甲醇制氢生产装置计算书说明书

'甲醇制氢生产装置计算书说明书 甲醇制氢生产装置计算书说明书 甲醇制氢生产装置计算书说明书 目录前言---------------------------------------------设计任务书---------------------------------------第一章工艺设计-------------------------------------1.1物料衡算1.2热量衡算第二章设备设计计算和选型--过热器---------------------第三章机器选型-----------------------------------3.1计量泵的选型3.2离心泵的选型第四章设备布置图设计----------------------------------4.1设备布置方案4.2主要设备的尺寸第五章管道布置设计------------------------------------5.1管子选型5.2主要管道工艺参数汇总一览表5.3管道上阀门的选型5.4管件选型5.5管道布置图5.6管道空视图5.7法兰选型5.8筒体保温材料一览表5.9管道仪表流程图第六章自动控制方案设计-------------------------------第七章工程项目的经济评价----------------------------7.1甲醇制氢装置的投资估算7.2总成本费用的估算与分析7.3甲醇制氢项目的财务评价第八章数据校核--------------------------------------课程设计总结-------------------------------------------致谢参考文献 前言氢气是一种重要的工业用品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门，由于使用要求的不同，这些部门对氢气的纯度、对所含杂质的种类和含量也有着不同的要求。近年来随着中国改革开放的进程，随着大量高精产品的投产，对高纯氢气的需求量正在逐渐扩大。烃类水蒸气转化制氢气是目前世界上应用最普遍的制氢方法，是由巴登苯胺公司发明并加以利用，英国ICI公司首先实现工业化。这种制氢方法工作压力为2.0-4.0MPa,原料适用范围为天然气至干点小于215.6℃的石脑油。近年来，由于转化制氢炉型的不断改进。转化气提纯工艺的不断更新，烃类水蒸气转化制氢工艺成为目前生产氢气最经济可靠的途径。甲醇蒸气转化制氢技术表现出很好的技术经济指标，受到许多国家的重视。它具有以下的特点：1、与大规模天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢比较，投资省，能耗低。2、与电解水制氢相比，单位氢气成本较低。3、所用原料甲醇易得，运输储存方便。而且由于所用的原料甲醇纯度高，不需要在净化处理，反应条件温和，流程简单，故易于操作。4、可以做成组装式或可移动式的装置，操作方便，搬运灵活。 Error!Nobookmarknamegiven.Error!Nobookmarknamegiven.1.1.1甲醇制氢物料衡算.(1)依据甲醇蒸气转化反应方程式：　　　　　　　　　　　CH3OH—→CO↑+2H2↑　　　　　　　　　　CO+H2O—→CO2↑+H2CH3OHF分解为CO,转化率99%,CO变换转化率99*,反应温度280℃,反应压力为1.5MPa,醇水投料比1:1.5(mol)。(2)投料量计算代如转化率数据CH3OH—→0.99CO↑+1.982H2↑+0.01CH3OHCO+0.99H2O　—→0.99CO2↑+0.99H2↑+0.01CO↑合并得到CH3OH+0.9801H2O—→　0.9801CO2↑+2.9601H2↑+0.01CH3OH+0.0099CO氢气产量为：　　2900m³/h=129.464kmol/h甲醇投料量为：　129.464/2.9601*32=1399.564kg/h水投料量为：　　129.464/2.9601*1.5*181180.882kg/h(3)原料储液槽(V0101)进：甲醇1399.564kg/h，水1180.882kg/h。出：甲醇1399.564kg/h，水1180.882kg/h。(4)　　换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0102)没有物流变化(5)　　转化器(R0101)进：甲醇1399.564kg/h，水1180.882kg/h，总计2580.446kg/h出：生成CO2　　129.464/2.9601*0.9801*44=1886.104kg/h　　　　H2　　　129.464/2.9601*2.9601*2=258.928kg/h　　　　CO　　129.464/2.9602*0.0099*28=12.124kg/h　　剩余甲醇　129.464/2.9601*0.01*32=13.996kg/h　　剩余水　　1180.882-129.464/2.9601*0.9801*18=409.294kg/h 总计　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2580.446kg/h　(6)吸收和解析塔吸收塔总压为1.5Mpa,其中CO2分压为0.38Mpa,操作温度为常温(25℃)。此时每m³吸收液可溶解CO211.77m³.解吸塔的操作压力为0.1MPa,CO2溶解度为2.32，则此时吸收塔的吸收能力为:　　　　　　　　　　11．77-2．32=9.450.4MPa压力下ρCO2=pM/RT=4*44/[0.082*(273.15+25)]=7.20kg/m³CO2体积重量VCO2=1886.104/7.20=261.959m³/h据此，所需吸收液的量为261.959/9.45=27.721m³/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收液量为27.721*3=83.163m³/h系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为261.959m³/h=1886.104kg/h　(7)PSA系统略。(8)各节点的物料量综合上面的工艺物料恒算结果，给出物料流程图及各节点的物料量。