立式热虹吸再沸器机械设计说明书

大连理工大学本科课程设计立式热虹吸式再沸器机械设计说明书学院（系）化工机械与安全学院专业过程装备与控制工程学生姓名孔闯学号201242052指导教师由宏新、代玉强评阅教师完成日期2015102大连理工大学DALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOG立式热虹吸式再沸器机械设计说明书I摘要本课程设计主要任务是设计1台立式热虹吸式再沸器，作为丙烯丙烷精馏塔的提馏段加热设备。在大三下学期的时候已经初步完成了再沸器的工艺部分的设计和核算，本次设计主要进行再沸器的机械部分的计算及校核，包括再沸器各部分的结构说明，筒体壁厚的计算，封头壁厚的计算，管箱法兰和管板的计算，筒体和封头开孔及补强等。通过3周的工作，已完成了再沸器的机械参数的计算，手工绘制了再沸器的装配图1张和管板零件图1张。立式热虹吸式再沸器机械设计说明书1目录摘要I1设计基础211项目背景212设计依据213技术来源及授权214项目简介22结构工艺说明121管程和壳程物料的选择122换热管123管板1231管板结构尺寸1232换热管与管板连接2233排管及管孔324折流板525接管及连接附件526安全泄放727耳式支座728管箱、管箱法兰与封头103强度计算1231工艺参数计算结果表1232计算条件1333强度计算14331壳程圆筒计算14332前端管箱筒体计算15333前端管箱封头计算16334后端管箱筒体计算18335后端管箱封头计算19336开孔补强设计计算20337兼作法兰固定式管板计算23338管箱法兰计算324结论35附录A过程工艺与设备课程设计任务书37立式热虹吸式再沸器机械设计说明书21设计基础11项目背景本项目来源于大连理工大学过程装备与控制工程专业大四年级过程工艺与设备课程设计题目；设计者为过程装备与控制工程专业在校大四学生，与项目发布者为师生关系；本项目设计装置为立式热虹吸式再沸器。12设计依据过程工艺与设备课程设计任务书（见附录A）固定式压力容器安全技术监察规程TSGR00042009压力容器GB1502011热交换器GB/T1512014长颈对焊法兰JB/T47032000无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差GB/T173952008钢制压力容器封头JB/T47462002承压设备无损检测NB/T470132015石油化工钢制管法兰用紧固件SH/T3404201313技术来源及授权化工单元过程及设备课程设计，匡国柱、史启才主编，化学工业出版社，2002年。化学化工物性数据手册（有机卷），刘光启、刘杰主编，化学工业出版社，2002年。化工原理（下册），大连理工大学，高等教育出版社，2009年。SW62011化工设备设计软件14项目简介精馏是分离液体混合物（含可液化的气体混合物）最常用的一种单元操作，在化工、炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。板式精馏塔是常见的精馏分离设备，结构上，板式精馏塔是一圆形筒体，塔内装有多层塔板，塔中部适宜位置设有进料板，两相在塔板上相互接触和分离。在板式塔提馏段底部会设置再沸器，再沸器的作用是将塔底液体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间的接触传质得以连续进行。立式热虹吸式再沸器机械设计说明书3本设计采用立式热虹吸式再沸器，它是一垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热器管程时部分汽化，由在壳程内的载热体供热。立式热虹吸再沸器是利用塔底单相釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度差形成循环推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环。这种再沸器具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，釜液在加热段的停留时间短，不易结垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点。同时，由于结构上的原因，壳程不能采用机械方法清洗，因此不适宜用于高粘度或较脏的加热介质；而且，由于是立式安装，因而会增加塔的裙座高度。为提高本项目的设计计算准确性，本设计采用了业内常用的化工设备设计软件SW62011进行计算校核。立式热虹吸式再沸器机械设计说明书12结构工艺说明21管程和壳程物料的选择本立式热虹吸再沸器用于对提馏段的丙烯丙烷凝液加热，使其气化返回塔底，继续进行精馏分离，丙烯丙烷为低毒易燃介质，工作压力179MPA。加热介质为饱和水蒸气，干净清洁，工作压力01MPA。