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1、大连理工大学本科毕业设计（论文）扬子30万t/年乙烯装置丙烯精馏塔再沸器设计Design of Propylene Rectifying Column Reboiler in Yangzi Ethylene Plant学部（学院）： 化工机械学院 专 业： 过程装备与控制工程 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摘 要该设计为扬子30万t/年乙烯装置丙烯精馏塔设计了再沸器。论文首先收集了国内外诸多近期关于再沸器的文献，指出了现阶段再沸器存在的问题与解决方法，并展望了未来的发展
2、方向。论文从选型方面，对各种再沸器的优缺点进行了详细的分析与比较，并结合实际生产情况，确定使用釜式再沸器。在工艺设计方面，使用管内无相变传热公式和莫斯廷斯基管外传热公式，确定了合适的尺寸，避免再沸器尺寸过大，且裕度合适。设计中的强度设计依照GB150-1998和GB151-1999，按照TEMA-1998设计了浮头管板，并校核了振动失效。经计算，所有设计均安全。此外，文中还对新旧设计进行比较，从经济性，可靠性与维护方面进行分析。经济性方面，成本费与加工费合计约为80万人民币。相比较，原设计的设备成本比新设计要低。可靠性和维护性方面，由于釜式再沸器有着相当的缓冲能力，而且不存在热应力，其可靠性好
3、。另外由于壳程是可拆结构，有利于壳程的清洗，对设备的持续工作有利。所以，新设计在可靠性与维护性方面有优势。关键词：工艺设计；强度设计；经济性分析Design of Propylene Rectifying Column Reboiler in Yangzi Ethylene PlantAbstract The reboiler of propylene rectifying column in Yangzi ethylene plant is designed in this work. Firstly, the literatures about reboiler both at home
4、and abroad are collected in this work, point out the exiting problem of rebioler and the possible solutions. It also prospects the future direction of its development. In the part of model selection, this designation has made a fully comparison and analysis of all kinds of reboiler. And after seriou
5、s consideration of the reality, designer decides to use kettle reboiler. In process design part, designer uses no-phase-change Heat Transfer Tube Formula and Mosdingski Heat Transfer Tube Formula. The result is pretty appropriate because it avoid the oversize of the reboiler. In the strength design
6、part, this designation fully obeys the standard of GB150-1998 and GB151-1999. TEMA-1998 standard is also used in the designation of floating head tube sheet. After that, designer checks the possibility of vibration failure, which shows a total safety of all the designation. Whats more, the compariso
