北方民族大学课程设计报告
院（部、中心）化学与化学工程学院
姓名付明钊学号 20082916 专业过程装备与控制工程班级 081 同组人员
课程名称过程设备设计课程设计
设计题目名称煤制甲醇精馏工段精甲醇冷却器的设计起止时间
成绩
指导教师签名
北方民族大学教务处制
前言
Foreward
课程设计是对于我们来说是在学校期间的实践锻炼，是学习的其他课程的应用，是对所学习内容的一次综合考察，涉及内容多，设计方式也多。对于我们来说，课程设计也是一个获得和积累经验的一个途径和方式，应该好好珍惜这些机会。
我设计的课题的《煤制甲醇精馏工段甲醇冷却器设计》，就是要求设计一个换热器，考虑到所给的设计条件，确定设计一个固定管板式换热器，固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、换热管、折流板等零部件组成，其机构简单紧凑，排管比较多，在相同的换热器中，换热器公称直径相同的情况下传热面积比较大，制造简单，制造设备费用相对较低，生产技术相当成熟，广泛应用于化工，石油等工业生产中。
本设计总共包括两个部分。第一部分是过程设备课程设计任务书，主要包括课程设计的要求和一些条件参数；第二部分是过程设备设计设计部分，主要包括设计的所有内容，计算说明都在这部分，内容较多，又分为21个小模块，每个模块是某个方面的设计及其计算，部分还附图，更好的说明了情况。该课程设计全部的按照相关国家标准设计的，理论性较强。
根据课程设计的要求对固定管板式容器进行设计，能使我们得到以下得到锻炼（1）.整合资料的能力；（2）.在较紧的时间下如何很好的安排时间能力；（3）.作图能力；（4）.设计思想和设计意识。做好课程设计一方面是在锻炼自己，另一方面是为毕业设计打下良好的基础。
目录
Contents
第一部分
过程设备设计任务书 (3)
第二部分
过程设备设计设计部分 (4)
1.固定管板换热器的特点 (4)
2.换热器管程内介质的性质 (4)
3.换热管的计算及选取 (4)
4.换热管排列形式及中心距 (5)
5.换热管跟数的计算 (6)
6.换热器筒节厚度的计算 (6)
7.壳程水压试验校核计算 (7)
8.封头厚度设计计算 (7)
9. 封头校核计算 (8)
10.管板设计 (8)
11.折流板设计计算 (9)
12. 拉杆、定距管的设计 (9)
13.开孔补强设计 (10)
14.鞍座选取 (10)
15.容器法兰的选取 (11)
16.垫片的选取 (11)
17.关于管口表参数及法兰的定 (11)
18.接管安装位置的确定 (12)
19.封头管箱长度计算 (12)
20.设计体会 (13)
21.参考资料 (13)
第一部分
过程设备设计任务书
一.设计目录：煤制甲醇精馏工段精甲醇冷却器的设计
二.设计内容
1.冷却器列管数量确定及排列方式
2.卧式冷却器的外形尺寸设计及材质选择
3.卧式冷却器的内部结构设计
4.卧式冷却器的强度计算及校核
5.焊接结构选择及设计
6.零部件选型、支座校核、开孔补强校核等
7.装配图和主要零部件图（冷却器装配图一张A0、零部件图一张A1）
三．设计说明要求
1.字数不少于3500字。
2.主要内容包括：前言、固定管板换热器的特点、设计参数的确定；结构分析；材料选取；强度计算及校核；焊接结构设计；标准零件的选型；设计体会；参考书目等。
3.设计说明书封面要求有设计题目、班级、姓名、指导老师姓名、设计时间等内容。
四．技术特性及尺寸
壳程管程换热面
积m2推荐材质
物料名称操作名
称MPa
工作温
度℃
物料
名称
操作压
力MPa
操作温
度℃
管层壳层
冷却水0.3 30-38 甲醇0.45 45-90 100 20﹟16MnR 五．管口表
符号公称尺寸公称压力连接标准密封面型
式
用途
A 80 自定查标准确定自行设计甲醇入口
B 65 自定查标准确定自行设计冷却水出口
C 80 自定查标准确定自行设计甲醇出口
D 65 自定查标准确定自行设计冷却水进口
E 25 自定查标准确定自行设计排气口
F 50 自定查标准确定自行设计排液口
第二部分
过程设备设计设计部分
1．固定管板换热器的特点
固定管板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石
油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。在工业生产中，为了满足工艺流程的需要，往往进行着各种不同的换热过程：加热、冷却等。 固定管板式换热器的特点:(1)、旁路渗流较小(2)、锻件使用较少，造价低；(3)、无内漏；(4)、传热面积比浮头式换热器大20%～30%。固定管板式换热器的缺点：（1）、壳体和管壁的温差较大，壳体和管子壁温差t ≤50℃,当t ≥50℃时必须在壳体上设置膨胀节； （2）、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；（3）、清洗困难；（4）、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低；
