大連理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）揚(yáng)子30萬t/年乙烯裝置丙烯精餾塔再沸器設(shè)計(jì)DesignofPropyleneRectifyingColumnReboilerinYangziEthylenePlant學(xué)部（學(xué)院）：化工機(jī)械學(xué)院專業(yè)：過程裝備與控制工程學(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摘要該設(shè)計(jì)為揚(yáng)子30萬t/年乙烯裝置丙烯精餾塔設(shè)計(jì)了再沸器。論文首先收集了國內(nèi)外諸多近期關(guān)于再沸器的文獻(xiàn)，指出了現(xiàn)階段再沸器存在的問題與解決方法，并展望了未來的發(fā)展方向。論文從選型方面，對各種再沸器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與比較，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，確定使用釜式再沸器。在工藝設(shè)計(jì)方面，使用管內(nèi)無相變傳熱公式和莫斯廷斯基管外傳熱公式，確定了合適的尺寸，避免再沸器尺寸過大，且裕度合適。設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)依照GB150-1998和GB151-1999，按照TEMA-1998設(shè)計(jì)了浮頭管板，并校核了振動(dòng)失效。經(jīng)計(jì)算，所有設(shè)計(jì)均安全。此外，文中還對新舊設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，從經(jīng)濟(jì)性，可靠性與維護(hù)方面進(jìn)行分析。經(jīng)濟(jì)性方面，成本費(fèi)與加工費(fèi)合計(jì)約為80萬人民幣。相比較，原設(shè)計(jì)的設(shè)備成本比新設(shè)計(jì)要低?？煽啃院途S護(hù)性方面，由于釜式再沸器有著相當(dāng)?shù)木彌_能力，而且不存在熱應(yīng)力，其可靠性好。另外由于殼程是可拆結(jié)構(gòu)，有利于殼程的清洗，對設(shè)備的持續(xù)工作有利。所以，新設(shè)計(jì)在可靠性與維護(hù)性方面有優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：工藝設(shè)計(jì)；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)性分析DesignofPropyleneRectifyingColumnReboilerinYangziEthylenePlantAbstractThereboilerofpropylenerectifyingcolumninYangziethyleneplantisdesignedinthiswork..Firstly,theliteraturesaboutreboilerbothathomeandabroadarecollectedinthiswork,pointouttheexitingproblemofrebiolerandthepossiblesolutions.Italsoprospectsthefuturedirectionofitsdevelopment.Inthepartofmodelselection,thisdesignationhasmadeafullycomparisonandanalysisofallkindsofreboiler.Andafterseriousconsiderationofthereality,designerdecidestousekettlereboiler.Inprocessdesignpart,designerusesno-phase-changeHeatTransferTubeFormulaandMosdingskiHeatTransferTubeFormula.Theresultisprettyappropriatebecauseitavoidtheoversizeofthereboiler.Inthestrengthdesignpart,thisdesignationfullyobeysthestandardofGB150-1998andGB151-1999.TEMA-1998standardisalsousedinthedesignationoffloatingheadtubesheet.Afterthat,designerchecksthepossibilityofvibrationfailure,whichshowsatotalsafetyofallthedesignation.What’smore,thecomparisonbetweenthenewreboilerandtheoldoneismade.Ineconomypart,thematerialcostandmanufacturingcostisnearly800,000RMB.Itisshownthattheolddesignationischeaperthanthenewone.Inreliabilityandmaintenancepart,becausekettlerebiolerhasaconsiderablebufferingcapacityandhasnothermalstress,itsreliabilityisbetter.What’smore,thekettlerebiolerisdetachablewhichcouldconvenientthewashandfixjob.Sothenewdesignationhasmoreadvantageinreliabilityandmaintenance.KeyWords：ProcessDesign；StrengthDesign；EconomyAnalyze目錄摘要 IAbstract II1文獻(xiàn)綜述 1再沸器的主要種類、特點(diǎn)及其應(yīng)用場合 1釜式再沸器 1塔內(nèi)置式再沸器 1水平熱虹吸再沸器 2立式管側(cè)熱虹吸再沸器 3立式殼側(cè)熱虹吸再沸器 3強(qiáng)制流動(dòng)再沸器 4再沸器存在的問題及其解決 6腐蝕泄漏問題 6振動(dòng)失效問題 8焊接問題 9再沸器優(yōu)化設(shè)計(jì) 10論文結(jié)構(gòu) 132再沸器工藝設(shè)計(jì) 14設(shè)計(jì)背景 14再沸器選型 16工藝設(shè)計(jì) 17設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)條件 17估算設(shè)備尺寸 17傳熱系數(shù)的校核 20阻力校核 22工藝設(shè)計(jì)結(jié)果 253再沸器結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì) 27筒體 27大端壁厚 27錐殼壁厚 27封頭 28管箱 28短節(jié) 28封頭 28結(jié)構(gòu)尺寸 30補(bǔ)強(qiáng) 30管箱接管 30殼體進(jìn)料接管 31殼體氣相出口接管 32殼體液相出口接管 32固定管板 33計(jì)算各參數(shù) 33確定管板設(shè)計(jì)壓力 33計(jì)算無量綱數(shù) 34計(jì)算管板厚度 34校核軸向應(yīng)力 35校核拉脫力 36浮頭 36浮動(dòng)管板計(jì)算 36浮頭蓋計(jì)算 38浮頭計(jì)算結(jié)果 41折流板，拉桿，滑道 42振動(dòng) 42支座 44強(qiáng)度設(shè)計(jì)結(jié)果 454個(gè)人重點(diǎn)—設(shè)備費(fèi)用與經(jīng)濟(jì)性分析 46設(shè)備費(fèi)用估算 46操作費(fèi)用評估 48可靠性評估 48設(shè)備維護(hù) 49結(jié)論 50參考文獻(xiàn) 51附錄A符號說明 52致謝 541文獻(xiàn)綜述再沸器的主要種類、特點(diǎn)及其應(yīng)用場合再沸器是精餾工藝中的核心裝備之一，屬于換熱器的范疇，但是由于在其中發(fā)生了相變，其設(shè)計(jì)、施工、維修和管理方面也與日常的無相變換熱器有所不同。再沸器就其形式而言，可分為交叉流和軸向流兩種類型。在交叉流類型中，相變過程全部發(fā)生在殼程。最常用交叉流再沸器的有釜式再沸器、內(nèi)置式再沸器和水平熱虹吸再沸器。在軸向流類型中，沸騰流體沿軸向流動(dòng)，在管程完成汽化過程。最常用的軸向流再沸器為立式熱虹吸再沸器。當(dāng)熱虹吸再沸器的循環(huán)量不夠時(shí)，則使用泵來增加循環(huán)量，這時(shí)，稱之為強(qiáng)制流動(dòng)再沸器。強(qiáng)制流動(dòng)再沸器既可以為立式結(jié)構(gòu)，也可以為水平結(jié)構(gòu)。通常，立式熱虹吸再沸器和強(qiáng)制流動(dòng)再沸器的沸騰過程均發(fā)生在管程，但在特殊的應(yīng)用場合，沸騰過程也可發(fā)生在殼程。下面就各種類型再沸器的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用作一較詳細(xì)的分析[1]。釜式再沸器釜式再沸器（）殼體為大小端圓柱形殼體結(jié)構(gòu)，通過錐形殼連接。其汽液分離過程在殼程中進(jìn)行。為保證管束完全浸沒在液體中，通常在管束的外側(cè)設(shè)一擋板，維持殼程液位。換熱管束通常為雙管程的U形管結(jié)構(gòu)，當(dāng)殼程液體較臟，為了方便清洗也可以使用浮頭式換熱管。釜式再沸器非常適合應(yīng)用在汽化量大，沸點(diǎn)范圍寬的場合。釜式再沸器示意圖塔內(nèi)置式再沸器塔內(nèi)置式再沸器（）的特點(diǎn)是將管束直接插入蒸餾塔的塔底液池中，其他同釜式再沸器一樣。其應(yīng)用場合類似于釜式再沸器，但是也有相當(dāng)?shù)南拗?，即塔或塔釜直徑大，釜液潔凈不易結(jié)垢的工況。塔內(nèi)置式再沸器示意圖水平熱虹吸再沸器熱虹吸，顧名思義，是利用塔底液再沸過程密度變?。ㄖ饕遣糠制木壒剩?，從而和塔內(nèi)液體產(chǎn)生密度差，進(jìn)而獲得穩(wěn)定而持續(xù)的推動(dòng)力，使得再沸過程得以持續(xù)。