甲苯再沸器设计【过程装备与控制工程原创含8张CAD图】
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甲苯
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甲苯再沸器设计【含8张CAD图】
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题目：甲苯再沸器设计一、前言1.课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势（1）课题研究意义：对于国家的节能政策以及工业的高效节能技术来说,换热器及其相关技术十分重要,其传热性能直接影响到能源利用率。在工业生产中,再沸器作为换热器的一种在化工、石油、能源等领域被广泛地采用,是必要的设备。热交换器作为节能设备之一，在国民经济中起到非常重要的作用。随着节能技术的发展，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器,它被当作传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用。再沸器广泛地应用于炼油化工装置中,再沸器的选用和安装正确与否将直接影 响到装置的运行和产品的质量。例如在催化裂化装置中,稳定塔底的再沸器直接影响到稳定塔的运行,影响到稳定汽油和液态烃的质量。因此,正确选用合适的再沸器,正 确安装再沸器是十分重要的。再沸器是安装在塔底用来升温汽化塔底部产出物的换热器,一般与塔设备开口直接相连。再沸器与塔的材质、温度不同,会在竖直方向和管线轴向产生较大的热应力。（2）国内外研究现状及发展趋势：随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重了节能新途径的研发。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。换热器由于其在化工、石油、动力和原子能等工业部门的广泛应用，使得换热器的强化传热技术一直以来受到研究人员的重视，各种研究成果不断涌现。随着经济的发展，各种不同结构和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，也是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。目前，国内外各个炼油化工企业的新上装置及新改造装置的规模越来越大。而为了实现装置的大型化，就需要解决一些原有关键换热设备占地面积大、重量大、投资大及能耗高的缺点。而目前在炼油、化工行业中普遍使用的管壳式换热器已不能满足大型化装置的需要。板壳式换热器作为高效紧凑式换热器的一种，具有换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用等优点，适合炼油、化工等领域大型化生产装置的使用要求。对于板壳式换热器的设计和生产制造，可围绕板壳式换热器的技术发展、结构特点、经济性能方面的一些介绍做出对比和分析 1。欧美发达国家 20 世纪 80 年代起开始竟相开发、研制各种型式的板壳式换热器。其中具有代表性的为法国一公司，该公司于 20 世纪 80 年代首次在催化重整装置中用一台大型板壳式换热器替代传统的管壳式换热器组。20 世纪 90 年代末期，该公司又将大型板壳式换热器用于加氢装置。该公司的产品得到美国联合油的认证，其产品主要用于的催化重整、芳烃及加氢装置。而板壳式换热器在中国的起步比较晚。1999 年兰州石油机械研究所研制成功大型板壳式换热器，该产品具有国际先进水平、首创独特结构的全焊式板式换热器，并已在炼油厂重整装置，化肥厂水解解吸装置及集中供热换热站等场合得到应用。目前国内外再沸器的选用原则是:工程上对再沸器的基本要求是操作稳定、调节方便、结构简单、加工制造容易、安装检修方便、使用周期长、运转安全可靠，同时也应考虑其占地面积和安装空间高度要合适。2课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题（1）研究目标:本次毕业设计针对甲苯再沸器装置进行设计，并根据任务书所给数据进行设计。在换热器的设计过程中，首先要有准确的工艺参数，确定换热器的工作情况。在结构设计时，对于管板、膨胀节这些关键的承压元件，在计算过程中，使用合理的方法进行尺寸调节，从而达到最优的设计尺寸，这些是设备安全、经济可靠的保证。