7、n between the new reboiler and the old one is made. In economy part, the material cost and manufacturing cost is nearly 800,000RMB. It is shown that the old designation is cheaper than the new one. In reliability and maintenance part, because kettle rebioler has a considerable buffering capacity and
8、 has no thermal stress, its reliability is better. Whats more, the kettle rebioler is detachable which could convenient the wash and fix job. So the new designation has more advantage in reliability and maintenance.Key Words：Process Design；Strength Design；Economy Analyze目 录摘 要IAbstractII1 文献综述11.1 再
9、沸器的主要种类、特点及其应用场合11.1.1 釜式再沸器11.1.2 塔内置式再沸器11.1.3 水平热虹吸再沸器21.1.4 立式管侧热虹吸再沸器31.1.5 立式壳侧热虹吸再沸器31.1.6 强制流动再沸器41.2 再沸器存在的问题及其解决61.2.1 腐蚀泄漏问题61.2.2 振动失效问题81.2.3 焊接问题91.3 再沸器优化设计101.4 论文结构132 再沸器工艺设计142.1 设计背景142.2 再沸器选型162.3 工艺设计172.3.1 设计任务与设计条件172.3.2 估算设备尺寸172.3.3 传热系数的校核202.3.4 阻力校核222.4 工艺设计结果253 再沸器
10、结构与强度设计273.1 筒体273.1.1 大端壁厚273.1.2 锥壳壁厚273.1.3 封头283.2 管箱283.2.1 短节283.2.2 封头283.2.3 结构尺寸303.3 补强303.3.1 管箱接管303.3.2 壳体进料接管313.3.3 壳体气相出口接管323.3.4 壳体液相出口接管323.4 固定管板333.4.1 计算各参数333.4.2 确定管板设计压力333.4.3 计算无量纲数343.4.4 计算管板厚度343.4.5 校核轴向应力353.4.6 校核拉脱力363.5 浮头363.5.1 浮动管板计算363.5.2 浮头盖计算383.5.3 浮头计算结果41
11、3.6 折流板，拉杆，滑道423.7 振动423.8 支座443.9 强度设计结果454 个人重点设备费用与经济性分析464.1 设备费用估算464.2 操作费用评估484.3 可靠性评估484.4 设备维护49结 论50参 考 文 献51附录A 符号说明52致 谢541 文献综述1.1 再沸器的主要种类、特点及其应用场合再沸器是精馏工艺中的核心装备之一，属于换热器的范畴，但是由于在其中发生了相变，其设计、施工、维修和管理方面也与日常的无相变换热器有所不同。再沸器就其形式而言，可分为交叉流和轴向流两种类型。在交叉流类型中，相变过程全部发生在壳程。最常用交叉流再沸器的有釜式再沸器、内置式再沸器和
12、水平热虹吸再沸器。在轴向流类型中，沸腾流体沿轴向流动，在管程完成汽化过程。最常用的轴向流再沸器为立式热虹吸再沸器。当热虹吸再沸器的循环量不够时，则使用泵来增加循环量，这时，称之为强制流动再沸器。强制流动再沸器既可以为立式结构，也可以为水平结构。通常，立式热虹吸再沸器和强制流动再沸器的沸腾过程均发生在管程，但在特殊的应用场合，沸腾过程也可发生在壳程。下面就各种类型再沸器的优缺点及应用作一较详细的分析1。1.1.1 釜式再沸器釜式再沸器（图1.1）壳体为大小端圆柱形壳体结构，通过锥形壳连接。其汽液分离过程在壳程中进行。为保证管束完全浸没在液体中，通常在管束的外侧设一挡板，维持壳程液位。换热管束通常
