【正文】 再沸器的工藝設計和機械設計計算畢業(yè)論文目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 1 2第2章 再沸器的選型 4 概述 4 釜式再沸器 4 塔內(nèi)置式再沸器 5 水平熱虹吸再沸器 5 立式管側熱虹吸再沸器 6 立式殼側熱虹吸再沸器 7 強制流動再沸器 8第3章 再沸器的工藝設計計算 10 設計任務與設計條件 10 估算設備尺寸 10 傳熱系數(shù)的校核 12 阻力校核 15第4章 再沸器結構與強度設計 19 筒體 19 大端壁厚 19 錐殼壁厚 19 封頭 20 管箱 20 短節(jié) 20 封頭 21 法蘭 22 補強 23 管箱接管 23 殼體進料接管 23 殼體氣相出口接管 24 殼體液相出口接管 25 固定管板 25 確定管板設計壓力 26 計算無量綱數(shù) 26 計算管板厚度 27 校核軸向應力 27 校核拉脫力 28 浮頭 28 浮動管板計算 29 浮頭蓋計算 30 浮頭計算結果 33 拉桿，滑道 34 振動 35 支座 36 強度設計結果 38第5章 制造、檢驗、安裝、試車、維護和檢修 39 39 39 39 40 40 40 40 41 4試車、維護和維修 41 41 42 42參考文獻 43致謝 44附錄 45 III 第1章 緒論換熱器是一種廣泛使用的工藝設備，在煉油、化工行業(yè)中是主要的工藝設備之一。因此，換熱器的研究倍受重視。從換熱器的設計、制造、結構改進到傳熱機理的試驗研究一直都在進行。特別是七十年代初發(fā)生能源危機以來，各國都在紛紛尋找新的能源及節(jié)約能源的途徑，而換熱器是節(jié)約能源的有效設備。在余熱回收、利用地熱、太陽能等方面都離不開換熱器。因而各國都在致力于研究各種高性能換熱器及換熱元件，其中不少是國家直接下達的重點課題。近幾年來換熱器及傳熱技術的發(fā)展主要表現(xiàn)在下列幾個方面。1．研究工作的動向目前世界上每年發(fā)表有關傳熱及換熱設備方面的文獻約在六千篇以上。有關新能源開發(fā)的文章日趨增多，研究的重點是傳熱機理、傳熱強化、兩相流、模擬及測試技術、計算機應用、振動、污垢以及與能源利用和環(huán)境保護有關的新型高效換熱器。對傳熱基礎理論的研究探討十分重視，一種新的動向是：從數(shù)學模型和物理模型出發(fā)，用數(shù)學方法推導出精確的計算公式。2．計算機的使用 應用計算機不僅節(jié)省了人力、提高了效率，而且可以進行最優(yōu)化設計與控制，使其達到最大技術經(jīng)濟性能。例如美國帕斯卡古拉煉油廠常減壓裝置的原油換熱系統(tǒng)，由于采用了換熱系統(tǒng)的最佳化設計及其他改進措施，平均傳熱系數(shù)有了很大的提高。傳熱分析、應力分析、信息儲存與檢索以及模擬和控制均編有程序。有些程序從工藝設計開始，直到繪出圖紙。計算機自動繪圖機只需十幾分鐘即可繪出一張標準換熱器圖紙。目前，美國HTRI換熱器設計程序在國外無疑是具有代表性的，已被許多國家所引進。此外，其他國家也開發(fā)了一些自動設計系統(tǒng)和程序。如英國HTFS開發(fā)的TASC等程序；1975年英國國家工程實驗室和劍橋計算機輔機設備重心合作，按美國管殼式換熱器制造商協(xié)會標準，編制管殼式換熱器機械設計程序STEM。這一程序不但可對TEMA標準中的所有“R”、“C”、“B”三類換熱器進行各種設計計算，列出一系列不同參數(shù)以供選擇，而且能自動繪出換熱器的平面布置圖，到1978年底已能提供全部TEMA標準換熱器的制造施工圖。以后又結合英國標準協(xié)會1976年底公布的壓力容器規(guī)范BS5500編制了換熱器的機械設計程序；蘇聯(lián)也有CA∏TA自動設計系統(tǒng)；日本HEADS自動設計系統(tǒng)是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用該系統(tǒng)，僅僅輸入最少的數(shù)據(jù)，就能迅速地得到機械的設計圖表及圖紙。3．高溫高壓換熱器的進展隨著工藝的進展和大型高溫高壓換熱器的使用越來越多。煉油廠加氫換熱器就是一個例子。近年來，高溫高壓換熱器在結構、材料和制造方面都有一些進展，管箱和密封結構均有一些改進，管子進口區(qū)的熱防護獲得一些改善。