化工設(shè)計(jì)-粗甲醇預(yù)熱器設(shè)計(jì)

化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)粗甲醇預(yù)熱器的設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：斗吾101學(xué)號(hào)：10412041指導(dǎo)老師：章田見(jiàn)時(shí)間：2013.10.14目錄1.1設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù) 31.1.1設(shè)計(jì)條件 31.1.2.主要物性參數(shù) 31.2工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 41.2.1.估算傳熱面積 41.2.2.換熱器工藝結(jié)構(gòu) 51.2.3.殼體內(nèi)徑 61.2.4折流板 71.2.5.其它主要附件 71.2.6接管 71.3換熱器核算 81.3.1.熱流量核算 81.3.2換熱器內(nèi)流體阻力計(jì)算 1.4設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算 1.4.1筒體及封頭壁厚計(jì)算 1.4.2主要附件選型 1.4.3接管選型及補(bǔ)強(qiáng) 1.4.4管板的選型 1.4.5管箱的選型 1.4.6鞍座的選型 1.5主要結(jié)構(gòu)尺寸及計(jì)算結(jié)果匯總 附錄：預(yù)熱器裝配圖 1.1設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)1.1.1設(shè)計(jì)條件1.設(shè)計(jì)任務(wù)粗甲醇原料預(yù)熱器設(shè)計(jì)，對(duì)冷物流粗甲醇(甲醇90%)進(jìn)行預(yù)熱(由40℃加熱至69℃),年需量60.9萬(wàn)噸/年，壓力為0.15MPa,要求管程和殼程壓差均小于50kpa,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)式列管換熱器。2.選擇換熱器類型流體溫度的變化情況：混合流體進(jìn)口溫度為40℃,出口溫度為69℃,壓力為0.15MPa,查表得對(duì)應(yīng)飽和蒸汽溫度為111.2℃。出口溫度不變，但發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化為水。由于管程和殼程壓差均小于50KPa,且進(jìn)出口溫度變化不大。因此，選用固定管板式換熱器。3.流程安排因?yàn)轱柡驼羝容^清凈，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速無(wú)關(guān)且冷凝液容易排出。所以甲醇走管程，水蒸氣走殼程。1.1.2.主要物性參數(shù)1.定性溫度對(duì)于一般氣體和水等低粘度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。查表得甲醇黏度都很低，故管程液體的定性溫度為2.各組分物性參數(shù)根據(jù)定性溫度分別查到管程和殼程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)。如下表表1水蒸氣在111.2℃下的物性參數(shù)定壓比熱容C。4.235kJ·kg1-k焓△H熱導(dǎo)率λ黏度n表2甲醇在54.5℃下的物性參數(shù)定壓比熱容C,熱導(dǎo)率λ1.2工藝設(shè)計(jì)計(jì)算1.2.1.估算傳熱面積1.換熱器的熱流量在熱損失可以忽略不計(jì)的條件下，對(duì)于無(wú)相變的物流，換熱器的熱流量由下φ=D?r2.平均傳熱溫差由于在相同德流體進(jìn)出口溫度下，逆流流型具有較大的傳熱溫差，所以在工程上，若無(wú)特殊需要，均采用逆流。故本次設(shè)計(jì)采用逆流方式。3.估算傳熱面積,假設(shè)K=600W/(m2·k)所以1.2.2.換熱器工藝結(jié)構(gòu)1.管徑及管內(nèi)流速若選擇較小的管徑，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以提高，而且對(duì)于同樣的傳熱面積來(lái)說(shuō)可以減小殼體直徑。但管徑小，流動(dòng)阻力大，清洗困難，設(shè)計(jì)可根據(jù)具體情況用適宜的管徑。管內(nèi)流速的大小對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及壓力降的影響較大，一般要求所選的流速應(yīng)使流體處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，即雷諾指數(shù)大于10000,對(duì)于傳熱熱阻較大的流體后易結(jié)垢流體應(yīng)選取較大的流速。