熱虹吸再沸器是自然循環(huán)式，不需要外加能源，易于控制，所以幾乎可以用于任何精餾裝置中。其局限性是不宜用于粘性大、有特殊結(jié)垢傾向的介質(zhì)（這主要是因?yàn)闊岷缥俜衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)原因，一般都設(shè)計(jì)成固定管板式，其殼程的清洗是相當(dāng)困難的）以及熱源溫度不穩(wěn)定、或再沸器前后過程不穩(wěn)定的場合，另外熱虹吸再沸器的汽化率要控制在一個(gè)較小的（10%~20%）范圍內(nèi)。而且，對于管內(nèi)外流體溫差較大的情況下，需要增設(shè)膨脹節(jié)。總之，熱虹吸式再沸器是目前最廣泛應(yīng)用，使用經(jīng)驗(yàn)最豐富的再沸器形式。水平熱虹吸再沸器示意圖水平熱虹吸再沸器（），其加熱介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)，管程即可以是單流程，也可以是多流程。在設(shè)計(jì)時(shí)，對于沸點(diǎn)范圍較寬的流體，應(yīng)設(shè)水平折流板，以防止輕組分在進(jìn)口處閃蒸及重組分在出口處濃縮。為了防止流動(dòng)阻塞，流動(dòng)不穩(wěn)定，應(yīng)對最大熱流密度加以限制。該型再沸器適用于中等壓力、中等溫差及低靜壓頭的場合。立式管側(cè)熱虹吸再沸器即立式熱虹吸再沸器（），是應(yīng)用范圍最廣泛的再沸器形式。沸騰過程可以發(fā)生在管程，也可以在殼程。立式管側(cè)熱虹吸再沸器的沸騰過程發(fā)生在管程，加熱介質(zhì)在殼程，兩相流混合物以較高的流速由排出管流向塔內(nèi)。出口管的流通截面應(yīng)與管束總的過流面積一樣大，出口管的壓降應(yīng)小于總壓降的30%。出口管既可由沿軸向的大直徑彎管和塔連接，也可采用管箱側(cè)面開口。試驗(yàn)表明，出口管的結(jié)構(gòu)對再沸器的性能影響很小，但出口管過流面積過小對再沸器的性能影響很大[3]。流動(dòng)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)壓頭由塔釜的液面壓頭提供。通常，塔釜液面和再沸器的上管板在一個(gè)水平面上。對于真空條件，—倍，這樣可減少再沸器的過冷長度。為消除在低壓頭和高熱流條件下發(fā)生的流動(dòng)不穩(wěn)定性，應(yīng)在供液管路上安裝閥門或孔板。對于碳?xì)浠衔?，—，而對于水和水溶液，—。管徑和管長的選擇應(yīng)保證有足夠的循環(huán)量，防止發(fā)生干涸。立式管側(cè)熱虹吸再沸器示意圖立式熱虹吸式再沸器仍然屬于固定管板式換熱器，是無法對熱應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。因此對于溫差較大的工況，只能通過采取加膨脹節(jié)的方法，這對控制成本是不利的。所以，其最佳適用條件為純組分、中等壓力、中等溫差、中等熱流及易結(jié)垢的場合。立式殼側(cè)熱虹吸再沸器立式殼側(cè)熱虹吸再沸器（）沸騰過程發(fā)生在殼側(cè)。殼側(cè)裝有折流板，以使流體縱向流動(dòng)。垂直殼側(cè)再沸器適用于加熱介質(zhì)不適宜放在殼側(cè)的場合。例如，對于廢熱鍋爐，由于加熱流體的腐蝕性，因而要節(jié)省特殊的金屬材料，加熱介質(zhì)走管程較為合適。立式殼側(cè)熱虹吸再沸器示意圖該類再沸器的設(shè)計(jì)，應(yīng)使沸騰側(cè)的流動(dòng)均勻分布，以避免死區(qū)的出現(xiàn)，防止汽態(tài)和高沸點(diǎn)組分的積聚，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使兩相混合物以均勻的高流速流經(jīng)管板。該類型再沸器的最佳應(yīng)用場合為中等壓力、中等溫差條件下的純組分的蒸發(fā)，且加熱介質(zhì)必須放在管內(nèi)側(cè)的工況，例如加熱介質(zhì)壓力很大的情況。強(qiáng)制流動(dòng)再沸器強(qiáng)制流動(dòng)再沸器（）沸騰過程發(fā)生在管內(nèi)側(cè)，臥式立式均可以。流體循環(huán)的動(dòng)力由大容量泵提供。強(qiáng)制流動(dòng)再沸器的最佳應(yīng)用場合為有嚴(yán)重結(jié)垢傾向和有極高粘性的流體。因?yàn)榭梢员每梢允沽黧w保持很高的流速和非常低的蒸發(fā)率，使結(jié)垢的速率大大減小。但泵的造價(jià)和能源消耗都很高，故而使用受到一定限制，適用場合不甚廣泛[1，2]。強(qiáng)制流動(dòng)再沸器示意圖各型再沸器優(yōu)缺點(diǎn)一覽表種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)釜式再沸器1．對操作條件的變化不敏感，可達(dá)到很高的汽化率，很低的溫差。2．在真空下或接近臨界壓力下操作時(shí)，設(shè)計(jì)比較可靠。3．無熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)可靠，清洗方便。1．殼程液體在再沸器內(nèi)停留時(shí)間長，湍流度低，是所有再沸器中最容易結(jié)垢的。2.占地面積大，耗費(fèi)金屬多，造價(jià)高。內(nèi)置式再沸器，可使用低品位熱源。2．省去了殼體及連接管路等附件，是所有類型再沸器中造價(jià)最低的。3.無熱應(yīng)力，結(jié)構(gòu)可靠。1．比較容易結(jié)垢。2．對塔釜設(shè)計(jì)不利，往往使塔釜過大，不利于操作和開停車。3．不適宜經(jīng)常拆洗維護(hù)。水平熱虹吸再沸器1．不需要外加能源，易于控制，幾乎可以用于任何精餾裝置中。2．有較高的循環(huán)率，較高的流速和較低的出口干度，從而防止了高沸點(diǎn)組分的積聚和降低了結(jié)垢的速率。3．管束為水平方向布置，且流動(dòng)面積易于控制，因而需要的靜壓頭較低，這就降低了塔釜的高度，對精餾塔的設(shè)計(jì)有利。1．不宜用于粘性大、有特殊結(jié)垢傾向的介質(zhì)。2．由于無法進(jìn)行很大的熱補(bǔ)償，不適宜溫差大，熱應(yīng)力大的場合。3．殼程結(jié)垢后很難清洗。4．由于折流板及支撐板的影響，在高熱流條件下，有可能發(fā)生局部的干涸現(xiàn)象。對于大型熱虹吸再沸器，為了使流動(dòng)分布均勻，往往需設(shè)多個(gè)管口和連接管件，這也勢必增加了再沸器的造價(jià)。5．水平熱虹吸再沸器相對于立式再沸器，其占地面積大。立式熱虹吸再沸器1．應(yīng)用最為廣泛，使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富。2．循環(huán)速度高，不僅傳熱膜系數(shù)高于水平式，而且有很好的防垢作用，特別適用于高分子材料。1．垂直管不易拆卸、清洗及維修,尤其是管程結(jié)垢不易清洗。2．塔底液面高度大約與再沸器上部管板在同一水平面上，這就提高了塔底的高度，使塔體造價(jià)增大，尤其是高大的塔。3.立式熱虹吸再沸器對操作條件要求高，對于高真空和高壓力(近臨界壓力)及高粘度的寬沸點(diǎn)的條件，設(shè)計(jì)的難度很大。4．由于無法進(jìn)行很大的熱補(bǔ)償，不適宜溫差大，熱應(yīng)力大的場合。強(qiáng)制流動(dòng)換熱器1．由于油泵提供能量，管內(nèi)流體流速快，不易結(jié)垢，適合嚴(yán)重結(jié)垢和極高粘性的流體1．泵的造價(jià)和能源的消耗都很高。應(yīng)用不很廣泛再沸器存在的問題及其解決再沸器在現(xiàn)代化工中有廣泛的應(yīng)用，其所在的精餾裝置往往是化工，紡織企業(yè)的核心與基礎(chǔ)。所以，再沸器的可靠工作關(guān)乎企業(yè)的工作業(yè)績和安全管理。不過，由于種種原因，再沸器在服役過程中往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)際中意想不到的問題。這些問題輕則造成再沸器工作能力下降，不能正常位精餾塔提供能量；重則造成物料污染，裝置泄漏或損壞，造成極大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)估計(jì)，一臺(tái)再沸器意外損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失幾十萬，但造成的間接經(jīng)濟(jì)損失每天都以千萬計(jì)！所以，一些重要的精餾裝置往往設(shè)雙再沸器，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作。據(jù)近期文獻(xiàn)[4、5、6]所示，再沸器的存在的最主要問題就是腐蝕泄漏問題，其次就是振動(dòng)，再有就是焊接問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由腐蝕造成的再沸器腐蝕泄漏失效占再沸器總失效事件的65%以上。而且其原因也是多種多樣，十分復(fù)雜。國內(nèi)外近年來對此作了大量研究。而振動(dòng)造成的失效也占二成左右，其特征是往往伴隨著腐蝕現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，危害很大，容易造成管束和殼體出現(xiàn)疲勞裂紋，必須得到重視。而焊接質(zhì)量問題主要是由于設(shè)計(jì)失誤，質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，發(fā)生幾率不高，但是一旦出現(xiàn)此類問題，必將造成大面積泄漏，經(jīng)濟(jì)損失也最大。下面就將對這些問題進(jìn)行一一介紹：腐蝕泄漏問題腐蝕泄漏問題是再沸器故障中最為常見的一種，雖原因不盡相同，但在現(xiàn)象，解決方法上也有共性。在此限于篇幅，僅選出最有代表性的幾篇文獻(xiàn)進(jìn)行討論：王華明，李玲等[4]對低變再沸器斷裂試樣進(jìn)行了斷口分析，對設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝操作原因進(jìn)行分析。文中指出，電化學(xué)腐蝕在低變再沸器中十分普遍。解決問題的核心在于盡量防止管子成為陽極。