2.换热器管程内介质的性质
甲醇，化学式CH 3OH ，相对分子质量32.04，是无色有酒精气味易挥发的液体，有毒，误饮5～10毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。燃烧时无烟有蓝色火焰，能与水、乙醇、酮类和其他有机溶剂混溶，能溶解多种无机盐类。相对密度0.7915，熔点-97.8℃，沸点64.7℃，折光率(n20D)1.3292，闪点12℃，易燃，蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限6.0%～36.5%(体积)。
3.换热管的计算及选取
换热管操作压力0.45Mpa ；操作温度45℃-90℃，取90℃为设计条件，既有
t=90+20=110(℃) 选用20号钢的无缝钢管，查GB150得[]t
σ=140Mpa 。
并查的钢管的负偏差C1=0.15，腐蚀裕度C2=1，因为说选的是无缝钢管，因此φ=1。
换热管的厚度计算
有两种情况，即把它当做承受完全外压和完全内压来计算，即 只有壳程设计的压力p s ，管程设计的压力p t =0 只有管程设计的压力p t ，壳程设计的压力p s =0 管道受外压时：
3
2.2c
P d E
δ=
5
3
0.3190.16562.2 2.0610
mm =?=??
12n C C δδ=++
0.16560.151 1.3156mm =++=
因此有
2n mm δ=
管道受内压时：
[]=
2c t
c
p Di p δσφ-
0.4519
=
0.0305214010.45
mm δ?=??-
12n C C δδ=++
0.03050.151 1.1805n mm δ=++=
因此有
2n mm δ=
综合上述，按照换热管的标准选取d 0=φ19mm ×2mm 是满足设计要求的，本换热器管内是走甲醇，是相对比较清洁的物质，腐蚀性弱，操作压力相对较小，选择相对较细的换热管更有利于传热。
按照换热管的标准，长度选为3m 的无缝钢管。.
4.换热管排列形式及中心距
正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管束，故而选取正三角形排列形式。根据《过程设备设计》244页表6-2常用的换热管中心距，查得d 0=φ19mm ×2mm 时，换热管的中心距为l=25mm 。如图：
换热管的正三角形排列形式
5.换热管跟数的计算
d 0=φ19mm ×2mm
s=25mm
考虑到能很好的保证换热器的可靠性能，把换热器的换热面积稍微放大点，
即有个恰当的裕度，取裕度H=10%。实际面积Ac=A(H+1)=100?1.1=1102
m
rl n A C π=
rl
A n c π= 6.6143
101914.3110
3=???=-
取整得，管子的根数为：615=n 查《常用压力容器手册》 181页表2-5-5 单程管板最大布管总数
换热管外径d/mm
管间距s/mm 换热管的根数n 管子外表面与壳体内径
间的最小距离b 3/mm
公称直径DN/mm 19
25
615
10
700
6.换热器筒节厚度的计算
有上面已经得到筒体的内径为DN=700mm ，即Di=700mm 。由课程设计条件有：壳程操作压力p c =0.3Mpa, 壳程操作温度t=30-38℃。筒体材料选推荐的Q345R,查《过程设备设计》附录表D-1 压力容器材料，Mpa R eL 345=，[]t
σ=189Mpa ，
焊接接头取φ=0.85 ，因为筒体直径比较小，不适合双面焊。
计算厚度
[]=
2c t
c
p Di p δσφ-
mm 65.03
.085.01892700
3.0=-???=
δ
腐蚀余量取C2=1mm ，材料负偏差C1=0.3mm 。 设计厚度d δ
mm C d 65.1165.02=+=+=δδ
名义厚度n δ
mm C d n 23.065.11=?++=?++=δδ
当壳体元件不包括腐蚀余量的最小厚度低碳钢Q345R 来说，最小厚度应不低于3mm ，在加上1mm 的腐蚀余量，还有钢板负偏差，名义厚度至少应该取5mm ，但是由于钢材是标准规格的，所以名义厚度取为6mm ，即n δ=6mm 。 有效厚度计算
mm C C n e 7.413.0621=--=--=δδ
615=n
DN=700mm
Mpa
R eL 345=[]
t
σ=189
Mpa
n δ=6mm.