1.1.2热量恒算1)　气化塔顶温度确定要使甲醇完全汽化，则其气相分率必然是甲醇40%,水60%(mol),且已知操作压力为1.5MPa,设温度为T,根据汽液平衡关系有：0.4p甲醇+0.6p水=1.5MPa初设T=170℃　　p甲醇=2.19MPa;p水=0.824MPa　　　　　　　　　p总=1.3704MPa<1.5MPa再设T=175℃　　p甲醇=2.4MPA;p水0.93MPa　　　　　　　　p总=1.51MPa蒸气压与总压基本一致，可以认为操作压力为1.5MPa时，汽化塔塔顶温度为175℃2)　转化器(R0101)两步反应的总反应热为49.66kj/mol,于是在转化器内需要共给热量为：Q反应=337.826*0.99/32*1000*(-49.66)=-5.190*105kj/h此热量有导热油系统带来，反应温度为280℃，可以选用导热油温度为320℃，导热油温降设定为5℃，从手册中查到导热油的物性参数，如必定压热容与温度的关系，可得：　　Cp320℃=4.1868*0.68=2.85kj/(kg．K),Cp300℃=2.81kj/(kg．K)取平均值　　　　　Cp=2.83kj/(kg．K)则导热油的用量w=Q反应/(CpΔt)=5.190*105　/(2.83*5)=3.668*104kg/h3)　过热器(E0102)甲醇和水的饱和正气在过热器中175℃过热到280℃，此热量由导热油供给。 气体升温所需热量为:Q=ΣCpmΔt=（1.90*337.828+4.82*285.042）*(280-175)=2.117*105kj/h导热油Cp=2.825kj/(kg．K),于是其温度降为Δt=Q/(Cpm)=2.117*105/（2.86*3.668*104）=2.042℃导热油出口温度为：315-2.042=312.9584)　汽化塔(T0101)认为汽化塔仅有潜热变化。175℃　甲醇　H=727.2kj/kg水H=2031kj/kg　　　Q=337.828*727.2+2031*285.042=8.246*105kj/h以300℃导热油Cp计算Cp=2.76kj/(kg．K)　Δt=Q/(Cpm)=2.36*106/2.76*3.668*104)=8.145℃则导热油出口温度t2=312.958-8.145=304.812℃导热油系统温差为ΔT=320-304.812=15.2℃基本合适5)　换热器(E0101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温(25℃)升至175℃液体混合物升温所需的热量Q=ΣcpmΔt=(337.828*3.14+285.042*4.30)*(175-25)=3.430*105kj/h管程：　　取各种气体的比定压热容为：　　　　　　　CpCO2≈10.47kj/(kg．K)　　　　　　　CPH2≈14.65kj/(kg．K)　　　　　　　CPH20≈4.19kj/(kg．K)则管程中反应后其体混合物的温度变化为：Δt=Q/(Cp*m)=3.430*105/(10.47*455.267+14.65*62.5+4.19*98.8)=56.264℃换热器出口温度280-56.264=223.736℃(6)　冷凝器(E0103)　①CO2、CO、H2的冷却Q1=ΣcpmΔt=(10.47*41886.104+14.65*258.928+4.19*12.124)*(223.736-40)=4.335*106kJ/h②压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135kj/kg,总冷凝热Q2=H*m=2135*409.294=8.74*105kJ/h水显热变化Q3=cpmΔt=4.19*409.294*(223.736-40)=3.15*105kj/hQ=Q1+Q2+Q3=5.524*106kJ/h冷却介质为循环水，才用中温型凉水塔，则温差ΔT=10℃ 用水量w=Q/(cpΔt)=5.524*106/(4.19*10)=1.318*105kg/hError!Nobookmarknamegiven.Error!Nobookmarknamegiven.3.1计量泵的选择往复泵是容积式泵。在高压力小流量，输送粘度大的液体，要求精确计量即要求流量随压力变化小的情况下宜选用各种类型式的往复泵。要求精确计量时，应用计量泵。往复泵的流量可采用各种调节机构达到精确计量，即计量泵。计量泵用于生产中需要精确计量，所输送介质的场合：如注缓蚀剂，输送酸，碱等。流量可在0-100%范围内调节，但一般应在30%-100%范围内使用，计量泵有柱塞式和隔膜式，柱塞式计量流量的精度高玉隔膜式。J型计量泵适用于输送各种不含固体颗粒的腐蚀性和非腐蚀性介质。甲醇制氢工艺需要精确的投料比，故应选用计量泵。现工艺设计要求甲醇的投料量为337.826kg/h,水为285.041kg/h,现按工艺要求分别选择一台甲醇计量泵，一台纯水计量泵，一台原料计量泵。已知条件：1、甲醇正常投料量为337.826kg/h,温度为25℃,密度为0.807kg/h，操作情况为泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入与原料液储槽，与水混合。2、水的正常投料量为285.041kg/h，温度为25℃ ,密度为0.997kg/h,操作情况为泵从纯水储槽中吸入水，送入原料液储槽，与甲醇混合。3、原料液储槽出来的量为甲醇337.826kg/h,水285.041kg/h,温度为25℃，操作情况为泵从原料液储槽中吸入原料液，送入换热器。3.11甲醇计量泵选型工艺所需正常的体积流量为：1399.564/0.807=1734.280L/h泵的流量Q=1.05*1734.280=1820.994L/h工艺估算所需扬程30m,泵的扬程H=1.1*30=33m。折合成计量泵的压力(泵的升压)P=ρHg=0.807*8.81*10-3*33=0.261Mpa泵的选型，查文献一，JZ-1000/0.32型计量泵的流量为1000L/h,压力为0.32Mpa,转速为126r/min,进出口管径为24mm,电机功率为1.1KW,满足需要。3.1.2纯水计量泵的选型工艺所需正常的体积流量为：1180.882/0.997=1184.435L/h泵的流量Q=1.05*1184.435=1243.657L/h.