大连理工大学再沸器设计说明书.doc

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1、大连理工大学本科课程设计再沸器机械设计学 院（系）： 大连理工大学 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连理工大学Dalian University of Technology目 录1 设计基础21.1 项目背景21.2 设计依据21.3 技术来源及授权21.4 项目简介21.5 选择依据32 机械设计42.1 工艺参数计算结果表42.2 换热器结构设计和计算52.2.1 布管方式52.2.2 传热管与管板连接52.2.3 壳体及管箱连接62.2.4 法兰选用62.2.5 管箱计算72.3 换热器机械设计和计算82.3.1 筒体壁厚计算

2、82.3.2 管箱短节封头厚度计算92.3.3 固定管板计算102.3.4 膨胀节设置必要性判断142.4 零部件结构设计及计算152.4.1 支持板152.4.2 拉杆和定距管162.4.3接管172.4.4 接管法兰172.4.5 排液孔192.5 其他结构设计和计算192.5.1 垫片选用192.5.2 支耳选用192.5.3 管箱接管开孔补强校核202.5.4 壳体接管开孔补强校核203 SW-11辅助设计计算结果211 设计基础1.1 项目背景本项目来源于大连理工大学过程装备与控制工程专业大四年级过程工艺与设备课程设计题目； 设计者为过程装备与控制工程专业在校大四学生，与项目发布者为

3、师生关系； 本项目设计装置为立式热虹吸式再沸器。 1.2 设计依据过程工艺与设备课程设计任务书（见附录） 固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0004-2009 压力容器 GB 150-2011 热交换器 GB/T 151-2014 长颈对焊法兰 JB/T 4703-2000 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差 GB/T 17395-2008 钢制压力容器封头 JB/T 4746-2002 承压设备无损检测 NB/T47013-2015 石油化工钢制管法兰用紧固件 SH/T 3404-2013 1.3 技术来源及授权化工单元过程及设备课程设计，匡国柱、史启才主编，化学工业出版社，2002

4、年。 化学化工物性数据手册（有机卷），刘光启、刘杰主编，化学工业出版社，2002年。 化工原理（下册），大连理工大学，高等教育出版社，2009年。 SW6-2011化工设备设计软件 1.4 项目简介精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。板式精馏塔是常见的精馏分离设备，结构上，板式 精馏塔是一圆形筒体，塔内装有多层塔板，塔中部适宜位置设有进料板，两相在塔板上相互接触和分离。在板式塔提馏段底部会设置再沸器，再沸器的作用是将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间的接触传质得以连续进行。正文各级标题编号的示例如图1.1所示

5、。1.5 选择依据再沸器分为立式再沸器、卧式再沸器及内置式再沸器。立式又分为立式热虹吸式、立式强制循环式，卧式分为卧式热虹吸、卧式强制循环式和釜式再沸器。而立式热虹吸式再沸器结构紧凑、占地面积小、传热系数高，塔釜提供气液分离空间和缓冲区，而且此次传热介质较为清洁适合该类型换热器。立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。立式热虹吸再沸器是利用塔底单相釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环。这种再沸器具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，釜液在加热段的停留时间短，不易结

6、垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点。同时，由于结构上的原因，壳程不能采用机械方法清洗，因此不适宜用于高粘度或较脏的加热介质；而且，由于是立式安装，因而会增加塔的裙座高度。 为提高本项目的设计计算准确性，本设计采用了业内常用的化工设备设计软件SW6-2011进行计算校核。2 机械设计2.1 工艺参数计算结果表管程壳程物料名称进口丙烷水蒸气出口丙烷冷凝水流量Kg/h进口27071.283334.55出口27071.283334.55操作温度C进口52.25100出口52.25100操作压力MPa1.8180.1013定性温度C52.25100液体密度kg/m3440958.4导热

7、系数W/mC0.081540.683热容kJ/kgC3.0904.220粘度mPaS0.0710.283表面张力N/m0.00393758.8*10-6气化潜热kJ/kg278.1822258.4气体密度kg/m3250.5970导热系数W/mC0.02050.0237热容kJ/kgC0.124.180粘度mPaS0.00860.0102气化潜热kJ/kg278.1822258.4设备结构参数形式立式台数1壳体内径mm700壳程数1管径mm383管心距mm48管长mm3000排列方式正三角形管数目（根）123传热面积m244.05管程数1接管尺寸mm进口250300出口300200主要计算结果

8、管程壳程流速m/s0.785传热膜系数W/m2C718.111393.73污垢热阻w/m2 K0.0001760.00009阻力损失Pa9378.52热负荷kW2091.873传热温差C47.75总传热系数W/m2C1376.14裕度%38.382.2 换热器结构设计和计算2.2.1 布管方式布管图如下：2.2.2 传热管与管板连接根据设计压力及工作温度等条件，管子与管板的连接采用强度胀接即满足要求。传热管板厚度大于25mm，强度胀接的管孔结构采用双槽。胀接长度假设管板厚60mm min（238，50，60-3）=50（mm）环形槽深度 K=0.6mm所以管板最小厚度为=26mm。2.2.3

