大連理工大學(xué)再沸器設(shè)計說明書

1、大連理工大學(xué)本科課程設(shè)計再沸器機(jī)械設(shè)計學(xué) 院（系）： 大連理工大學(xué) 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 大連理工大學(xué)dalian university of technology大連理工大學(xué)本科再沸器機(jī)械設(shè)計說明書目 錄1 設(shè)計基礎(chǔ)21.1 項目背景21.2 設(shè)計依據(jù)21.3 技術(shù)來源及授權(quán)21.4 項目簡介21.5 選擇依據(jù)32 機(jī)械設(shè)計42.1 工藝參數(shù)計算結(jié)果表42.2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算52.2.1 布管方式52.2.2 傳熱管與管板連接52.2.3 殼體及管箱連接62.2.4 法蘭選用62.2.5 管箱計算72.3 換熱器機(jī)械

2、設(shè)計和計算82.3.1 筒體壁厚計算82.3.2 管箱短節(jié)封頭厚度計算92.3.3 固定管板計算102.3.4 膨脹節(jié)設(shè)置必要性判斷142.4 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算152.4.1 支持板152.4.2 拉桿和定距管162.4.3接管172.4.4 接管法蘭172.4.5 排液孔192.5 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算192.5.1 墊片選用192.5.2 支耳選用192.5.3 管箱接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核202.5.4 殼體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)校核203 sw-11輔助設(shè)計計算結(jié)果211 設(shè)計基礎(chǔ)1.1 項目背景本項目來源于大連理工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)大四年級過程工藝與設(shè)備課程設(shè)計題目； 設(shè)計者為過程裝備與控制

3、工程專業(yè)在校大四學(xué)生，與項目發(fā)布者為師生關(guān)系； 本項目設(shè)計裝置為立式熱虹吸式再沸器。 1.2 設(shè)計依據(jù)過程工藝與設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書（見附錄） 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 tsg r0004-2009 壓力容器 gb 150-2011 熱交換器 gb/t 151-2014 長頸對焊法蘭 jb/t 4703-2000 無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差 gb/t 17395-2008 鋼制壓力容器封頭 jb/t 4746-2002 承壓設(shè)備無損檢測 nb/t47013-2015 石油化工鋼制管法蘭用緊固件 sh/t 3404-2013 1.3 技術(shù)來源及授權(quán)化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計，匡國柱、

4、史啟才主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。 化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊（有機(jī)卷），劉光啟、劉杰主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年。 化工原理（下冊），大連理工大學(xué)，高等教育出版社，2009年。 sw6-2011化工設(shè)備設(shè)計軟件 1.4 項目簡介精餾是分離液體混合物（含可液化的氣體混合物）最常用的一種單元操作，在化工、煉油、石油化工等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。板式精餾塔是常見的精餾分離設(shè)備，結(jié)構(gòu)上，板式 精餾塔是一圓形筒體，塔內(nèi)裝有多層塔板，塔中部適宜位置設(shè)有進(jìn)料板，兩相在塔板上相互接觸和分離。在板式塔提餾段底部會設(shè)置再沸器，再沸器的作用是將塔底液體部分汽化后送回精餾塔，使塔內(nèi)氣液兩相間的接觸傳質(zhì)得以連續(xù)進(jìn)行。

5、正文各級標(biāo)題編號的示例如圖1.1所示。1.5 選擇依據(jù)再沸器分為立式再沸器、臥式再沸器及內(nèi)置式再沸器。立式又分為立式熱虹吸式、立式強(qiáng)制循環(huán)式，臥式分為臥式熱虹吸、臥式強(qiáng)制循環(huán)式和釜式再沸器。而立式熱虹吸式再沸器結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱系數(shù)高，塔釜提供氣液分離空間和緩沖區(qū)，而且此次傳熱介質(zhì)較為清潔適合該類型換熱器。立式熱虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管殼式換熱器。液體在自下而上通過換熱器管程時部分汽化，由在殼程內(nèi)的載熱體供熱。立式熱虹吸再沸器是利用塔底單相釜液與換熱器傳熱管內(nèi)汽液混合物的密度差形成循環(huán)推動力，構(gòu)成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動循環(huán)。這種再沸器具有傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方

