化工设计年产55万吨甲醇精馏车间设计粗甲醇预热器设计2483230.doc

化工设计课程设计化工设计课程设计 年产年产 5555 万吨甲醇精馏车间设万吨甲醇精馏车间设 计计 粗甲醇预热器的设计粗甲醇预热器的设计 学生姓名：学生姓名： 学校：学校： 专业专业班班级级： ：101 学号：学号：10412041 指指导导老老师师： ： 目录目录 1.11.1 设计条件及主要物性参数设计条件及主要物性参数 2 2 1.1.11.1.1 设计条件设计条件2 2 1.1.2.1.1.2.主要物性参数主要物性参数 3 3 1.21.2 工艺设计计算工艺设计计算 3 3 1.2.1.1.2.1.估算传热面积估算传热面积 3 3 1.2.2.1.2.2.换热器工艺结构换热器工艺结构 4 4 1.2.3.1.2.3.壳体内径壳体内径 6 6 1.2.41.2.4 折流板折流板6 6 1.2.5.1.2.5.其它主要附件其它主要附件 7 7 1.2.61.2.6 接管接管7 7 1.31.3 换热器核算换热器核算 7 7 1.3.1.1.3.1.热流量核算热流量核算 7 7 1.3.21.3.2 换热器内流体阻力计算换热器内流体阻力计算 1010 1.41.4 设备设计计算设备设计计算 1111 1.4.11.4.1 筒体及封头壁厚计算筒体及封头壁厚计算1111 1 1 .4.2.4.2 主要附件选型主要附件选型1313 1.4.31.4.3 接管选型及补强接管选型及补强1313 1 1 .4.4.4.4 管板的选型管板的选型1616 1.4.51.4.5 管箱的选型管箱的选型1717 1.4.61.4.6 鞍座的选型鞍座的选型1818 1.51.5 主要结构尺寸及计算结果汇总主要结构尺寸及计算结果汇总 1818 附录：预热器装配图附录：预热器装配图1919 1 1. .1 1 设计条件设计条件及主要物性参数及主要物性参数 1 1.1.1.1.1 设计条设计条件件 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 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 500) 所以 2 (1) 2 o ooTCB u pFf NN 2 0.2280.5 0.8585 20.3 0.5 5 3507.771.1 172(29+1)=28816.7 2 Pa 2 2 (3.5) 2 o iB uB pN D 2 2 0.150.8585 20.3 29 (3.5)14876.4 0.52 Pa 28816.7 14876.443693.150000 s PPaPa 壳程流体阻力在允许范围之内。 1 1.4.4 设备设计计算设备设计计算 1 1.4.1.4.1 筒体及封头壁厚计算筒体及封头壁厚计算 1.筒体壁厚 设计采用内径=500mm，筒体长度=4500mm 的工艺尺寸。其长径比 i D o L =9，材料为 Q345R 钢板，焊接结构采用单面焊无损探伤，所以取焊接系数 o i L D =0.8。设计温度为 150。设计压力，计算压力1.1 11.1pMPa 。1.1 c ppMPa 当钢板厚度在 4.55.5mm 时，钢板负偏差 C1=0.5mm。 由于钢铁对于水蒸气有良好的抗腐蚀性，腐蚀率在 0.1mm/a 以下，且设计 筒体为单面腐蚀，故去腐蚀裕量 C2=2.0mm。 对于本设计是用钢板就卷焊的筒体以内径作为公称直径 DN=500mm。 i D 假设 Q345R 钢的厚度在 316mm 之间，根据GB150固定式容器查得，设 计温度下钢板的许用应力=183MPa。室温强度指标 t =510MPa，=345MPa。 b s 设计壁厚： 2 2 ci d t c p D C p 1.1 500 2 2 183 0.8 1.1 3.89mm 1 3.890.54.39 d Cmm 圆整后得名义厚度=5mm。 n 有效厚度。 12 2.5 en CCmm 2.封头壁厚 设计采用标准椭圆形封头，封头曲面深度mm，直边高度 1 125 4 D h h2=25mm。 设计厚度 2 2 0.5 ci d t c p D C p 1.1 500 2 2 183 0.80.5 1.1 3.88mm 1 3.880.54.38 d Cmm 圆整后得名义厚度=5mm。 n 有效厚度。 12 2.5 en CCmm 3.筒体及封头水压强度校核 试验压力，1.251.25 1.11.38 T ppMPa 有效厚度=2.5mm，强度指标=345MPa， e s 0.90.9 345310.5 s MPa 压力试验时的应力 () 2 Tie T e pD 1.38 (5002.5) 2 2.5 0.8 173.4MPa 因为，所以筒体及封头满足水压试验的强度要求。0.9 Ts 1 1 .4.2.4.2 主要附件选型主要附件选型 1.折流板 本设计折流挡板为有弓形缺口的圆形板，直径为 500mm,厚度为 10mm。缺 口弓形高度为圆形板直径的约 1/4，本设计圆整为 150mm。折流挡板上换热管 孔直径为 25.8mm，共有 172-43=129 个。选择折流挡板间距 B=150mm。