1、论文年处理量为1.8万吨的甲醇加热器设计 申 请 人：王晓磊 学科（专业）：化学工程与工艺 指 导 教 师：韩小龙 2016年3月网络教育学院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书专业班级 层次 姓名 王晓磊 学号 3004 一、毕业设计（论文）题目： 年处理量为1.8万吨的甲醇加热器设计 二、毕业设计（论文）工作自2015年11月27日起至2016年3月26日止三、毕业设计（论文）基本要求：某厂每年有1.8万吨甲醇需要由热流体（水蒸气）加热到一定的温度，本设计要求是利用热流体（水蒸汽）给甲醇蒸汽加热，用420K的饱和水蒸汽加热甲醇燃料气，甲醇年处理量为1.8万吨（每年按300天，每天24小时
2、连续运行），甲醇由338K上升到393K。两侧污垢热阻为1/8700 m，热损失5%，初设K=58.2。利用热传递过程中对流传热原则，设计换热器，以供生产需要。设计要求：1.简单阐述加热器的种类、各自的优缺点简等。2.进行方案设计，包括：确定设计方案，确定物性数据，计算总传热系数，计算传热面积，工艺结构尺寸，换热器核算，设计结果一览表以及对整个设计的评述或设计总结等。 指导教师： 韩小龙网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：王晓磊同学针对加热器查阅了大量文献，独立设计了年处理量为1.8万吨的甲醇加热器。该生整个毕业论文期间都表现积极，对自己要求严格，态度非常认真，论文书写规范、结
3、构合理、结论正确，在规定的期限内完成了毕业论文中所规定的任务。同意答辩。建议成绩： 指导教师签名： 2016年 月 日答辩小组意见：该同学针对加热器查阅了大量文献，独立设计了甲醇加热器。论文书写规范、态度认真、结构合理、结论正确。经小组讨论，一致同意答辩通过。负责人签名 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）答辩委员会意见：同意通过！ 负责人签名： 年 月 日论文题目：年处理量为1.8万吨的甲醇加热器设计学科（专业）：化学工程与工艺申请人：王晓磊指导教师：韩小龙 摘 要论文设计一列管式换热器，用热流体（水蒸汽）给甲醇蒸汽加热，用420K的饱和水蒸汽加热甲醇燃料气，甲醇年处理量为1.8万吨（每
4、年按300天，每天24小时连续运行），甲醇由338K上升到393K。列管式换热器在生产中因结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大而被广泛利用，在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。文章所设计的换热器为公称直径400mm，公称压强2.5MP，总管数98根；设备总重为1018kg的单管程列管式换热器。经过计算，本换热器满足设计要求，能达到处理能力。内容一般包括：从事这项研究工作的目的和意义；完成的工作（作者独立进行的研究工作的概括性叙述）；获得的主要结论或提出的主要观点（这是摘要的中心内容）。学位论文摘要应突出论文的新见解。关 键 词：列管式换热器；甲醇蒸汽；热流体水蒸气；
5、论文类型：应用研究目 录1 绪论11.1 选题的理论意义与实际意义11.2 国内换热器研究现状12 方案设计22.1 确定设计方案22.2 确定物性数据22.3 计算总传热系数32.4 计算传热面积32.5 工艺结构尺寸32.6 换热器核算53 主要构件的设计计算及选型93.1 壳体93.1.1 壳体直径93.1.2 壳体壁厚93.1.3 水压校核93.1.4 壳体质量93.2 管板93.2.1 管板参数93.2.2 管板与壳体的连接103.2.3 管子在管板上的固定方式103.3 拉杆103.4 分程隔板113.5 折流板113.5.1 折流板选型113.6 封头及管箱123.6.1 封头1
6、23.6.2 管箱123.6.3 封头法兰及管箱法兰124 附属件的计算及选型134.1 接管及其法兰134.2 排气、排液管134.3 支座设计144.3.1 支座的设计选型144.3.2 支座承载能力校核145 设计计算结果汇总表176 设计总结20致谢21参考文献22附件：23见即可）：Equation Chapter (Next) Section 11 绪论1.1 选题的理论意义与实际意义列管式换热器是一种结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广的换热器。因此在石油、化工生产中，尤其是高温高压等大型换热器的主要结构形式分类，在化工、石油炼制等工业生产中，换热器被广泛使用。随着化工、炼
7、油的迅速发展，各种新型换热器不断些传统的换热器的结构也在不断改进、更新。管式换热器也是固定管板式换热器中的一种，如其中的浮头式换热器，U型管式换热器等。列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。列管式换热器单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。某厂每年有1.8万吨甲醇需要由热流体（水蒸气）加热到一定的温度，本设计任务就是利用热流体（水蒸汽）给甲醇蒸汽加热，用420K的饱和水蒸汽加热甲醇燃料气，甲醇年处理量为1.8万吨（每年按300天，每天24小时连续运行），甲醇由338K上升到39
8、3K。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。1.2 国内换热器研究现状选择换热器时,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。综上所述，本设计利用热流体（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
9、生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.2 方案设计用420K的饱和水蒸汽加热甲醇燃料气，甲醇处理量每年1.8万吨，即为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=58.22.1 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