9、壳体及管箱连接（1） 管板与壳体的连接延长部分兼作法兰的管板。（2） 管板与管箱的连接按照工艺要求及压力、温度选择法兰形式为长颈对焊法兰，密封面采用凹凸面形式。2.2.4 法兰选用以工艺条件：管侧压力和壳侧压力中的的高值，以及设计温度和公称直径700，按JB4703-2000长颈对焊法兰标准选取。法兰结构尺寸如下（mm）： D3=766 h=35 =50 H=120 d=27。具体数据意义如下：2.2.5 管箱计算（1） 封头选用椭圆形封头曲面高度h1=175mm；直边高度为50。（2） 管箱结构形式根据工艺条件，选用单管程换热器管箱。（3） 惯性结构尺寸确定 管箱最小长度管箱最小长度的确定原

10、则：单程管箱采用轴向接管时，接管中心线上的管箱最小长度大于等于接管内径的1/3，即管箱最小长度计算:进口处：按流通面积计算按各相邻焊缝间的距离计算 管箱无需短节， 出口处：按流通面积计算按各相邻焊缝间的距离计算 管箱最大长度 管箱长度的确定 取进出口处管箱长度均为345。2.3 换热器机械设计和计算2.3.1 筒体壁厚计算由工艺设计给定温度100，设计压力=1.82MPa,选低合金结构钢板16MnR卷制，材料100是的许用应力=163MPa,取焊缝系数=0.9，腐蚀裕度=2mm，则计算厚度 设计厚度名义厚度 6.37+0.8+圆整=7.17+圆整，取=12有效厚度 12-0.8-2=9.2水压

11、试验压力 1.251.821=2.275（MPa）所选材料的屈服应力314MPa水压试验应力校核 （MPa）87.69Mpa0.9=0.93141=282.6（MPa） 水压强度满足要求。气密试验压力 =1.82MPa2.3.2 管箱短节封头厚度计算由工艺设计给定实际参数为：设计温度100，设计压力1.82MPa，选用16MnR钢板，材料许用应力=163Mpa，屈服强度314MPa，取焊缝系数=0.85，腐蚀裕度=2。计算厚度 设计厚度 名义厚度 +圆整，结合考虑开孔补强及结构需要取=12mm有效厚度 所选材料的屈服应力314MPa水压试验应力校核 （MPa）9987Mpa0.9=0.9314

12、1=282.6（MPa） 水压强度满足要求。管箱封头取用厚度与短节相同，取=12mm2.3.3 固定管板计算按GB151-2014中7.4.6固定管板式热交换器管板计算。管板与管箱、筒体选用e型连接方式。设计工况为第四类。确定布管方式及各元件结构尺寸：圆筒内径壳程圆筒管箱圆筒管箱法兰：，换热管：d=38mm，n=157，S=48mm，L=3000mm，（1）按式计算以下参数0.10（2）按GB150.3-2011第7章算出以下参数查得20下20号钢b=118Mpa。对于延长部分兼做法兰的管板计算（3）假定管板计算厚度=58mm，法兰凸缘厚度按式计算对于e型连接由图7-12查得m1=0.705由

13、图7-13查得G2=3.8由图7-14查得m2=1.65由图7-15查得G3=0.13壳程压力作用管程压力作用经计算比较壳程较大，顾按壳程计算由图7-16a)查得其中c1=0.06c2=-0.5c3=0.2157c4=-0.988c5=0.6571c6=-0.1389k=2所以 计算管板应力另还需计算壳程压力作用MPa管程压力作用取壳程压力作用计算校核：q=-3.72小于4符合要求小于181MPa，符合要求小于0.5*181=90.5MPa，符合要求故，管板计算厚度满足强度要求，实际管板厚取为60mm。2.3.4 膨胀节设置必要性判断（1）管子拉脱力计算a. 在操作压力下，每平方米胀接周边所产

14、生的力：式中 b. 温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力：式中 则 由已知条件可知，与的作用方向相反，则合拉脱力： 因此，拉脱力在许用范围内。（2）计算是否安装膨胀节根据钢制管壳式换热器设计规定，条件成立，故本换热器不必设计膨胀节。2.4 零部件结构设计及计算2.4.1 支持板本换热器由于有相态变化，无需折流板板，故采用弓形支持板，形式与折流板相同。弓形支持板在液体流动中死区较少，比较优越，结构比较简单。由工艺设计给定筒体内径为700mm，按筒体内径为700mm做排管图，认定取Di=700mm合适。同时工艺设计的有关参数计算应重新做修正。以固定管板兼作法兰的结构形式设计，依工艺条件：管侧压

15、力和壳侧压力中的高值，以及设计温度和公称直径700，按JB4732-92长颈对焊法兰标准选取法兰，材料为16Mn，管板选用结构尺寸如下（mm）： DN=700 D=860 D1=815 D2=776 D3=766 D4=763 =66 1=16 H=210 a=21 a1=18 d=27螺柱： d=27mm 规格 M24 数量 28管子与管板采用强度胀接连接换热管外径 槽深K=0.6mm （1） 弓形支持板主要几何参数切口尺寸约为%=20%800=160档板间距B=（1/51）=160800取B=600取靠近管板的支持板与管板间距离的尺寸 进口 假设壳程接管进口位置最小尺寸L1=300mm，由

