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1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)脱乙烷塔再沸器设计Disign of Reboiler to Deethanizer Tower学 院：机械工程学院 专业班级：过程装备与控制工程 装备092 学生姓名： 学 号： 指导教师：（讲师） 2013 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要脱乙烷塔再沸器设计摘 要：本设计根据设计条件选用U形管式换热器，这种换热器结构结构坚固、可靠性高、适用性广、易于制造、处理能力大、生产成本低、选用的材料范围广、换热表面的清洗比较方便能承受较高的压力和温度。此篇文章主要介绍了再沸器的机械设计相关的设计过程。主要包括确定换热器的换热管、壳体、封头、管箱、法兰、接管、管板、
2、支持板、折流板以及其他零部件的结构尺寸和材料，并对换热器的受压元件进行了强度校核。关键词：再沸器；机械设计；强度校核毕业设计（论文）外文摘要Disign of Deethanizer ReboilerAbstract: According to the design conditions for using U tube type heat exchanger, this heat exchanger structure, firm structure, high reliability, wide applicability, easy to manufacture, large proce
3、ssing capacity, low production cost, wide range of materials, heat transfer surface cleaning is more convenient to withstand higher pressure and temperature. This cheat this paper mainly introduces the reboiler of the design process of mechanical design. Mainly includes the determination of heat exc
4、hanger, heat exchange tube shell, head, pipe, flange, takeover, tube plate, support plate and baffle plate, and other parts of structure size and material, and has carried on the intensity of pressure parts for heat exchanger respectively.Keywords: Reboiler；Machine design；Strength check目 录1 绪论11.1 换
5、热器概述11.2 换热器目前的研究和发展动向12 换热器的结构设计和强度计算2 2.1 已知条件22.2 换热管32.3 换热器筒体封头与管箱42.4 接管的选择82.5 法兰的选用82.6 垫片的选择102.7 管板102.8 折流板和支承板设计142.9 拉杆的形式162.10 防冲挡板172.11滑道172.12分程隔板172.13中间挡板172.14 开孔补强182.15支座选取27结论 30致谢 31参考文献321 绪论1.1换热器概述换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较高的流体 ， 使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺工程规定的指标。换热器按照传热原理或传
6、热方式可以分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器、中间载热体式换热器。其中间壁式换热器最为常用。在间壁式当中管壳式换热器最为常用。管壳式换热器又分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器，填料函式换热器、釜式重沸器。本设计的重沸器是U型管式换热器。1.2目前换热器的研究和发展动向1.2.1物性模拟研究 换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基
7、本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。1.2.2.分析设计的研究 通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。1.2.3.大型化及能耗研究 换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传