折流挡 板数 NB =29 块。 2.拉杆 折流板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有全焊接结 构、拉杆定距管结构、定距螺栓拉杆等。 本设计采用拉杆定距管结构。拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之 间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接。这种形式易 于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热管后，各折流板处于相对自由状态， 是列管换热器最常用的形式。 拉杆直径为 16mm，每个折流挡板上有 4 个。 3.防冲板 防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁所形成的流通面积为 壳程进口接管截面积的倍，实际上接管管径确定后，就是一个防冲板与11.25 壳体内壁的高度 H1 的确定，一般规定接管外径。所以取高度 1 11 () 43 H 70mm。 防冲板直径应大于接管外径 50mm，取 300mm。厚度为 4.5mm。 1 1.4.3.4.3 接管选型及补强接管选型及补强 1.甲醇进料管 甲醇进料流量为，接管内径为 200mm。采用 3 1 0.0269/qms 的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突面密封的2006mmmm 带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN200-2.5 RF Q235-B。 本设计选用=200mm，壁厚=6mm 的接管，由标准查得补强圈尺寸为 i d m 外径 D2=400mm，内径 D1=212mm。 开孔补强计算如下： （1）不计焊缝系数的筒体计算壁厚 1.1 500 15.1 2 2 183 1.1 ci t c p D mm p （2）开孔所需补强的面积 A 开孔直径：22002 (0.52)205 i ddCmm 开孔所需的补强面积： 2 205 15.1309.55Admm （3）有效宽度 B 22 205410Bdmm 外侧有效高度 1 h 1 205 635.07 m hdmm （4）有效补偿面积 123 AeAAA 式中 A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积， 2 mm A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积， 2 mm A3焊缝金属截面积， 2 mm 其中 1 (B-d)()2()(1) emer Af 接管材料选择与筒体相同的材料（Q345R）进行补偿，故=1。 r f 代入上式得 2 1 (410205)(2.5 1.51)202.95Amm 接管计算厚度 1.1 205 0.77 2 2 183 0.8 1.1 c t t c p d mm p 2122 2 ()2() nttrntr AhC fhCC f 1 2 ()0 nttr hC f 2 35.07 (60.772.5) 2 186.57mm 2 3 1 26 636 2 Amm 有效补强面积 2 123 202.95 186.5736425.52AeAAAmm 因为 AeA 所以开孔不需加补强。 2.甲醇出料管 采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突2006mmmm 面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN200-2.5 RF Q235- B。无需补强。 3.水蒸气进料管 水蒸气进料流量为，接管内径为 350mm。采用 3 2 0.858/qms 的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突面密封的3506mmmm 带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN350-2.5 RF Q235-B。 本设计选用=350mm，壁厚=6mm 的接管，由标准查得补强圈尺寸为 i d m 外径 D2=620mm，内径 D1=362mm。 开孔补强计算如下： （1）不计焊缝系数的筒体计算壁厚 1.1 500 15.1 2 2 183 1.1 ci t c p D mm p （2）开孔所需补强的面积 A 开孔直径：23502 (0.52)355 i ddCmm 开孔所需的补强面积： 2 355 15.1536.05Admm （3）有效宽度 B 22 355710Bdmm 外侧有效高度 1 h 1 355 646.15 m hdmm （4）有效补偿面积 123 AeAAA 其中 1 (B-d)()2()(1) emer Af 接管材料选择与筒体相同的材料（Q345R）进行补偿，故=1。 