工艺估算所需扬程30M,泵的扬程：H=1.1*30=33M折合成泵的压力：P=Hρg=33*997*9.81/106=0.323Mpa泵的选型：查文献一，JZ-630/0.5型计量泵的流量为630L/h,压力为0.5Mpa,转速为126r/min,进出口管径为24mm,电机功率为1.1KW,满足要求。3.1.3原料计量泵的选型原料液密度：ρ=807*1/（1+1.5）+997*1.5/(1+1.5)=921kg/m3工艺所需正常的体积流量为：(1399.564+1180.882)/(0.921)=2801.79L/h泵的流量Q=1.05*2801.79=2941.88L/h工艺估算所需的扬程80M,泵的扬程H=1.1*80=88M折合成泵的压力P=ρHg=88*921*9.81/106=0.795MPa泵的选型查文献一，JD-1000/1.3型计量泵的流量为1000L/h,压力为1.3MPa,转速为115r/min,电机功率为2.2KW,满足要求。3.2离心泵的选型3.2.1吸收剂循环泵已知条件：碳酸丙烯酯吸收剂的用量为80.29m3/h,温度为40℃,密度为1100kg/m3,由吸收塔出口出来经泵送到吸收塔，选择离心泵作为吸收剂的输送泵。工艺所需正常的体积流量为:80.29m3/h。泵的流量Q=1.05*80.29=84.304m3/h工艺估算所需的扬程30M泵的扬程H=1.1*30=33M泵的选型：查文献一，选用IS型单级离心泵，IS100-65-200型离心泵，流量为100m3/h,扬程为50m,转速为2900r/min,电机功率17.9KW,满足要求。 3.2.2冷却水泵。已知条件：冷凝水为循环水，采用中温型冷水塔,温差ΔT=10℃,用水量3.19*1180.882kg/h,温度为常温25℃，密度为997kg/m3,在冷凝器中进行换热，采用B型单级离心泵。工艺上所需正常体积流量为3.19*1180.882/997=32m3/h泵的流量：Q=1.05*32=33.6m3/h工艺估算所需的扬程30M泵的扬程H=1.1*30=33M泵的选型：查文献一，选用B型单级离心泵BJ(B)50-40型离心泵,流量50m3/h，扬程42m,转速2950r/min,电机功率10KW,满足要求Error!Nobookmarknamegiven.Error!Nobookmarknamegiven.4.1设备布置方案本次设备布置方案，采用设备在室外布置，具体设备布置方案和尺寸清参加设备布置图，比例为1:100。4.2主要设备的尺寸代号名称高度mm直径mmV0101甲醇储罐12002000V0102纯水储罐12002000V0103原料液储罐18002000T0101气化塔6600800T0102吸收塔66002000T0103解析塔66002000R0101转化器E0101预热器4505500E0102过热器E0103冷凝器计量泵代号流量L/h压力MPa转速r/min电机功率KW甲醇计量泵JZ-1000/0.3210000.321261.1纯水计量泵JZ-630/0.56300.51261.1原料液计量泵JD-1000/1.310001.31152.2往复泵代号流量L/h压力MPa转速r/min电机功率吸收剂循环泵IS100-65-20010065290017.9冷却水循环泵BJ(B)50-405040295010 Error!Nobookmarknamegiven.Error!Nobookmarknamegiven.5．1管子选型（确定几种主要管道尺寸的方法如下）5.11脱盐水管径确定脱盐水流量为1180.882kg/h,密度为997kg/m3,流速取2m/s,由V=Л/4*d2*u得d=14.5mm根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚取为2.5mm5.1.2走甲醇管的管径确定甲醇流量为1399.564kg/h,密度为807kg/m3,流速取为2m/s.同样由V=Л/4*d2*u=8.61mm，得d=22.3mm根据标准选用DN25无缝钢管，壁厚取2.5MM5.1.3原料输送管原料液用量为2580.446kg/h,密度为921kg/m3,流速取为2m/s.则d=22.3mm根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚度为2.5mm5.1.4进入吸收塔混合气体所需管径尺寸确定混合气体质量为2157.156kg/h,密度0.557kg/m3,流速35m/s.则d==197.8mm根据标准选用DN100无缝钢管，壁厚度为4mm5.1.5吸收液管子尺寸吸收液量为83.163m3/h,密度为110kg/m3,流速2.5m/s.则d=10.3mm根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚度为2.5mm5.1.6冷却水管子尺寸冷却水为3.19*1180.882kg/h,密度为997kg/m3,流速2m/s.则d==25.8mm根据标准选DN8-无缝钢管，壁厚为3mm5.2主要管道工艺参数汇总一览表序号管道编号管内介质设计压力MPa设计温度℃管子规格材料1DN0101-15L1B脱盐水0.350202DN0102-15L1B脱盐水0.350203PL0101-20L1B甲醇0.350204PL0102-20L1B甲醇0.350205PL0103-25L1B原料液0.350206PL0104-25L1B原料液1．650207PL0105-25L1B原料液1.6175208PG0101-225N1B原料气1.6175209PG0102-225N1B原料气1.62802010PG0103-225N1B原料气1.62802011PG0104-225N1B原料液1.622520 12PG0105-225N1B原料气1.6502013H0101-100N1B氢气1.6502014PL0106-20N1B碳酸丙烯酯1.65502015PL0107-20N1B碳酸丙烯酯1.65502016PL0108-20N1B碳酸丙烯酯1.65502017PG0106-80N1B食品二氧化碳0．