本科毕业论文-MDEA贫液再沸器设计.doc

MDEA贫液再沸器设计摘要：换热器是化工、炼油工业中普遍应用的典型的工艺设备。因此设计和选择适用、高效的换热器对降低设备的造价和操作费用具有十分重要的作用。釜式再沸器就是换热器分类中很重要的一种。 本文主要包含了对釜式再沸器及换热器的设计背景及概述和再沸器的强度校核、结构计算以及零件设计这四部分。背景及概述部分主要包括换热器的定义；强度校核、结构计算部分主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、开孔补强计算等；零件设计部分则重点强调了法兰、垫片、拉杆、鞍式支座等的选取。关于釜式再沸器设计的各个环节，设计说明书中都有详细的说明。同时为以后计算机绘图时能更加方便。关键词：再沸器；换热管；结构设计；管板MDEA barren solution design of re-boilerAbstract: the heat exchanger is an important technics device in chemical combination and oil refining industry. So it is very important to design and choose the appropriate and efficient exchanging-heat machine for decreasing the cost of manufacturing and operation. Kettle re-boiler is one of the most important classifications of the heat exchanger. There are 4 parts in my thesis which includes the background of the kettle re-boiler and the heat exchanger, the proofread of the intensity, structure calculations and part design. The background includes the major concepts. the proofread of the intensity and structure calculations are just on the selected type of heat exchanger to design the heat exchangers components and parts. This part of design mainly include：the choice of materials，identify specific size, identify specific location, the thickness calculation of tube sheet, the opening reinforcement calculation etc. Parts design includes the choice and verification of the flanges, the gaskets, the rods and saddle supports.The each aspects of the kettle re-boiler has detailed instructions in the design manual. At the same time it can provide convenient for computer graphics.Key words: kettle re-boiler；heat transfer tube；structure design；the tube plate 目 录1.前言11.1换热器背景介绍11.2国内外综述及发展方向21.3设计目的和意义32 再沸器结构设计42.1设计任务与设计条件42.2再沸器的选型42.3再沸器壳体结构设计52.4再沸器壳体结构设计52.5壳体小端直径计算72.6再沸器壳体结构设计83再沸器壳体强度设计与校核103.1大端厚度计算与水压试验校核103.2小端厚度计算与水压试验校核123.3锥壳厚度计算与水压试验校核133.4大端封头厚度计算163.5管箱设计173.5.1管箱厚度与水压试验校核173.5.2管箱封头厚度183.5.3管箱长度193.5.4过渡圆筒长度204主要零部件结构设计及计算214.1管箱分程隔板214.2U型管弯管段得弯曲半径与壁厚计算214.3管板壁厚与应力校核224.4堰板244.5滑道245标准零部件的选型265.1法兰265.1.1容器法兰265.1.2管法兰275.2垫片275.3支持板285.4拉杆、定距管285.5螺柱、螺栓和螺母295.6液面计295.7人孔305.8接管及开孔补强305.8.1接管选型及配管设计305.8.2管箱开孔补强计算305.8.3壳体开孔补强计算335.9.1鞍座位置设置355.9.2设备总长365.9.3设备质量计算365.10鞍座应力及校核375.10.1应力计算及校核406 主要焊接接头结构及要求436.1换热器接头的分类436.2 设备中的对接接头436.3设备中的角接接头44计算结果表45符号说明表46设计总结47谢辞48参考文献49IV-宁夏大学新华学院2014届本科毕业设计1.前言1.1换热器背景介绍 换热器是是一种实现物料之间能量传递的节能设备，被广泛应用于石油、化工及冶金等领域。化工装置中换热器比例占设备总数的40%左右，占总投资的30%45%。近几年来，因换热器进行高低温间热能回收带来了显著地经济效益。目前在换热设备中，用量最多的是管壳式换热器。在近年来国内在节能、增效等方面研究效果显著。大量使用换热器提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。虽然在换热效率、设备体积及金属材料的耗量等方面管壳式换热器不如其他换热设备，但是他却具有结构坚固、操作弹性大、可靠度较高等方面的优点，故仍受到普遍应用。而釜式再沸器就是管壳式换热器的一种。 