8、热面积将达到单位10000，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50以下。1.2.4.强化技术研究 各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、高温喷流式换热器、
9、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。1.2.5.新材料研究 材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。1.2.6.控制结垢及腐蚀的研究 国内污垢数据基本上是20世纪6070年代从国外照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的
10、突破。保证装置低能耗、长周期运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术成为主导。 2 换热器的结构设计和强度计算2.1已知条件 表1 设计参数 名称 管程 壳程 物料名称 热水 脱乙烷塔底油 工作压力（） 0.5 2.785 工作温度 （） 68 换热面积（） 395 表2 管口表 符号 工称尺寸 公称压力 连接面型式 通途名称 150 热水入口 200 热水出口 250 脱乙烷塔底油入口 250 脱乙烷塔底油出口2.2换热管2.2.1换热管数目确定 此种U形管选用的10号钢管，管长选为5m。 由公式（2-1）
11、 （2-1）得 根管子长度考虑到需要安排12拉杆及布管方便，取实际管束为1068根。则所需的U管根数为528根。查参考文献1得换热管布管要求：1. 尽可能使各管程换热管数大致相等；2. 分程隔板槽型形状简单，密封面长度较短。根据要求管程数为8，流动方向如图1；前端管箱隔板（介质入口侧）如图2；后端隔板结构如图3。 图1 流动方向 图2 前端管箱隔板 图3 后端隔板结构2.2.2确定管子排列方式和管间距的换热管在管板上的排列有正三角形排列（如图4a）、转角正三角形排列（如图4b）、正方形排列（如图4c）、转角正方形排列（如图4d）四种排列方式。各种排列方式都有其各自的特点，正三角形排列形式可以在
12、同样的管板面积上排列最多的管数，但管外不易清洗，为了便于清洗可以采用正方形或转角正方形排列。为了便于管子的清洗选用正方形排列。查考文献1得换热管中心距不小于1.25倍的换热管外径。中心距： （2-2）取为32mm。 a 正三角形排列 b 转角正三角形排列 c 正方形排列 d 转角正方形排列 图4 换热管排列方式查表3 表3 换热管中心距 换热管外径d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 换热管中心距s 13 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72分成隔板槽两侧相 邻管中心距 28 30
13、 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80 取分程隔板槽两侧相邻管中心距 。U型管换热器的最小弯曲半径大于既最小弯曲半径大于50mm.取最内层的弯曲半径为50mm。2.3换热器筒体、封头与管箱2.3.1筒体内径 由公式计算 （2-3）为换热管间距，由上面可知。位于管束中心线上的管数。管子按正方形排布时，查考文献2 （2-4）为最外层管子的中心到壳壁边缘距离。 （2-5） 取筒体内径。2.3.2换热器筒体及封头壁厚计算由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择Q345R为壳体与管箱的材料。Q
14、345R是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。查参考文献1得设计压力为工作压力的1.051.1倍。工作压力为2.785，取设计压力为工作压力的1.1倍。则设计压力为3.0635，根据工艺要求取壳程的和管程设计压力均为。因为最高工作温度为100取设计温度为130。焊接采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数。查参考文献2设计温度为130时Q345R的。取钢板的厚度负偏差，腐蚀余量。 （2-6） 则筒体的壁厚为： （2-7）取为24mm。则有效厚度为：由标准椭圆
15、封头计算，与筒体相连的封头承受的内压为3.6MPa： （2-8） 取封头厚度为24mm。有效厚度：标准椭圆封头如图5所示 图5 标准椭圆封头 表4 椭圆封头参数 公称直径 曲边高度 直边高度 壁厚 内表面积 容积 质量 1400 350 25 24 2.33 0.436 458 根据JB1154-73标准取上下封头均为Dg140024,参数如图表4，材料选用与筒体相同的材料Q345R。 2.3.3管箱壁厚计算 换热器的管箱选用材料为Q345R，该材料在设计温度下的，焊接采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数，设计压力，钢板厚度负偏差，腐蚀余量，则。管板名义厚度：圆整后取。 有效厚度： 2.