另外還要考慮在所選的流速下，換熱器應(yīng)有適當(dāng)?shù)墓荛L(zhǎng)和管程數(shù)，并保證不會(huì)由于流體的動(dòng)力沖擊導(dǎo)致管子強(qiáng)烈振動(dòng)而損壞綜上考慮，選用φ=25×2.5mm無(wú)縫鋼管(20號(hào)鋼),選取管內(nèi)流速u=1m/s。2.確定管長(zhǎng)、管程數(shù)和總管數(shù)選定管徑和管內(nèi)流速后，可以下式確定換熱器的單程傳熱管數(shù)。單程傳熱管長(zhǎng)度：如果按單程計(jì)算的傳熱管長(zhǎng)度太長(zhǎng)，則應(yīng)采用多管程。確定了每程傳熱管長(zhǎng)度之后，即可求管程數(shù)。取每程傳熱管長(zhǎng)度1=4.5m則管程數(shù)換熱器的總傳熱管數(shù)為N?=N●n=2×86=172(根)3.平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)選用多管程換熱器損失部分傳熱溫差，這種情況下的平均傳熱溫差由熱器的殼程數(shù)及管程數(shù)有關(guān)。其中對(duì)單側(cè)溫度變化流體，逆流的平均傳熱溫差相等。即ex=1,殼程數(shù)為1Am=E△1=1×55.4=55.4℃4.傳熱管排列傳熱管在管板上的排列有三種基本形式，即正方形、正四邊形和同心圓排列。傳熱管的排列應(yīng)使其在整個(gè)管板上均勻而緊湊地分布，同時(shí)還有考慮流體性面積上課排較多的傳熱管，而且管外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。但正三角形排列時(shí)管外機(jī)械清洗較為困難，而且管外流體的流動(dòng)阻力也較大。正方形排列在同樣的管板面積上可配置的傳熱管最少，但管外易于進(jìn)行機(jī)械清洗，所以當(dāng)傳熱管外壁需要機(jī)械清洗時(shí)，常采用這種排列方法。同心圓排列方式的優(yōu)點(diǎn)在于靠近殼體的地方管子分布較為均勻，在殼體直徑很小的換熱器中可排列的傳熱管數(shù)比正三由于殼外是清潔的飽和蒸汽，所以采用正三角形排列。5.管心距管板上兩傳熱管中心距離稱為管心距。管心距的大小主要與傳熱管和管板的連接方式有關(guān)，此外還要考慮到管板強(qiáng)度和清洗外管面所需的空間。傳熱管和管板的鏈接方式有脹接和焊接兩種，當(dāng)采用脹接法，采用過(guò)小的管焊接時(shí)，取t=1.25d?=0.0175。本次設(shè)計(jì)選取焊接法。一排管中心距離可用下式計(jì)算時(shí),取管心距t=1.25d?=1.25×25=31.25≈32mm6.管束的分程方法采用多管程，則需要在管箱中安裝分程隔板。分程時(shí)，應(yīng)使各程管字?jǐn)?shù)目大管束分程方法常采用平行法。多管程換熱器殼體的內(nèi)徑與傳熱管數(shù)、管心距和管程數(shù)有關(guān)：其中n為管板利用率，取n=0.8則殼體內(nèi)徑整圓可取500mm1.2.4折流板列管式換熱器的殼程流體流通面積比管程流通面積大，為增大殼程流體的流速，加強(qiáng)湍流程度，提高其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需設(shè)置折流板。折流板有橫向折流板和縱向折流板兩大類，其形式有弓形折流板和圓盤-圓環(huán)形折流板。弓形折流板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，在實(shí)際中最常用。弓形折流板的圓缺面可以水平或垂直裝配。水平裝配可造成流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，傳熱效果好。綜上，本設(shè)計(jì)采用橫向弓形折流板，水平裝配。折流板間距B=0.3D=0.3×500=150mm1.2.5.其它主要附件1.旁路擋板在換熱器殼程，由于管束邊緣和分程部位都不能排滿換熱管，所以在這些部位形成旁路。為防止殼程物料從這些旁路大量短路，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置旁路擋板來(lái)增大旁路的阻力，迫使物料通過(guò)管束進(jìn)行換熱。旁路擋板可用鋼板或扁鋼制成。當(dāng)換熱器直徑小于1000mm時(shí)，可將旁路擋板分段焊在折流板之間，每塊擋板的長(zhǎng)度等于兩塊折流板間的間距。2.防沖板為了防止殼程物料進(jìn)口處流體對(duì)換熱管表面的直接沖刷，引起侵蝕及振動(dòng)，應(yīng)在流體入口處裝置防沖板，以保護(hù)換熱管。對(duì)于殼體內(nèi)徑大于325mm時(shí)的折流板左、右缺口和殼體內(nèi)徑小于600mm時(shí)的折流板上、下缺口的換熱器，常將防沖板焊于殼體上。由于本次設(shè)計(jì)的殼體內(nèi)徑為500mm,所以選用此方法。