10、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252.5的碳钢管，取管内流速取ui=20m/。 2.2 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。 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 i=1.09kg/m3定压比热容
11、cpi=1.34kJ/(kg)导热系数 i=0.0256 W/(m)粘度 i=0. Pas2.3 计算总传热系数（1）热流量Wi=2500kg/hQi=Wicpiti=25001.34(393-338)=184250 kJ/h=51.18 kW (2-1)Qi=51.181.05=53.74KW（2）平均传热温差 (2-2)（3）水蒸汽流量 (2-3)（4）总传热系数K 由于壳程较大，K可取较大值，令初设值为58.2KW/ m2 K2.4 计算传热面积 (2-4)考虑 15的面积裕度，S=1.15S=1.1518.65=21.45m22.5 工艺结构尺寸 （1）管径和管内流速 选用252.5传
12、热管(碳钢)，取管内流速ui=20m/s（2）传热管数 依据传热管内径和流速确定单程传热管数 (2-5)根据列管式换热器传统标准选用Nt=98根.（3）计算管长及管程数。所需单程长度 (2-6)根据传统换热器管长可取3米单程换热器（4）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数 (2-7)按单壳程温差校正系数应查有关图表。可得。平均传热温差 (2-8)（5）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=1.25 d0，则 t=1.2525=31.2532(mm)横过管束中心线的管数 (2-9)得到各程之间可排列10支管，即正六边形可排6层。则实际排管数设为10
13、2根，其中4根拉杆，则实际换热器为98根（6）壳体内径 壳体内径为：对于三角形排列b=得D=378mm圆整可取D400mm （7）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。 （8）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，则接管内径为 (2-10)查表取壳程流体进出口接管内径为100 mm 管程流体进出口接管：取接管内
14、甲醇流速 u20 m/s，则接管内径为 (2-11)查表取管程流体进出口接管内径200mm查表得到符合国家标准的换热器G 400 I-2.5-17.3公称直径： 400mm公称压强： 2.5MP总管数： =98根；管间距： t=32mm管子规格尺寸： 管子排列方式： 正三角形排列传热面积： 17.3 管程数： N=1每管程的流通面积：=0.03082.6 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 (2-12)查表得：=0.6843W/()=919.882kg/Pas=2128.8kJ/kg0壁温为418.7K由以上计算得n=10(取整)代入上式整理得： (2
15、-13) =2705.68W/管内对流传热系数为又因为 (2-14)流体被加热n取0.4。管程流通面积： (2-15)管程流体流速及其雷诺数分别为： (2-16)普兰特准数： (2-17) (2-18)传热系数K由已知可得管壁内外侧污垢热阻为1/8700 /W管壁热阻 (2-19) = /W (2-20)传热面积S： (2-21)该换热器的实际传热面积Sp： (2-22)按照国家标准换热器G 400 I-2.5-17.3 取其实际传热面积=17.3 该换热器的面积裕度为： (2-23)传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。 （2）换热器内流体的压力降 管程流动阻力 Pi=(P1+P2)F
16、tNsNp (2-24)Ns=1, Np=1, Ft=1.4 (2-25)由Re27500，传热管相对粗糙度 ，查莫狄图得i0.035 W/m。 (2-26)流速ui20.69m/s，1.09kg/m3，所以： (2-27) (2-28)pi（p1+p2）Ft （1224.83+699.91）1.411 (2-29)2694.64Pa （符合设计要求）管程压力降在允许范围之内。壳程压力降： (2-30)流体流经管束的阻力： (2-31)其中：F=0.5fo=5.0193.75-0.228=1.505 (2-32) (2-33) (2-34)0.451.5051015(2.35850.6082)
17、/2 49.21 Pa (2-35)流体流过折流板缺口的阻力：pINB（3.5） (2-36)19（3.5）(2.35850.6082)/225.09Pa总压降：po（p1p2）Fs Ns (2-37)（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操作压力较低，所以计算得的壳程压力降也比较适宜。 3 主要构件的设计计算及选型3.1 壳体3.1.1 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内径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
18、时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN450mm8mm的壳体，则Do466mm，Di450 mm。3.1.2 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) (3-1)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(mm) 3.1.3 水压校核由过程设备设计P193，公式（4-88），（4-89），得： (3-2)18.15 MPa而0.9s=0.90.9235=190.35MPa因为0.9s，所以水压试验时强度足够