13、为双管程的U 形管结构，当壳程液体较脏，为了方便清洗也可以使用浮头式换热管。釜式再沸器非常适合应用在汽化量大，沸点范围宽的场合。图1.1 釜式再沸器示意图 1.1.2 塔内置式再沸器塔内置式再沸器（图1.2）的特点是将管束直接插入蒸馏塔的塔底液池中，其他同釜式再沸器一样。其应用场合类似于釜式再沸器，但是也有相当的限制，即塔或塔釜直径大，釜液洁净不易结垢的工况。图1.2 塔内置式再沸器示意图1.1.3 水平热虹吸再沸器热虹吸，顾名思义，是利用塔底液再沸过程密度变小（主要是部分汽化的缘故），从而和塔内液体产生密度差，进而获得稳定而持续的推动力，使得再沸过程得以持续。热虹吸再沸器是自然循环式，不需要
14、外加能源，易于控制，所以几乎可以用于任何精馏装置中。其局限性是不宜用于粘性大、有特殊结垢倾向的介质（这主要是因为热虹吸再沸器由于结构原因，一般都设计成固定管板式，其壳程的清洗是相当困难的）以及热源温度不稳定、或再沸器前后过程不稳定的场合，另外热虹吸再沸器的汽化率要控制在一个较小的（10%20%）范围内。而且，对于管内外流体温差较大的情况下，需要增设膨胀节。总之，热虹吸式再沸器是目前最广泛应用，使用经验最丰富的再沸器形式。图1.3 水平热虹吸再沸器示意图 水平热虹吸再沸器（图1.3），其加热介质在管内流动，管程即可以是单流程，也可以是多流程。在设计时，对于沸点范围较宽的流体，应设水平折流板，以防
15、止轻组分在进口处闪蒸及重组分在出口处浓缩。为了防止流动阻塞，流动不稳定，应对最大热流密度加以限制。该型再沸器适用于中等压力、中等温差及低静压头的场合。1.1.4 立式管侧热虹吸再沸器即立式热虹吸再沸器（图1.4），是应用范围最广泛的再沸器形式。沸腾过程可以发生在管程，也可以在壳程。立式管侧热虹吸再沸器的沸腾过程发生在管程，加热介质在壳程，两相流混合物以较高的流速由排出管流向塔内。出口管的流通截面应与管束总的过流面积一样大，出口管的压降应小于总压降的30%。出口管既可由沿轴向的大直径弯管和塔连接，也可采用管箱侧面开口。试验表明，出口管的结构对再沸器的性能影响很小，但出口管过流面积过小对再沸器的性
16、能影响很大3。流动循环的驱动压头由塔釜的液面压头提供。通常，塔釜液面和再沸器的上管板在一个水平面上。对于真空条件，塔内液面高度可为管束长度的0.50.8 倍，这样可减少再沸器的过冷长度。为消除在低压头和高热流条件下发生的流动不稳定性，应在供液管路上安装阀门或孔板。对于碳氢化合物，最佳的出口干度应在0.10.35，而对于水和水溶液，出口干度应在0.020.1。管径和管长的选择应保证有足够的循环量，防止发生干涸。图1.4 立式管侧热虹吸再沸器示意图立式热虹吸式再沸器仍然属于固定管板式换热器，是无法对热应力进行补偿的。因此对于温差较大的工况，只能通过采取加膨胀节的方法，这对控制成本是不利的。所以，其
17、最佳适用条件为纯组分、中等压力、中等温差、中等热流及易结垢的场合。1.1.5 立式壳侧热虹吸再沸器立式壳侧热虹吸再沸器（图1.5）沸腾过程发生在壳侧。壳侧装有折流板，以使流体纵向流动。垂直壳侧再沸器适用于加热介质不适宜放在壳侧的场合。例如，对于废热锅炉，由于加热流体的腐蚀性，因而要节省特殊的金属材料，加热介质走管程较为合适。图1.5 立式壳侧热虹吸再沸器示意图该类再沸器的设计，应使沸腾侧的流动均匀分布，以避免死区的出现，防止汽态和高沸点组分的积聚，设计时应使两相混合物以均匀的高流速流经管板。该类型再沸器的最佳应用场合为中等压力、中等温差条件下的纯组分的蒸发，且加热介质必须放在管内侧的工况，例如
18、加热介质压力很大的情况。1.1.6 强制流动再沸器强制流动再沸器（图1.6）沸腾过程发生在管内侧，卧式立式均可以。流体循环的动力由大容量泵提供。强制流动再沸器的最佳应用场合为有严重结垢倾向和有极高粘性的流体。因为可以泵可以使流体保持很高的流速和非常低的蒸发率，使结垢的速率大大减小。但泵的造价和能源消耗都很高，故而使用受到一定限制，适用场合不甚广泛1，2。图1.6 强制流动再沸器示意图表1.1 各型再沸器优缺点一览表种类优点缺点釜式再沸器1对操作条件的变化不敏感，可达到很高的汽化率，很低的温差。2在真空下或接近临界压力下操作时，设计比较可靠。3无热应力，结构可靠，清洗方便。1壳程液体在再沸器内停