而對于低變再沸器中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕發(fā)生在電化學(xué)腐蝕之后，主要是由于管束與折流板的材質(zhì)不一樣，形成了原電池，而由于折流板不耐腐蝕，其開孔受到腐蝕變大，在其中的管束失去支撐，上表面的拉應(yīng)力變大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕。解決方法主要有：(1)避免管子與折流板間產(chǎn)生電位差，誘發(fā)電化學(xué)腐蝕。(2)折流板合理布置，避免散熱不暢，形成流動(dòng)死區(qū)。(3)入口處應(yīng)設(shè)置防沖裝置，盡量避免氣蝕。此外，文章還對根本解決低變再沸器腐蝕的方法作了討論。認(rèn)為在材料使用方面，傳統(tǒng)的304號不銹鋼（0Cr18Ni9）防腐蝕能力最強(qiáng)；20號鋼滲鋁最經(jīng)濟(jì)。在焊接方面，管束與管板的連接最好采用強(qiáng)度焊與脹接相結(jié)合，先焊后脹。必要時(shí)采取犧牲陽極防腐蝕。這些措施在實(shí)踐中都得到了極好的效果。張德勝[5]針對甲醇精餾主塔再沸器嚴(yán)重內(nèi)漏現(xiàn)象及其危害，從工藝、設(shè)備兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析探討。文中介紹廠區(qū)內(nèi)某甲醇精餾主塔再沸器有十幾根換熱管內(nèi)漏（殼程與管程之間的泄漏）嚴(yán)重。主要集中在塔底液入口正對管板處，呈圓形分布；另有三十多根存在不同程度的泄漏。這些泄漏的管束存在不同程度的減薄和斷裂現(xiàn)象，殼程入口也有明顯的沖刷腐蝕。究其原因，主要有設(shè)備方面原因和質(zhì)量方面的缺失。改進(jìn)措施具體為：(1)在下封頭內(nèi)側(cè)(塔底液入口處)水平加一擋板()，以避免塔底液對管束與管板焊道的直接沖蝕。(2)對再沸器管程進(jìn)行鎳磷鍍等預(yù)膜防腐處理。(3)采用對稱施焊，以減小熱應(yīng)力。甲醇精餾主塔再沸器內(nèi)漏示意圖與解決方案示意圖馬紅杰，黃新泉等[6]分析了該廠乙二醇裝置500＃蒸發(fā)單元五效再沸器的腐蝕原因及過程。并指出該再沸器pH值的工藝操作指標(biāo)應(yīng)定為7～9，因?yàn)槿鯄A性的工作環(huán)境有利于金屬形成致密氧化膜，提高防腐性能。其次，對該再沸器的管程也進(jìn)行了整體更換，新管束的材質(zhì)為Cr5Mo；考慮到經(jīng)濟(jì)成本與生產(chǎn)安全，作者建議對腐蝕較輕的再沸器彎頭和封頭部位進(jìn)行鋼板（與原材質(zhì)一致）貼補(bǔ)，并對焊縫及熱影響區(qū)作探傷檢測，保證貼補(bǔ)質(zhì)量。最后，涂料防護(hù)。該再沸器采用德富康涂料進(jìn)行過防護(hù)，有效的延長了沖刷腐蝕的破壞周期，故應(yīng)該繼續(xù)使用。林猛等人[7]針對每次設(shè)備檢修后向塔底再沸器都會(huì)發(fā)生浮頭泄漏的問題，對再沸器的螺栓—法蘭連接系統(tǒng)進(jìn)行了分析。文中指出，在換熱器內(nèi)導(dǎo)熱油逐漸升溫過程中，墊片的回彈性能會(huì)隨溫度的增加而逐漸下降，即墊片的彈性系數(shù)減小，相應(yīng)的回彈力也會(huì)減少。而回彈力的減少，會(huì)減少密封面比壓，引起泄露。作者給出了十分巧妙地解決方法，即利用彈性墊圈（）對法蘭進(jìn)行補(bǔ)償。彈性墊圈是一種新型的彈性補(bǔ)償元件，一般可以根據(jù)密封墊片的形狀、材料、預(yù)緊比壓、密封介質(zhì)壓力、密封介質(zhì)溫度、密封法蘭尺寸以及螺栓材質(zhì)等參數(shù)設(shè)計(jì)出彈性墊圈的具體尺寸。將其直接安裝在螺母下方，就會(huì)使螺栓的彈性系數(shù)極大降低。當(dāng)介質(zhì)溫度升高時(shí)，密封面壓緊應(yīng)力受到的影響會(huì)大為減小，從而減少泄漏。彈性墊圈使用示意圖總體來說，再沸器的腐蝕泄漏問題主要都是因?yàn)椋苁c管板的連接處處理不當(dāng)，殼程、管程防沖措施不到位，再沸器選材不當(dāng)，防腐措施不到位或不合適。不過，由于大部分再沸器都是難以拆卸的立式熱虹吸再沸器，對其腐蝕泄漏的處理往往十分復(fù)雜費(fèi)事。故而，能夠在設(shè)計(jì)層面上從嚴(yán)從難，多方考慮，往往要比勤維修，勤維護(hù)來得經(jīng)濟(jì)，也省時(shí)省力。這是設(shè)計(jì)者們不能不引起注意的。振動(dòng)失效問題再沸器在設(shè)計(jì)過程中，往往要考慮振動(dòng)問題。因?yàn)樵俜衅鞑煌谄胀〒Q熱器，內(nèi)部存在相變，而無論是蒸汽冷凝，還是液體沸騰汽化都會(huì)造成因提及變化引起的振動(dòng)。而這種振動(dòng)如果不加限制與校核，就會(huì)引起管束的疲勞損壞。而這種疲勞損壞帶有突然性，危害很大。鑒于此，再沸器的機(jī)械設(shè)計(jì)中就利用折流板間距等幾何手段限制管束的振動(dòng)。不過，在實(shí)際操作中，往往會(huì)發(fā)生許多意想不到的因素，使管束的振動(dòng)超過預(yù)期，造成損失。國內(nèi)外有諸多文獻(xiàn)對再沸器振動(dòng)問題做了研究，取得了不小的成果：任軍平、張克鋒[8]等對本廠加壓塔再沸器失效做了分析。經(jīng)分析，加壓塔再沸器換熱管斷裂的主要原因有換熱管的制造缺陷以及換熱管振動(dòng)與折流板之間的摩擦。文章對換熱管間存在的振動(dòng)作了討論，并詳加計(jì)算。計(jì)算了卡門渦街旋律fv，紊流抖振主頻率ft，聲頻fa與換熱管固有頻率，管束振動(dòng)判斷的依據(jù)根據(jù)GB151-1999。作者認(rèn)為認(rèn)為此再沸器在設(shè)計(jì)時(shí)對換熱管束與折流板之間的摩擦估計(jì)過小，造成折流板與換熱管束接觸處磨損嚴(yán)重，基本喪失支撐作用。這就使換熱管束相鄰的特征長度成倍增加，振動(dòng)頻率逐步下降直至接近蒸汽流動(dòng)的頻率，造成共振，最終泄漏。據(jù)此，作者提出了相應(yīng)的整改方案：首先，改變蒸汽流速。即減少殼程流量Q，以分流殼程代替單殼程，以雙弓形折流板代替單弓形折流板，都能降低橫流速度V，防止振動(dòng)。但此舉對傳熱效率有不利影響。其次，改變換熱管的固有頻率。如減少換熱管的跨距、在不影響橫流速度的情況下，折流板之間增設(shè)支承板、在換熱管二階振型的節(jié)點(diǎn)位置處增設(shè)支承板。最后，在殼程沿平行于氣流的方向插入縱向隔板（消聲板），以減小公式中的特性長度，此舉可提高聲頻，防止聲振動(dòng)。當(dāng)然，在工藝條件與資金允許的情況下，還可以設(shè)置防沖板和導(dǎo)流筒，他們的方振降噪能力更強(qiáng)，還可以防止蒸汽入口處的管束腐蝕過快。劉儉國[9]對場內(nèi)鈦制再沸器管板接頭焊縫腐蝕開裂的原因做了分析，并提出了改進(jìn)措施。作者認(rèn)為，再沸器出現(xiàn)管板接頭焊縫腐蝕開裂的原因是應(yīng)力。由于介質(zhì)本身極具腐蝕性。另外再沸器經(jīng)過改進(jìn)，增加換熱面積，但是蒸汽流量不增加，這就要延長了介質(zhì)加熱時(shí)間。由于蒸汽冷凝為水時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，使設(shè)備工作在過大的交變載荷下。所以，較大的交變應(yīng)力使管板接頭疲勞開裂，引起腐蝕開裂。文章中還根據(jù)實(shí)際情況提出了幾點(diǎn)改進(jìn)：第一，可以將管板光孔脹接加焊接改為管板孔內(nèi)開槽脹接加焊接的方式連接。第二，雖然鈦制再沸器在沸騰的濃醋酸中使用時(shí),工藝上應(yīng)保證其含水量足以使鈦鈍化，但在含有醋酸酐和甲酸等成分的沸騰濃醋酸中使用鈦時(shí),設(shè)備材料應(yīng)盡量選用TA9,TA10合金。姜海一、賈國棟、孫亮等[10]對某再沸器出現(xiàn)疲勞裂紋失效做了研究，采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測定、宏微觀檢驗(yàn)、有限元應(yīng)力計(jì)算及振動(dòng)測試等方法對再沸器的材料、加工工藝和工作狀況進(jìn)行了綜合分析。指出由于管板材料性能較差，在制造該再沸器過程中受焊接熱循環(huán)和較高應(yīng)力水平的影響，造成在熱影響區(qū)形成微裂紋，進(jìn)而又在工作介質(zhì)和應(yīng)力的作用下在該區(qū)域發(fā)生振動(dòng)疲勞損傷而形成宏微觀裂紋致蒸氣泄漏。最后還提出了利用彈性支座減震的新方法。焊接問題焊接問題在之前兩個(gè)問題中也都有穿插涉及，比如文獻(xiàn)[5、9、10]都指出其再沸器存在焊接問題，也指出提高焊接質(zhì)量，改進(jìn)焊接工藝是提高再沸器質(zhì)量與服役壽命的重要一環(huán)。黃石嶺[11]就著重對氯化苯再沸器的焊接技術(shù)作了整理，有很強(qiáng)的借鑒應(yīng)用意義。作者認(rèn)為焊接的工藝簡單，但存在很大的局限：首先，力學(xué)結(jié)構(gòu)不合理。列管與管板之間存在裝配間隙，殼體蒸汽流動(dòng)誘導(dǎo)列管振動(dòng)，增大了列管與管板之間的拉脫力。其次，焊接工藝不合理。焊接接頭根部間隙較大，接頭抗疲勞強(qiáng)度較低，容易在焊縫根部發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。鑒于此，往往要采用脹焊結(jié)合()的方法。文章就介紹了脹焊結(jié)合的工藝特點(diǎn)及其選擇：對于先焊后脹（即強(qiáng)度焊+密封脹）的優(yōu)點(diǎn)主要有：可以避免因施焊受熱對脹接嚴(yán)密性的破壞；焊接前不需要對列管、管板孔做嚴(yán)格的清理，節(jié)約工時(shí)，降低人工成本；不需要專門的清理設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資成本；可以有效避免因先脹時(shí)殘留的油、水等物質(zhì)在焊接時(shí)揮發(fā)形成氣孔，保證焊接接頭質(zhì)量。而先脹后焊（即強(qiáng)度脹+密封焊）的優(yōu)點(diǎn)也很明顯：先脹保證了脹接的均勻性，避免因施脹不均勻而造成脹接嚴(yán)密性降低；保證焊接質(zhì)量，避免焊縫裂紋的產(chǎn)生。