16、3.4 管箱封头的计算 由标准椭圆封头计算，与管箱相连的封头承受的内压为3.6MPa： 取封头厚度为24mm。 有效厚度： 表5 椭圆封头参数 公称直径 曲边高度 直边高度 壁厚 内表面积 容积 质量 1400 350 25 24 2.33 0.436 458 根据参考文献8，取上下封头均为Dg140024,参数如图表4，材料选用与筒体相同的材料Q345R。2.3.5换热器水压试验及壳体校核查参考文献1得水压试验压力： （2-9）取水压试验压力为。其中： P 设计压力（）； 换热器原件在试验温度下的许用应力()； 换热器元件在设计温度下的许用应力()。 试验温度为常温 设计温度为 材料的屈服极
17、限 圆筒与管箱的水压试验应力 （2-10） 椭圆封头水压试验应力 （2-11） 查参考文献1可知 （2-12） 所以壁厚满足要求，水压试验安全。2.4接管的选择 根据管口表所给参数选取相应的接管，热水入口和热水出口的公称直径DN150,查参考文献3选取接管为尺寸为的20号钢钢管，长度。脱乙烷底油入口公称直径DN200,查参考文献3选取接管尺寸为的20号钢钢管，长度。脱乙烷底油出口公称直径DN250,查取参考文献3选取接管尺寸为的20号钢钢管。排气液口公称直径为DN40,选取接管尺寸为的20号钢钢管。2.5法兰的选用2.5.1容器法兰的选取 查参考文献4表1可得，公称直径为1400mm，设计压力
18、3.6。选用长径对焊法兰如图6. 查参考文献4表1，得到法兰的相关参数如表6所示。 表6 法兰参数表 公称直径 法 兰 尺 寸 mm DN mm 1400 1650 1580 1529 1509 1506 130 230 64 26 23 26 42 18 39 图 6 容器法兰 2.5.2接管法兰的选用根据所选的接管选择相应的法兰，查参考文献3选择法兰。热水入口和热水出口的接管为mm法兰参数如表7所示。 表7 接管法兰 公称 钢管 连接尺寸 法兰 直径 外直径 法兰外径 螺栓孔中 螺栓孔 螺栓孔 螺纹 法兰 法兰 法兰 mm mm mm 心圆直径 直径 数量 厚度 内径 重量 150 159
19、 265 225 18 8 M16 20 165 4.98 脱乙烷底油入口选用接管为，查参考文献3选择法兰如表8所示。 表8 接管法兰 公称 钢管 连接尺寸 法兰 直径 外直径 法兰外径 螺栓孔中 螺栓孔 螺栓孔 螺纹 法兰 法兰 法兰 mm mm mm 心圆直径 直径 数量 厚度 内径 重量 200 219 320 280 18 8 M16 22 226 6.61 脱乙烷底油出口选用接管为，查参考文献3选择法兰如表9所示。 表9 接管法兰 公称 钢管 连接尺寸 法兰 直径 外直径 法兰外径 螺栓孔中 螺栓孔 螺栓孔 螺纹 法兰 法兰 法兰 mm mm mm 心圆直径 直径 数量 厚度 内径
20、重量 250 273 275 335 18 12 M16 24 281 8.542.6垫片选择设备垫片主要有：非金属软垫片、缠绕垫片和金属包垫片。一般情况下，非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面或凹凸密封面。缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面、凹凸密封面及榫槽密封面。金属包垫片适用于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面、凹凸密封面及榫槽密封面。 查参考文献5选择带内加强圈的垫片垫片接触宽度N=43mm。查参考文献6得垫片的尺寸参数。基本密封宽度 （2-13）因为所以有效密封宽度 （2-14）
21、当时，等于垫片的接触外径将去。 （2-15）2.7管板2.7.1确定管板尺寸 查参考文献1所选择的管板为a型管板，很据相应的计算公式计算管板的尺寸 在布管区域内因设置隔板槽和拉杆结构的需要而未能被换热管支承面积。 由于此换热器是八管程换热器，具有四个隔板槽，其中有两个隔板槽是相同的查得计算公式： （2-16） 分别计算不同隔板槽。 （2-17）布管区域面积 （2-18）管板布管区当量直径 （2-19）垫片压紧力作用中心圆直径查参考文献1第九章，有前面可知查参考文献1得 （2-20）其中查参考文献1表22得。在管板受到单方面作用时所受的最大压力为。由公式 （2-21）其中垫片压紧力作用中心圆直径
22、；管板强度消弱系数，取0.4；设计压力下管板材料的许用应力，查的。考虑到材料的负偏差及腐蚀余量的影响取管板厚度为170mm。2.7.2换热管的轴向应力查参考文献1得 （2-22）管程设计压力；壳程设计压力；一根换热管金属的横截面积。 只有壳程设计压力时管程压力 只有管程设计压力时壳程压力 当管程和壳程同时存在压力时设计温度下换热管的热应力由上述可知换热管安全2.7.3管板与管子的连接管板与管子的连接（图7）采用胀焊并用查参考文献7表26得。换热管与管板连接的拉脱力 （2-23）换热管胀接长度，。许用拉脱力。2.7.4布管限定圆由前面所得到的尺寸参数，可以确定布管限定圆的直径。查参考文献1可以得