同时，要在整个设计过程中，对开停车、检维修以及制造、使用、安装的成本进行考虑，以达到整个设备在制造、服务周期内，能够安全、顺利、可靠工作的目的 13。具体设计参数：管程：工作介质为导热油，进口温度 220，出口温度 180，工作压力 0.5MPa；壳程：工作介质为甲苯，工作温度 80160，流量30000Kg/h。（2）内容：a.设备的结构论述及尺寸设计；b. 完成与课题密切相关的外文资料翻译；c. 根据所学相关知识进行工艺计算；d. 学习相关设计规范，并依照其进行强度计算和机械设计；e. 绘制施工图；f. 完成完整的毕业设计说明书（含中英文摘要）g. 对本设计进行评述，最终掌握换管壳式热器设计的整个过程（3）拟解决的关键问题：再沸器工作的主要原理为壳程沸腾传热。沸腾传热是通过汽泡的生成、长大、脱落实现的对流传热。沸腾传热是一种相变传热,与无相变传热相比传热效率更高,正因如此使得沸腾传热成为了研究热点。传统管壳式换热器的设计工作量大、效率低,设计方法比较粗糙,设计偏差较大,流体物性参数随温度的变化是设计中产生不确定性的主要因素之一。换热器的设计包括工艺设计计算与强度设计计算两部分。工艺设计计算是保证工艺设计要求，完成整个大化工流程的换热要求。准确的工艺设计计算，也是设备专业设计安全的保证。工艺设计要对设计的温度、介质、压力进行准确的计算，才能使设备对生产的工况有准确的满足，设计出安全可靠、性价比高的设备。二、设计方案的确定1方案的原理、特点与选择依据甲苯化学性质活泼，可进行氧化、硝化和歧化反应，以及侧链氯化反应，可以被氧化为苯甲酸。甲苯大量用作溶剂和高辛烷值汽油添加剂，也是有机化工的重要原料，但与同时从煤和石油得到的笨和二甲苯相比，目前的产量相对过剩，因此相当数量的甲苯用于脱烷基制苯或歧化制二甲苯。再沸器常用于分馏塔底,对塔底流体加热使一部分物料汽化返回塔内,以提供分馏所需要的热源,又称重沸器。沸腾传热设备是化工过程中常用的一种设备,在化工过程中,装于蒸馏塔底部用于汽化塔底产物的换热器通常称之为再沸器(也称之为重沸器)。大多数的再沸器为管壳式换热器。根据实际生产中不同的需要,沸腾过程既可以发生在壳程,也可以发生在管程。加热介质通常是蒸汽,也可以是载热的流体、气体等。再沸器（也称重沸器）顾名思义是使液体再一次汽化。它的结构与冷凝器差不多，不过一种是用来降温，而再沸器是用来升温汽化。再沸器多与分馏塔合用：再沸器是一个能够交换热量，同时有汽化空间的一种特殊换热器。在再沸器中的物料液位和分馏塔液位在同一高度。从塔底线提供液相进入到再沸器中。通常在再沸器中有25-30%的液相被汽化。被汽化的两相流被送回到分馏塔中，返回塔中的气相组分向上通过塔盘，而液相组分掉回到塔底。 物料在重沸器受热膨胀甚至汽化，密度变小，从而离开汽化空间，顺利返回到塔里，返回塔中的气液两相，气相向上通过塔盘，而液相会掉落到塔底。由于静压差的作用，塔底将会不断补充被蒸发掉的那部分液位。相比于其他换热器，管壳式换热器的特点是结构牢固，能承受高温高压，换热表面清洗方便，制造工艺成熟，选材范围广泛，适应性强及处理能力大等。这使得管壳式换热器在各种换热设备的竞相发展中得以继续存在下来，并被作为一种传统的标准换热设备，在许多工业部门被大量采用。在管壳式换热器运行过程中，由于管束内外的流体介质温度不同，管束和壳体的温度也有差异。当两者具有很大温差的时候，换热器内部将产生较大的热应力，严重时可造成管子弯曲、断裂或松脱。因此，当壳体和管束温度差超过 50时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。管壳式换热器属于间壁式换热器，其换热管内部流体通道为管程，而换热器外部流体通道是壳程。管程和壳程内的流体温度不同时，则温度高的流体将会通过换热管壁，将热量传递给温度较低的流体，进而使得温度高的流体得到降温，而温度低的流体被加热，实现换热工艺。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体以及折流板等组成。一般圆筒形为壳体，直管或 U 形管为管子。为把换热器的传热效能提高，也能使用螺纹管、翅片管等。管子的安排有等边三角形、正方形、正方形斜转 45以及同心圆形等几种方式，最为常见的是前面三种。按照三角形排管时，在一样直径的壳体内能排列相对多的管子，可以大大增加传热面积，但给清洗维修工作造成了一定困难，也造成相对大的流体阻力。 