4500Cr18Ni9Ti18R00101-125L1B导热油0.63202019R00102-125L1B导热油0.63202020R00103-125L1B导热油0.63202021R00104-125L1B导热油0.63202022CWS0101-30L1B冷却水0.350镀锌管23CWR0101-30L1B冷却水0.350镀锌管（表5-1）以上20号钢军参照GB/T8163-19990Cr18Ni9Ti参照标准GB/T14976镀锌管参照GB/T149765.3管道上阀门的选型序号管道编号设计压力MPa公称直径DN/MM连接形式阀门型号1DN0101-15L1B0.315法兰闸阀Z15W-1.0T2DN0102-15L1B0.315法兰、螺纹闸阀Z15W-1.0T3PL0101-20L1B0.320法兰Z20W-1.0K4PL0102-20L1B0.320法兰、螺纹Z20W-1.0K5PL0103-25L1B0.325法兰Z25W-1.0OK6PL0104-25L1B1.625法兰、螺纹Z15W-1.0K7PL0106-20N1B1.6520法兰、螺纹Z15W-1.0T8PL0108-20N1B1.6520法兰Z15W-1.0T9R00101-125L1B0.6125法兰Z41H-1.6C10R00104-125L1B0.6125法兰Z41H-1.6C11CWS0101-80L1B0.380法兰Z15W-1.0T12CWE0101-80L1B0.380法兰Z15W-1.0T13H0101-100N1B1.6100法兰Z41H-1.6C14PG0106-80N1B0.480法兰Z41H-1.6C（表5-2）所选阀门军参照标准JB308-755.4管件选型弯头采用90°弯头，参考文献一，弯头曲率半径R=1.5D0,D0为外管。管件与弯头处采用焊接连接。 管件与筒体连接处采用法兰连接，参见标准HG20595.管法兰、垫片，紧固件选择参见文献一，P1895.5管道布置图选取该区域的中上部区域来布置管线，具体管路布置清参考JQ11-032管道布置图，所含设备有P0101,P0102,P0103,E0101,V0101管线，支座情况清参见管道布置图（具体定为参照参考文献一）5.6管道空视图选取:PL0104-15L1B和PL0105-15L1B两根管线作管道空视图，具体请参见空视图。5.7法兰选型法兰的选用主要根据工作压力，管子外径等参数，现将主要管道法兰列表如下：管道编号管内介质设计压力公称直径阀门公称压力等级(MPa)法兰类型密封面形式公称压力等级(MPa)H0101-100N1B氧气1.61002.5带颈平焊凹凸面2.5PG0101-225N1B原料气1.62252.5带颈平焊凹凸面2.5PG0102-100N1B原料气1.62254.0带颈平焊凹凸面4.0PG0103-100N1B氢气10%1.62254.0带颈平焊凹凸面4.0PG0104-100N1B二氧化碳73%1.62254.0带颈平焊凹凸面4.0PG0105-100N1B水17%1.62252.5带颈平焊凹凸面2.5PG0106-80N1B食品二氧化碳0.4801.6带颈平焊凹凸面1.6R00101-125L1B导热油0.61251.6带颈平焊凹凸面1.6R00104-125L1B导热油0.61251.6带颈平焊凹凸面1.6PL0101-15L1B甲醇0.3201.6带颈平焊凹凸面1.6PL0102-15L1B甲醇0.3201.6带颈平焊凹凸面1.6PL0103-15L1B原料液0．3252.5带颈平焊凹凸面1．6PL0104-15L1B原料液1．6252．5带颈平焊凹凸面2．5PL0106-20N1B吸收液1.65202.5带颈平焊凹凸面2.5PL0107-20N1B吸收液1.65202.5带颈平焊凹凸面2.5PL0108-20N1B吸收液1.65202.5带颈平焊凹凸面2.5DN0101-20L1B脱盐水0.3151.0带颈平焊凸面1.0DN0102-20L1B脱盐水0.3151.0带颈平焊凸面1.0CWS0101-80L1B冷却水0.3301.0带颈平焊凸面1.0CWR0101-80L1B冷却水0.3301.0带颈平焊凸面1.0（表5-3）5.8筒体保温材料一览表序号管道编号设计温度℃保温层厚度mm保温材料1DN0101-15L1B5080岩棉 2DN0102-15L1B5080岩棉3PL0101-20L1B5080岩棉4PL0102-20L1B5080岩棉5PL0103-25L1B5080岩棉6PL0104-25L1B5080岩棉7PL0105-25L1B175100岩棉8PL0106-20L1B5080岩棉9PL0107-20L1B5080岩棉10PL0108-20L1B5080岩棉11PG0101-225N1B175100岩棉12PG0102-225N1B280100岩棉13PG0103-225N1B280100岩棉14PG0104-225N1B225100岩棉15PG0105-225N1B5080岩棉16H0101-1001B5080岩棉17PG0106-80N1B5080岩棉18R00101-125L1B320100岩棉19R00102-125L1B320100岩棉20R00103-125L1B320100岩棉21R00104-125L1B320100岩棉22CWS0101-80L1B5080岩棉23CWR0101-80L1B5080岩棉（表5-4）5.9管道仪表流程图关于管道仪表流程图有以下说明：图中，甲醇储罐给水处罐、冷却水泵，水泵均未表现出来。本章补充说明：本章有些数据是参照本组其他同学的设计、计算数据，而关于汽化器、解析塔以及另外两台换热器的相关数据通过推力假设所得。Error!Nobookmarknamegiven.Error!Nobookmarknamegiven.6．1选择一个单参数自动控制方案本组选择温度作为控制系数进行设计选择从E0101换热器出来的气体温度作为控制系数，冷却水的流量作为调节参数。首先从被测点测出的温度通过测量元件及变送器，将所测数值与定植进行比较，然后通过调节器读对执行器进行有所动作，以用来调节冷却水的流量，以利于换热器出来的气体达到一个稳定的温度值，有效的控制好气体温度。6．2换热器温度控制系统Error!Nobookmarknamegiven.Error!Nobookmarknamegiven.7.1甲醇制氢装置的投资估算7.11单元设备价格估算 本套装置共有储罐和锅容器4台，分别为甲醇储槽(V0102,常温常压)，水储槽(V0103),原料液储槽(V0101,常温常压)，导热油(V0104)。该套装置有3台换热器，1台转化器，分别为：换热器(E0101,P=1.5MPa).