7.壳程水压试验校核计算
水压试验压力
[][]Mpa
p P t
c
T 375.0189
189
3.025.125
.1=??===σσηη 水压试验校核 e
2)
i (δδσe T T D p +=
Mpa 113.287
.427.4700375.0=?+?=
）
（
如果满足关系式eL T R φσ9.0≤即满足设计的要求。 Mpa Mpa T 925.26334585.09.0113.28=??≤=σ 综合上述，换热器壳体厚度为6mm 是合理的，能满足设计要求。
8.封头厚度设计计算
封头材料和筒体一样，为Q345R 。选取标准椭圆形封头，即是a/b=2的椭圆形封头。
计算厚度 []c
t
c p Di
p 5.02-=
φσδ mm 65.03
.05.085.01892700
3.0=?-???=
腐蚀余量取C2=1mm ，材料负偏差C1=0.3mm 。 设计厚度d δ
mm C d 65.1165.02=+=+=δδ
名义厚度n δ
mm C d n 23.065.11=?++=?++=δδ
不包括腐蚀余量的最小厚度低碳钢Q345R 来说，最小厚度应不低于3mm ，在加上1mm 的腐蚀余量，还有钢板负偏差，名义厚度至少应该取5mm ，但是由于钢材是标准规格的，所以名义厚度取为6mm ，即n δ=6mm 。 有效厚度计算
7.4=e δ
n δ=6mm
mm C C n e 7.413.0621=--=--=δδ
9.封头校核计算
标准椭圆形封头K=1。
椭圆形封头允许的最大工作压力为 [][]e
e
t
KDi p δφδσω5.02+=
Mpa 15.27
.45.070017
.485.01892=?+????=
[]Mpa p Mpa p c 15.23.0=≤=ω
因此，所设计的封头厚度是合理的，即n δ=6mm 。
10.管板设计
管板的材料选用16MnR ，查《过程设备设计》附录 表D-1得知， []Mpa t 179=σ。
使用TEMA 设计法设计管板，管板的设计应满足： 1）.必需的弯曲强度
说明下式中的K 为结构系数，查《化工单元过程及设备课程设计》第二版第133页，表4-29得，固定管板K=1。
[]t
p D K b σ/2= mm 37.14178/3.02
700
1=?= 2）.必需的剪切强度 [])
/1(309.00s d P
D b t
-=
σ 其中，D 0 为最外圈管子当量中心圆直径。
mm
d D D 34021027002230=?-=-=
[]mm s d P D b t
738.025/191178340
3.0309.0)/1(309.00=-?
??=-=
）（σ 3）.对于mm d 25≤的换热管，管板的最小厚度为：
mm d b 25.144/1934/3=?== 腐蚀裕度双面各取1mm ，即取C 2=2mm
按照管板厚度标准取b=14.25+2+Δ=18mm 。
但是根据JB/T4701-2000，标准法兰的选取要求，b 在满足设计强度的条件下应该和标准法兰的厚度相等，即b=36mm=。
11.折流板设计计算
7.4=e δ
16MnR
[]
Mpa
t
179=
σ
b=36mm
折流板的材料选16Mn ，[]Mpa 178t
=σ。
取折流板缺口h 1为弦高的0.2倍，即 mm h 1407002.01=?= 折流板高度2h 为
mm h Di h 56014070012=-=-=
h 1
h 2
折流板的造型
折流板间距B 取300mm 折流板厚度选取，查《化工单元过程及设备课程设计》第二版第99页，表4-2、表4-3、表4-5得
折流板厚度B 1=5mm
折流板孔径d 孔=d+0.6=19+0.6=19.6mm 折流板外径D 折=Di-7-693mm
折流板的数目
10
300/3000===
B
l
N 块 12.拉杆、定距管的设计
材料选取16Mn ，查《化工单元过程及设备课程设计》第二版第101页，表4-7、表4-8得
拉杆直径为d 拉=12mm
拉杆数目为6跟，均匀几何布置，一端用螺纹连接在管板上，另外一端用双螺母连接在折流板上，确保良好的机械连接效果。
定距管材料选用16Mn 制的无缝钢管,DN=20mmx2mm 。
13.开孔补强设计
为了安装接管等，需要在筒体上开安装接管法兰等的孔，根据设计要求，开的最大孔直径均小于89mm 。
GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5Mpa 的壳体上开孔，两相邻的开孔中心距（对于曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于89mm 时，只要求接管的最小厚度满足下表即可。
不另行补强的接管最小厚度 接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89
最小厚度
3.5
4.0
6
m m
h 401=
m m
h 5602=
10=N 块
d 拉=12mm