則接管內(nèi)徑,圓整后取管內(nèi)徑為200mm殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)流體流速u?=10m/s,則接管內(nèi)徑,圓整后取接管內(nèi)徑為350mm。1.3換熱器核算1.殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)當(dāng)量直徑由正三角形排列得殼程流通截面積殼程流體流普朗特?cái)?shù)粘度校正2.管程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)管程流體流通截面積：所以3.污垢熱阻和管壁熱阻管壁熱阻取決于傳熱管壁厚的材料，其值為其中b為傳熱管壁厚，取0.0025m;λ.為管壁熱導(dǎo)率，查表得碳鋼在55.4℃下的熱導(dǎo)率λ=50.41w/m-k管外側(cè)污垢熱阻R?=0.14×10~3m2·k/w管內(nèi)側(cè)污垢熱阻R=0.176×10~3m2·k/w所以4.傳熱系數(shù)5.換熱器面積裕度m2A=πd?IN?=π×0.025×4.5×172=60.76m21.3.2換熱器內(nèi)流體阻力計(jì)算1.管程阻力由Rei=32237.88,傳熱管相對(duì)粗糙度,查莫狄圖得λ;=0.039,流速u=0.996m/sp=793kg/m3,s為局部資料系數(shù)，取3.△P,=(3451.5+1180.0)×1×2×1.5=138894.5Pa<50000Pa管程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。2.殼程阻力當(dāng)殼程裝有弓形折流板時(shí)，計(jì)算阻力的方法較多。在工程中常用埃索法。其中流體流過(guò)折流板缺口的阻力管子排列形式對(duì)阻力的影響△P=28816.7+14876.4=43693.1Pa<50000Pa殼程流體阻力在允許范圍之內(nèi)。1.4設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算1.4.1筒體及封頭壁厚計(jì)算1.筒體壁厚設(shè)計(jì)采用內(nèi)徑D=500mm,筒體長(zhǎng)度L,=4500mm的工藝尺寸。其長(zhǎng)徑比當(dāng)鋼板厚度在4.5~5.5mm時(shí)，鋼板負(fù)偏差C1=0.5mm。由于鋼鐵對(duì)于水蒸氣有良好的抗腐蝕性，腐蝕率在0.1mm/a以下，且設(shè)計(jì)筒體為單面腐蝕，故去腐蝕裕量C2=2.0mm。對(duì)于本設(shè)計(jì)是用鋼板就卷焊的筒體以內(nèi)徑作為公稱直徑DN=D,=500mm。假設(shè)Q345R鋼的厚度在3~16mm之間，根據(jù)《GB150—固定式容器》查得，設(shè)計(jì)溫度下鋼板的許用應(yīng)力[o]'=183MPa。室溫強(qiáng)度指標(biāo)σ,=510MPa,σ,=345MPa。δ+C?=3.89+0.5=4.39mm圓整后得名義厚度δ=5mm。有效厚度δ=δ,-C?-C?=2.5mm。2.封頭壁厚直邊高度設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭曲面深度直邊高度δ?+C?=3.88+0.5=4.38mm圓整后得名義厚度δ=5mm。有效厚度δ=δ-C?-C?=2.5mm。3.筒體及封頭水壓強(qiáng)度校核試驗(yàn)壓力pr=1.25p=1.25×1.1=1.38MPa,有效厚度δ=2.5mm,強(qiáng)度指標(biāo)σ,=345MPa1.4.2主要附件選型1.折流板本設(shè)計(jì)折流擋板為有弓形缺口的圓形板，直徑為500mm,厚度為10mm。缺口弓形高度為圓形板直徑的約1/4,本設(shè)計(jì)圓整為150mm。折流擋板上換熱管孔直徑為25.8mm,共有172-43=129個(gè)。選擇折流擋板間距B=150mm。折流擋板2.拉桿折流板一般采用拉桿與定距管等元件與管板固定，其固定形式有全焊接結(jié)構(gòu)、拉桿定距管結(jié)構(gòu)、定距螺栓拉桿等。本設(shè)計(jì)采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)。拉桿一端用螺紋擰入管板，每?jī)蓧K折流板之間的間距用定距管固定，每根拉桿上最后一塊折流板與拉桿焊接。這種形式易于調(diào)節(jié)折流板之間夾緊程度，在穿進(jìn)換熱管后，各折流板處于相對(duì)自由狀態(tài)，是列管拉桿直徑為16mm,每個(gè)折流擋板上有4個(gè)。3.防沖板防沖板在殼體內(nèi)的位置，應(yīng)使防沖板周邊與殼體內(nèi)壁所形成的流通面積為殼程進(jìn)口接管截面積的1～1.25倍，實(shí)際上接管管徑確定后，就是一個(gè)防沖板與殼體內(nèi)壁的高度H1的確定，一般規(guī)定接管外徑。所以取高度70mm。防沖板直徑應(yīng)大于接管外徑50mm,取300mm。厚度為4.5mm。1.4.3接管選型及補(bǔ)強(qiáng)1.