另外還采用了薄管板或撓性管板結構以減小熱應力；使用小管子密排列，改善了管子與管板的連接。4．采用新材料由于工藝條件日趨苛刻，迫切需要一些新的材料。在換熱器制造中，由于鈦具有很高的抗腐蝕性能、高的強度限和屈服限，且比重小、重量輕，又有一定的抗污塞性，因此西德在含氯溶液中采用了鈦制換熱器，在煉油廠中使用鈦制冷卻器和冷凝器?，F(xiàn)在鈦制換熱器的應用有了迅速的增加。滲鋁管換熱器及鍍鋅鋼管換熱器的使用也日益增多。非金屬材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美國杜邦公司于六十年代中期研究成功這種塑料換熱器以來，由于它優(yōu)越的抗腐蝕抗污垢性能，國外推廣使用很快，到了七十年代，凡是適用這種換熱器的場合，幾乎達到了普及的地步。1．余熱回收裝置的研究工業(yè)余熱的利用潛力很大,對生產(chǎn)影響顯著，主要是：1000℃左右的高溫熱量及其高壓能量的合理利用，這是石油化學工業(yè)的關鍵技術之一。從換熱器的整體結構、各類管板的結構設計、熱膨脹補償方法直到高溫側熱通量的控制，都有許多課題急待解決；100～200℃的低溫余熱回收，對一般企業(yè)有普遍意義。企業(yè)的熱利用率低的原因大多是低溫位熱能沒有很好地利用起來。2．緊湊式換熱器的研究緊湊式換熱器包括板翅、板式、板殼式等換熱器，它們具有優(yōu)異的性能，在采用多流道布置后，其優(yōu)越性更為顯著。板式換熱器需要改進密封結構，增強板片的強度，研究新的墊片材料以提高操作溫度和操作壓力是今后發(fā)展的重點。板殼式換熱器由于從結構上解決了耐溫、抗壓和高效之間的矛盾，因而在化學工業(yè)中很快得到推廣應用。但是，由于它的制造工藝比較復雜，焊接要求高因而今后應注重改進結構設計，發(fā)展新的成型和焊接工藝。3．強化傳熱管的研究近年來國內(nèi)外在采用強化傳熱管改進換熱器性能、提高傳傳熱效率、減少傳熱面積、降低設備投資等方面，取得了顯著的成績。強化傳熱管同時也是利用低溫位熱量的關鍵部件。表面多孔管可以在非常小的溫差下產(chǎn)生很多的泡核，使汽化核心增加許多倍，但是制造工藝要求比較嚴格，且生產(chǎn)成本高，這些都是今后有待解決的問題。第2章 再沸器的選型 概述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，其設計、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，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。當熱虹吸再沸器的循環(huán)量不夠時，則使用泵來增加循環(huán)量，這時，稱之為強制流動再沸器。強制流動再沸器既可以為立式結構，也可以為水平結構。通常，立式熱虹吸再沸器和強制流動再沸器的沸騰過程均發(fā)生在管程，但在特殊的應用場合，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)缺點及應用作一較詳細的分析。 釜式再沸器釜式再沸器（）殼體為大小端圓柱形殼體結構，通過錐形殼連接。其汽液分離過程在殼程中進行。為保證管束完全浸沒在液體中，通常在管束的外側設一擋板，維持殼程液位。換熱管束通常為雙管程的U 形管結構，當殼程液體較臟，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用在汽化量大，沸點范圍寬的場合。 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。其應用場合類似于釜式再沸器，但是也有相當?shù)南拗?，即塔或塔釜直徑大，釜液潔凈不易結垢的工況。 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小（主要是部分汽化的緣故），從而和塔內(nèi)液體產(chǎn)生密度差，進而獲得穩(wěn)定而持續(xù)的推動力，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、有特殊結垢傾向的介質（這主要是因為熱虹吸再沸器由于結構原因，一般都設計成固定管板式，其殼程的清洗是相當困難的）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，需要增設膨脹節(jié)。