本设计的开孔需求满足GB150规定的要求，因此不用设计补强措施，也可以满足设计的要求。
14.鞍座选取
本卧换热器选取支座形式为鞍座，根据JB/T4712.1，选取标准鞍座。本换热器相对较小，载荷也较小，选取B型鞍座(因A型公称直径DN在1000以上)，其中一个为F型，一个为S型，F型和S型配对使用。罐体包角大小取120°，公称直径DN=700，鞍座材料为Q345R，垫板材料为Q345R。
标记：JB/T4712.1，鞍座B700F；材料Q345R
JB/T4712.1，鞍座B700S；材料Q345R
根据JB/T4712标准，选择带垫板的鞍座，其结构图如下：
鞍座的结构图
鞍座的尺寸表（JB/T4712-92）
公称直径DN 允许
载荷
Q/kg
鞍座
高度
h
底板腹板肋板垫板螺栓
间距
l2
鞍座质量
/kg 1
l
1
b
1
δ2
δ
3
l
3
b
3
δ弧长
4
b
4
δ e
700 170 200 640 150 10 8 350 120 8 830 200 6 36 460 28 15.容器法兰的选取
法兰的种类繁多，本设计操作温度相对较低，操作压强也不太高，根据设计的需要，本设计选取平焊法兰，根据JB/T4701-2000，平焊法兰的结构图如下所示：JB/T4712. 1
JB/T4712
JB/T4701-2000
平焊法兰结构图
平焊法兰的尺寸表（JB/T4701-2000）
公称直径DN/mm
法兰/mm 螺柱
D D1D2D3D4δ d 规格数量
PN=0.6Mpa
700 830 790 755 745 742 36 26 M20 24 16.垫片的选取
选用非金属垫片，根据JB/T4704-2000规定，平焊法兰的垫片用JB/T4701-2000标准。其结构参数如下图所示：
平焊法兰的垫片的结构
平焊法兰的垫片参数（JB/T4704-2000）
公称压力PN/pa 0.6
公称直径DN/mm D d
700 744 704
17.关于管口表参数及法兰的确定
管口表
符号公称尺寸公称压力连接标准密封面型式用途
A 80 0.45 PL(平焊法兰) RF(突面) 甲醇入口
B 65 0.45 PL RF 冷却水出口
C 80 0.45 PL RF 甲醇出口
D 65 0.45 PL RF 冷却水进口
E 25 0.45 PL R
F 排气口
F 50 0.45 PL RF 排液口
18.接管安装位置的确定JB/T4701-2000
1
h f
C
d 0
l
法兰
管箱接管安装位置
3≥C 倍的壳体厚度且不小于50-100mm ，即 mm C 8063=?+?=
mm mm h h l 100)(151<+++≥δ
上面的计算式只是大体估算一下高度，按照表准常见法兰的高度为150mm 、 200mm 、300mm 等，本设计取l=150mm 。
mm C h d L f 15480362/802/01=++=++= L 1最小值是154mm ，为了更为方便安装与检修， L 1取200mm 。
L 1
C d 0l
管板
b
管程接管安装位置
C 和l 的尺寸同管箱接管安装位置的，C=80mm,l=150mm 。
()mm 134804182/80)4(2/01=+-+=+-+= C b d L
19.封头管箱长度计算
m m S h h N d L p
i g 2.7116350344700
46151714.34E
21cp
'=+++???=+++≥
π 取整得mm L g
712'=
m m
L 2001=
mm
1341=L
mm
C d L g 706635015080802/806
3501502/1''=+++++=++++≥
综合上述，取'''
/g
g
L L 中较大的一个数值，即取L g =712m ；由此的鞍座安装距离为()mm 8.8842.0/7127123000=++,取845mm 。
20.设计体会
本次课程设计题目下来比较晚，正逢考试阶段，因此时间相对较紧，又要复习准备考试，又要做课程设计，虽然没有《减速器设计》这么困难，但是还是有点复杂的。都说，时间是海绵里的水，只要你用力挤，她总会流出来的，其实也不是那样的，不过抓紧时间是很有必要的，否则，就做不完啦。
本次课程设计和前两次比较，有些不同，好多资料都要查GB,JB,HB 和课本，并且要有序的把它们整合好，查资料的强度明显较大，涉及资料较多，对于查资料来说是一个极大的训练，使自己在得到了不少锻炼。没一个数据，都有依据可查，每个图形设计都有理可依，同时还对CAD 的使用又一次熟悉。
21.参考资料
GB150-1998钢制压力容器 GB151-1999管壳式换热器 JB/T4704-2000非金属软垫片 GB/T4712-1992鞍式支座 JB/T4701-2000甲型平焊法兰
《常用压力容器手册》刘湘秋 编著 机械工业出版社
《化工制图》第二版 赵惠清 蔡纪宁 主编 化学工业出版社 《化工单元过程及设备课程设计》第二版 匡国柱 史启才 主编 《过程设备设计》郑津洋 董其伍 桑芝富 主编
L g =712mm