r f 代入上式得 2 1 (710355)(2.5 1.51)351.45Amm 接管计算厚度 1.1 355 1.34 2 2 183 0.8 1.1 c t t c p d mm p 2122 2 ()2() nttrntr AhC fhCC f 1 2 ()0 nttr hC f 2 46.15 (6 1.342.5) 2 199.37mm 2 3 1 26 636 2 Amm 有效补强面积 2 123 351.45 199.3736586.82AeAAAmm 因为 AeA 所以开孔不需加补强。 4.水蒸气出料管 采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突3506mmmm 面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN350-2.5 RF Q235- B。无需补强。 5.排气管 采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突323.5mmmm 面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN25-2.5 RF Q235-B。 无需补强。 6.排污管 采用的低合金无缝钢管，接管长度为 150mm。配用具有突323.5mmmm 面密封的带颈对焊法兰，法兰标记：HG20595-09 法兰 WN25-2.5 RF Q235-B。 无需补强。 1 1 .4.4.4.4 管板的选型管板的选型 1.左管板 （1）管板厚度 选用固定管板兼作法兰形式。管板与壳程圆筒连为整体，期延长部分兼做 法兰，与管箱用螺柱、垫片连接；管板材料选用 16Mn。当设计压力为 1MPa， 壳体内径为 500mm 时，查表得管板的厚度 =34mm。 （2）管板形状： 管板同时起到法兰的作用，密封面为凸面，可以和管箱的法兰(密封面为凹 面)连接。管板直径与管箱法兰的相同，为 700mm。外周均布 24 个 20 螺孔。 （3）管板的开孔 左管板共有 172 个安装换热管的开孔和 4 个拉杆安装孔以及 1 道管程隔板 密封槽。 2.右管板 右管板厚度及形状与左管板一致。有 172 个安装换热管的开孔，但没有拉 杆安装孔及管程隔板密封槽。 1 1.4.5.4.5 管箱的选型管箱的选型 1.左管箱 （1）左管箱短节 左管箱短节为圆柱筒体，内径与壁厚选择与设备壳体相同。左管箱短节连 接甲醇进、出管口。选择左管箱短节的长度为管口接管公称直径的两倍，即 200×2=400mm。选择 Q345R 材料制作。 左管箱短节的标记：筒体 DN500 =5 L=400。 （2）左管箱封头 选择公称直径为 500mm 的标准椭圆封头。壁厚 5mm。材质也是 Q345R。 标记：EHA 500×5-Q345R JB/T 4746-2010。 （3）左管箱隔板 由于管程压强降较小，用公式计算隔板厚度会小于 GB151 规定的隔板最小 厚度（换热器公称直径=600 时，碳钢隔板的最小厚度为 10mm） ，所以直接选 择隔板厚度为 10mm。数量为 1 块隔板。材料为 Q235-B。 （4）左管箱法兰及密封垫片 法兰选择甲型平焊容器法兰，公称直径 500mm，公称压力 2.5MPa，密封面 为凹面(FM)，与凸密封面的左管板连接。外周均布 24 个 20 螺孔，用 M20 双 头螺柱与左管板连接。标记： HG20595-09 法兰 WN500-2.5 FM Q235-B 密封垫片选择甲型平焊容器法兰用非金属软垫片，公称直径 500mm，公称 压力 2.5MPa。 2.右管箱 右管箱封头、法兰及密封垫片与左管箱一致。短节长度为 100mm，标记： 筒体 DN500 =5 L=100。右管箱无隔板。 1 1.4.6.4.6 鞍座的选型鞍座的选型 鞍座分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座 （F）和滑动支座（S） ，在一台容器上 F 型和 S 型总是配对使用。 本设计选用 BI 型双鞍座，其中一个为 F 型，另一个为 S 型。设计高度为 200mm，其承载能力一般不必进行验算。查表得，公称直径在 500900mm 时， 其允许载荷为 155KN，包角为 120 度，筋板数为 2。底板长 460mm，宽 150mm，厚 10mm。筋板长 250mm，宽 120mm，厚 8mm。垫板弧长 590mm， 宽 240mm，厚 6mm。腹部厚 8mm。 鞍座标记为：/4712.1 2007500JB TBIF鞍座 /4712.1 2007500JB TBIS鞍座 换热器总长为 5300mm，换热器管束长=4500mm，一般当 0 L 时，取两鞍座间距。本设计取 0.6。 0 3000Lmm 0 (0.5 0.7) B LL 即两鞍座间距。 