不過先脹后焊也存在缺點(diǎn)：即對管端的加工精度要求較高，增加了加工的難度及制造費(fèi)用；焊接時(shí)接近焊縫區(qū)的高溫使脹接局部應(yīng)力松脫，影響原脹效果；脹接殘余的油污、水等，由于焊接時(shí)不能從反面沖出，只能從熔池內(nèi)沖出，造成熔池內(nèi)流體金屬翻騰，形成氣孔；清理脹接殘留的油污、水困難，清理數(shù)以千計(jì)的列管需要專門設(shè)備，增加設(shè)備投入，提高了制造成本。焊接與脹焊結(jié)合工藝示意圖再沸器優(yōu)化設(shè)計(jì)再沸器是精餾裝置的核心，為精餾過程提供能量。由于其工作環(huán)境特殊，常工作在強(qiáng)腐蝕，易結(jié)垢環(huán)境中。所以，新形式，新材料的再沸器成為研究的重點(diǎn)。此外，現(xiàn)在世界能源短缺，降低再沸器能耗，使用較低品位熱源也是建設(shè)低碳工業(yè)，節(jié)能減排的必然要求。錢鼎興[12]就對鈦材在再沸器上的應(yīng)用作了研究。對于部分強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，使用鈦材制造再沸器是最經(jīng)濟(jì)且最可行的方案。但是鈦材本身有許多問題，為其使用帶來了困難與局限。因此，對于鈦制再沸器，在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位，應(yīng)盡量不用鈦材，只在存在腐蝕介質(zhì)的管程和管箱使用鈦材。管板則最好使用復(fù)合板，先貼張?jiān)俸蛷?fù)合鈦板焊接。避免使用昂貴且難以制造的鈦制膨脹節(jié)。談沖[13]介紹提高立式熱虹吸再沸器管內(nèi)傳熱系數(shù)的計(jì)算方法，提出此傳熱系數(shù)與汽化率的關(guān)系，并對其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。文章采用Chen氏簡化公式：。其中：，當(dāng)時(shí)，。當(dāng)時(shí)，。計(jì)算得出結(jié)論：(1)在出口汽化量要求固定的情況下，再沸器列管內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)值隨出口汽化率的下調(diào)而增大，即再沸器傳熱面積將減小，有利于設(shè)計(jì)。(2)兩相流體傳熱系數(shù)不存在極值，但再沸器汽化率低于5%時(shí)不可能產(chǎn)生熱虹吸，故也不能單純?yōu)樘岣邆鳠嵯禂?shù)使汽化率無限小。因此為了安全，工程設(shè)計(jì)中常規(guī)的做法是將釜內(nèi)液面調(diào)至稍低于出口管與列管上管數(shù)差不多的高度上。(3)過低下調(diào)出口汽化率使連接管尺寸過大亦非良好的設(shè)計(jì)。工程經(jīng)驗(yàn)一般推薦出口汽化率不低于，不大于。陸恩錫，李小玲等[14]介紹了蒸餾過程中間再沸器和中間冷凝器（統(tǒng)稱中間換熱器，見圖（）的節(jié)能原理以及相關(guān)工藝參數(shù)的確定原則。指出使用中間換熱器的條件主要是有無可供匹配的冷源或熱源。他們雖不能減少整體熱負(fù)荷，卻無須采用如同塔頂冷凝器和塔釜再沸器那樣高品位的冷劑和加熱介質(zhì)，從而有可能使用品位和價(jià)格較低的冷劑和熱源，節(jié)省了操作費(fèi)用。通常，分離相對較純的混合物時(shí)（），蒸餾塔的熱力學(xué)效率是十分低下的。此時(shí)，，則中間再沸器在提高蒸餾塔效率方面是十分顯著的；，在中間冷凝器在提高蒸餾塔效率方面是十分顯著的。而對于富含輕組分的飽和液相進(jìn)料（）,中間冷凝器僅有不大的效率改善，而中間再沸器可較大地改進(jìn)蒸餾效率；但是對于富含重組分的飽和氣相進(jìn)料（），中間再沸器僅有不大的效率改善，而中間冷凝器可較大地改進(jìn)蒸餾效率。中間再沸器的熱負(fù)荷可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，該熱負(fù)荷愈大,則塔釜再沸器的熱負(fù)荷愈小。采用多大的熱負(fù)荷，應(yīng)當(dāng)通過塔的逐板模擬計(jì)算進(jìn)行權(quán)衡，使得相關(guān)工藝參數(shù)能夠獲得較好的匹配。一般的，中間再沸器可以達(dá)到基本工況塔釜再沸器熱負(fù)荷的70%以上，如果使用廢熱來加熱中間再沸器的話,其節(jié)能幅度無疑是十分顯著的。中間再沸器與中間冷凝器功能示意圖劍橋大學(xué)化學(xué)技術(shù)公司的Hagan和Kruglov[15]對再沸器的熱流量作了深入研究，指出任何再沸器都有一個(gè)最大熱流量—即熱負(fù)荷與傳熱面積之比。這一最大熱流量發(fā)生在管束表面由膜狀沸騰向過渡區(qū)過渡的臨界點(diǎn)上，這一臨界點(diǎn)對應(yīng)的溫差稱為臨界溫差。作者認(rèn)為，最大熱流量即對應(yīng)著最大傳熱系數(shù)，此時(shí)的傳熱效果是最好的。所以，再沸器最好都設(shè)計(jì)在核狀沸騰區(qū)，這一來可以獲得最大的傳熱系數(shù)；二來也可以獲得更好的可控性。此外，本文還對不同加熱介質(zhì)的再沸器提出了不同的設(shè)計(jì)和控制方案。對于敏感加熱介質(zhì)（熱油），應(yīng)用節(jié)流閥調(diào)整其流量，進(jìn)而控制再沸器熱負(fù)荷和平均傳熱溫差；蒸汽加熱則可以用蒸汽控制閥控制蒸汽流量，也可以最再沸器內(nèi)的冷凝水液面高度進(jìn)行控制，增加（減少）換熱面積，最終達(dá)到控制再沸器熱負(fù)荷與平均傳熱溫差的目的。XuenongGao和HuibinYin[16]等人對燒結(jié)型表面多孔管在提高沸騰傳熱系數(shù)的作用做了分析。指出纏繞多孔管（T-MPS）可以顯著提升沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，。而且實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)對于臥式換熱管，下部的換熱管比上部的傳熱系數(shù)大；立式的換熱管，上部比下部傳熱系數(shù)大。DavidA.McNeil和KhalidBamardouf[17]等人對釜式再沸器內(nèi)部流動(dòng)作了研究。談們通過一臺(tái)透明殼體并帶有攝像頭的實(shí)驗(yàn)釜式再沸器，分別記錄了不同熱通量下的沸騰狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)指出，在熱通量小于10kW/㎡時(shí)，各行間的壓降為一常數(shù)；在熱通量大于10kW/㎡時(shí)，各行間壓降不斷下降?？傊?，這些文獻(xiàn)對于本次的再沸器設(shè)計(jì)是很有幫助的。從選型方面，應(yīng)當(dāng)綜合考慮場地，氣化率，介質(zhì)，溫差等方面進(jìn)行選擇。并且，應(yīng)當(dāng)綜合考慮之前文獻(xiàn)所述的問題，加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督管理，改進(jìn)焊接制造，防腐減震，安裝維護(hù)的工藝，爭取將再沸器設(shè)計(jì)的更加安全可靠。論文結(jié)構(gòu)本論文首先通過對近期再沸器有關(guān)文獻(xiàn)的分析，并結(jié)合實(shí)際工況，對再沸器的形式進(jìn)行分析，并確定了再沸器的形式與工況。其次，本論文將對再沸器進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)，主要是計(jì)算換熱面積和傳熱系數(shù)，并對再沸器的殼程和管程阻力進(jìn)行計(jì)算。第三，本論文將對再沸器進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，主要設(shè)計(jì)了包括筒體，封頭，管板，浮頭等部分，并對開孔補(bǔ)強(qiáng)和振動(dòng)進(jìn)行校核。最后，本論文將對新舊設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性，可靠性和維護(hù)性方面的比較。2再沸器工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)背景本次設(shè)計(jì)的再沸器是南京揚(yáng)子30萬噸乙烯裝置中丙烯精餾塔的再沸器。揚(yáng)子30萬噸乙烯裝置，是95年建設(shè)投產(chǎn)的老廠。當(dāng)時(shí)與魯化等大廠聯(lián)合引進(jìn)了美國魯姆斯技術(shù)，利用裂解輕柴油，石腦油等原料生產(chǎn)乙烯。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)是從大慶油田獲得穩(wěn)定的石腦油供應(yīng)。之后由于市場原因改用石腦油，輕柴油混合生產(chǎn)乙烯，但是凸顯出了裝置彈性不足，生產(chǎn)能力有限的短板。后對老設(shè)備進(jìn)行改裝，使得乙烯裝置在大量使用外來石腦油原料的同時(shí)，還可以使用該公司的直餾石腦油，常壓柴油，尤里卡加氫柴油，加氫裂化尾油等多種原料，有效擴(kuò)大了原材料的來源，增強(qiáng)了企業(yè)抗原材料供應(yīng)波動(dòng)的能力，提升了競爭力。揚(yáng)子30萬噸乙烯裝置的主要工藝流程，，具體如下。原料經(jīng)過一對STR-1裂解爐后裂解氣化，經(jīng)過一系列的過濾，脫酸，脫水加壓后，進(jìn)入冷箱冷凍。冷箱將混合氣體大部分液化，剩下的低沸點(diǎn)氣體均是甲烷。之后，混合液體進(jìn)入脫甲烷塔。脫甲烷塔是一種精餾塔，其輕組分絕大部分是甲烷，并重新送回冷箱。塔底餾分進(jìn)入脫乙烷塔，其中塔頂餾分為乙烯乙烷（含少量乙炔）共沸物，經(jīng)過乙炔化（將乙炔轉(zhuǎn)化為乙烯、乙烷），干燥（乙炔化過程產(chǎn)生水）后送至乙烯精餾塔繼續(xù)精餾。塔底餾分送至脫丙烷塔，其中塔頂餾分為丙烯丙烷（含少量丙二烯）共沸物，經(jīng)過丙二烯轉(zhuǎn)化器（將丙二烯轉(zhuǎn)化為丙烯丙烷），脫甲烷塔（丙二烯轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生甲烷）后送至丙烯精餾塔繼續(xù)精餾，其中塔頂產(chǎn)出丙烯，塔底重組分（主要是丙烷）經(jīng)過再精餾，在無塔底餾分的工藝操作下，于塔頂生產(chǎn)出液化石油氣。