通过在管束中横向部署一些折流板，引导壳程流体几次改变流动目标，使管子有效地冲刷，可以提高传热效率，同时对管子起支承作用。折流板的形状可分为弓形、圆形以及矩形等。为把壳程以及管程流体的流通截面减小、流速加快，以把传热效能提高，能在管箱以及壳体内纵向安排分程隔板，把壳程分为二程以及把管程分为二程、四程、六程以及八程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为 1400-2850 W/(m.)；用水冷却气体时，为 10-280W/（m .） ；用水冷凝水蒸汽时，为 570-4000W/（m.） 。管板作为管壳式换热器最重要的零部件，用来 排布换热管，将壳程和管程的流体分隔开来，避免冷热流体混合，并同时受管程，壳程压力和温度的作用。管板设计的好坏直接影响换热器整体的性能和安全，应对其强度进行仔细校核管板结构参数的选取，需要考虑管壳程设计压力、设计温度，管壳程两侧介质特性等因素 8。管板结构参数的合理选取，对于正确选用和节约材料，减少加工制造的困难，降低成本，确保使用安全，都具有重要意义 14。根据不同的结构形式，管壳式换热器分为固定管板式、浮头式、U 型管式等。固定管板式换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结构十分简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳侧清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨 胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。固定管板式换热器适用于管、壳间温度小或温差稍大，但壳程压力不高，壳程结垢不严重，并可用化学清洗的场合。固定管板式换热器缺点是当管束和壳体的壁温相差很大时，壳体和管束中将产生很大的热应力。这对于管壳程有高温高压的本设计来说不大合理。浮头式换热器的结构特点是两端管板之一不与外壳固定连接，可在壳体内沿轴向自 由伸缩，浮头式换热器的优点是挡环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力：其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮 动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。 填料函式换热器的特点是管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。其缺点是填料函耐压不高，壳程介质可能通过填料函外漏，对于易燃、易爆、有毒和贵重的介质不适用。由于其耐压性能不好，故暂不选取填料函式换热器。 U 型管式换热器因管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力，其结构简单，造价便宜，管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便，承压能力强，特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。尽管浮头式 换热器也可以达到此目的，但是其结构复杂，造价高。 工业中应用的再沸器多为管壳式换热器，主要可分为釜式、虹吸式（立式和卧式） 、强制循环式和内置式等型式，釜式再沸器：由一个扩大部分的壳体和一个可抽出的管束组成，管束末端有溢流堰以保证管束能有效的浸没在沸腾液体中，故循环在管束与其周围液体之间进行，溢流堰外侧空间作为出料液体的缓冲区，壳侧扩大部分空间作为汽液分离空间。釜式再沸器的气化率可达到 80以上，相当于一块理论塔板的作用。其优点是维修和清洗方便，传热面积大，气化率高，操作弹性大，可在真空下操作。但其传热系数小，壳体容积大，物料停留时间长易结垢，占地面积大，金属耗量大，投资较高。热虹吸式再沸器：热虹吸式再沸器为有组 织的自然循环式，精馏塔底的液体进入再沸器被加热而部分汽化，形成的汽液混合物密度显著减小，并一起进入精馏塔内，在塔内进行汽液分离，利用两侧的密度差使塔底液体不断被虹吸入再沸器。虹吸式再沸器分为两类：立式和卧式，通常管内蒸发采用立式，且为单管程；壳程蒸发采用卧式，可以为多管程。炼油工业约 95使用卧式热虹吸，而化工行业约 95使用立式热虹吸，石油化工行业介于期间，其原因与装置规模及介质的结垢性有关，也与使用习惯有关。