19、留时间长，湍流度低，是所有再沸器中最容易结垢的。2. 占地面积大，耗费金属多，造价高。内置式再沸器1.受水力环境的影响很小，可使用低品位热源。2省去了壳体及连接管路等附件，是所有类型再沸器中造价最低的。3. 无热应力，结构可靠。1比较容易结垢。2对塔釜设计不利，往往使塔釜过大，不利于操作和开停车。3不适宜经常拆洗维护。水平热虹吸再沸器1不需要外加能源，易于控制，几乎可以用于任何精馏装置中。2有较高的循环率，较高的流速和较低的出口干度，从而防止了高沸点组分的积聚和降低了结垢的速率。3管束为水平方向布置，且流动面积易于控制，因而需要的静压头较低，这就降低了塔釜的高度，对精馏塔的设计有利。1不宜用于
20、粘性大、有特殊结垢倾向的介质。2由于无法进行很大的热补偿，不适宜温差大，热应力大的场合。3壳程结垢后很难清洗。4由于折流板及支撑板的影响，在高热流条件下，有可能发生局部的干涸现象。对于大型热虹吸再沸器，为了使流动分布均匀，往往需设多个管口和连接管件，这也势必增加了再沸器的造价。5水平热虹吸再沸器相对于立式再沸器，其占地面积大。立式热虹吸再沸器1应用最为广泛，使用经验最为丰富。2循环速度高，不仅传热膜系数高于水平式，而且有很好的防垢作用，特别适用于高分子材料。1垂直管不易拆卸、清洗及维修,尤其是管程结垢不易清洗。2塔底液面高度大约与再沸器上部管板在同一水平面上，这就提高了塔底的高度，使塔体造价增
21、大，尤其是高大的塔。3. 立式热虹吸再沸器对操作条件要求高，对于高真空和高压力(近临界压力)及高粘度的宽沸点的条件，设计的难度很大。4由于无法进行很大的热补偿，不适宜温差大，热应力大的场合。强制流动换热器1由于油泵提供能量，管内流体流速快，不易结垢，适合严重结垢和极高粘性的流体1泵的造价和能源的消耗都很高。应用不很广泛1.2 再沸器存在的问题及其解决再沸器在现代化工中有广泛的应用，其所在的精馏装置往往是化工，纺织企业的核心与基础。所以，再沸器的可靠工作关乎企业的工作业绩和安全管理。不过，由于种种原因，再沸器在服役过程中往往会出现实际中意想不到的问题。这些问题轻则造成再沸器工作能力下降，不能正常
22、位精馏塔提供能量；重则造成物料污染，装置泄漏或损坏，造成极大经济损失。据估计，一台再沸器意外损坏，直接经济损失几十万，但造成的间接经济损失每天都以千万计！所以，一些重要的精馏装置往往设双再沸器，保证系统的稳定可靠工作。据近期文献4、5、6所示，再沸器的存在的最主要问题就是腐蚀泄漏问题，其次就是振动，再有就是焊接问题。据统计，由腐蚀造成的再沸器腐蚀泄漏失效占再沸器总失效事件的65%以上。而且其原因也是多种多样，十分复杂。国内外近年来对此作了大量研究。而振动造成的失效也占二成左右，其特征是往往伴随着腐蚀现象同时发生，危害很大，容易造成管束和壳体出现疲劳裂纹，必须得到重视。而焊接质量问题主要是由于设
23、计失误，质量把关不严，发生几率不高，但是一旦出现此类问题，必将造成大面积泄漏，经济损失也最大。下面就将对这些问题进行一一介绍：1.2.1 腐蚀泄漏问题 腐蚀泄漏问题是再沸器故障中最为常见的一种，虽原因不尽相同，但在现象，解决方法上也有共性。在此限于篇幅，仅选出最有代表性的几篇文献进行讨论：王华明，李玲等4 对低变再沸器断裂试样进行了断口分析，对设备结构和工艺操作原因进行分析。文中指出，电化学腐蚀在低变再沸器中十分普遍。解决问题的核心在于尽量防止管子成为阳极。而对于低变再沸器中发生的应力腐蚀发生在电化学腐蚀之后，主要是由于管束与折流板的材质不一样，形成了原电池，而由于折流板不耐腐蚀，其开孔受到腐