根据换热器设计经验，管程和壳程介质的选择一般遵循以下原则（1）易结垢的流体走管程,便于检修及时清洗除垢；（2）具有腐蚀性的流体应走管程，可防止管束和壳体材质受腐蚀,且便于管子清洗检修；（3）易燃易爆、有毒流体走管程，减少泄漏机会,避免引起人员中毒或者爆炸；（4）高压流体走管程，以防壳体受压，节省壳体材料；（5）被冷却流体走壳程，可借外壳向外的散热作用使壳体散热，增强冷却效果；（6）流量大、粘度大的流体走壳程，流量小的流体走管程；（7）饱和蒸汽走壳程，便于及时排出冷凝液，且蒸汽洁净清洗方便；（8）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。（9）物料不同，走法也就不同，应根据实际情况，选择液体流径。故，本换热器丙烯丙烷凝液走管程，加热蒸汽走壳程。22换热管根据工艺计算结果，本再沸器换热管尺寸为252，长度L3000MM，数量为245根，管心距32MM，材料选用10G，级管束，外径允许偏差010MM，制造及检验标准为GB/T173952008。因壳程为清洁水蒸气，管束无需清洗，故管束排列方式为正三角形排列。23管板231管板结构尺寸本再沸器管板采用固定管板兼做法兰的结构形式，根据工艺计算结果要求，本再沸器为单管程单壳程结构，管板无需开分程槽，具体结构尺寸如图21、图22。立式热虹吸式再沸器机械设计说明书2图21管板结构尺寸图22管板法兰结构尺寸232换热管与管板连接根据GB1512014中661要求，强度胀接具有结构简单，管子更换和修补容易的特点，故本装置换热管与管板采用胀接连接，其的适用范围如下A设计压力小于或等于40MPAB设计温度小于或等于300；C操作中无振动，无过大的温度波动及明显的应力腐蚀倾向。本再沸器设计压力19MPA，设计温度100，操作平稳且无明显应力腐蚀倾向，满足上述条件，故换热管与管板采用胀接连接，胀度K7，管孔尺寸如图23示。立式热虹吸式再沸器机械设计说明书3图23管孔尺寸233排管及管孔管板排孔限位圆直径为549MM，排管如图24、图25，管板开4个拉杆开孔，开孔尺寸见图26。图24排管图立式热虹吸式再沸器机械设计说明书4图25管孔尺寸图26拉杆螺孔尺寸立式热虹吸式再沸器机械设计说明书524折流板本再沸器选用拱形折流板，弓形折流板引导流体垂直流过管束，流经缺口处顺流经过管子后进入下一板间，改变方向，流动中死区较少，能提供高度的湍动和良好的传热。其结构尺寸见图27，板厚8MM，全换热器布置7个折流板，折流板间距400MM。图27折流板尺寸25接管及连接附件根据工艺计算结果要求，查GB/T173952008选取接管规格及尺寸见表21。立式热虹吸式再沸器机械设计说明书6表格21接管数据接管编号规格DN公称压力/BAR外径/MM壁厚/MM长度/MM重量/KG用途A25025273122001545管程出料口B20025219102001031管程进料口C150251594520038壳程出料D100251084150205壳程进料E50255735150092安全阀接管F、G2025225150021液位计接管H、I20252525150021排气、排液接管根据HG/T205922009为接管选用配套的连接件，板由于式平焊钢制管法兰取材方便，制造简单，成本低，使用广泛，具有良好的综合性能，因此本装置的管法兰全部选用板式平焊钢制管法兰，具体结构及连接尺寸见图28和表22图28板式平焊法兰结构表格22接管法兰及连接附件注排气和排液接管孔工作时常闭，用法兰盖密封。接管法兰螺栓规格DN公称压力/BAR法兰外径D螺栓孔中心圆直径K厚度MM重量/KG螺栓孔直径L螺栓孔数量规格长度/MM25025425370352023012M2711020025360310321422612M271001502526522520514188M16651002521017018341184M1660502516512520277184M1665202590651406114M1045202590651406114M1045立式热虹吸式再沸器机械设计说明书726安全泄放对安全阀接管需计算其最小泄放面积，安全阀安装在再沸器上管箱筒节处，介质为饱和丙烯丙烷蒸汽，输入热量H584106KJ/H，泄放压力，16239KW19A泄放压力下液体汽化潜热Q2658KJ/KG，根据GB15012011附录B中要求，选用全启式安全阀，由制造厂提供的泄放系数为K065。1容器安全泄放量为Q584106265821973KG/2安全阀最小泄放面积A0190192197306519178MM2最小接管内径为，所以选用的50的接管满足要求。4151M27耳式支座本换热器由于立式安装，故采用耳式支座，具体结构尺寸见图29。图29耳式支座立式热虹吸式再沸器机械设计说明书8以下各部分计算内容系根据JB/T471232007容器支座第3部分耳式支座附录A进行设计计算。