过热器(E0102,P=1.5MPa),冷凝器(E0103,P=1.5MPa)、转化器（R0101,P=1.5MPa）。该套装置共有3台它设备，分别为汽化塔，(T0101)吸收塔(T0102)解析塔(T0103)。7.12总投资估算用系数连乘法球总投资，各系数由参考文献二表3-1查的，k1=1.0559,k2=1.2528,k3=1.0483,k4=1.0277,k5=1.0930,k6=1.0803,k7=1.3061已知设备费A=19.42万元，计算结果如下设备安装工程费率B=k1A设备安装费=B-A管道工程费率C=k2B管道工程费=C-B电气工程费率D=k3C电气工程费=D-C仪表工程费率E=k4D仪表工程费=E-D建筑工程费率F=k5E建筑工程费=F-E装置工程建设费率G=k6F装置工程建设费=G-F总投资H=Kt．G7.2总成本费用的估算与分析(1)外购原材料(2)外购燃料(3)外购动力(4)工资(5)职工福利(6)固定资产折旧费(7)修理费(8)租贷费(9)摊销费用(10)财务费用(11)税金(12)其他费用 (1)固定成本与变动成本7．3甲醇制氢项目的财务评价7.3.1盈利能力分析7.3.2清偿能力分析7.3.3盈亏平衡分析第八章数据校核 固定管板换热器设计计算设计计算条件壳程管程设计压力2.0MPa设计压力2.0MPa设计温度295设计温度320壳程圆筒内径400mm管箱圆筒内径400mm材料名称16MnR(正火)材料名称16MnR(正火)简图计算内容壳程圆筒校核计算前端管箱圆筒校核计算前端管箱封头(平盖)校核计算后端管箱圆筒校核计算后端管箱封头(平盖)校核计算膨胀节校核计算开孔补强设计计算管板校核计算前端管箱法兰计算窄面整体(或带颈松式)法兰计算 前端管箱筒体计算计算单位计算条件筒体简图计算压力Pc1.50MPa设计温度t295.00°C内径Di400.00mm材料16MnR(正火)(板材)试验温度许用应力[s]170.00MPa设计温度许用应力[s]t163.56MPa试验温度下屈服点ss345.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C21.00mm焊接接头系数f0.85厚度及重量计算计算厚度d==2.71mm有效厚度de=dn-C1-C2=5.00mm名义厚度dn=6.00mm重量8.98Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25P=1.9488(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平[s]T[s]T£0.90ss=310.50MPa试验压力下圆筒的应力sT==115.78MPa校核条件sT£[s]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==2.75299MPa设计温度下计算应力st==75.75MPa[s]tf139.03MPa校核条件[s]tf≥st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格 前端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力Pc1.50MPa设计温度t320.00°C内径Di400.00mm曲面高度hi125.00mm材料16MnR(正火)(板材)试验温度许用应力[s]170.00MPa设计温度许用应力[s]t163.56MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C21.00mm焊接接头系数f0.85厚度及重量计算形状系数K==1.0000计算厚度d==2.70mm有效厚度de=dn-C1-C2=5.00mm最小厚度dmin=0.75mm名义厚度dn=6.00mm结论满足最小厚度要求重量14.58Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==2.76669MPa结论合格 后端管箱筒体计算计算单位计算条件筒体简图计算压力Pc1.50MPa设计温度t295.00°C内径Di400.00mm材料16MnR(正火)(板材)试验温度许用应力[s]170.00MPa设计温度许用应力[s]t163.56MPa试验温度下屈服点ss345.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C21.00mm焊接接头系数f0.85厚度及重量计算计算厚度d==2.71mm有效厚度de=dn-C1-C2=5.00mm名义厚度dn=6.00mm重量29.95Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25P=1.9488(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平[s]T[s]T£0.90ss=310.50MPa试验压力下圆筒的应力sT==115.78MPa校核条件sT£[s]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==2.75299MPa设计温度下计算应力st==75.75MPa[s]tf139.03MPa校核条件[s]tf≥st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格 后端管箱封头计算计算条件椭圆封头简图计算压力Pc1.50MPa设计温度t295.00°C内径Di400.00mm曲面高度hi125.00mm材料16MnR(正火)(板材)试验温度许用应力[s]170.00MPa设计温度许用应力[s]t163.56MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C21.00mm焊接接头系数f0.85厚度及重量计算形状系数K==1.0000计算厚度d==2.70mm有效厚度de=dn-C1-C2=5.00mm最小厚度dmin=0.75mm名义厚度dn=6.00mm结论满足最小厚度要求重量14.58Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==2.76669MPa结论合格 