24、蚀变大，在其中的管束失去支撑，上表面的拉应力变大，发生应力腐蚀。解决方法主要有：(1) 避免管子与折流板间产生电位差，诱发电化学腐蚀。(2) 折流板合理布置，避免散热不畅，形成流动死区。(3) 入口处应设置防冲装置，尽量避免气蚀。 此外，文章还对根本解决低变再沸器腐蚀的方法作了讨论。认为在材料使用方面，传统的304号不锈钢（0Cr18Ni9）防腐蚀能力最强；20号钢渗铝最经济。在焊接方面，管束与管板的连接最好采用强度焊与胀接相结合，先焊后胀。必要时采取牺牲阳极防腐蚀。这些措施在实践中都得到了极好的效果。 张德胜5 针对甲醇精馏主塔再沸器严重内漏现象及其危害，从工艺、设备两个方面进行了详细的分析
25、探讨。文中介绍厂区内某甲醇精馏主塔再沸器有十几根换热管内漏（壳程与管程之间的泄漏）严重。主要集中在塔底液入口正对管板处，呈圆形分布；另有三十多根存在不同程度的泄漏。这些泄漏的管束存在不同程度的减薄和断裂现象，壳程入口也有明显的冲刷腐蚀。究其原因，主要有设备方面原因和质量方面的缺失。改进措施具体为：(1) 在下封头内侧 (塔底液入口处) 水平加一挡板 (见图1.7)，以避免塔底液对管束与管板焊道的直接冲蚀。(2) 对再沸器管程进行镍磷镀等预膜防腐处理。(3) 采用对称施焊，以减小热应力。图1.7 甲醇精馏主塔再沸器内漏示意图与解决方案示意图 马红杰，黄新泉等6 分析了该厂乙二醇装置500蒸发单元
26、五效再沸器的腐蚀原因及过程。并指出该再沸器pH值的工艺操作指标应定为79，因为弱碱性的工作环境有利于金属形成致密氧化膜，提高防腐性能。其次，对该再沸器的管程也进行了整体更换，新管束的材质为Cr5Mo；考虑到经济成本与生产安全，作者建议对腐蚀较轻的再沸器弯头和封头部位进行钢板（与原材质一致）贴补，并对焊缝及热影响区作探伤检测，保证贴补质量。最后，涂料防护。该再沸器采用德富康涂料进行过防护，有效的延长了冲刷腐蚀的破坏周期，故应该继续使用。 林猛等人7 针对每次设备检修后向塔底再沸器都会发生浮头泄漏的问题，对再沸器的螺栓法兰连接系统进行了分析。文中指出，在换热器内导热油逐渐升温过程中，垫片的回弹性能
27、会随温度的增加而逐渐下降，即垫片的弹性系数减小，相应的回弹力也会减少。而回弹力的减少，会减少密封面比压，引起泄露。作者给出了十分巧妙地解决方法，即利用弹性垫圈（图1.8）对法兰进行补偿。弹性垫圈是一种新型的弹性补偿元件，一般可以根据密封垫片的形状、材料、预紧比压、密封介质压力、密封介质温度、密封法兰尺寸以及螺栓材质等参数设计出弹性垫圈的具体尺寸。将其直接安装在螺母下方，就会使螺栓的弹性系数极大降低。当介质温度升高时，密封面压紧应力受到的影响会大为减小，从而减少泄漏。图1.8 弹性垫圈使用示意图 总体来说，再沸器的腐蚀泄漏问题主要都是因为，管束与管板的连接处处理不当，壳程、管程防冲措施不到位，再
28、沸器选材不当，防腐措施不到位或不合适。不过，由于大部分再沸器都是难以拆卸的立式热虹吸再沸器，对其腐蚀泄漏的处理往往十分复杂费事。故而，能够在设计层面上从严从难，多方考虑，往往要比勤维修，勤维护来得经济，也省时省力。这是设计者们不能不引起注意的。1.2.2 振动失效问题 再沸器在设计过程中，往往要考虑振动问题。因为再沸器不同于普通换热器，内部存在相变，而无论是蒸汽冷凝，还是液体沸腾汽化都会造成因提及变化引起的振动。而这种振动如果不加限制与校核，就会引起管束的疲劳损坏。而这种疲劳损坏带有突然性，危害很大。鉴于此，再沸器的机械设计中就利用折流板间距等几何手段限制管束的振动。不过，在实际操作中，往往会
29、发生许多意想不到的因素，使管束的振动超过预期，造成损失。国内外有诸多文献对再沸器振动问题做了研究，取得了不小的成果：任军平、张克锋8等对本厂加压塔再沸器失效做了分析。经分析，加压塔再沸器换热管断裂的主要原因有换热管的制造缺陷以及换热管振动与折流板之间的摩擦。文章对换热管间存在的振动作了讨论，并详加计算。计算了卡门涡街旋律fv，紊流抖振主频率ft，声频fa与换热管固有频率，管束振动判断的依据根据GB151-1999。作者认为认为此再沸器在设计时对换热管束与折流板之间的摩擦估计过小，造成折流板与换热管束接触处磨损严重，基本丧失支撑作用。这就使换热管束相邻的特征长度成倍增加，振动频率逐步下降直至接近
