大連理工大學(xué)再沸器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、大連理工大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)再沸器機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué) 院（系）： 大連理工大學(xué) 專(zhuān) 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 評(píng) 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(jì)說(shuō)明書(shū)目 錄1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)21.1 項(xiàng)目背景21.2 設(shè)計(jì)依據(jù)21.3 技術(shù)來(lái)源及授權(quán)21.4 項(xiàng)目簡(jiǎn)介21.5 選擇依據(jù)32 機(jī)械設(shè)計(jì)42.1 工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果表42.2 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)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(jì)算72.3 換熱器機(jī)械

2、設(shè)計(jì)和計(jì)算82.3.1 筒體壁厚計(jì)算82.3.2 管箱短節(jié)封頭厚度計(jì)算92.3.3 固定管板計(jì)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(jì)及計(jì)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(jì)和計(jì)算192.5.1 墊片選用192.5.2 支耳選用192.5.3 管箱接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核202.5.4 殼體接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核203 sw-11輔助設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果211 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1 項(xiàng)目背景本項(xiàng)目來(lái)源于大連理工大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)大四年級(jí)過(guò)程工藝與設(shè)備課程設(shè)計(jì)題目； 設(shè)計(jì)者為過(guò)程裝備與控制

3、工程專(zhuān)業(yè)在校大四學(xué)生，與項(xiàng)目發(fā)布者為師生關(guān)系； 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)裝置為立式熱虹吸式再沸器。 1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)過(guò)程工藝與設(shè)備課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（見(jiàn)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(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭 jb/t 4703-2000 無(wú)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(wú)損檢測(cè) 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(lái)源及授權(quán)化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，匡國(guó)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(cè)（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(cè)），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(jì)軟件 1.4 項(xiàng)目簡(jiǎn)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(jiàn)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(huì)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(jí)標(biāo)題編號(hào)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(lèi)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(guò)換熱器管程時(shí)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(dòng)力，構(gòu)成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動(dòng)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(shí)間短，不易結(jié)垢，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(huì)增加塔的裙座高度。 為提高本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用了業(yè)內(nèi)常用的化工設(shè)備設(shè)計(jì)軟件sw6-2011進(jìn)行計(jì)算校核。2 機(jī)械設(shè)計(jì)2.1 工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果表管程殼程物料名稱(chēng)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(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑mm700殼程數(shù)1管徑mm383管心距mm48管長(zhǎng)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(jì)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(jì)和計(jì)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(jì)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(mǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)頸對(duì)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(jì)溫度和公稱(chēng)直徑700，按jb4703-2000長(zhǎng)頸對(duì)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(jì)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(zhǎng)度管箱最小長(zhǎng)度的確定原則：?jiǎn)纬坦芟洳捎幂S向接管時(shí)，接管中心線(xiàn)上的管箱最小長(zhǎng)度大于等于接管內(nèi)徑的1/3，即管箱最小長(zhǎng)度計(jì)算:進(jìn)口處：按流通面積計(jì)算按各相鄰焊縫間的距離計(jì)算 管箱無(wú)需短節(jié)， 出口處：按流通面積計(jì)算按各相鄰焊縫間的距離計(jì)算 管箱最大長(zhǎng)度 管箱長(zhǎng)度的確定 取進(jìn)出口處管箱長(zhǎng)度均為345。2.3 換熱器機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算2.3.1 筒體壁厚計(jì)算由工藝設(shè)計(jì)給定溫度100，設(shè)計(jì)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(jì)算厚度 設(shè)計(jì)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(yàn)壓力 1.251.821=2.275（mpa）所選材料的屈服應(yīng)力314mpa水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 （mpa）87.69mpa0.9=0.93141=282.6（mpa） 水壓強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。氣密試驗(yàn)壓力 =1.82mpa2.3.2 管箱短節(jié)封頭厚度計(jì)算由工藝設(shè)計(jì)給定實(shí)際參數(shù)為：設(shè)計(jì)溫度100，設(shè)計(jì)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(jì)算厚度 設(shè)計(jì)厚度 名義厚度 +圓整，結(jié)合考慮開(kāi)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(yàn)應(yīng)力校核 （mpa

12、）9987mpa0.9=0.93141=282.6（mpa） 水壓強(qiáng)度滿(mǎn)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(jì)算按gb151-2014中7.4.6固定管板式熱交換器管板計(jì)算。管板與管箱、筒體選用e型連接方式。設(shè)計(jì)工況為第四類(lèi)。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(jì)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(hào)鋼b=118mpa。對(duì)于延長(zhǎng)部分兼做法蘭的管板計(jì)算mmmm=amlgb=15416.936.3118=6.5108nmm（3）假定管板計(jì)算厚度=58mm，法蘭凸緣厚度f(wàn)=50mm按式計(jì)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(duì)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(jì)算比較殼程fr

17、較大，顧按殼程計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算厚度滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，實(shí)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(jì)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(jì)算是否安裝膨脹節(jié)根據(jù)鋼制管殼式換熱器設(shè)計(jì)規(guī)定，條件成立，故本換熱器不必設(shè)計(jì)膨脹節(jié)。2.4 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算2.4.1 支持板本換熱器由于有相態(tài)變化，無(wú)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(dòng)中死區(qū)較少，比較優(yōu)越，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。由工藝設(shè)計(jì)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(shí)工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)計(jì)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(jì)，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(jì)溫度和公稱(chēng)直徑700，按jb4732-92長(zhǎng)頸對(duì)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(wú)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(wú)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(wú)支撐長(zhǎng)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(chēng)直徑選取拉桿直徑為16，數(shù)量為6個(gè)，在換熱器中均勻分布。拉桿尺寸 拉桿螺紋公稱(chēng)直徑拉桿直徑16 20 60管板上拉桿孔深 =20，拉桿長(zhǎng)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(hào)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(jì)算支撐板與管板距離時(shí)假設(shè)值相近，故所計(jì)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(zhǎng)頸對(duì)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