總之，熱虹吸式再沸器是目前最廣泛應用，使用經(jīng)驗最豐富的再沸器形式。水平熱虹吸再沸器（），其加熱介質在管內(nèi)流動，管程即可以是單流程，也可以是多流程。在設計時，對于沸點范圍較寬的流體，應設水平折流板，以防止輕組分在進口處閃蒸及重組分在出口處濃縮。為了防止流動阻塞，流動不穩(wěn)定，應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。 水平熱虹吸再沸器示意圖 立式管側熱虹吸再沸器即立式熱虹吸再沸器（），是應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。立式管側熱虹吸再沸器的沸騰過程發(fā)生在管程，加熱介質在殼程，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與管束總的過流面積一樣大，出口管的壓降應小于總壓降的30%。出口管既可由沿軸向的大直徑彎管和塔連接，也可采用管箱側面開口。試驗表明，出口管的結構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]。流動循環(huán)的驅動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)生的流動不穩(wěn)定性，應在供液管路上安裝閥門或孔板。對于碳氫化合物，—，而對于水和水溶液，—。管徑和管長的選擇應保證有足夠的循環(huán)量，防止發(fā)生干涸。立式熱虹吸式再沸器仍然屬于固定管板式換熱器，是無法對熱應力進行補償?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、中等熱流及易結垢的場合。 立式管側熱虹吸再沸器示意圖 立式殼側熱虹吸再沸器立式殼側熱虹吸再沸器（）沸騰過程發(fā)生在殼側。殼側裝有折流板，以使流體縱向流動。垂直殼側再沸器適用于加熱介質不適宜放在殼側的場合。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，加熱介質走管程較為合適。該類再沸器的設計，應使沸騰側的流動均勻分布，以避免死區(qū)的出現(xiàn)，防止汽態(tài)和高沸點組分的積聚，設計時應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)，且加熱介質必須放在管內(nèi)側的工況，例如加熱介質壓力很大的情況。 立式殼側熱虹吸再沸器示意圖 強制流動再沸器強制流動再沸器（）沸騰過程發(fā)生在管內(nèi)側，臥式立式均可以。流體循環(huán)的動力由大容量泵提供。強制流動再沸器的最佳應用場合為有嚴重結垢傾向和有極高粘性的流體。因為泵可以使流體保持很高的流速和非常低的蒸發(fā)率，使結垢的速率大大減小。但泵的造價和能源消耗都很高，故而使用受到一定限制，適用場合不甚廣泛。 強制流動再沸器示意圖 各型再沸器優(yōu)缺點一覽表種類優(yōu)點缺點釜式再沸器1．對操作條件的變化不敏感，可達到很高的汽化率，很低的溫差。2．在真空下或接近臨界壓力下操作時，設計比較可靠。3．無熱應力，結構可靠，清洗方便。1．殼程液體在再沸器內(nèi)停留時間長，湍流度低，是所有再沸器中最容易結垢的。2. 占地面積大，耗費金屬多，造價高。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最低的。3. 無熱應力，結構可靠。1．比較容易結垢。2．對塔釜設計不利，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。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，從而防止了高沸點組分的積聚和降低了結垢的速率。3．管束為水平方向布置，且流動面積易于控制，因而需要的靜壓頭較低，這就降低了塔釜的高度，對精餾塔的設計有利。1．不宜用于粘性大、有特殊結垢傾向的介質。2．由于無法進行很大的熱補償，不適宜溫差大，熱應力大的場合。3．