30、蒸汽流动的频率，造成共振，最终泄漏。据此，作者提出了相应的整改方案：首先，改变蒸汽流速。即减少壳程流量 Q，以分流壳程代替单壳程，以双弓形折流板代替单弓形折流板，都能降低横流速度V，防止振动。但此举对传热效率有不利影响。其次，改变换热管的固有频率。如减少换热管的跨距、在不影响横流速度的情况下，折流板之间增设支承板、在换热管二阶振型的节点位置处增设支承板。最后，在壳程沿平行于气流的方向插入纵向隔板（消声板），以减小公式中的特性长度，此举可提高声频，防止声振动。当然，在工艺条件与资金允许的情况下，还可以设置防冲板和导流筒，他们的方振降噪能力更强，还可以防止蒸汽入口处的管束腐蚀过快。刘俭国9对场内钛
31、制再沸器管板接头焊缝腐蚀开裂的原因做了分析，并提出了改进措施。作者认为，再沸器出现管板接头焊缝腐蚀开裂的原因是应力。由于介质本身极具腐蚀性。另外再沸器经过改进，增加换热面积，但是蒸汽流量不增加，这就要延长了介质加热时间。由于蒸汽冷凝为水时将产生强烈振动，使设备工作在过大的交变载荷下。所以，较大的交变应力使管板接头疲劳开裂，引起腐蚀开裂。文章中还根据实际情况提出了几点改进：第一，可以将管板光孔胀接加焊接改为管板孔内开槽胀接加焊接的方式连接。第二，虽然钛制再沸器在沸腾的浓醋酸中使用时, 工艺上应保证其含水量足以使钛钝化，但在含有醋酸酐和甲酸等成分的沸腾浓醋酸中使用钛时, 设备材料应尽量选用 TA9
32、, TA10 合金。姜海一、贾国栋、孙亮等10对某再沸器出现疲劳裂纹失效做了研究，采用化学成分分析、力学性能测定、宏微观检验、有限元应力计算及振动测试等方法对再沸器的材料、加工工艺和工作状况进行了综合分析。指出由于管板材料性能较差，在制造该再沸器过程中受焊接热循环和较高应力水平的影响，造成在热影响区形成微裂纹，进而又在工作介质和应力的作用下在该区域发生振动疲劳损伤而形成宏微观裂纹致蒸气泄漏。最后还提出了利用弹性支座减震的新方法。1.2.3 焊接问题 焊接问题在之前两个问题中也都有穿插涉及，比如文献5、9、10都指出其再沸器存在焊接问题，也指出提高焊接质量，改进焊接工艺是提高再沸器质量与服役寿命
33、的重要一环。黄石岭11就着重对氯化苯再沸器的焊接技术作了整理，有很强的借鉴应用意义。作者认为焊接的工艺简单，但存在很大的局限：首先，力学结构不合理。列管与管板之间存在装配间隙，壳体蒸汽流动诱导列管振动，增大了列管与管板之间的拉脱力。其次，焊接工艺不合理。焊接接头根部间隙较大，接头抗疲劳强度较低，容易在焊缝根部发生应力腐蚀破坏。 鉴于此，往往要采用胀焊结合(图1.9)的方法。文章就介绍了胀焊结合的工艺特点及其选择：对于先焊后胀（即强度焊+密封胀）的优点主要有：可以避免因施焊受热对胀接严密性的破坏；焊接前不需要对列管、管板孔做严格的清理，节约工时，降低人工成本；不需要专门的清理设备，节约设备投资成
34、本；可以有效避免因先胀时残留的油、水等物质在焊接时挥发形成气孔，保证焊接接头质量。 而先胀后焊（即强度胀+密封焊）的优点也很明显：先胀保证了胀接的均匀性，避免因施胀不均匀而造成胀接严密性降低；保证焊接质量，避免焊缝裂纹的产生。不过先胀后焊也存在缺点：即对管端的加工精度要求较高，增加了加工的难度及制造费用；焊接时接近焊缝区的高温使胀接局部应力松脱，影响原胀效果；胀接残余的油污、水等，由于焊接时不能从反面冲出，只能从熔池内冲出，造成熔池内流体金属翻腾，形成气孔；清理胀接残留的油污、水困难，清理数以千计的列管需要专门设备，增加设备投入，提高了制造成本。图1.9 焊接与胀焊结合工艺示意图1.3 再沸器
35、优化设计再沸器是精馏装置的核心，为精馏过程提供能量。由于其工作环境特殊，常工作在强腐蚀，易结垢环境中。所以，新形式，新材料的再沸器成为研究的重点。此外，现在世界能源短缺，降低再沸器能耗，使用较低品位热源也是建设低碳工业，节能减排的必然要求。 钱鼎兴12就对钛材在再沸器上的应用作了研究。对于部分强腐蚀介质，使用钛材制造再沸器是最经济且最可行的方案。但是钛材本身有许多问题，为其使用带来了困难与局限。因此，对于钛制再沸器，在不与腐蚀介质接触的部位，应尽量不用钛材，只在存在腐蚀介质的管程和管箱使用钛材。管板则最好使用复合板，先贴张再和复合钛板焊接。避免使用昂贵且难以制造的钛制膨胀节。 谈冲13介绍提高