16、于无防冲板，取B2=di=300mm，假设管板厚度b=60,得(L1+B2/2)-(b-4)+(20100)()=(300+300/2)-56+(20100)=414494() 取l=600出口假设壳程接管进口位置最小尺寸L1=300mm，由于无防冲板，取B2=di=200mm，假设管板厚度b=60,得()-(b-4)+(20100)()=(300+200/2)-56+(20100)=364444() 取（2） 支持板厚度根据壳体直径、换管无支撑长度，取支持板厚度为5。（3） 支持板孔管支持板的管孔直径 按GB151规定，取孔管直径为d=38+0.7（）管孔中心距 管孔中心距为48管孔加工 支

17、持板上管孔加工后两端必须倒角0.5452.4.2 拉杆和定距管（1）拉杆的结构形式支持板采用拉杆定距管结构与管板固定。（2）拉杆直径、数量和尺寸根据换热管外径及再沸器公称直径选取拉杆直径为16，数量为6个，在换热器中均匀分布。拉杆尺寸 拉杆螺纹公称直径拉杆直径16 20 60管板上拉杆孔深 =20，拉杆长度2480mm拉杆示意图：定距管形式与换热管相同。2.4.3 接管（1）接管直径考虑流速及=（1/31/4）=250mm的原则选取管程接管内径分别为进口处250，出口处300；壳程接管内径分别为进口处300、出口处200，选20号钢。（2）接管高度 （） 接管法兰厚度h最大为38mm,接管法兰

18、螺母厚度h1=22，未设保温层，故=0 故（3）接管位置最小尺寸壳程接管位置最小尺寸进口 300/2+（60-4）+50=256（）取260mm出口 200/2+（60-4）+50=206（）取210mm进出口处L1大小与前面计算支撑板与管板距离时假设值相近，故所计算靠近管板的支持板与管板间距离符合要求。2.4.4 接管法兰按HG20593-97标准选用(PN=2.5MPa)管程：进口管：接管直径=250mm法兰选用 板式平焊钢制管法兰公称直径DN法兰外径D法兰内径B螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th250mm425mm ,276.5mm370mm30mm12M27出口管：接管

19、直径=300mm法兰选用 板式平焊钢制管法兰公称直径DN法兰外径D法兰内径B螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th300mm485mm ,328mm430mm30mm16M27壳程：进口管：直径=300mm法兰选用 板式平焊钢制管法兰公称直径DN法兰外径D法兰内径B螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th300mm485mm ,328mm430mm30mm16M27出口管：直径=200mm法兰选用 板式平焊钢制管法兰公称直径DN法兰外径D法兰内径B螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th200mm360mm ,222mm310mm26mm12M242.设备法兰：

20、由压力Pc=1.82MPa,选用PN=2.5MPa选用长颈对焊法兰垫片结构形式：选用缠绕垫片（A）形式，垫片尺寸：宽度d由DN=700mm,PN=2.5MPa垫片的外径D=765mm垫片的内径d=725mm，内环直径D1=705mm法兰为凹凸面密封，法兰螺栓孔跨中布置。2.4.5 排液孔为提高传热效率，排除或回收工作残液，在换热器壳程和管程的最高，最低点，分别设置排气、排液接管，排液接管的端部与壳体内部平齐。本换热器壳程排液口采用在管板上开设直径为20的孔。2.5 其他结构设计和计算2.5.1 垫片选用管箱垫片根据管程操作条件（压力1.82MPa，温度52.25）选石棉橡胶垫。结构尺寸为D=7

21、65，d=725，厚度4.5mm。（2） 量和单位不用中文名称，而用法定符号表示。2.5.2 支耳选用公称直径mm，采用两个支座。根据JB/T4712-2000 BN型，确定尺寸如下：（单位）高度 H=160底板 筋板 垫板 地脚螺栓 规格M20 2.5.3 管箱接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法，由工艺设计给定的接管外径为300，考虑实际情况选20号碳素钢管=130MPa，300，=2。接管计算壁厚 =2.35（） 接管名义壁厚nt=t+C1+C2+圆整=2.35+1+2=6接管有效壁厚 6-1-2=3（）开孔直径 30026=288（）接管有效补强宽度 2288=576（）接管外侧有

22、效补强高度 mm需要补强面积 2884.63=1332.868（2）可以作为补强的面积为（576288）（9.24.63）1316.16（）（2）（2）该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。2.5.4 壳体接管开孔补强校核开孔补强采用等面积补强法。由工艺设计给定的接管外径为300，考虑实际情况选20号碳素钢接管计算壁厚 接管名义壁厚nt=t+C1+C2+圆整=0.617+1+2+圆整，取6mm接管有效壁厚 开孔直径 接管有效补强宽度 接管外侧有效补强高度需要补强面积 可以作为补强的面积为尚需另加的补强面积为 该接管补强的强度足够，不需另设补强结构。故200接管也无需另加补强圈。3 SW-11辅助设计计算结果