脫丙烷塔的塔底餾分為較重的碳四組分，被送至脫丁烷塔，塔頂產(chǎn)出較純的丁烷，塔底則是裂解汽油。該再沸器位于C3車間，丙烯工段，設(shè)計(jì)為丙烯—丙烷精餾塔提供能量。該組再沸器理論熱負(fù)荷為22200000kcal/h，約合25800kW，總C3流量為337000kg/h，汽化量約為7300kmol/h，氣化率90%左右。不過，鑒于汽化量、熱負(fù)荷極大，設(shè)計(jì)者采用了雙再沸器的設(shè)計(jì)模式。所以，該組再沸器組單臺(tái)實(shí)際的熱負(fù)荷為12900kW，C3流量168500kg/h，氣化率仍為90%。該再沸器利用熱水進(jìn)行加熱。來自裂解爐的高溫高壓蒸汽在經(jīng)過透平做功后，仍有相當(dāng)?shù)臒崃?。該廠本著能量逐級利用的原則，將這部分冷凝水作為各個(gè)精餾塔再沸器的加熱能源。丙烯精餾塔再沸器的加熱能源，就是部分脫丁烷塔再沸器的出水與透平冷凝水的混合水。該混合水經(jīng)過軟化過濾，是比較潔凈不易結(jié)垢的，故設(shè)計(jì)的時(shí)候熱垢阻力可以設(shè)計(jì)得較小。乙烯裝置工藝流程圖乙烯裝置工藝流程圖以上就是丙烯再沸器的工藝背景與操作條件。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，就是對這組再沸器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。再沸器選型再沸器最常見的形式是立式管側(cè)熱虹吸再沸器。但是，在這一工程實(shí)踐中不宜應(yīng)用。因?yàn)椋樗俜衅髟O(shè)計(jì)氣化率為90%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)立式管側(cè)熱虹吸再沸器的最佳氣化率（10%-20%）。如果采用立式管側(cè)熱虹吸式再沸器，則必然由于上部管束干度過大，造成局部的氣液換熱。眾所周知，氣液換熱的效果遠(yuǎn)不及液液換熱。這樣，想達(dá)到相同的換熱效果，就需要更大的換熱面積，這勢必增大換熱器的尺寸，給設(shè)計(jì)和安裝帶來困難。所以，該工況下，立式管側(cè)熱虹吸再沸器不適合。另一種設(shè)計(jì)方法就是立式殼側(cè)熱虹吸再沸器。該型再沸器也是利用了熱虹吸原理，只不過沸騰流體走殼程，管程走加熱介質(zhì)。該類型再沸器的最佳應(yīng)用場合為中等壓力、中等溫差條件下的純組分的蒸發(fā)，且加熱介質(zhì)必須放在管內(nèi)側(cè)的工況，而且對出口氣化率限制不大。所以，立式殼側(cè)熱虹吸再沸器是可以應(yīng)用在本設(shè)計(jì)中的。但是，不得不說，在丙烯塔底利用立式殼側(cè)熱虹吸再沸器也有缺陷。雖然該型立式再沸器占地空間少，但是如果算上安裝，清洗，維護(hù)留下的空間裕量，其占地面積也比較可觀。另外，據(jù)資料顯示，該丙烷塔再沸器蒸發(fā)量巨大，僅管長就有6米，這就增加了塔釜的高度。丙烯丙烷共沸物的分離難度大，該塔有153塊塔板，塔高60余米，是整個(gè)乙烯裝置中最為高大的塔器。塔器在設(shè)計(jì)中，要考慮內(nèi)壓，自重，地震載荷和風(fēng)載荷，其中風(fēng)載荷影響甚巨，尤其是高塔。這是因?yàn)椋x地面越高，風(fēng)壓的修正系數(shù)就越高。換句話說，就是離地面越遠(yuǎn)，風(fēng)越大。而風(fēng)載荷等于計(jì)算塔節(jié)的風(fēng)壓與計(jì)算基準(zhǔn)面距離的乘積，塔高一旦增高，風(fēng)載荷是呈平方增長的，而且塔越高，這種增量就越明顯。在塔底安裝如此巨大的立式再沸器，勢必使本來已經(jīng)很高的精餾塔進(jìn)一步增高，為了保證安全，塔的壁厚也肯定要相應(yīng)增厚，塔的制造成本增長不容忽視。另外，立式殼側(cè)熱虹吸再沸器仍屬于固定管板式換熱器，不能提供熱補(bǔ)償。雖然該再沸器的平均溫差為22℃左右，并不算大，但是其熱應(yīng)力也是不容忽視的。許多文獻(xiàn)都指出，熱應(yīng)力造成的管束根部腐蝕對再沸器的正常工作有很大危害。而且，固定管板式再沸器的拆卸維修是很費(fèi)勁的，如果要將殼程也設(shè)計(jì)成可拆的，則管板的制造費(fèi)用也會(huì)提高（殼程壓力有2MPa，，可拆結(jié)構(gòu)需要很厚的法蘭與昂貴的金屬墊片）。所以說，增加塔高，不易拆洗，不易熱補(bǔ)償是立式殼側(cè)熱虹吸再沸器設(shè)計(jì)的缺陷。所以，本設(shè)計(jì)決定使用臥式再沸器，可以選用臥式熱虹吸再沸器和釜式再沸器。該廠的原始設(shè)計(jì)就是臥式熱虹吸再沸器。這兩型再沸器一來可以很好的解決塔高增加的問題；二來，也可以突破立式再沸器氣化率的限制。由于原設(shè)計(jì)選用臥式熱虹吸再沸器，為避免重復(fù)，決定設(shè)計(jì)一臺(tái)釜式再沸器。首先，，對塔高影響有限。另外，釜式再沸器管束不存在熱應(yīng)力問題，可以再內(nèi)部自由伸縮，而且方便抽出，對殼程進(jìn)行清洗。所以說，釜式再沸器很好的解決了立式殼側(cè)熱虹吸再沸器的缺陷。不過，釜式再沸器也不是沒有缺陷。該型再沸器是所有再沸器中占地面積最大，殼程最易結(jié)垢，造價(jià)最高的再沸器。但是，就該設(shè)計(jì)環(huán)境而言，殼程內(nèi)部是以丙烷為主的輕有機(jī)組分，不易結(jié)垢。而且相對于節(jié)省下的塔的制造費(fèi)用，再沸器設(shè)備費(fèi)用的上升也不明顯。所以，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)將為丙烷塔設(shè)計(jì)一組釜式再沸器。工藝設(shè)計(jì)本次工藝設(shè)計(jì)，參考了文獻(xiàn)[2]和[20]中再沸器設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容。設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)條件現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺(tái)釜式再沸器，以85℃的熱水為熱源，加熱塔底的丙烯丙烷混合物。殼程與管程的設(shè)計(jì)條件殼程管程溫度/℃55℃85℃-72℃壓力（絕壓）/MPa流量/（kg/h）蒸發(fā)量/(kg/h)已知塔底混合物中，%，%（均是質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其余為丁烷等重組分。塔底壓力為2MPa，溫度55℃，kg/h，汽化量約3700kmol/h，單臺(tái)熱負(fù)荷11100000kcal/h（約12900kW）。估算設(shè)備尺寸(1)傳熱面積和管數(shù)已知熱負(fù)荷kW，殼程流體汽化潛熱，殼程流量。根據(jù)熱平衡，殼程汽化量，體積流量：kg/hm3/s物性數(shù)據(jù)（基于丙烯丙烷混合物物性并加以修正）殼程流體55℃，臨界壓力/MPa汽化潛熱/(kJ/kg)蒸汽熱導(dǎo)率/(W/(m·K))蒸氣密度/(kg/m3)蒸汽黏度/(mPa·s)液相密度/(kg/m3)管程流體80℃下物性數(shù)據(jù)密度/(kg/m3)黏度/(mPa·s)熱導(dǎo)率/(W/(m·K))比定壓熱容/(kJ/(kg·K)管程入口溫度，出口溫度。管程質(zhì)量流量，體積流量：kg/hm3/s=m3/h已知?dú)こ虦囟?，?jì)算平均傳熱溫差：℃估算傳熱系數(shù)W/(m2·K)，利用下面公式估算傳熱面積：m2選傳熱管尺寸，則用下面公式計(jì)算管數(shù)：根傳熱管按三角形排列。，其中a是正六邊形數(shù)，b為正六邊形對角線上管數(shù)。經(jīng)計(jì)算，a=20時(shí)，=1459，滿足條件，此時(shí)b=41。由于管束為雙管程，中間不能布管。所以，最多可布管數(shù)為1459-41=1418根，所以1412根管是合適的。這樣，就可通過文獻(xiàn)[2]50頁的表3-7查得管心距t=32mm，隔程相鄰管的管心距為44mm。通過下面公式計(jì)算管束直徑：mm(2)殼體尺寸確定殼體直徑,先算，用下面公式計(jì)算為：m/s用下面公式計(jì)算為：m2由mm和m2，查文獻(xiàn)[2]75頁的表3-20可知?dú)んw直徑為mm，m3/m。殼體小端由普通管式換熱器殼體內(nèi)經(jīng)公式估算，管板利用率70%。殼體小端直徑為：mm。折流板采取弓形折流板，折流板間距mm，折流板數(shù)。拉桿數(shù)量由管外徑為25mm，可知拉桿直徑應(yīng)為16mm。由小端直徑為1520mm，可知需要10根拉桿，由于管板利用率為70%，還是有空余面積布置的。另外，在殼程入口處應(yīng)設(shè)置防沖板。(3)接管尺寸管箱接管。管程流體為水，設(shè)流速，則接管內(nèi)徑為：mm圓整后，取管程接口管內(nèi)徑為340mm。殼程入口接管。殼程入口為液態(tài)進(jìn)料，設(shè)流速，則接管內(nèi)徑為：mm圓整后，取殼程入口接管內(nèi)徑為240mm。殼程出口接管。殼程出口為氣液分開出料，氣相出口的流速為，內(nèi)徑為：mm圓整后，取殼程氣相出口接管內(nèi)徑為400mm。設(shè)液相出口的流速為，則接管內(nèi)徑為：mm圓整后，取殼程液相出口接管內(nèi)徑為45mm。傳熱系數(shù)的校核(1)管內(nèi)傳熱系數(shù)管內(nèi)傳熱系數(shù)分為有相變和無相變兩種。本設(shè)計(jì)中，管內(nèi)走熱水，不存在相變，則用管內(nèi)無相變公式計(jì)算，其中，管內(nèi)流速：m/s。雷諾數(shù)：Re合適。普朗特?cái)?shù)：Pr合適。幾何因數(shù)：合適。管內(nèi)傳熱系數(shù)為：W/(m2·K)(2)熱阻根據(jù)文獻(xiàn)[2]55頁的表3-9，并結(jié)合現(xiàn)有資料與使用狀況綜合考慮，認(rèn)為管內(nèi)的熱水雖然為透平冷凝水，比較干凈，但是之前也是經(jīng)過了較長的管道和換熱過程，攜帶了較多的管道污垢。所以，基于以上情況，保守估計(jì)管內(nèi)熱阻(m2·K)/W。