19、。3.1.4 壳体质量壳体长度=3m质量=785033.14（0.420.3942）/4 (3-3) =88.07kg注：个别数据来源于后续步骤。详见附图。3.2管板3.2.1 管板参数根据壳体内径尺寸，查阅换热器设计手册P161，表1-6-9 管板尺寸表，由于没有适合本次设计的标准管板，根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表： 表3-1 管板参数（管板按非标准设计）参数名称参数值管板直径Da/mm450管板外径D/mm565管板厚度ba/mm38螺栓孔直径d2/mm18螺栓规格M1680螺栓数量n2/个12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔间距D1/mm530管板法兰直径Df /mm
20、565管板螺栓内侧边间距D4/mm487管孔直径d1/mm19管孔数/个100换热管外伸长度/mm5管板体积/m30.00591管板质量/kg46.39注：管板体积 (3-4)=0.00591 (3-5)单块管板质量：m=0.00591785046.39kg3.2.2 管板与壳体的连接 管板兼作法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰连接。3.2.3 管子在管板上的固定方式采用焊接法在管板上固定管子。根据换热器设计手册P172，表1-6-20，管子伸出长度约为5mm。3.3 拉杆本换热器壳体内径为450mm，查阅化工单元过程及设备课程设计P135，表4-7和表4-8得：拉杆螺纹公
21、称直径：=16mm拉杆长：L1=2.930m L2=2.780m前螺纹长La=20mm后螺纹长Lb=60mm拉杆数：4根拉杆质量：m=7850（22.930+22.780）3.140.0162/4=18.02 kg (3-6) 图3-1 拉杆外套拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=2.77 m，L2=2.67m。粗略计算定距管质量m=7850（22.77+22.67）3.14(0.02520.022)/4=15.09 kg (3-7)3.4 分程隔板查阅化工单元过程及设备课程设计P127，表4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=450mm600 ，对于碳钢，得隔板厚度为：b10m
22、m 。分程隔板长L=260+25+112+5+3210=424mm，其中10mm为管箱嵌入法兰深度，5mm为隔板嵌入管板深度。分程隔板质量以长方体板粗略估计：m=0.4500.4240.0107850=14.84kg3.5 折流板3.5.1 折流板选型本次设计的冷却器采用弓形折流板。如右图所示。前面第四章第四节已算出：折流板数 NB=19 块圆缺高度 h110 mm板间距 B150mm 图 3-2 折流板查阅换热器设计手册P182，表1-6-26和表1-6-33，得：折流板直径 Da(4503.50.5)mm=446mm折流板厚度 C5 mm。折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径
23、=19+0.4=19.4mm查换热器设计手册P184 公式计算：圆缺部分面积：=0.20738=0.207380.44620.0413 (3-8)折流板体积 C (3-9)=0.005=0.000316折流板质量：m=190.0003167850=47.13 kg (3-10)3.6 封头及管箱3.6.1 封头查阅材料与零部件P332，表2-1-9，本换热器采用椭圆型封头(JB115473)两个，材料采用高合金钢，公称直径Dg450mm（以外径为公称直径），曲面高度h1112mm，直边高度h225mm，厚度8mm,重量=16.6kg。一个焊接于管箱，一个焊接于法兰。3.6.2 管箱管箱长L=2
24、60mm，管箱外径=450mm（按非标准设计），壁厚=8mm管箱质量：m=3.140.4500.2600.0087850=23.07 kg。3.6.3 封头法兰及管箱法兰查阅材料与零部件（上）P386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力1.01.6MPa范围内，选取的法兰参数为D=565mm，公称直径=450mm，孔间距D1=510mm，D2=482mm。孔直径25mm，厚度b=32mm，法兰重量=17.80kg。所用螺栓规格M2290mm，螺栓数目：12。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。4 附属件的计算及选型4.1 接管及其法兰根据流体力学与传热P
25、207，接管直径公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.21.4倍。壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为ui= 0.51m/s，则接管内径为=0.12 m (4-1)取标准管径为125 mm查表材料与零部件（上）P655表 2-8-1，取管的外径133mm，管厚4mm，伸出高度150mm。接管质量=3.140.1290.0040.157850=1.91kg (4-2)进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅材料与零部件P380，表2-2-19，取法兰直径235 mm，厚度b=10mm，螺栓孔间距D1200mm，D2=178mm，孔直径18mm。法兰重量：凹法兰1.54kg，
26、凸法兰=2.42kg，螺栓规格：M16，螺栓数量为4。由于iui2=996.00.512=259.062200 kg/(ms2)，故不需防冲板。管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 10 m/s，则接管内径为=0.142 m (4-3)取标准管径为 150 mm查表材料与零部件P132无缝钢管（YB231-70），取管的外径159mm，管厚4.5mm ，查阅材料与零部件（上P655表 2-8-1，伸出高度150mm。接管质量=3.140.15450.00450.157850=2.57kg (4-4)进气口采用凹法兰，出气口采用凸法兰。查阅材料与零件P380，表2-2-19，法兰的直
