过程装备与控制工程脱乙烷塔再沸器设计

本科毕业设计 (论文)脱乙烷塔再沸器设计Disign of Reboiler to Deethanizer Tower学院：机械工程学院专业班级：过程装备与控制工程装备092 学生姓名：学号：指导教师：（讲师）2013 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要毕业设计（论文）外文摘要Disign of Deethanizer ReboilerAbstract: According to the design conditions for using U tube type heat exchanger, this heat exchanger structure, firm structure, high reliability, wide applicability, easy to manufacture, large processing capacity, low production cost, wide range of materials, heat transfer surface cleaning is more convenient to withstand higher pressure and temperature. This cheat this paper mainly introduces the reboiler of the design process of mechanical design. Mainly includes the determination of heat exchanger, heat exchange tube shell, head, pipe, flange, takeover, tube plate, support plate and baffle plate, and other parts of structure size and material, and has carried on the intensity of pressure parts for heat exchanger respectively.Keywords: Reboiler；Machine design；Strength check目录1 绪论 (1)1.1 换热器概述 (1)1.2 换热器目前的研究和发展动向 (1)2 换热器的结构设计和强度计算 (2)2.1 已知条件 (2)2.2 换热管 (3)2.3 换热器筒体封头与管箱 (4)2.4 接管的选择 (8)2.5 法兰的选用 (8)2.6 垫片的选择 (10)2.7 管板 (10)2.8 折流板和支承板设计 (14)2.9 拉杆的形式 (16)2.10 防冲挡板 (17)2.11滑道 (17)2.12分程隔板 (17)2.13中间挡板 (17)2.14 开孔补强 (18)2.15支座选取 (27)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)1 绪论1.1换热器概述换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较高的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺工程规定的指标。

换热器按照传热原理或传热方式可以分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器、中间载热体式换热器。

其中间壁式换热器最为常用。

在间壁式当中管壳式换热器最为常用。

管壳式换热器又分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器，填料函式换热器、釜式重沸器。

本设计的重沸器是U型管式换热器。

1.2目前换热器的研究和发展动向换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。

因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。

两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。

实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。

纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。

为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。

从而使换热器计算更精确，材料更节省。

通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。

在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。

这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位100002m，紧凑型换热器将越来越受欢迎。

板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。

随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。

保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50％以下。

各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。

电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。

同心管换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。

材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。

随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo 钢材料将实现不预热和后热的方向发展。

国内污垢数据基本上是20世纪60～70年代从国外照搬而来。

四十年来，污垢研究技术发展缓慢。

随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。

通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。

保证装置低能耗、长周期运行，超声防垢技术将得到大力发展。

腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术成为主导。

2 换热器的结构设计和强度计算2.1已知条件表1 设计参数名称 管程 壳程物料名称 热水 脱乙烷塔底油工作压力（MPa ） 0.5 2.785工作温度 （C ） 75~100 68换热面积（2m ） 395表2 管口表符号 工称尺寸 公称压力 连接面型式 通途名称 1T 150 50PN RF 热水入口 2T 200 50PN RF 热水出口 B 1A S 250 50PN RF 脱乙烷塔底油入口 B 2A S 250 50PN RF 脱乙烷塔底油出口2.2换热管此种U 形管选用 2.525⨯Φ的10号钢管，管长选为5m 。

由公式（2-1）0.1)n -(L o d F π= （2-1）得0.1)-(L o d F n π=1026.910.1-50.0253.14395=⨯=）（根 L —管子长度 考虑到需要安排12拉杆及布管方便，取实际管束为1068根。

则所需的U 管根数为528根。

查参考文献[1]得换热管布管要求：1.尽可能使各管程换热管数大致相等；2.分程隔板槽型形状简单，密封面长度较短。

根据要求管程数为8，流动方向如图1；前端管箱隔板（介质入口侧）如图2；后端隔板结构如图3。

图1 流动方向 图2 前端管箱隔板 图3 后端隔板结构换热管在管板上的排列有正三角形排列（如图4a ）、转角正三角形排列（如图4b ）、正方形排列（如图4c ）、转角正方形排列（如图4d ）四种排列方式。

各种排列方式都有其各自的特点，正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列最多的管数，但管外不易清洗，为了便于清洗可以采用正方形或转角正方形排列。

为了便于管子的清洗选用正方形排列。

查考文献[1]得换热管中心距不小于1.25倍的换热管外径。

中心距：mm d S 25.312525.125.1=⨯== （2-2） 取S 为32mm 。

a 正三角形排列b 转角正三角形排列c 正方形排列d 转角正方形排列图4 换热管排列方式查表3表3 换热管中心距换热管外径d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57 换热管中心距s 13 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72 分成隔板槽两侧相邻管中心距n S 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80取分程隔板槽两侧相邻管中心距 mm S n 44=。

U 型管换热器的最小弯曲半径大于o d 2既最小弯曲半径大于50mm.取最内层的弯曲半径为50mm 。

2.3换热器筒体、封头与管箱由公式计算b 21)-(nc '+=S D i （2-3）S —为换热管间距，由上面可知mm S 32=。

c n —位于管束中心线上的管数。

管子按正方形排布时，查考文献[2]3989.38108619.119.1≈===n n c （2-4） b '—为最外层管子的中心到壳壁边缘距离。

mm d b o 502522=⨯==' （2-5）1316m m 5021)-(3932b 21)-(n c =⨯+⨯='+=S D i取筒体内径mm D i 1400=。

由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择Q345R 为壳体与管箱的材料。

Q345R 是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。

查参考文献[1]得设计压力为工作压力的 1.05~1.1倍。

工作压力为2.785MPa ，取设计压力为工作压力的1.1倍。

则设计压力为3.0635MPa ，根据工艺要求取壳程的和管程设计压力均为MPa p 6.3=。

因为最高工作温度为100C 0取设计温度为130C 0。

焊接采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数0.85=φ。

查参考文献[2]设计温度为130C 0时Q345R 的[]MPa t163=σ。

取钢板的厚度负偏差mm C 8.01=，腐蚀余量mm C 32=。

mm C C C 8.338.021=+=+= （2-6） 则筒体的壁厚为：[]mm C P PD t i n 23.228.36.3-85.0163214006.3-2=+⨯⨯⨯=+=φσδ （2-7） 取n δ为24mm 。

则有效厚度为：mm C C n e 2.208.0-3-24--21===δδ由标准椭圆封头计算，与筒体相连的封头承受的内压为3.6MPa ：[]mm C PPD t i d 11.226.35.0-85.0163214006.35.0-2=⨯⨯⨯⨯=+=φσδ （2-8） 取封头厚度为24mm 。