36、立式热虹吸再沸器管内传热系数的计算方法，提出此传热系数与汽化率的关系，并对其设计进行优化。文章采用 Chen 氏简化公式： 。其中：，当时，。当 时，。计算得出结论：(1) 在出口汽化量要求固定的情况下，再沸器列管内侧传热系数值随出口汽化率的下调而增大，即再沸器传热面积将减小，有利于设计。(2) 两相流体传热系数不存在极值，但再沸器汽化率低于5 %时不可能产生热虹吸，故也不能单纯为提高传热系数使汽化率无限小。因此为了安全，工程设计中常规的做法是将釜内液面调至稍低于出口管与列管上管数差不多的高度上。(3) 过低下调出口汽化率使连接管尺寸过大亦非良好的设计。工程经验一般推荐出口汽化率不低于 0.1
37、，不大于 0.4。陆恩锡，李小玲等14介绍了蒸馏过程中间再沸器和中间冷凝器（统称中间换热器，见图（1.10）的节能原理以及相关工艺参数的确定原则。指出使用中间换热器的条件主要是有无可供匹配的冷源或热源。他们虽不能减少整体热负荷，却无须采用如同塔顶冷凝器和塔釜再沸器那样高品位的冷剂和加热介质，从而有可能使用品位和价格较低的冷剂和热源，节省了操作费用。通常，分离相对较纯的混合物时（轻组分摩尔分数小于0.1或大于0.9），蒸馏塔的热力学效率是十分低下的。此时，若轻组分摩尔分数大于0.9，则中间再沸器在提高蒸馏塔效率方面是十分显著的；若重组分摩尔分数大于0.9，在中间冷凝器在提高蒸馏塔效率方面是十分显
38、著的。而对于富含轻组分的饱和液相进料（轻组分摩尔分数大于0.5）,中间冷凝器仅有不大的效率改善，而中间再沸器可较大地改进蒸馏效率；但是对于富含重组分的饱和气相进料（重组分摩尔分数大于0.5），中间再沸器仅有不大的效率改善，而中间冷凝器可较大地改进蒸馏效率。中间再沸器的热负荷可以在一定范围内调整，该热负荷愈大,则塔釜再沸器的热负荷愈小。采用多大的热负荷，应当通过塔的逐板模拟计算进行权衡，使得相关工艺参数能够获得较好的匹配。一般的，中间再沸器可以达到基本工况塔釜再沸器热负荷的70%以上，如果使用废热来加热中间再沸器的话,其节能幅度无疑是十分显著的。图1.10 中间再沸器与中间冷凝器功能示意图剑桥大
39、学化学技术公司的Hagan和Kruglov15对再沸器的热流量作了深入研究，指出任何再沸器都有一个最大热流量即热负荷与传热面积之比。这一最大热流量发生在管束表面由膜状沸腾向过渡区过渡的临界点上，这一临界点对应的温差称为临界温差。作者认为，最大热流量即对应着最大传热系数，此时的传热效果是最好的。所以，再沸器最好都设计在核状沸腾区，这一来可以获得最大的传热系数；二来也可以获得更好的可控性。此外，本文还对不同加热介质的再沸器提出了不同的设计和控制方案。对于敏感加热介质（热油），应用节流阀调整其流量，进而控制再沸器热负荷和平均传热温差；蒸汽加热则可以用蒸汽控制阀控制蒸汽流量，也可以最再沸器内的冷凝水液
40、面高度进行控制，增加（减少）换热面积，最终达到控制再沸器热负荷与平均传热温差的目的。Xuenong Gao和Huibin Yin 16等人对烧结型表面多孔管在提高沸腾传热系数的作用做了分析。指出缠绕多孔管（T-MPS）可以显著提升沸腾表面传热系数，最高可达光管的4.4倍。而且实验也发现对于卧式换热管，下部的换热管比上部的传热系数大；立式的换热管，上部比下部传热系数大。David A. McNeil和Khalid Bamardouf17等人对釜式再沸器内部流动作了研究。谈们通过一台透明壳体并带有摄像头的实验釜式再沸器，分别记录了不同热通量下的沸腾状态。实验指出，在热通量小于10kW/时，各行间的
41、压降为一常数；在热通量大于10kW/时，各行间压降不断下降。总之，这些文献对于本次的再沸器设计是很有帮助的。从选型方面，应当综合考虑场地，气化率，介质，温差等方面进行选择。并且，应当综合考虑之前文献所述的问题，加强质量监督管理，改进焊接制造，防腐减震，安装维护的工艺，争取将再沸器设计的更加安全可靠。1.4 论文结构 本论文首先通过对近期再沸器有关文献的分析，并结合实际工况，对再沸器的形式进行分析，并确定了再沸器的形式与工况。其次，本论文将对再沸器进行了工艺设计，主要是计算换热面积和传热系数，并对再沸器的壳程和管程阻力进行计算。第三，本论文将对再沸器进行了强度计算，主要设计了包括筒体，封头，管板