23、到相关的参数表10、表11、表12。 （2-24）因为所以取。又因为所以取，取，取，则布管限定圆直径为1380mm。 表10 布管限定圆 换热器形式 固定管板式、U形管式 浮头式 布管限定圆直径 表11 布管限定圆参数1 表12 布管限定圆参数2 5 图7 管子与管板连接结构2.8折流板和支持板设计2.8.1折流板和支承板尺寸常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，考虑到此换热器的特殊形式设计特殊的折流板。折流板尺寸如图8。2.8.2折流板和支撑板间距查表13得折流板和支承板最大无支承跨距为1850mm，取折流板和支承板的间距为1182mm。 表13 最大无支承跨距换热管外直径 m
24、m 10 12 14 16 19 25 32 38 45 47最大无支承跨距 mm 1100 1300 1500 1850 2200 2500 2750 3200 表14 折流板最小厚度公称直径 换热管无支撑跨距 DN 折流板或支持板最小厚度 6 8 10 12 16 16图8折流板图2.8.3折流板和支承板的厚度 查表14得的折流板的最小壁厚为12mm。则取折流板和支承板的厚度为12mm。2.8.4折流板和支承板管孔查表15得出支承板管孔直径为25.4mm，有拉杆通过的管孔为。 表15折流板支承板管孔换热管外径或无支撑跨距 或 且 管孔直径 允许偏差 2.8.5折流板和支承板的公称直径查表1
25、6得出折流板和支承板的直径为1392mm。 表16折流板和支承板直径 公称直径 折流板名义外直径 DN-2.5 DN-3.5 DN-4.5 DN-6 DN-8 DN-10 DN-12 折流板外直 0 0 0 0 径允许偏差 -0.5 -0.8 -1.2 -1.42.9拉杆的形式 折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有如下几种：1）采用全焊接方式，拉杆一端插入管板并与管板焊接，每块折流板间距固定后与拉杆焊接固定。常用于拉杆与折流板为不锈钢结构或换热管外径14mm的管束。2）采用拉杆定距管结构，拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一
26、块折流板与拉杆焊接；也有的是最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热器后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常用。3）螺纹与焊接相结合，拉杆一端用螺纹拧入管板，然后将每块折流板焊在拉杆上，同样不需要定距管，适于换热管外径14mm的管束。4）定距螺栓拉杆，靠一节节定距螺栓将折流板夹持而达定距及固定折流板的目的。定距螺栓分A、B两种形式，A型是与管板连接的定距螺栓，其两端均为螺栓，B型是两折流板之间采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，该结构安装简单方便，间距正确。本装置的换热管外径为25mm，换热器直径为1400mm，根据上述所说选用拉杆定距管结构。
27、查表17得到拉杆直径，表17得出拉杆数量为12根，表18确定拉杆的尺寸，具体尺寸见零件图。 表17 拉杆直径换热管外经d 拉杆直径 10 12 16 表18拉杆数量 公称直径 拉杆直径 10 4 6 10 12 16 12 4 4 8 10 12 16 4 4 6 6 8 表19拉杆尺寸拉杆直径 拉杆螺纹公称直径 10 10 13 1.5 12 12 15 2.0 16 16 20 2.0 2.10防冲挡板查参考文献1得防冲挡板的设计要求a. 防冲档板外表面到圆筒内壁的距离应不小于接管外径的1/4b. 防冲挡板的直径或边长应大于接管外径50mmc. 防冲挡板的最小厚度，碳钢4.5mm，不锈钢3
28、mmd. 防冲挡板的固定形式：1两侧焊在定距杆或拉杆上也可焊在靠近管板的第一块折流板上；2防冲板焊在圆筒上；3用U形螺栓将防冲挡板固定在换热管上由以上条件设置防冲板的尺寸为，焊接在定距杆上。2.11滑道滑道的结构采用滑板，厚度为20mm。滑板焊在折流板上和支承板的槽内，在直径方向高出折流板0.51mm，并与管束成一整体。具体尺寸见零件图。2.12分层隔板因为此换热器是8管程换热器，在管箱中需要设置设置分层隔板将流体隔开。材料选为Q345R，查表20能得出隔板的厚度为14mm。具体的连接尺寸见零件图。2.13中间挡板为了让流体与换热管充分换热，在U型管中间设置4块中间挡板。中间挡板与折流板点焊固定，在折流板下设置筋板。中间挡板的尺寸为。 表20隔板厚度 mm 公称直径 隔板最小厚度 DN 碳素钢及低合金钢 高合金钢 8 6 10 8 14 10 14 102.14开孔补强2.14.1出料口的开孔补强根据管口数据DN200表查参考文献3选用管子的外径为273mm，根据参考文献7选取的接管，管子长为，查参考文献3得圆筒开孔所需面积： （2-25）圆筒开孔处的计算厚度， 。强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当该值大于1.0时，取。 （2-26）