6、便，釜液在加熱段的停留時間短，不易結(jié)垢，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運行費用低等顯著優(yōu)點。同時，由于結(jié)構(gòu)上的原因，殼程不能采用機(jī)械方法清洗，因此不適宜用于高粘度或較臟的加熱介質(zhì)；而且，由于是立式安裝，因而會增加塔的裙座高度。 為提高本項目的設(shè)計計算準(zhǔn)確性，本設(shè)計采用了業(yè)內(nèi)常用的化工設(shè)備設(shè)計軟件sw6-2011進(jìn)行計算校核。2 機(jī)械設(shè)計2.1 工藝參數(shù)計算結(jié)果表管程殼程物料名稱進(jìn)口丙烷水蒸氣出口丙烷冷凝水流量kg/h進(jìn)口27071.283334.55出口27071.283334.55操作溫度c進(jìn)口52.25100出口52.25100操作壓力mpa1.8180.1013定性溫度c52.25100液

7、體密度kg/m3440958.4導(dǎo)熱系數(shù)w/mc0.081540.683熱容kj/kgc3.0904.220粘度mpas0.0710.283表面張力n/m0.00393758.8*10-6氣化潛熱kj/kg278.1822258.4氣體密度kg/m3250.5970導(dǎo)熱系數(shù)w/mc0.02050.0237熱容kj/kgc0.124.180粘度mpas0.00860.0102氣化潛熱kj/kg278.1822258.4設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式立式臺數(shù)1殼體內(nèi)徑mm700殼程數(shù)1管徑mm383管心距mm48管長mm3000排列方式正三角形管數(shù)目（根）123傳熱面積m244.05管程數(shù)1接管尺寸mm進(jìn)口25

8、0300出口300200主要計算結(jié)果管程殼程流速m/s0.785傳熱膜系數(shù)w/m2c718.111393.73污垢熱阻w/m2 k0.0001760.00009阻力損失pa9378.52熱負(fù)荷kw2091.873傳熱溫差c47.75總傳熱系數(shù)w/m2c1376.14裕度%38.382.2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算2.2.1 布管方式布管圖如下：2.2.2 傳熱管與管板連接根據(jù)設(shè)計壓力及工作溫度等條件，管子與管板的連接采用強(qiáng)度脹接即滿足要求。傳熱管板厚度大于25mm，強(qiáng)度脹接的管孔結(jié)構(gòu)采用雙槽。脹接長度假設(shè)管板厚60mm min（238，50，60-3）=50（mm）環(huán)形槽深度 k=0.6mm所以管

9、板最小厚度為=26mm。2.2.3 殼體及管箱連接（1） 管板與殼體的連接延長部分兼作法蘭的管板。（2） 管板與管箱的連接按照工藝要求及壓力、溫度選擇法蘭形式為長頸對焊法蘭，密封面采用凹凸面形式。2.2.4 法蘭選用以工藝條件：管側(cè)壓力和殼側(cè)壓力中的的高值，以及設(shè)計溫度和公稱直徑700，按jb4703-2000長頸對焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取。法蘭結(jié)構(gòu)尺寸如下（mm）： d3=766 h=35 =50 h=120 d=27。具體數(shù)據(jù)意義如下：2.2.5 管箱計算（1） 封頭選用橢圓形封頭曲面高度h1=175mm；直邊高度為50。（2） 管箱結(jié)構(gòu)形式根據(jù)工藝條件，選用單管程換熱器管箱。（3） 慣性結(jié)構(gòu)尺寸確