卧式虹吸再沸器：壳体可采用 J、H、X 型结构。按照工艺过程卧式虹吸再沸器又可分为一次通过式和循环式，一次通过式是指塔底出产品，进再沸器的物料由最下一层塔板抽出其组成与塔底产品不同；循环式是指塔底产品和再沸器进料同时抽出其组成相同。一次通过式和循环式也可由泵强制输送。卧式虹吸式再沸器的气化率不应过大，对于烃类设计的气化率一般小于 30，对于水溶液一般不超过 20，气化量较大时需采用循环式。卧式虹吸再沸器的分馏效果小于一块理论塔板，且由于出口管线较长阻力降较大，不适用于低压和真空操作工况。立式虹吸再沸器:立式虹吸再沸器一般采用固定管板、单管程、管内汽化，出口管与塔体连接，减小了阻力，适用于低压和真空操作。其分馏效果低于一块理论塔板，气化率一般按 1015考虑。按工艺过程可分为一次通过式和循环式，为了使操作稳定常在塔底部加一块隔板. 通过以上的对比分析，考虑到达到设计的目标、使用效果以及设备造价问题，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器,它被当作传统的标准换热设备在很多工业部门中大量使用。2设计步骤(1）再沸器的工艺计算：确定设计条件和设计方案；材料的选择；设计温度、设计压力的确定；计算换热面积；计算工艺结构尺寸（选择合适的换热管，换热管的排列方式、数量、尺寸、中心距等，分程隔板槽两侧相邻中心距的计算） ；折流板和接管（折流板的计算、选型，管程和壳程接管的计算） ；换热器的热力核算（管程对流传热系数，壳程对流传热系数，总传热系数；压强核算（管程，壳程） 。(2）换热器结构计算：设计参数参数的选定；筒体（材料的选取，筒体的结构尺寸和形式） ；管箱（材料，结构尺寸和形式） ；封头（前端管箱封头的选型和计算厚度，后端封头的选型及厚度计算） ；换热管的选取；管板设计（连接方式，管板布管区面积、计算半径、计算厚度等） ；接管设计；折流板设计；支座的设计；校核是否需要开孔补强，对每一个接管外径大于 89mm 的接管进行检验，计算出开孔补强面积和有效补强范围。（3）换热器的强度计算（包括筒体，封头，管箱，管板，接管，支座承载能力等的校核） ；(4）整个设备的经济核算；(5）设备工程图纸绘制（1 张三维动画绘图；1 张 A0 或 A1 的换热器的装配图以及若干关键零部件 CAD 图） 。三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值1.阶段性设计计划2017 至 2018.1 完成课题介绍、熟悉课题、查阅文献、翻译外文资料、学习标准规范、撰写文献综述，至少收集十五篇相关资料，翻译一篇英文资料（要求为近五年发表） ，完成文献综述，并在网上提交正稿；2017-2018.2 学期前两周确定设计方案,热力设计计算，网上提交热力设计结果；第三周至第五周进行方案论证，设备强度计算，结构尺寸的确定，完成计算书，网上提交计算书；第六周至十一周，画 CAD 装配图，零部件图及三维图 网上提交电子版图纸；十二周到十四周，编写设计说明书,准备答辩，完成设计说明书 1 份，网上提交说明书；第十五周进行毕业答辩，提交答辩材料，提交材料包括：撰写规范的毕业设计说明书电子版、纸质版；十六周对答辩发现的问题进行整改. 网上提交全套完善的资料。2.设计目标根据所给工艺参数，参考实际条件设计一台甲苯再沸器设备，针对不足之处给予改进。3.应用价值再沸器的设计是以传热和压降的计算为基础的, 精馏的本质是利用不同物质的挥发度不同，通过多次汽化、多次冷凝的精馏过程而达到物质分离的单元操作过程，而多次汽化所需的能量即通过再沸器提供的，这就是再沸器的作用。整理出一套用于固定管板式换热器、浮头式换热器及 U 形管式换热器工艺设计计算的方法。四、参考文献1 史秀丽，张宏峰.板壳式换热器发展现状及其优越性D. 黑龙江:大庆石化公司塑料厂大庆石化公司塑料厂，2006.2 胡津铭.浅谈国内管壳式换热器发展J. 科技视界， 2015：106-107.3 肖琳琳.再沸器的配管设计J.化工管理，2016，6:246-248.4 薛提微.换热器的热力设计方法与性能评价D. 山东:山东大学能源与动力工程学院，1994.5 许光第.高性能换热装置的设计及优化D.上海：华东理工大学，2013.6 宋继伟.换热器直接设计法研究与应用D.山东：山东大学，2009.7 王再丽.固定管板式换
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