0 0.60.6 45002700 B LLmm 1 1.5.5 主要结构尺寸及计算结果汇总主要结构尺寸及计算结果汇总 表 3 换热器主要结构尺寸和计算结果 参数管程壳程 流率/(kg/h)769132652 进/出口温度/oC40/69111.2/111.2 压力/kPa10001000 定性温度/oC54.5111.2 密度/(kg/m3)7930.8585 定压比热容/kj/(kgK)2.654.235 黏度/Pas0.49×10-30.256×10-3 热导率/W/(mK)0.1870.685 物性 普朗特数6.941.58 形式固定管板式台数1 壳体直径/mm500壳程数1 管径/mm25×2.5管心距/mm32 管长/mm45000管子排列 管数目/根172折流板数/个29 传热面积/m260.76 折流板间距 /mm 150 壳体及封头壁厚/mm5拉杆数/个4 左管箱长度/mm400 右管箱长度 /mm 100 设备结构参数 管程数2材质Q345R 碳钢 主要计算结果管程壳程 流速/(m/s)0.99620.3 表面传热系数/W/( m2K)1887.021279.23 污垢热阻/( m2K/W)0.00001760.00014 阻力/kPa13.89443.693 热流量/kW1641.88 传热温差/K55.4 传热系数/W/( m2K)588 裕度/%20.6 附录：预热器装配图附录：预热器装配图 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 15 14 13 12 11 4 172 116 1 48 2 1 24 1 29 31.2 1432 144 24.5 0.03 0.17 886 710.5 1.44 4.08 2.5 L=4380 Q345R 20 Kg B01-111R-00 DN500 5300 ¦ Õ16 M20 ¦ Õ212 6 M20130 G6-500 3890Kg a b d e f 25PN 25D N200HG20595-09 PN 25D N350HG20595-09 PN 25D N25HG20595-09 PN 25D N350HG20595-09 /MPa /MPa ¦ Õ 1 1.1 0.8 /mm 150 150 2 1.GB150-2011 2.E5016 3.JB/Z105-73, D 4.GB3325-87 5. 6.1.38MPa1.4MPa 7. 8. 9. 10.28 460 5 5 20 c PN 25D N200HG20595-09 16Mn GB/T8163 20 1 2 3 4 5678910 11121314 15 1617 18 1920 2223 2425 27282930 5 1 2 3 50° 120° ¦ Õ16 ¦ Õ25 2.5 M16 18 24 28 10 12 6 ¦ Õ25 2.5 1 30° 3 2 45° 2 2 12 3 50° 36363 3 3 2 3 4 13 30° 10 60° 1000 360 150 75 40 24 2¦Õ24 M20 150 ¦ Õ212 6 500 400 ¦ Õ212 6 2700 ¦ Õ362 6 ¦ Õ32 3.5 ¦ Õ32 3.5 ¦ Õ362 6 150 6 5 230 230 5300 abc d e f d e f a b c F S 25 25 25 25 25 PN 25D N25HG20595-09 RF RF RF RF RF RF HG20595-09 WN200-2.5 RFQ235-B5.84 11.7 JB/T4746-10 265130D N500 5Q345R L=150 HG20595-09DN500=5 21 1 80Q345RL=400 2 1 2.5 ¦ Õ212 6 HG20595-09 WN200-2.5 RFQ235-B L=150 2 145 290 =34HY05-ALNQ50016Mn JB/T4707-00 GB/T6107 JB/T4720-92 16Mn 2 1 4.5 ¦ Õ362 6 HG20595-09 WN350-2.5 RFQ235-B714 L=150 1 0.86 =4.5HY05-ALNQ50016Mn DN500 =5 HY05-ALNQ500 =10 ¦ Õ25 2.5 20 20 Q235-B 1.24 GB/T8163¦ Õ25 2.58.32 HY05-ALNQ500Q235-B 7.80 2 1 0.43 20¦ Õ32 3.5 HG20595-09 WN25-2.5 RFQ235-B0.73 1.46 L=150 5.84 11.7 GB/T8163 L=4500 HG20595-09DN500=5120Q345RL=100 2 10.4320¦ Õ32 3.5 HG20595-09 WN25-2.5 RFQ235-B0.73 1.46 L=150 GB/T8163 26 27 28 29 26 30 48 24 1 0.03 0.17 1.44 4.08 M20 M20130 G6-500 16Mn JB/T4707-00 GB/T6107 JB/T4720-92 16Mn 2 1 4.5 ¦ Õ362 6 HG20595-09 WN350-2.5 RFQ235-B714 L=150 20 JB/T4712-07 GB/T8163 GB/T8163 GB/T8163 GB/T8163 1 40 DN500-BIM Q345R JB/T4712-071 40 DN500-BIM Q345R