壳程圆筒计算计算单位计算条件筒体简图计算压力Pc1.50MPa设计温度t320.00°C内径Di400.00mm材料16MnR(正火)(板材)试验温度许用应力[s]170.00MPa设计温度许用应力[s]t170.00MPa试验温度下屈服点ss345.00MPa钢板负偏差C10.00mm腐蚀裕量C21.00mm焊接接头系数f0.85厚度及重量计算计算厚度d==0.17mm有效厚度de=dn-C1-C2=5.00mm名义厚度dn=6.00mm重量336.92Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PT=1.25P=1.9488(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平[s]T[s]T£0.90ss=310.50MPa试验压力下圆筒的应力sT==7.43MPa校核条件sT£[s]T校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==2.86139MPa设计温度下计算应力st==5.05MPa[s]tf144.50MPa校核条件[s]tf≥st结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格 U型膨胀节设计计算计算条件简图设计内压力1.50MPa设计外压力MPa设计温度t320.00℃设计要求的循环次数0次波材料16MnR(正火)纹腐蚀裕量1.00Mm管许用应力170.00MPa直常温下弹性模量2.058e+05MPa边设计温度下弹性模量2.052e+05MPa段设计温度下屈服点337.50MPa下限操作温度下弹性模量EbcMPa上限操作温度下弹性模量EbHMPa几何尺寸直边段与波纹内径=500.00mm波长W=200.00mm直边段长度=20.00mm波纹管层数m=1波高h=120.00mm波数n=8成型前一层名义厚度=6.00mm成型前一层有效厚度=5.00mm波纹管直边段平均直径Db+mS=506.00mm加强圈有效厚度=mm加强圈平均直径DC=Db+2mS+SC=mm加强圈弹性模量Ec=MPa加强圈材料加强圈长度LC=mm波纹管平均直径DmDm=+h=632.00mm成型后波纹管一层最小有效厚度SP5.00mm系数计算系数0.24（当时，取）疲劳寿命的温度修正系数Tf室温条件下=1修正系数横坐标值0.83右端纵坐标曲线值1.71系数按查图6-2得：0.35系数按查图6-3得：0.48系数按查图6-4得：1.46 刚度及位移计算一个波轴向钢度57679.61N/mm总体轴向刚度28839.81N/mm轴向力FF=152940.99一个波的轴向位移e=F/K=2.65mm应力计算许用值内直边段周向薄膜应力1.03170.00MPa压加强圈周向薄膜应力sc170.00MPa应力波纹管周向薄膜应力3.57170.00MPa波纹管经向薄膜应力1.20170.00MPa波纹管经向弯曲应力9.96MPa轴向波纹管经向薄膜应力11.90MPa位移波纹管经向弯曲应力259.89MPa组计算11.16506.25MPa合计算271.78MPa应力计算所有组合最大值279.59675.00MPa疲劳寿命校核对于奥氏体不锈钢膨胀节,当时,需要进行疲劳校核疲劳破坏时的循环次数疲劳寿命安全系数(按GB151－1999，nf³15)许用循环次数校核条件设计要求的操作循环次数平面失稳应力=1.88MPaP<=Ps平面失稳压力校核通过 延长部分兼作法兰固定式管板设计计算条件简图设计压力ps2.0MPa设计温度Ts320平均金属温度ts280装配温度t015壳材料名称16MnR(正火)设计温度下许用应力[s]t170Mpa程平均金属温度下弹性模量Es2.058e+05Mpa平均金属温度下热膨胀系数as1.094e-05mm/mm圆壳程圆筒内径Di500mm壳程圆筒名义厚度6mm壳程圆筒有效厚度5mm筒壳体法兰设计温度下弹性模量2.052e+05MPa壳程圆筒内直径横截面积A=0.25pDi21.963e+05mm2壳程圆筒金属横截面积As=pds(Di+ds)7933mm2管设计压力pt1.5MPa箱设计温度Tt200圆材料名称16MnR(正火)筒设计温度下弹性模量Eh1.932e+05MPa管箱圆筒名义厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)dh17mm管箱圆筒有效厚度dhe16mm管箱法兰设计温度下弹性模量1.932e+05MPa材料名称20g(正火)换管子平均温度tt132设计温度下管子材料许用应力117MPa设计温度下管子材料屈服应力186.8MPa热设计温度下管子材料弹性模量1.846e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量1.897e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数1.175e-05mm/mm管管子外径d25mm管子壁厚dt2mm 管子根数n104换热管中心距S32mm换一根管子金属横截面积144.5mm2换热管长度L2000mm管子有效长度(两管板内侧间距)L1900mm管束模数=2044MPa管子回转半径8.162mm热管子受压失稳当量长度1900mm系数Cr=139.7比值539.1管子稳定许用压应力()[]=3.135MPa管管子稳定许用压应力()[]=MPa材料名称16MnR(正火)设计温度200管设计温度下许用应力144.5MPa设计温度下弹性模量1.932e+05MPa管板腐蚀裕量C22mm管板输入厚度dn50mm管板计算厚度d46mm隔板槽面积(包括拉杆和假管区面积)Ad30mm2板管板强度削弱系数h0.4管板刚度削弱系数m0.4管子加强系数K2.756管板和管子连接型式焊接管板和管子胀接(焊接)高度l3.5mm胀接许用拉脱应力[q]MPa焊接许用拉脱应力[q]58.51MPa 管材料名称16MnR(正火)管箱法兰厚度38mm法兰外径640mm箱基本法兰力矩2.14e+07N×mm管程压力操作工况下法兰力1.795e+07N×mm法兰宽度70mm法比值0.032比值0.076系数(按dh/Di,df”/Di,查<>图25)0.00兰系数w”(按dh/Di,df”/Di,查<>图26)0.006061旋转刚度111.5MPa材料名称16MnR(正火)壳壳体法兰厚度50mm法兰外径640mm体法兰宽度70mm比值0.01法比值0.1系数,按dh/Di,df”/Di,查<>图250.00兰系数,按dh/Di,df”/Di,查<>图260.0007144旋转刚度45.86MPa法兰外径与内径之比1.28壳体法兰应力系数Y(按K查<>表9-5)8.005旋转刚度无量纲参数0.01762膨胀节总体轴向刚度2.884e+04N/mm 