甲醇進(jìn)料管甲醇進(jìn)料流量為q?=0.0269m2/s,接管內(nèi)徑為200mm。采用φ=200mm×6mm的低合金無(wú)縫鋼管，接管長(zhǎng)度為150mm。配用具有突面密封的帶頸對(duì)焊法蘭，法(1)不計(jì)焊縫系數(shù)的筒體計(jì)算壁厚(2)開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)的面積A(3)有效寬度BB=2d=2×205=410mm外側(cè)有效高度h(4)有效補(bǔ)償面積Ae=A?+A?+A?其中A?=(B-d)(δ.-δ)-2δ,(δ,-δ)(1-f,)接管材料選擇與筒體相同的材料(Q345R)進(jìn)行補(bǔ)償，故f,=1。代入上式得A?=(410-205)(2.5-1.51)=202.95mm2A?=2h(δ-δ,-C)f,+2h?(δ-C?-C)f,=2h(δ-δ,-C)f,+0有效補(bǔ)強(qiáng)面積Ae=A+A?+A?=202.95+186.57+36=425.52mm2因?yàn)锳e>A所以開(kāi)孔不需加補(bǔ)強(qiáng)。2.甲醇出料管采用φ=200mm×6mm的低合金無(wú)縫鋼管，接管長(zhǎng)度為150mm。配用具有突3.水蒸氣進(jìn)料管φ=350mm×6mm的低合金無(wú)縫鋼管，接管長(zhǎng)度為150mm。配用具有突面密封的本設(shè)計(jì)選用d,=350mm,壁厚δ=6mm的接管，由標(biāo)準(zhǔn)查得補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸為外(1)不計(jì)焊縫系數(shù)的筒體計(jì)算壁厚(2)開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)的面積A(3)有效寬度BB=2d=2×355=710mm外側(cè)有效高度h(4)有效補(bǔ)償面積Ae=A?+A?+A?其中A=(B-d)(δ,-δ)-2δ,(δ.-δ)(1-f,)代入上式得A?=(710-355)(2.5-1.51)=351.45mm2A?=2h(δ-δ,-C)f,+2h?(δ-C?-C)f,=2h(δ-δ,-C)f,+0有效補(bǔ)強(qiáng)面積Ae=A+A?+A?=351.45+199.37+36=586.82mm2因?yàn)锳e>A所以開(kāi)孔不需加補(bǔ)強(qiáng)。4.水蒸氣出料管采用φ=350mm×6mm的低合金無(wú)縫鋼管，接管長(zhǎng)度為150mm。配用具有突5.排氣管采用φ=32mm×3.5mm的低合金無(wú)縫鋼管，接管長(zhǎng)度為150mm。配用具有突6.排污管采用φ=32mm×3.5mm的低合金無(wú)縫鋼管，接管長(zhǎng)度為150mm。配用具有突1.4.4管板的選型(1)管板厚度選用固定管板兼作法蘭形式。管板與殼程圓筒連為整體，期延長(zhǎng)部分兼做法蘭，與管箱用螺柱、墊片連接；管板材料選用16Mn。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力為1MPa,殼體內(nèi)徑為500mm時(shí)，查表得管板的厚度δ=34mm。(2)管板形狀：連接。管板直徑與管箱法蘭的相同，為700mm。外周均布24個(gè)①20螺孔。(3)管板的開(kāi)孔左管板共有172個(gè)安裝換熱管的開(kāi)孔和4個(gè)拉桿安裝孔以及1道管程隔板密2.右管板右管板厚度及形狀與左管板一致。有172個(gè)安裝換熱管的開(kāi)孔，但沒(méi)有拉桿1.4.5管箱的選型(1)左管箱短節(jié)左管箱短節(jié)為圓柱筒體，內(nèi)徑與壁厚選擇與設(shè)備殼體相同。左管箱短節(jié)連接甲醇進(jìn)、出管口。選擇左管箱短節(jié)的長(zhǎng)度為管口接管公稱直徑的兩倍，即(2)左管箱封頭選擇公稱直徑為500mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。壁厚5mm。材質(zhì)也是Q345R。標(biāo)(3)左管箱隔板由于管程壓強(qiáng)降較小，用公式計(jì)算隔板厚度會(huì)小于GB151規(guī)定的隔板最小厚度(換熱器公稱直徑<=600時(shí)，碳鋼隔板的最小厚度為10mm),所以直接選擇隔板厚度為10mm。數(shù)量為1塊隔板。材料為Q235-B。(4)左管箱法蘭及密封墊片法蘭選擇甲型平焊容器法蘭，公稱直徑500mm,公稱壓力2.5MPa,密封面為凹面(FM),與凸密封面的左管板連接。外周均布24個(gè)①20螺孔，用M20雙頭螺柱與左管板連接。標(biāo)記：HG20595-09法蘭WN500-2.5FMQ235-B密封墊片選擇甲型平焊容器法蘭用非金屬軟墊片，公稱直徑500mm,公稱壓2.右管箱右管箱封頭、法蘭及密封墊片與左管箱一致。短節(jié)長(zhǎng)度為100mm,標(biāo)記：筒1.4.6鞍座的選型鞍座分為輕型(A)和重