计算数据设计压力PMPA19设计温度T100壳体内径DIMM600设备总高度H0MM4374支座底板离地面高度MM10000支座底板距设备质心HMM750风压高度变化系数FI1设置地区的基本风压Q0N/M2450地震设防烈度（地震加速度）7地震影响系数A008壳体材料Q345R设计温度下许用应力TMPA189圆筒名义厚度NMM8厚度附加量CMM08圆筒有效厚度EMM42设备总质量M0KG24935偏心载荷GEN0偏心距SEMM0B2MM90L2MM180S1MM403MM6设备保温厚MM0设备外径DOMM616支座数量N2不均匀系数K1所选耳式支座型号JB/T471232007，耳式支座B2示意图立式热虹吸式再沸器机械设计说明书91耳座安装尺寸计算90152MM2耳座载荷计算地震载荷1954904N风载荷1454967N水平力P取PW和PE025PW的大值，NPE025PW231864584N因此P231864584N耳式支座实际承受载荷1607605KN3计算支座处圆筒所受的支座弯矩2250647684校核所选耳式支座耳式支座本体允许载荷QKN60根据所选支座查表3，表4，表5得到支座处圆筒的许用弯矩ML7427根据E和P查表B1内插得到判断依据Q图25C“000兰系数”按H/DI,”/DI,查图26000562旋转刚度21“H3I“FIF“FEBK1041MPA材料名称16MN壳壳体法兰厚度F43MM立式热虹吸式再沸器机械设计说明书26法兰外径DF760MM体法兰宽度2/FIB80MM比值SI/001117法比值F007167系数,按H/DI,”/DI,查图25C000兰系数,按H/DI,”/DI,查图2600006302旋转刚度21S3IFIEBKF2172MPA法兰外径与内径之比FI1267壳体法兰应力系数Y按K查表798349旋转刚度无量纲参数TFF40004226膨胀节总体轴向刚度2ELICR0N/MM管板第一弯矩系数按,查图27KFM102494系系数F1319系数按查图29TFG22874换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比QENAATS2806数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比LKAENAQEXEXST管板第二弯矩系数按K,Q或查图28A或BM22714系数（带膨胀节时代替Q）EX21GM0004908计系数按K,Q或QEX查图303001008法兰力矩折减系数KF02954管板边缘力矩变化系数“1F1984算法兰力矩变化系数FFM0414立式热虹吸式再沸器机械设计说明书27管管板开孔后面积ALA025ND21625E05MM2板参管板布管区面积三角形布管STD0862正方形布管2173E05MM2数管板布管区当量直径/4TTAD526MM系数L/05747系系数NAL02179数系数S0461/Q4373计系数带膨胀节时代替QQEX/60T6414算管板布管区当量直径与壳体内径之比TTID08766管板周边不布管区无量纲宽度KK1T05559仅有壳程压力PS作用下的危险组合工况PT0不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差TTTTT0S00000005566当量压力组合PCS0101MPA有效压力组合TAE043732374MPA基本法兰力矩系数MDMIA4306504001198管板边缘力矩系数1066010002246管板边缘剪力系数8708002963管板总弯矩系数M1224601741系数仅用于时GE10K306599004671系数I1当时,按K和M查图31A0实线当时,按K和M查图31（B）13730252立式热虹吸式再沸器机械设计说明书28系数0,G1M1AXGEI10,G11,X1IEG64MMB253B064MMDGD外2B螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WAWABDGY2764056N操作状态下需要的最小螺栓载荷WPWPFPF7803625N所需螺栓总截面积AMAMMAXAP,AA38534MM2实际使用螺栓总截面积ABAB81175214DNMM2力矩计算操FD0785PCI25369400NLDLA051445MMMDFDLD238938300NMM作FGFP1553995NLG05DBDG339MMMGFGLG52750170NMMMPFTFFD876281NLT05LA1LG457MMMTFTLT40065698NMM外压MPFDLDLGFTLTLG内压MPMDMGMTMP331754160NMM预紧MAW12689128NLG339MMMAWLG430730960NMM计算力矩MOMP与MAFT/F中大者MO430730960NMM螺栓间距校核实际间距936