10、定 管箱最小長度管箱最小長度的確定原則：單程管箱采用軸向接管時，接管中心線上的管箱最小長度大于等于接管內(nèi)徑的1/3，即管箱最小長度計算:進(jìn)口處：按流通面積計算按各相鄰焊縫間的距離計算 管箱無需短節(jié)， 出口處：按流通面積計算按各相鄰焊縫間的距離計算 管箱最大長度 管箱長度的確定 取進(jìn)出口處管箱長度均為345。2.3 換熱器機(jī)械設(shè)計和計算2.3.1 筒體壁厚計算由工藝設(shè)計給定溫度100，設(shè)計壓力=1.82mpa,選低合金結(jié)構(gòu)鋼板16mnr卷制，材料100是的許用應(yīng)力=163mpa,取焊縫系數(shù)=0.9，腐蝕裕度=2mm，則計算厚度 設(shè)計厚度名義厚度 6.37+0.8+圓整=7.17+圓整，取=12有

11、效厚度 12-0.8-2=9.2水壓試驗壓力 1.251.821=2.275（mpa）所選材料的屈服應(yīng)力314mpa水壓試驗應(yīng)力校核 （mpa）87.69mpa0.9=0.93141=282.6（mpa） 水壓強(qiáng)度滿足要求。氣密試驗壓力 =1.82mpa2.3.2 管箱短節(jié)封頭厚度計算由工藝設(shè)計給定實際參數(shù)為：設(shè)計溫度100，設(shè)計壓力1.82mpa，選用16mnr鋼板，材料許用應(yīng)力=163mpa，屈服強(qiáng)度314mpa，取焊縫系數(shù)=0.85，腐蝕裕度=2。計算厚度 設(shè)計厚度 名義厚度 +圓整，結(jié)合考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)及結(jié)構(gòu)需要取=12mm有效厚度 所選材料的屈服應(yīng)力314mpa水壓試驗應(yīng)力校核 （mpa

12、）9987mpa0.9=0.93141=282.6（mpa） 水壓強(qiáng)度滿足要求。管箱封頭取用厚度與短節(jié)相同，取=12mm2.3.3 固定管板計算按gb151-2014中7.4.6固定管板式熱交換器管板計算。管板與管箱、筒體選用e型連接方式。設(shè)計工況為第四類。確定布管方式及各元件結(jié)構(gòu)尺寸：圓筒內(nèi)徑di=700mm殼程圓筒s=12mm管箱圓筒b=12mm管箱法蘭：df=860mm，f=50mm換熱管：d=38mm，t=1.5mm，n=157，s=48mm，l=3000mm，lcr=1200mm（1）按式計算以下參數(shù)a=td-t=3.141.538-1.5=172mm2a=di24=3.147002

13、4=384845.1mm2al=a-nd24=384845.1-1213.143824=247617.19mm2as=sdi+s=3.1412700+12=26841.8mm2kt=etnaldi=1991031211723000700=1972.22mpa=ala=247617.19384845.1=0.64qex=q=etnaesas=19910312117219610326841.8=0.786=naal=121172206789.1=0.10s=0.4+0.61+q=0.4+0.60.641+0.786=2.07t=0.41+10.6+qex=0.41+0.10+10.640.6+0.

14、786=2.61（2）按gb150.3-2011第7章算出以下參數(shù)am=15416.9mm2lg=36.3mmmp=9.1107nmm查得20下20號鋼b=118mpa。對于延長部分兼做法蘭的管板計算mmmm=amlgb=15416.936.3118=6.5108nmm（3）假定管板計算厚度=58mm，法蘭凸緣厚度f=50mm按式計算bf=12df-di=0.5860-700=80mmk=(1.32dietnaepl)0.5=9.37k=k1-l=9.371-0.13=8.15ks=1.82dis=1.8270012=0.02kb=1.82dib=1.8270012=0.02c=2(1+ksf

15、)(ksdi)2=2(1+0.0250)(0.02700)2=0.02c=2(1+kbf)(kbdi)2=2(1+0.0250)(0.02700)2=0.02=4.4ksdi1+1+ksf2sdi3=1.510-3=4.4kbdi1+1+kbf2bdi3=1.510-3kf=kf=336.4對于e型連接kf=kf=336.4kf0=kf4kt=3.14336.442559.0=0.1由圖7-12查得m1=0.705=m1kkf0=0.70510.00.1=0.705由圖7-13查得g2=3.8由圖7-14查得m2=1.65由圖7-15查得g3=0.13m1=m12k(qex+g2)=0.705

