奥鹏年处理量为1.8万吨的甲醇加热器设计 .doc
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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
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