。n =+ + 式中 根据在4.5到5.5之间 C10.5mm圆整后： n=5.4+0.5+6
11、(mm) 2 垫圈的选择介质法兰公称压力 介质温度 配用压紧面形式选用垫圈名称材料甲醇（蒸汽） 1.6 200平行耐油橡胶石棉耐油橡胶石棉水蒸气 1.6 150平行石棉橡胶垫圈中亚石油橡胶板3 法兰选择接管法兰用板式平焊钢制管法兰各两个 接管法兰各数据参数如下公称通径管外径 连接尺寸 法兰厚度法兰经法兰外 径螺栓孔中心直径 K螺栓孔直径螺栓孔数量螺 纹200219340295221226222250273405355261228276壳体法兰用甲型平焊凹凸形管法兰一个 壳体法兰各参数如下公称直径 法兰/ 螺栓规格数量40053049045544544330204 封头设计材料： 选用椭圆型封头
12、（） 封头参数如下：公称直径曲面高度直边高度表面面积容积400100250.2040.01155 支座的设计估计支座和物料的总质量 选用A型悬挂式支座，部分参数尺寸如下 支座尺寸允许负荷 公称直径安装尺寸2.54005466 管板设计 四、换热器主要结构尺寸和计算结果表 尺寸及结果表 管 程 壳 程 物 性流率 250053.74温度 K 进/出338/393420/420定性温度 365.5420热容 1.344.304密度1.092.3585黏度 导热系数 0.02560.6843雷诺准数27500370设备 结构 参数型式固定管板式台数1壳体径400壳程数1管径管心距32管长3000管子
13、排列正三角排列管数目（根）76折流板个数14管程数4材质碳钢传热面积 17.3折流板距200公称压力 2.5 主要计算结果管程壳程流速 20传热系数2128.8 98.67污垢热阻热负荷 53.74kw平均温差 49.51k总传热系数 75.55裕度 20.56%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重量/kg1壳体（YB231-70）263.17263.172管板246.3992.783壳程接管21.913.824壳程接管法兰2凹3.08/凸4.847.925管程接管22.575.146管程接管法兰2凹4.36/凸5.59.867排气液管20.290
14、.588排气液管法兰22.344.689隔板114.8414.8410封头216.6033.211封头法兰117.8017.8012传热管1004.1641613拉杆2/29.24 / 8.7818.0214定距管L127.6815.09L227.4115折流板192.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法兰117.8017.8018支座213.627.2换热器总重量/kg1018.1（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为： V23.14（0.025/2）22.914104=0.149m3 壳体体积为： V13.14（0.400/2）22.9140.463m3 忽略隔板体积，水充满
15、整个换热器时的总重为： = 1018.1+（0.463-0.149）996.01330.84kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（3）壳体刚度校核已知公式： 和 换热器的受力可简化为如图：AAL 弯矩图为：L=1.790m，=1018.1kg，g=9.81N/kg。校正为1020kg。取A=0.34L=0.341.7900.6086(m)，此时=0.025gL=0.02510209.811.790=705.94Nm抗弯截面模量：=0.0013=705.94/0.0013=0.543MPat=133MPa故此壳体适用。五、设计总结经过两个星期的学习，我们这个团队终于完成了化工原理课程设计。从开
16、始接到这个课题到完成，每走一步对我们来说都是新的尝试与挑战。在这段时间里，我们复习了关于传热方面的知识，同时将以前学习的知识用到了实际的设计之中。期间的感受是完全不同以往的，这时候才感觉的书到用时方恨少，没有学好学透就没资格说读书是无用的。在此特别感谢邢老师的用心指导。一、 数据计算数据的计算是极其繁琐的，好在已经过来了，可知要做好设计非得下一番功夫啊，仔细和耐心也是必须的。 二、 AutoCAD绘图AutoCAD制图是一个很好的软甲，设计者的好帮手。虽然大一的时候我们曾经学过一段时间，但是由于当时的认识不够，以至于不够重视，并没有学好，很后悔啊。但是，最后我们在工具书的帮助下还是勉强完成了本次设计的绘图。三、 完成设计说明书 最后经过团队的仔细的核查，我们完成了此设计说明书。也许并不完善，但是我们真的尽力了！ 最后，再次感谢邢老师在整个设计过程中给予的悉心指导！参考资料:换热器设计手册 化工机械应用基础 过程设备设计 化工设备设计 化工数据导引 化工基本过程与设备 化学工程手册 化工单元过程及操作