16、29.37(0.786+3.8)=18.210-3=kf0kf0+g3=0.10.1+0.13=0.43m0=mf0=1+kf/kf=0.70=ttt-t0-sts-t0=5.4410-4mpapc=ps-pt1+=0-1.71+0.10=-1.87pa=sps-tpt+etm=19.73mm0=4mmdi3pa=46.51080.643.14700319.73=0.191mp0=4mpdi3pa=49.11070.643.14700319.73=0.027殼程壓力作用m0=mm0+m0m1=0.191+0.7018.210-3=0.204管程壓力作用m0=mp0=0.027經(jīng)計算比較殼程fr

17、較大，顧按殼程計算=m0=0.7050.197=0.139m=m1+m21+=0.705+0.1641.651+0.164=0.838由圖7-16a)查得fri=-0.22b=1+c1k+c2k2+c3k3+1m(c4k+c5k2+c6k3)其中c1=0.06c2=-0.5c3=0.2157c4=-0.988c5=0.6571c6=-0.1389k=2所以b=0.298 frb=mb=0.8380.298=0.250fr=frb=0.250g1=3frk=30.2509.37=0.080計算管板應(yīng)力r0=1+g14(qex+g2)=(1+0.164)0.0804(0.786+3.8)=7.79

18、10-3r=r0pa(di)2=7.7910-319.730.640.4(70058)2=35.82mpap0=14-1+qex+g2=14-1+0.1640.786+3.8=0.254p=p0pa(di) =0.25419.730.640.4(70058) =64.78mpac=aaspt+1+qex+g2pa=61.26 mpat=1pc-g2-qexqex+g2pa=-129.15mpaq=tadl=-129.151723.143850=-3.72mpa另還需計算mws0x=di+2bfdi=700+280700=4335y=1x-10.66845+5.71690x2lgxx2-1=9.

19、55殼程壓力作用mws0=mm0-mf0m1=0.430.191-0.7018.210-3=0.069mpa管程壓力作用mws0=mp0-m1=-6.5910-3取殼程壓力作用計算f=4ymws0pc(dif)2=3.1449.550.0690.64-1.87700502=-121.4 mpa校核：q=-3.72 mpa小于4 mpa符合要求t=129.15mpa小于181mpa，符合要求p=64.78mpa小于0.5*181=90.5mpa，符合要求故，管板計算厚度滿足強(qiáng)度要求，實際管板厚取為60mm。2.3.4 膨脹節(jié)設(shè)置必要性判斷（1）管子拉脫力計算a. 在操作壓力下，每平方米脹接周邊所

20、產(chǎn)生的力：式中 b. 溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力：式中 則 由已知條件可知，與的作用方向相反，則合拉脫力： 因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。（2）計算是否安裝膨脹節(jié)根據(jù)鋼制管殼式換熱器設(shè)計規(guī)定，條件成立，故本換熱器不必設(shè)計膨脹節(jié)。2.4 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算2.4.1 支持板本換熱器由于有相態(tài)變化，無需折流板板，故采用弓形支持板，形式與折流板相同。弓形支持板在液體流動中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結(jié)構(gòu)比較簡單。由工藝設(shè)計給定筒體內(nèi)徑為700mm，按筒體內(nèi)徑為700mm做排管圖，認(rèn)定取di=700mm合適。同時工藝設(shè)計的有關(guān)參數(shù)計算應(yīng)重新做修正。以固定管板兼作法蘭的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，依工藝條件：管側(cè)

21、壓力和殼側(cè)壓力中的高值，以及設(shè)計溫度和公稱直徑700，按jb4732-92長頸對焊法蘭標(biāo)準(zhǔn)選取法蘭，材料為16mn，管板選用結(jié)構(gòu)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 規(guī)格 m24 數(shù)量 28管子與管板采用強(qiáng)度脹接連接換熱管外徑 槽深k=0.6mm （1） 弓形支持板主要幾何參數(shù)切口尺寸約為%=20%800=160檔板間距b=（1/51）=160800取b=600取靠近管板的支持板與管板間距離的尺寸 進(jìn)口 假設(shè)殼程接管進(jìn)口位置最小尺寸l1=300mm，