42、，浮头等部分，并对开孔补强和振动进行校核。最后，本论文将对新旧设计进行经济性，可靠性和维护性方面的比较。2 再沸器工艺设计2.1 设计背景本次设计的再沸器是南京扬子30万吨乙烯装置中丙烯精馏塔的再沸器。扬子30万吨乙烯装置，是95年建设投产的老厂。当时与鲁化等大厂联合引进了美国鲁姆斯技术，利用裂解轻柴油，石脑油等原料生产乙烯。当时设计是从大庆油田获得稳定的石脑油供应。之后由于市场原因改用石脑油，轻柴油混合生产乙烯，但是凸显出了装置弹性不足，生产能力有限的短板。后对老设备进行改装，使得乙烯装置在大量使用外来石脑油原料的同时，还可以使用该公司的直馏石脑油，常压柴油，尤里卡加氢柴油，加氢裂化尾油等多
43、种原料，有效扩大了原材料的来源，增强了企业抗原材料供应波动的能力，提升了竞争力。扬子30万吨乙烯装置的主要工艺流程，见图2.1，具体如下。原料经过一对STR-1裂解炉后裂解气化，经过一系列的过滤，脱酸，脱水加压后，进入冷箱冷冻。冷箱将混合气体大部分液化，剩下的低沸点气体均是甲烷。之后，混合液体进入脱甲烷塔。脱甲烷塔是一种精馏塔，其轻组分绝大部分是甲烷，并重新送回冷箱。塔底馏分进入脱乙烷塔，其中塔顶馏分为乙烯乙烷（含少量乙炔）共沸物，经过乙炔化（将乙炔转化为乙烯、乙烷），干燥（乙炔化过程产生水）后送至乙烯精馏塔继续精馏。塔底馏分送至脱丙烷塔，其中塔顶馏分为丙烯丙烷（含少量丙二烯）共沸物，经过丙二
44、烯转化器（将丙二烯转化为丙烯丙烷），脱甲烷塔（丙二烯转化过程产生甲烷）后送至丙烯精馏塔继续精馏，其中塔顶产出丙烯，塔底重组分（主要是丙烷）经过再精馏，在无塔底馏分的工艺操作下，于塔顶生产出液化石油气。脱丙烷塔的塔底馏分为较重的碳四组分，被送至脱丁烷塔，塔顶产出较纯的丁烷，塔底则是裂解汽油。该再沸器位于C3车间，丙烯工段，设计为丙烯丙烷精馏塔提供能量。该组再沸器理论热负荷为22200000 kcal/h，约合25800 kW，总C3流量为337000 kg/h，汽化量约为7300 kmol/h，气化率90%左右。不过，鉴于汽化量、热负荷极大，设计者采用了双再沸器的设计模式。所以，该组再沸器组单台
45、实际的热负荷为12900 kW，C3流量168500 kg/h，气化率仍为90%。该再沸器利用热水进行加热。来自裂解炉的高温高压蒸汽在经过透平做功后，仍有相当的热量。该厂本着能量逐级利用的原则，将这部分冷凝水作为各个精馏塔再沸器的加热能源。丙烯精馏塔再沸器的加热能源，就是部分脱丁烷塔再沸器的出水与透平冷凝水的混合水。该混合水经过软化过滤，是比较洁净不易结垢的，故设计的时候热垢阻力可以设计得较小。图2.1 乙烯装置工艺流程图以上就是丙烯再沸器的工艺背景与操作条件。这次毕业设计设计，就是对这组再沸器进行重新设计。2.2 再沸器选型再沸器最常见的形式是立式管侧热虹吸再沸器。但是，在这一工程实践中不宜
46、应用。因为，丙烷塔再沸器设计气化率为90%左右，远远超过了传统立式管侧热虹吸再沸器的最佳气化率（10%-20%）。如果采用立式管侧热虹吸式再沸器，则必然由于上部管束干度过大，造成局部的气液换热。众所周知，气液换热的效果远不及液液换热。这样，想达到相同的换热效果，就需要更大的换热面积，这势必增大换热器的尺寸，给设计和安装带来困难。所以，该工况下，立式管侧热虹吸再沸器不适合。 另一种设计方法就是立式壳侧热虹吸再沸器。该型再沸器也是利用了热虹吸原理，只不过沸腾流体走壳程，管程走加热介质。该类型再沸器的最佳应用场合为中等压力、中等温差条件下的纯组分的蒸发，且加热介质必须放在管内侧的工况，而且对出口气化率限制不大。所以，立式壳侧热虹吸再沸器是可以应用在本设计中的。 但是，不得不说，在丙烯塔底利用立式壳侧热虹吸再沸器也有缺陷。虽然该型立式再沸器占地空间少，但是如果算上安装，清洗，维护留下的空间裕量，其占地面积也比较可观。另外，据资料显示，该丙烷塔再沸器蒸发量巨大，仅管长就有6米，这就增加了塔釜的高度。丙烯丙烷共沸物的分离难度大，该塔有153块塔板，塔高60余米，是整个乙烯装置中最为高大的塔器。塔器在设计中，要考虑内压，自重，地震载荷和风载荷，其中风载荷影响甚巨，尤其是高塔。这是因