管板第一弯矩系数(按,查<>图27)0.2201系系数4.531系数(按查<>图29)1.742换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比2.754数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比38.19管板第二弯矩系数(按K,Q或查<>图28(a)或(b))31.18系数（带膨胀节时代替Q）0.0009999计系数(按K,Q或Qex查图30)0.03158法兰力矩折减系数0.3582管板边缘力矩变化系数1.3算法兰力矩变化系数0.5345管管板开孔后面积A-0.25npd21.158e+05mm2板参管板布管区面积(三角形布管)(正方形布管)1.455e+05mm2数管板布管区当量直径430.4mm系数0.59系系数0.2046数系数4.218计系数(带膨胀节时代替Q)66.22算管板布管区当量直径与壳体内径之比0.8607管板周边不布管区无量纲宽度k=K0.3838 仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况(Pt=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)0.00.001266当量压力组合0.10.1MPa有效压力组合0.421849.55MPa基本法兰力矩系数0.87610.007457管板边缘力矩系数0.87740.008757管板边缘剪力系数3.9760.03968管板总弯矩系数24.961.402系数仅用于时10.870.6102系数当时,按K和m查图31(a)实线当时,按K和m查图31（b）26.531.254系数>0,=,<0,=26.531.254管板径向应力系数带膨胀节Q为Q=0.82630.008162管板布管区周边处径向应力系数=0.84620.00993管板布管区周边处剪切应力系数=0.031150.006509壳体法兰力矩系数0.31330.002136计算值许用值计算值许用值管板径向应力60.731.5216.770.483433.4MPa管板布管区周边处径向应力56.921.5216.762.323433.4MPa管板布管区周边剪切应力0.18130.572.244.4511.5216.7MPa 壳体法兰应力49.011.5216.739.273433.4MPa换热管轴向应力8.2371173.135-0.88853351.13.135MPa壳程圆筒轴向应力0.7675144.518.84433.5MPa换热管与管板连接拉脱应力q=4.33[q]58.510.46713[q]焊接[q]胀接175.5MPa仅有管程压力Pt作用下的危险组合工况(Ps=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)0.00.001266当量压力组合-1.807-1.807MPa有效压力组合-99.34-50.21MPa操作情况下法兰力矩系数-0.00312-0.006173管板边缘力矩系数-0.00312-0.006173管板边缘剪力系数-0.01414-0.02797管板总弯矩系数-0.2238-0.6708系数仅用于时0.097460.292系数当时,按K和m查图31（a）实线当时,按K和m查31（b)0.82981.254系数>0,=;<0,=0.82981.254管板径向应力系数带膨胀节Q为Q=0.0051220.00763 管板布管区周边处径向应力系数=-0.001504-0.004443管板布管区周边处剪切应力系数=0.0061720.006086壳体法兰力矩系数-0.002117-0.003211计算值许用值计算值许用值管板径向应力88.671.5216.766.753433.4MPa管板布管区周边处径向应力56.651.5216.752.223433.4MPa管板布管区周边剪切应力-8.4610.572.24-4.2161.5216.7MPa壳体法兰应力78.021.5216.759.83433.4MPa换热管轴向应力18.921173.1358.443351.13.135MPa壳程圆筒轴向应力1.311144.519.28433.5MPa换热管与管板连接拉脱应力q=9.945[q]58.514.4373[q]焊接[q]胀接175.5MPa计算结果管板名义厚度50mm管板校核通过 前端管箱法兰计算设计条件简图设计压力p1.500MPa计算压力pc1.500MPa设计温度t200.0°C轴向外载荷F0.0N外力矩M0.0N.mm壳材料名称16MnR(正火)体许用应力163.6MPa法材料名称16MnR(正火)许用[s]f157.0MPa兰应力[s]tf144.5MPa材料名称40Cr螺许用[s]b196.0MPa应力[s]tb163.6MPa栓公称直径dB20.0mm螺栓根径d117.3mm数量n24个Di500.0Do640.0垫结构尺寸Db600.0D外544.0D内504.0δ012.0mmLe20.0LA28.0h25.0δ122.0材料类型软垫片N20.0m3.50y44.8压紧面形状1a,1bb8.00DG528.0片b0≤6.4mmb=b0b0≤6.4mmDG=(D外+D内)/2b0>6.4mmb=2.53b0>6.4mmDG=D外-2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa=πbDGy=594540.0N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp=Fp+F=467778.3N所需螺栓总截面积AmAm=max(Ap,Aa)=3033.4mm2实际使用螺栓总截面积AbAb==5637.6mm2力矩计算操FD=0.785pc=294375.0NLD=LA+0.5δ1=39.0mmMD=FDLD=11480625.0N.mm作FG=Fp=139274.8NLG=0.5(Db-DG)=36.0mmMG=FGLG=5013968.5N.mmMpFT=F-FD=33891.8NLT=0.5(LA+d1+LG)=43.0mmMT=FTLT=1457356.4N.mm外压:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);内压:Mp=MD+MG+MTMp=17951950.0N.mm预紧MaW=849751.6NLG=36.0mmMa=WLG=30591524.0N.mm计算力矩Mo=Mp与中大者Mo=28151996.0N.mm 