22、由于無防沖板，取b2=di=300mm，假設(shè)管板厚度b=60,得(l1+b2/2)-(b-4)+(20100)()=(300+300/2)-56+(20100)=414494() 取l=600出口假設(shè)殼程接管進(jìn)口位置最小尺寸l1=300mm，由于無防沖板，取b2=di=200mm，假設(shè)管板厚度b=60,得()-(b-4)+(20100)()=(300+200/2)-56+(20100)=364444() ?。?） 支持板厚度根據(jù)殼體直徑、換管無支撐長度，取支持板厚度為5。（3） 支持板孔管支持板的管孔直徑 按gb151規(guī)定，取孔管直徑為d=38+0.7（）管孔中心距 管孔中心距為48管孔加工

23、支持板上管孔加工后兩端必須倒角0.5452.4.2 拉桿和定距管（1）拉桿的結(jié)構(gòu)形式支持板采用拉桿定距管結(jié)構(gòu)與管板固定。（2）拉桿直徑、數(shù)量和尺寸根據(jù)換熱管外徑及再沸器公稱直徑選取拉桿直徑為16，數(shù)量為6個，在換熱器中均勻分布。拉桿尺寸 拉桿螺紋公稱直徑拉桿直徑16 20 60管板上拉桿孔深 =20，拉桿長度2480mm拉桿示意圖：定距管形式與換熱管相同。2.4.3 接管（1）接管直徑考慮流速及=（1/31/4）=250mm的原則選取管程接管內(nèi)徑分別為進(jìn)口處250，出口處300；殼程接管內(nèi)徑分別為進(jìn)口處300、出口處200，選20號鋼。（2）接管高度 （） 接管法蘭厚度h最大為38mm,接管法

24、蘭螺母厚度h1=22，未設(shè)保溫層，故=0 故（3）接管位置最小尺寸殼程接管位置最小尺寸進(jìn)口 300/2+（60-4）+50=256（）取260mm出口 200/2+（60-4）+50=206（）取210mm進(jìn)出口處l1大小與前面計算支撐板與管板距離時假設(shè)值相近，故所計算靠近管板的支持板與管板間距離符合要求。2.4.4 接管法蘭按hg20593-97標(biāo)準(zhǔn)選用(pn=2.5mpa)管程：進(jìn)口管：接管直徑=250mm法蘭選用 板式平焊鋼制管法蘭公稱直徑dn法蘭外徑d法蘭內(nèi)徑b螺栓孔中心圓直徑k螺栓孔直徑l螺栓孔數(shù)量n螺紋th250mm425mm ,276.5mm370mm30mm12m27出口管：接

25、管直徑=300mm法蘭選用 板式平焊鋼制管法蘭公稱直徑dn法蘭外徑d法蘭內(nèi)徑b螺栓孔中心圓直徑k螺栓孔直徑l螺栓孔數(shù)量n螺紋th300mm485mm ,328mm430mm30mm16m27殼程：進(jìn)口管：直徑=300mm法蘭選用 板式平焊鋼制管法蘭公稱直徑dn法蘭外徑d法蘭內(nèi)徑b螺栓孔中心圓直徑k螺栓孔直徑l螺栓孔數(shù)量n螺紋th300mm485mm ,328mm430mm30mm16m27出口管：直徑=200mm法蘭選用 板式平焊鋼制管法蘭公稱直徑dn法蘭外徑d法蘭內(nèi)徑b螺栓孔中心圓直徑k螺栓孔直徑l螺栓孔數(shù)量n螺紋th200mm360mm ,222mm310mm26mm12m242.設(shè)備法蘭：由壓力pc=1.82mpa,選用pn=2.5mpa選用長頸對焊法蘭墊片結(jié)構(gòu)形式：選用纏繞墊片（a）形式，墊片尺寸：寬度d由dn=700mm