管外由于是丙烯丙烷共沸物，其所含的雜質(zhì)少，熱阻也相對較小(m2·K)/W。由文獻(xiàn)[2]W/(m·K)。管壁熱阻(m2·K)/W。(3)沸騰狀態(tài)確定首先除管外的熱阻，得：(m2·K)/W與對應(yīng)的傳熱溫差為：℃沸騰側(cè)傳熱溫差為：℃管外沸騰形式還與對比壓力有關(guān)。其中，為系統(tǒng)壓力（絕壓），MPa，為臨界壓力，查物性手冊知MPa。則可知：查資料[20]208頁的圖4-10與莫斯廷斯基關(guān)聯(lián)式，可查得時(shí)，臨界溫差約為15℃，大于。所以該設(shè)計(jì)在泡核狀態(tài)運(yùn)行。(4)管外傳熱系數(shù)利用莫斯廷斯基公式計(jì)算：W/m2=kcal/(m2·K)=kcal/(m2·h·℃)=W/(m2·K)(5)總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)由下式求得：W/(m2·K)(6)裕度首先計(jì)算實(shí)際傳熱面積，由下式得：m2傳熱面積裕度為：考慮到浮頭也有一定的傳熱能力，此裕度是可以接受的。(7)熱流密度核算熱通量參數(shù)可由下式得:臨界熱流密度：W/m2其中：。可知，故所設(shè)計(jì)的釜式再沸器是合適的。阻力校核(1)管程阻力管程阻力應(yīng)用范寧公式進(jìn)行計(jì)算，直管部阻力為。管內(nèi)，相對粗糙度由文獻(xiàn)[18]。由穆迪圖可知摩擦系數(shù)，則：Pa局部阻力系數(shù)可取3，則：Pa由于管程為雙管程，浮頭式，利用結(jié)垢系數(shù)修正，則管程阻力為：Pa一般情況下，液體流過換熱器的允許壓降為Pa，該再沸器的管內(nèi)流體阻力合適。(2)殼程阻力再沸器壓力平衡示意圖[20]H1：塔釜液位(m),H2：液面與進(jìn)口管距離(m)，HX：安裝差高(m)，D：再沸器直徑(m)再沸器的殼程阻力計(jì)算主要是為了計(jì)算再沸器的安裝高度，本設(shè)計(jì)利用文獻(xiàn)[20]的方法進(jìn)行計(jì)算。其中：①入口管壓降入口管流通面積：m2入口管流速：m/s入口管質(zhì)量流速：kg/(m2·s)入口雷諾數(shù)：入口管摩擦系數(shù)：入口管壓降：m液柱②出口管壓降出口管流通面積：m2出口管流速：m/s出口雷諾數(shù)：出口管摩擦系數(shù)：入口管壓降：m液柱③殼體靜壓m液柱④流體靜壓m液柱其中：是釜液在塔體內(nèi)高度，取=0。為封頭內(nèi)釜液高，取=3m。⑤殼程摩擦壓降殼程流通面積為：m2殼程當(dāng)量直徑為：mm殼程雷諾數(shù)為：殼程摩擦系數(shù)為：殼程質(zhì)量流速為：kg/(m2·s)m液柱⑥計(jì)算安裝高度由平衡關(guān)系可知：，取=m。則此時(shí)，再沸器出口管線垂直長度=m。再沸器入口管線當(dāng)量長度m，再沸器出口管線當(dāng)量長度m。殼程阻力m液柱=Pa，殼程阻力小于50000Pa，符合要求。工藝設(shè)計(jì)結(jié)果工藝設(shè)計(jì)主要對換熱面積進(jìn)行計(jì)算，并對管內(nèi)和管外的傳熱系數(shù)進(jìn)行校核，結(jié)果裕度合適，能滿足設(shè)計(jì)要求。另外還對阻力進(jìn)行了計(jì)算和校核，阻力符合要求。。換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸與計(jì)算結(jié)果（注：帶*的是強(qiáng)度計(jì)算后的修正值）形式浮頭式臺(tái)數(shù)2殼體大端內(nèi)徑/mm2000殼體小端內(nèi)徑/mm1520管徑/mmΦ25×管心距/mm32管長/mm7500管子排列△管數(shù)目/根1412折流板數(shù)/個(gè)16，13*傳熱面積/m2折流板間距/mm460，450*管程數(shù)2換熱管材質(zhì)20#鋼主要計(jì)算結(jié)果（單臺(tái)）管程殼程流速/(m/s)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/[W/(m2·K)]熱垢系數(shù)/(m2·K/W)阻力/MPa熱流量/kW12900傳熱溫差/K傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]裕度%3再沸器結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要參考GB150-1998，GB151-1999，HG20582-1998及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。筒體由工藝計(jì)算可知，筒體大端內(nèi)徑為2000mm，不用圓整。筒體小端設(shè)計(jì)內(nèi)徑為1520mm，mm，故圓整至1500mm。大端壁厚設(shè)計(jì)溫度為100℃，設(shè)計(jì)壓力MPa，選擇Q345R卷制。查得，100℃時(shí)，材料的許用應(yīng)力MPa。焊接為雙面對焊，100%無損檢測，焊縫系數(shù)，腐蝕余量mm，鋼板負(fù)偏差mm。計(jì)算厚度：mm設(shè)計(jì)厚度：mm名義厚度：mm有效厚度：mm水壓試驗(yàn)壓力：MPa材料屈服應(yīng)力：MPa水壓試驗(yàn)應(yīng)力：MPa水壓試驗(yàn)校核：MPa，壁厚滿足要求。錐殼壁厚錐殼按照HG20582-1998中的錐殼部分計(jì)算，取與筒體相同材料，錐殼上頂角25°，下部為水平。錐殼大端為2000mm，小端1500mm。腐蝕余量mm，鋼板負(fù)偏差mm。計(jì)算厚度：mm名義厚度：mm加強(qiáng)系數(shù)：，。查HG20582-1998圖1-2，不需加強(qiáng)。為了緩解局部應(yīng)力，在錐殼周圍圓弧過渡。封頭封頭選標(biāo)準(zhǔn)DN2000橢圓封頭，材料與焊接方式和筒體相同。腐蝕余量mm，鋼板負(fù)偏差mm。計(jì)算厚度：mm名義厚度：mm取與筒體大端厚度相同為20mm，封頭曲面高500mm，直邊高50mm，kg。管箱短節(jié)由工藝設(shè)計(jì)知，管箱直徑與筒體小端相同，為1500mm。設(shè)計(jì)溫度為100℃，設(shè)計(jì)壓力MPa，選擇Q345R卷制。查材料表得，100℃時(shí)，材料的許用應(yīng)力MPa。焊接為雙面對焊，100%無損檢測，焊縫系數(shù)，腐蝕余量mm，鋼板負(fù)偏差mm。計(jì)算厚度：mm設(shè)計(jì)厚度：mm名義厚度：mm有效厚度：mm水壓試驗(yàn)壓力：MPa材料屈服應(yīng)力：MPa水壓試驗(yàn)應(yīng)力：MPa水壓試驗(yàn)校核：MPa，壁厚滿足要求。封頭由于管程流體較容易結(jié)垢，故使用比較容易拆卸的平蓋封頭，材料為16MnII材料，在設(shè)計(jì)溫度下，許用應(yīng)力為MPa，焊接為雙面對焊。與之對應(yīng)，JB/T4703-2000，需M27×250GB/T5782-200螺栓48根。JB/T4706-2000，y=62MPa，m=。其尺寸為：墊片外徑mm，墊片內(nèi)徑mm，墊片基本密封寬度=(1577-1537)/4=10mm>mm，有效密封寬度mm?？芍瑝|片密封作用圓直徑mm。墊片壓緊力力臂mm。(1)操作工況操作狀態(tài)螺栓載荷：N結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：計(jì)算厚度：mm(2)預(yù)緊工況預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷：N結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：計(jì)算厚度：mm(3)考慮分程隔板利用公式：其中：為平板蓋在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量：MPa為平板蓋中心許可撓度：為螺栓總面積：mm2=mm設(shè)計(jì)管箱平蓋封頭厚度為115mm。內(nèi)分程隔板厚按GB151-1999表6，為14mm，平蓋開隔板槽深4mm。封頭與凹面法蘭相配合，凸面直徑為1577mm，高6mm，內(nèi)圓直徑為1497mm，高4mm。故平蓋封頭名義厚度為125mm。結(jié)構(gòu)尺寸管箱上焊接兩個(gè)容器法蘭，JB/T4703-2000，與筒體法蘭連接的法蘭，出于結(jié)構(gòu)原因，JB/T4703-2000。與平蓋封頭相連的法蘭使用M27×240GB/T5782-2000螺栓48根。與筒體法蘭連接的法蘭使用M30×380-AGB/T4707-2000雙頭螺柱60根。由于平蓋封頭重量較大，為了拆裝方便，安裝2號吊耳兩個(gè)。安裝于平蓋封頭上部，對稱安裝，夾角60°。管箱由于有接管法蘭，其強(qiáng)度足夠，不必另設(shè)吊耳。JB/T4703-2000的長度是155mm，JB/T4703-2000的長度是200mm，管箱采用的接管，接管焊縫距法蘭焊縫距離定約為100mm，平蓋封頭厚115mm，接管寬度377mm。則管箱長=155+200+200+115+377=1047mm,取1050mm。補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)均采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，接管按照GB/T8163-2008選取。管箱接管設(shè)計(jì)管程接管內(nèi)徑為340mm，用的接管（DN350）。使用20號熱軋?zhí)妓劁摴躆Pa，mm，mm。計(jì)算厚度：mm有效厚度：mm開孔直徑：mm接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：mm需要補(bǔ)強(qiáng)面積：mm2可做補(bǔ)強(qiáng)面積：mm2mm2如果考慮焊縫面積，面積是足夠的，故不用補(bǔ)強(qiáng)。殼體進(jìn)料接管設(shè)計(jì)管程接管內(nèi)徑為240mm，用的接管（DN250）?？紤]使用20號熱軋?zhí)妓劁摴躆Pa，mm，mm。接管位于錐殼，計(jì)算時(shí)用錐殼計(jì)算厚度。