NDLBMM最小间距560查GB1502011表73MINMM立式热虹吸式再沸器机械设计说明书34最大间距1396MAXLMM形状常数确定9798HD0I0H/HO04KDO/DI12671610由K查表79得T1811Z4309Y8349U9175整体法兰查图73和图74FI086564VI032584000EFHI0883松式法兰查图75和图76FL000000VL00000000L00000查图77由1/O得F116943整体法兰21OIHUD7062389松式法兰21OHD0001F13DFE1137/T07614934EF086剪应力校核计算值许用值结论预紧状态000LDWI1MPAN801操作状态000IP2MPAT2输入法兰厚度F420MM时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力14411I21OHDFMMPA2670或15FT4725按整体法2NT兰设计的任意式法兰,取15NT校核合格径向应力7059I2F0R3EMPA1780FT校核合格切向应力3562T0FIRMYDZ2MPA1780FT校核合格综合应力5,MAXTH10735MPA1780FT校核合格立式热虹吸式再沸器机械设计说明书35刚度系数0566OIHKEMVJ1245校核合格法兰校核结果校核合格4结论本设计说明书根据前期的工艺计算结果，对丙烯丙烷精馏塔的立式热虹吸再沸器进行结构工艺设计和强度计算，包括对换热管、管板、换热管与管板连接形式、折流板形式、支座形式、接管、安全阀形式等的选择，和对筒体、管箱、封头、管板、开孔、法兰等结构的强度计算与校核。本再沸器所设计计算的所有零部件列于下表序号名称材料规格数量备注1筒体Q345R60081L30002标准椭圆封头Q345R600823管箱筒节Q345R60082L2004管箱法兰16MNDN60025上管板16MN6001C436下管板16MN6001C437垫片石棉橡胶DN60028连接螺栓35M2448L1309换热管10G25225410折流板205917H125811拉杆1016412耳式支座Q235B2213DN250L2001管程出料口14DN200L2001管程进料口15DN150L2001壳程出料16DN100L1501壳程进料17DN50L1501安全阀接管18DN20L1502液位计接管19接管20GDN20L1502排气、排液接管20DN250121接管法兰16MNDN2001立式热虹吸式再沸器机械设计说明书3622DN150123DN100124DN50125DN20226DN20227M2712L11028M2712L10029M168L6530M164L6031M164L6532M104L4533连接螺栓35M104L45立式热虹吸式再沸器机械设计说明书37附录A过程工艺与设备课程设计任务书二丙烯丙烷精馏装置设计学生姓名班级学号表1中圈上序号的设计方案包括了个人本次课程设计的参数。一、设计条件工艺条件饱和液体进料，进料丙烯含量摩尔百分数65FX塔顶丙烯含量，釜液丙烯含量，总板效率为98D2WX06。操作条件建议塔顶操作压力162MPA表压。安装地点大连。其他条件见表1。表1设计方案序号12345678塔板设计位置塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔板形式筛板筛板筛板筛板筛板筛板筛板筛板处理量KMOL/H5050506060607070回流比系数R/RMIN1214161214161214续表1序号910111213141516塔板设计位置塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔板形式筛板筛板筛板筛板浮阀浮阀浮阀浮阀处理量KMOL/H7080808050505060回流比系数R/RMIN1612141612141612续表1序号1718192021222324塔板设计位置塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔顶塔板形式浮阀浮阀浮阀浮阀浮阀浮阀浮阀浮阀处理量KMOL/H6060707070808080回流比系数1416121416121416立式热虹吸式再沸器机械设计说明书38R/RMIN续表1序号2526272829303132塔板设计位置塔底塔底塔底塔底塔底塔底塔底塔底塔板形式筛板筛板筛板筛板筛板筛板筛板筛板处理量KMOL/H5050506060607070回流比系数R/RMIN1214161214161214续表1序号3334353637383940塔板设计位置塔底塔底塔底塔底塔底塔底塔底塔底塔板形式筛板筛板筛板筛板浮阀浮阀浮阀浮阀处理量KMOL/H7080808050505060回流比系数R/RMIN1612141612141612续表1序号4142