螺栓间距校核实际间距=78.5mm最小间距46.0(查GB150-98表9-3)mm最大间距97.0mm形状常数确定77.46h/ho=0.3K=Do/DI=1.2801.8由K查表9-5得T=1.806Z=4.133Y=8.005U=8.797整体法兰查图9-3和图9-4FI=0.86670VI=0.308270.01119松式法兰查图9-5和图9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查图9-7由得f=1.64327整体法兰=318301.2松式法兰=0.00.2ψ=δfe+1=1.43g=y/T==0.791.57=0.96剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度δf=38.0mm时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力198.80MPa=216.7或=408.9(按整体法兰设计的任意式法兰,取)校核合格径向应力63.54MPa=144.5校核合格切向应力49.54MPa=144.5校核合格综合应力=131.17MPa=144.5校核合格法兰校核结果校核合格 窄面整体(或带颈松式)法兰计算设计条件简图设计压力p1.500MPa计算压力pc1.500MPa设计温度t200.0°C轴向外载荷F0.0N外力矩M0.0N.mm壳材料名称16MnR(正火)体许用应力163.6MPa法材料名称16MnR(正火)许用[s]f157.0MPa兰应力[s]tf144.5MPa材料名称40Cr螺许用[s]b196.0MPa应力[s]tb163.6MPa栓公称直径dB20.0mm螺栓根径d117.3mm数量n24个Di500.0Do640.0垫结构尺寸Db600.0D外544.0D内504.0δ012.0mmLe20.0LA28.0h25.0δ122.0材料类型软垫片N20.0m3.50y44.8压紧面形状1a,1bb8.00DG528.0片b0≤6.4mmb=b0b0≤6.4mmDG=(D外+D内)/2b0>6.4mmb=2.53b0>6.4mmDG=D外-2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa=πbDGy=594540.0N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp=Fp+F=467778.3N所需螺栓总截面积AmAm=max(Ap,Aa)=3033.4mm2实际使用螺栓总截面积AbAb==5637.6mm2力矩计算操FD=0.785pc=294375.0NLD=LA+0.5δ1=39.0mmMD=FDLD=11480625.0N.mm作FG=Fp=139274.8NLG=0.5(Db-DG)=36.0mmMG=FGLG=5013968.5N.mmMpFT=F-FD=33891.8NLT=0.5(LA+d1+LG)=43.0mmMT=FTLT=1457356.4N.mm外压:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);内压:Mp=MD+MG+MTMp=17951950.0N.mm预紧MaW=849751.6NLG=36.0mmMa=WLG=30591524.0N.mm计算力矩Mo=Mp与中大者Mo=28151996.0N.mm 螺栓间距校核实际间距=78.5mm最小间距46.0(查GB150-98表9-3)mm最大间距97.0mm形状常数确定77.46h/ho=0.3K=Do/DI=1.2801.8由K查表9-5得T=1.806Z=4.133Y=8.005U=8.797整体法兰查图9-3和图9-4FI=0.86670VI=0.308270.01119松式法兰查图9-5和图9-6FL=0.00000VL=0.000000.00000查图9-7由得f=1.64327整体法兰=318301.2松式法兰=0.00.2ψ=δfe+1=1.43g=y/T==0.791.57=0.96剪应力校核计算值许用值结论预紧状态0.00MPa操作状态0.00MPa输入法兰厚度δf=38.0mm时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力198.80MPa=216.7或=408.9(按整体法兰设计的任意式法兰,取)校核合格径向应力63.54MPa=144.5校核合格切向应力49.54MPa=144.5校核合格综合应力=131.17MPa=144.5校核合格法兰校核结果校核合格 课程设计总结：通过为期一个月的课程设计，我学到了很多专业方面的知识，如过热器的设计过程及步骤。更重要的是让我体会到了团队合作的价值，自己的设计部分的好坏直接会影响到别人的进度和质量。当然，我也有很多不足的地方，例如：图中有些线形没有统一。Error!Nobookmarknamegiven.：在完成这次课程设计中，我非常感谢各位指导老师细心的辅导，以及本组同学的热情帮助。Error!Nobookmarknamegiven.1.黄振仁，魏新利。《过程装备成套技术设计指南（M）》。北京：化学工业出版社，20012.黄振仁，魏新利。《过程装备成套技术（M）》。北京：化学工业出版社，20003.时钧等。化学工程手册（1.化工基础数据）（M）。北京：化学工业出版社，19894.GB150-1998《钢制压力容器》5.JB/T4700-4707-2000《压力容器法兰》6.HG20592-20635-2009《钢制管兰、垫片、紧固件》7.JB/T4712.1-2007《鞍式支座》'