計(jì)算厚度：mm有效厚度：mm開孔直徑：mm接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：mm需要補(bǔ)強(qiáng)面積：可做補(bǔ)強(qiáng)面積：需另行補(bǔ)強(qiáng)：補(bǔ)強(qiáng)圈厚度：mm實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積：如果考慮焊縫面積，面積是足夠的?？紤]制造方便，補(bǔ)強(qiáng)片選DN250×16-D-Q345RJB/T4736-2002。殼體氣相出口接管設(shè)計(jì)管程接管內(nèi)徑為400mm，用的接管（DN400）?？紤]使用20號熱軋?zhí)妓劁摴躆Pa，mm，mm。接管位于殼體大端，計(jì)算時(shí)用大端計(jì)算厚度。計(jì)算厚度：mm有效厚度：mm開孔直徑：mm接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：mm接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度：mm需要補(bǔ)強(qiáng)面積：可做補(bǔ)強(qiáng)面積：需另行補(bǔ)強(qiáng)：補(bǔ)強(qiáng)圈厚度：mm實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積：如果考慮焊縫面積，面積是足夠的?？紤]制造方便，補(bǔ)強(qiáng)片選DN400×16-D-Q345RJB/T4736-2002。殼體液相出口接管設(shè)計(jì)管程接管內(nèi)徑為45mm，用的接管（DN50）。考慮使用20號熱軋?zhí)妓劁摴躆Pa，mm，mm。接管位于殼體大端，計(jì)算時(shí)用大端計(jì)算厚度。計(jì)算厚度：mm有效厚度：mm根據(jù)GB150-1998表8-1，知不必補(bǔ)強(qiáng)。固定管板整臺(tái)再沸器共有兩塊管板，分別是管箱與殼體之間的固定管板和浮頭管板。本設(shè)計(jì)采用T型可抽浮頭結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)參考GB151-1999及相關(guān)法蘭墊片標(biāo)準(zhǔn)。查得，殼體公稱直徑mm，換熱管外徑mm，換熱管壁厚mm，換熱管根數(shù)，換熱管長度mm，換熱管失穩(wěn)當(dāng)量長度mm，換熱管間距mm，管板上管程分隔板槽深mm，換熱管與管板連接采用焊接，焊高f=mm。JB/T4703-2000，JB/T4706-2000。材料，換熱管使用20號鋼，管板使用16MnII材料。計(jì)算各參數(shù)布管區(qū)無支撐面積：布管面積：布管區(qū)當(dāng)量直徑，mm墊片外徑mm，墊片內(nèi)徑mm，密封寬度：mm，mm有效密封寬度：mm壓緊力中心圓直徑mm確定管板設(shè)計(jì)壓力由于管板兩側(cè)均為正壓，取最大值，MPa，MPa計(jì)算無量綱數(shù)假設(shè)管板名義厚度為80mm，查得材料的許用應(yīng)力為MPa，管板彈性模量為MPa，換熱管彈性模量為MPa，管板強(qiáng)度削弱系數(shù)，剛度削弱系數(shù)。無量綱壓力：換熱管有效長度：mm管束模數(shù)：管束無量綱剛度：計(jì)算系數(shù)：計(jì)算管板厚度利用計(jì)算系數(shù)，查GB151-1999圖23，得系數(shù)。則管板計(jì)算厚度：mm管板公稱厚度：mm管板的最小厚度：取管板厚度為93mm。此時(shí)需從新核算換熱管有效長度。得mm此時(shí)，。則認(rèn)為管板可以取93mm。校核軸向應(yīng)力(1)換熱管的穩(wěn)定許用壓應(yīng)力換熱管材料設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)MPa。換熱管回轉(zhuǎn)半徑：系數(shù)：則換熱管的穩(wěn)定許用壓應(yīng)力為：MPa管板非開孔面積：系數(shù)：查GB151-1999圖24，得系數(shù)。(2)應(yīng)力校核只有管程壓力作用，組合壓力為：MPa，合格。只有殼程壓力作用，組合壓力為：MPa，合格。管程與殼程壓力同時(shí)作用，組合壓力為：MPa，合格。校核拉脫力許用拉脫力：MPa軸向應(yīng)力取MPa，焊腳高mm。拉脫力：結(jié)論：在三種工況下，拉脫力均滿足要求，取固定管板厚度為mm。管板外徑為1589mm，內(nèi)圓直徑1497mm，內(nèi)圓高6mm(雙面)，則管板名義后厚度取105mm。浮頭本設(shè)計(jì)浮頭采用球冠法蘭型浮頭蓋，管板為T型浮動(dòng)管板。這主要是因?yàn)楦皆俜衅鞯墓苁透☆^都從一端插入，如果采用S型鉤圈法蘭結(jié)構(gòu)，則浮頭尺寸過大，無法安裝與拆卸。所以，從結(jié)構(gòu)上考慮，使用T型浮動(dòng)管板。計(jì)算方法依據(jù)TEMA-1999標(biāo)準(zhǔn)。浮動(dòng)管板計(jì)算管板與殼體間隙為5mm。管板外徑為mm。螺栓布圓直徑mm。管板材料為16MnII，在設(shè)計(jì)溫度下，許用應(yīng)力為MPa。JB/T4706-2000，y=62MPa，m=。尺寸為，墊片外徑mm，墊片內(nèi)徑mm，墊片基本密封寬度=(1377-1337)/4=10mm>mm，有效密封寬度mm。可知墊片壓緊力作用中心圓直徑mm。墊片壓緊力力臂mm。浮頭蓋內(nèi)徑=墊片內(nèi)徑=1337mm，墊片預(yù)緊力力臂mm。中間力臂mm。螺栓選用40MnB，常溫下許用應(yīng)力MPa，100℃下許用應(yīng)力MPa。操作狀態(tài)螺栓載荷：(由于殼程壓力較大，以殼程壓力計(jì)算，下同)N預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷：N操作狀態(tài)螺栓面積：預(yù)緊狀態(tài)螺栓面積：取螺栓面積為：已知M30螺栓的有效面積為561，所需螺栓=，取40根，間距112mm，大于最小間距。實(shí)際螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：N操作狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：N操作壓力法蘭力矩：NNN=N·mm預(yù)緊法蘭力矩：N·mm按查得法蘭應(yīng)力系數(shù)Y=20。由螺栓載荷引起的當(dāng)量壓力：MPaMPa其中：F是與連接方式有關(guān)的系數(shù)，這里取1。管板有效設(shè)計(jì)壓力是的最大者。經(jīng)計(jì)算是最大的。得=MPa。管板厚度計(jì)算：換熱管為三角排列：mm因?yàn)椋羟辛Σ皇强刂埔驍?shù)，可以不用剪切力設(shè)計(jì)壁厚。因此設(shè)計(jì)浮動(dòng)管板厚mm。取凸面高6mm，則浮動(dòng)管板名義厚取91mm。浮頭蓋計(jì)算本設(shè)計(jì)中，浮頭蓋是由球冠形封頭和法蘭焊接而成的。其具體尺寸應(yīng)與浮動(dòng)管板相配套。外徑為mm，螺栓布圓直徑為mm，內(nèi)徑為mm。球冠形封頭材料取Q345R，設(shè)計(jì)溫度下，許用應(yīng)力MPa。法蘭材料取16MnII，在設(shè)計(jì)溫度下，許用應(yīng)力為MPa。設(shè)計(jì)使用M30螺栓40根，材料40MnB。常溫下許用應(yīng)力MPa，100℃下許用應(yīng)力MPa。對于球冠形封頭，設(shè)計(jì)封頭內(nèi)半徑為1000mm，只在管程壓力作用下，按內(nèi)壓公式計(jì)算：由，，查GB150-1998圖7-6，得，則封頭計(jì)算厚度為：mm考慮腐蝕余量與鋼板負(fù)偏差等因素，取mm。只在殼程壓力作用下，按外壓公式計(jì)算。取封頭的有效厚度：mm查GB150-1998圖5-6，得。MPa>MPa，滿足要求。所以，封頭厚度為20mm對于法蘭，也分為管程壓力與殼程壓力兩種計(jì)算方式。(1)管程壓力下，操作狀態(tài)螺栓載荷：N預(yù)緊狀態(tài)螺栓載荷：N操作狀態(tài)螺栓面積：預(yù)緊狀態(tài)螺栓面積：取螺栓面積為：計(jì)算的螺栓面積小于殼程壓力下計(jì)算的螺栓面積，故仍然使用M30螺栓40根。實(shí)際螺栓面積預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：N操作狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：N操作壓力法蘭力矩(設(shè)法蘭厚100mm)：NNNNmm=N·mm預(yù)緊法蘭力矩：N·mm計(jì)算系數(shù)：操作工況下厚度：mm預(yù)緊工況下厚度：mm綜合結(jié)果，在管程壓力下，取法蘭厚110mm。可知，法蘭厚度對無影響，則不必迭代。(2)殼程壓力下，法蘭力在之前已經(jīng)計(jì)算過。其中：預(yù)緊狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：N操作狀態(tài)螺栓設(shè)計(jì)載荷：N操作壓力法蘭力矩(設(shè)法蘭厚100mm)：NNNNmm=N·mm預(yù)緊法蘭力矩：N·mm計(jì)算系數(shù)：操作工況下厚度：mm預(yù)緊工況下厚度：mm綜合結(jié)果，在管程壓力下，取法蘭厚125mm?？芍?，法蘭厚度對無影響，則不必迭代。浮頭計(jì)算結(jié)果浮頭球冠形封頭材料Q345R，管板與法蘭材料均為16MnII，螺栓材料為40MnB。球冠形封頭半徑為1000mm，厚20mm。管板與法蘭外徑均為1490mm，螺栓布圓直徑均為1430mm，螺栓孔直徑為33mm。法蘭內(nèi)徑為1337mm，形式為凹面法蘭，凹面深6mm，凹面外徑1381mm。管板凸面外徑為1377mm，取凸面高6mm。管板名義厚91mm，法蘭名義厚125mm。JB/T4706-2000。螺栓取M30×260GB/T5782-2000螺栓40個(gè)。折流板，拉桿，滑道因小端內(nèi)徑變化，需對折流板重新設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，折流板尺寸為=DN-8=1500-8=1492mm。折流板距固定管板的最小距離：mm調(diào)整為=800mm。后端板至浮動(dòng)管板距離為=950mm。折流板間距重新設(shè)為450mm。