27、径260mm，厚度b=12mm，螺栓孔间距D1225mm，D2=202mm，孔直径18mm。法兰重量：凹法兰2.18kg，凸法兰=2.75kg，螺栓规格：M16，数量为8。4.2 排气、排液管查表材料与零部件P123无缝钢管（YB231-70），取排气液管：外径45mm，管厚3.5mm，伸出高度80mm。质量=78503.140.0450.00350.08=0.29kg。 (4-5)查阅材料与零部件P384，表2-2-23，配套法兰：选用凸法兰，dH=45mm，厚度b=20mm，D=145mm，D1=110mm，D2=88mm，质量m2.34kg。4.3 支座设计4.3.1 支座的设计选型查材
28、料与零部件（上）P627-628，表2-7-1 鞍式支座尺寸当公称直径450mm时，b1=160mm，L=420mm，B=120mm，b=90mm，m=200mm，质量=13.6kgA0.23=0.6m，支座间距3000252600=1790mm。4.3.2 支座承载能力校核（1） 换热器的质量统计于下表：表4-1 换热器的质量统计序号部件数量单位重量/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
29、液管20.290.588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 (4-6)壳体体积为：V13.14（0.450/2）22.9140.463m3
30、 (4-7) 忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为：= 1018.1+（0.463-0.149）996.01330.84kg。 (4-8)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： (4-9) (4-10)换热器的受力可简化为如图：AAL 图4-1换热器的受力简化图弯矩图为：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 (4-11)抗弯截面模量：=0.0013 (4-12)=705.94/0.0013=0
31、.543MPat=133MPa (4-13)故此壳体适用。5 设计计算结果汇总表换热器的工艺设计结果一览表:表5-1 换热器的工艺设计结果一览表参数管程壳程流量，kg/h2500物性操作温度，65/120147/147定性温度，92.5147流体密度，kg/m31.092.3585定压比热容，kj/(kg.k)2128.81.34黏度，pa.s传热系数，W/（m2）0.02560.0260普朗特数设备结构参数形式列管式台数1壳体内径，mm400壳程数1管径，mm管心距，mm32管长，mm3000管子排列三角形管数目，根98折流板数14传热面积，17.32折流板间距，mm200管程数1材质碳钢主
32、要计算结果管程壳程流速，m/s20.690.608表面传热系数，W/（m2）98.672705.68污垢系数，m2K/W1/87001/8700阻力降，Pa2694.6473.43热流量，kw53.74传热温差，k49.51传热系数，W/（m2）75.55裕度20.61计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：表5-2结构设计的主要结果和主要尺寸汇总表工艺参数管程壳程质量流量/(kg/h)6439.14进/出口温度/25/33148/42操作压力/MPa1.10.3 物性参数定性温度/9529密度/(kg/m3)11.36996.0定压比热熔/kJ/(kgK)1.0094.175粘度/(P
33、as)2.1710-58.2110-4热导率/W/(mK)0.03170.601普朗特准数0.69157.03工艺主要计算结果流速/(m/s)7.950.389污垢热阻/m2K/ W0.0003440.000172阻力（压降）/MPa5436.876671.03对流传热系数/W/(m2K)281.746408.1总传热系数/W/(m2K)237.80平均传热温差/51.26热流量/kW191.3传热面积裕度/%17.84 设备结构设计程数21推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式固定管板式台数1壳体内径/mm450传热面积/m215.69管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根100折流板数/个
34、19管 长/mm3000折流板间距/mm150管子排列方式切口高度/mm110管间距/mm32封头2个Do=450mm封头法兰dH=450mm隔板b=10mm拉杆4根d=16mm支座(JB1167-81)A型管箱（非标准）Do=450mm管箱法兰dH=450mm定距管252管板请参阅说明书P11壳程接管1254壳程接管法兰dH235mm管程接管1504.5管程接管法兰dH=260mm排气液管453.5排气液管法兰dH=45mm备注 设备总重取整为1018kg6 设计总结此次论文设计题目是“年处理量为1.8万吨的甲醇加热器设计”，这学期学习了与化工设计相关的课程，印象还比较深。另外，从图书馆借阅
35、的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。1.数据计算这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。在确定传热面积的时候，因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍，可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。2.查资料以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，但是这次课程设计却完全改变了我的认识。查资料是讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，这次用到的参考资料有将近10本，这在之前是难以想象的。3.完成设计
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