所需折流板數(shù)量=(7500-101-91-800-950)/450=≈14塊。拉桿直徑應(yīng)為16mm，需要10根拉桿長6765mm。已知管束直徑為1280mm，折流板直徑為1492mm，選擇拉桿分布圓直徑為1380mm，間隔36°。且在位于殼程進(jìn)口管上部的拉桿上，焊接防沖板，位置應(yīng)在進(jìn)口管正上方(中心距固定管板486mm)，長400mm，厚6mm。此外，為了拆裝管束方便，應(yīng)在折流板外側(cè)設(shè)置四條圓鋼滑道，直徑6mm，對稱布置，間距50°與60°，焊接在支撐板板外側(cè)，長度從第1塊折流板到浮頭法蘭，約6800mm。此外，殼體內(nèi)部應(yīng)用角鋼布置支撐導(dǎo)軌，與圓鋼滑道相配合，從距堰板290mm左右開始布置，長度約為7000mm，錐殼部分人工削薄找平。振動(dòng)振動(dòng)設(shè)計(jì)主要參考GB151-1999附錄E中的內(nèi)容。計(jì)算管間流速與最小間隙：m進(jìn)口流速：m/s折流板間橫流流速：m/s卡門渦街頻率節(jié)徑比；排列角為30°。查圖E1，得St=。進(jìn)口處卡門渦街頻率：Hz折流板間卡門渦街頻率：Hz丙烯的比定壓熱容與比定容熱容之比為，取壓縮系數(shù)Z=1。聲速為：m/s其中：為殼程絕壓(MPa)。聲頻為：Hz因，，。另外知跨距n=14，單位空管質(zhì)量kg/s，單位管內(nèi)流體質(zhì)量=××,管外流體質(zhì)量需要進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)其虛擬流量=××450×，綜合結(jié)果，則單位管質(zhì)量=++=kg/m。頻率常數(shù)。則固有頻率為：Hz假設(shè)換熱管對數(shù)衰減率，則系數(shù)：m/s臨界流速：m/s校核故不會(huì)發(fā)生聲振動(dòng)。故不會(huì)出現(xiàn)因流體彈性不穩(wěn)定造成的管束振動(dòng)。再沸器是安全的。支座首先，要計(jì)算再沸器的尺寸和質(zhì)量。之前已經(jīng)計(jì)算過管箱長1050mm，殼程內(nèi)管長按7500mm計(jì)算。浮頭蓋經(jīng)計(jì)算后，認(rèn)為高約350mm。取浮頭蓋前端與堰板距離為100mm，堰板到封頭距離為250mm，封頭高550mm。經(jīng)計(jì)算，再沸器總長=1050+7500+350+100+250+550=9800mm。其中管箱與殼體法蘭和殼體封頭間的距離L=7400+350+100+250=8100mm。其中，不宜在錐殼(錐殼長度為500×cot25°=1072mm)處設(shè)置支座，×L=×8100=1620mm。再沸器均由碳鋼制成，取密度為kg/m3筒體長度mm，筒體質(zhì)量為：kg管箱圓筒長mm，質(zhì)量為：kg錐殼平均直徑取1750mm，質(zhì)量為：kg固定管板厚105mm，直徑1587mm，開孔面積A4=1412×=m2，質(zhì)量為：kg浮頭管板厚91mm，直徑1490mm，開孔面積A5=A4=m2，質(zhì)量為：kg浮頭蓋法蘭厚125mm，外徑為1490mm，內(nèi)徑為1337mm，質(zhì)量為：kg考慮球冠形封頭，約為400kg。平蓋封頭外徑為1695mm，厚125mm，質(zhì)量為kg橢圓封頭質(zhì)量為kgkg/m。則總質(zhì)量為：kg考慮封頭內(nèi)有部分液體，則取=23000kg。HG/T20595-97兩個(gè)，kg。HG/T20595-97一個(gè)，kg。HG/T20595-97一個(gè)，kg。HG/T20595-97六個(gè)，kg?？傊貫椋簁g考慮接管質(zhì)量，取=200kg。總重=kg=kN鞍座全布置在再沸器筒體大端，則選DN2000的鞍座。根據(jù)JB/T4712-92，DN2000的BI型鞍座可承受載荷為875kN，大于總載荷，是合適的。所以，支撐件選擇JB/T4712-92，鞍座BI2000-F與JB/T4712-92，鞍座BI2000-Sh=250，，l=40相配合，選擇封頭大端為移動(dòng)端。安裝位置，L=8100mm，為了避免在錐殼處布置鞍座，選固定鞍座距法蘭距離1500mm，移動(dòng)支座與封頭切線距離1400mm，則mm。強(qiáng)度設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)匯總表名稱尺寸/mm材料名稱尺寸/mm材料筒體壁厚20Q345R浮頭法蘭厚12516MnII筒體封頭厚20Q345R球冠型封頭厚20Q345R管箱壁厚16Q345R管程接管20管箱封頭厚12516MnII殼程進(jìn)口管20管箱隔板厚14Q345R殼程氣相出口管20錐殼厚20Q345R殼程液相出口管20固定管板厚10516MnII殼程進(jìn)口管補(bǔ)強(qiáng)片厚16Q345R浮動(dòng)管板厚9116MnII殼程氣相出口管補(bǔ)強(qiáng)片厚16Q345R4個(gè)人重點(diǎn)—設(shè)備費(fèi)用與經(jīng)濟(jì)性分析設(shè)備費(fèi)用估算設(shè)備費(fèi)用估算主要參考文獻(xiàn)[21]中的內(nèi)容。材料總質(zhì)量為P，其與設(shè)備換熱面積A有如下關(guān)系：t原材料質(zhì)量：t其中換熱管質(zhì)量：t目前，鋼板報(bào)價(jià)普遍為5200/t，鍛件為30000/t，管材為16000/t。材料費(fèi)：萬元輔助材料費(fèi)：萬元人工：萬元機(jī)械使用費(fèi)：萬元經(jīng)費(fèi)：萬元?jiǎng)t總費(fèi)用C為：萬元壓力與型式修正：萬元可知，,000元。原設(shè)計(jì)為固定管板式，傳熱面積1084m2單殼程四管程，則費(fèi)用為：萬元比較可知，。所以說臥式熱虹吸式再沸器設(shè)計(jì)在控制設(shè)備成本上是有優(yōu)勢的。而釜式再沸器之所以成本高出很多，主要是因?yàn)楦☆^成本高、錐殼制造困難，成本高以及體積較大，耗費(fèi)金屬多等等。此外，天津五環(huán)兄弟化工設(shè)備制造公司對本設(shè)計(jì)再沸器進(jìn)行了估計(jì)，。再沸器成本明細(xì)表數(shù)量名稱規(guī)格材質(zhì)質(zhì)量進(jìn)貨價(jià)制造費(fèi)合計(jì)1錐殼DN1500-2000×26Q345R15001筒體DN2000×24×6828Q345R82805接管DN45×8×1702081堰板DN2000×10h=1500Q345R2201接管DN273×15×200201接管DN426×24×25020631封頭EHA2000×20Q345R7242筋板40×140×10Q24511接管DN57×11×2002011#角鋼滑道170×30×10h=7000Q24511012#角鋼滑道170×30×10h=7000Q2451102接管DN377×12×25020601前管箱筒體DN1500×16×580Q345R35116定距管φ25××8002032210定距管φ2××450202101封頭EHA1500×124Q345R56314支撐板φ1492×8Q345R93110拉桿φ16×6800Q2451081防沖板400×400×6Q245128螺栓M36×52040MnB4942鞍座h=250組件4504滑條φ6×6800Q24561412換熱管φ25××750020146952法蘭DN1500-4016MnⅡ15235法蘭DN40-4016MnⅡ121法蘭DN400-4016MnⅡ96再沸器成本明細(xì)表（完）數(shù)量名稱規(guī)格材質(zhì)質(zhì)量進(jìn)貨價(jià)制造費(fèi)合計(jì)1法蘭DN50-4016MnⅡ1法蘭DN250-4016MnⅡ1法蘭φ1500/φ1330-4016MnⅡ4302法蘭DN350-2516MnⅡ971法蘭DN1500-2516MnⅡ4851固定管板DN1500×14516MnⅡ20121浮動(dòng)管板DN1500×14516MnⅡ20121平蓋封頭φ1715×12516MnⅡ2270重量總計(jì)可以看出，后者估價(jià)僅有不到80萬元，僅為理論估價(jià)的36%。其原因可能是由于理論估價(jià)過于保守。另外，由于理論估價(jià)涉及到材料費(fèi)用問題，由于價(jià)格與市場的波動(dòng)，難免會(huì)存在材料費(fèi)上揚(yáng)或下降的問題，這對估價(jià)也有影響。操作費(fèi)用評估根據(jù)文獻(xiàn)[21]，操作費(fèi)用是公用工程用量和其溫度的函數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，公共工程是熱水，由于其進(jìn)出口溫度是確定的，熱負(fù)荷也是固定的。另外，操作費(fèi)用也與管內(nèi)的阻力有關(guān)系。因?yàn)?，管?nèi)阻力越大，所需泵的功率就越大。本設(shè)計(jì)中的釜式再沸器管內(nèi)壓降為26154Pa，而原設(shè)計(jì)的壓降接近70000Pa，，其泵成本與操作成本的提高明顯。所以，釜式再沸器的操作費(fèi)用要比臥式熱虹吸再沸器低?？煽啃栽u估設(shè)備的可靠性是其在工作過程中不發(fā)生故障的概率。設(shè)備可靠性越高，其潛在的經(jīng)濟(jì)效益就越大。本設(shè)計(jì)中的釜式再沸器，其原理，就是精餾塔的最后一塊塔板。由于釜式再沸器有一定的蒸發(fā)空間和存液量，使得其對入口流量組成的變化不敏感。換句話說，釜式再沸器具有很強(qiáng)的操作彈性，可以是整個(gè)精餾系統(tǒng)的可靠性提高。而且，由于釜式再沸器的高操作彈性，其控制系統(tǒng)也相應(yīng)的簡單，可靠?？傊皆俜衅髟诳煽啃苑矫?，較臥式熱虹吸再沸器是有優(yōu)勢的。設(shè)備維護(hù)設(shè)備在使用投產(chǎn)之后，必須經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，使其可以正?？煽抗ぷ?。設(shè)備維護(hù)的難易程度關(guān)系到設(shè)備狀態(tài)的好壞，以及維護(hù)時(shí)間的長短。本設(shè)計(jì)考慮殼程的清潔問題，設(shè)計(jì)了易拆的釜式再沸器，其拆裝方便，易于清洗殼程污垢。此外，還在把管箱封頭設(shè)計(jì)為平蓋封頭，便于清洗