二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。 60年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自60年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。 换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时，入口处两流体的温差最大，并沿传热表面逐渐减小，至出口处温差为最小。逆流时，沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下，当两种流体都无相变时，以逆流的平均温差最大顺流最小。 在完成同样传热量的条件下，采用逆流可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费，后者可节省操作费，故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。 当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时，由于相变时只放出或吸收汽化潜热，流体本身的温度并无变化，因此流体的进出口温度相等，这时两流体的温差就与流体的流向选择无关了。除顺流和逆流这两种流向外，还有错流和折流等流向。 在传热过程中，降低间壁式换热器中的热阻，以提高传热系数是一个重要的问题。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)，和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。 增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。1.2国内外综述及发展方向 管壳式换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料。近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，“十一五”期间我国经济增长将保持年均7.5的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。 据统计，在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的40-50；在现代石油化工企业中约占30-40；在热电厂中，如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资约占整个电厂总投资的70；在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的30-40，其动力消耗约占总值的20-30。由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减小其体积，在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。 对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB 公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在”拟螺旋折流系统”中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气一水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少30 %-40 %的传热面积节省材料20 %-30 %。相对于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在相同流速时壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下(Re600120010812001410则，取隔板材料为Q345R，隔板的最小厚度为10mm。分程隔板槽深：（1）槽深不宜少于4mm；（2）分程隔板槽的深度为：碳钢12mm，不锈钢11mm；（3）分程隔板槽拐角的倒角一般为450，倒角宽度近似等于分程垫片的圆角半径；（4）厚度大于10mm的分程隔板，密封面处应削边至10mm。综上，分程隔板的参数如下：材料：Q345R；厚度：12mm；槽深：4mm；槽宽：12mm；倒角：450。4.2U型管弯管段得弯曲半径与壁厚计算 U型管弯管段得弯曲半径R应不小于两倍的换热管外径。通过查表4-26U型弯管段最小弯曲半径。表4-2U型弯管段最小弯曲半径R min/mm换热管外径1014192532384547Rmin20304050657590115设计选用的换热管外径为25mm，故最小弯曲半径为50mm。U型管弯管段弯曲前得最小壁厚计算：使用公式： （4-1）式中： d-换热管外径，mm； R-弯管段的弯曲半径，mm； 0-弯曲前换热管的最小壁厚，mm； 1-直管段的计算壁厚，mm。直管段的计算壁厚： 则换热管厚度为2.5mm满足要求。4.3管板壁厚与应力校核 U型管式换热器和釜式再沸器管板与管箱、壳体的连接可拆，因管束经常需要抽出清洗、维修，所以管板与壳体、可以与管箱之间不采用焊接结构，做成可拆卸的结构。其形式是用管箱法兰、壳体法兰将管板加持固定，而成为固定管板，另一端自由伸缩。使用公式： （4-2） （4-3）式中： -钢板开孔削弱系数，双程为0.5； a-一根金属管壁的横截面积,； C-管板上管孔所占的总截面积，。材料选用Q345R，400下材料的许用应力=110MPa。假设b=66mm（1）一根金属管壁的横截面积 两管板间换热管有效长度（除掉两管板厚度）L估取6000mm（2）计算系数K K=3.85根据规定，按管板简支考虑，K值由查图可得3。 代入数据得： |r|，满足条件。 ,满足条件。管子拉脱力校核使用公式 （4-4）式中： -管子最大轴向应力，MPa； -管子与管板的胀接长度，； q-许用拉脱力，取4.0，MPa。 故满足设计要求。则：管板的厚度为b=120mm管板上螺纹孔深度：使用公式： （4-5）式中： L2-螺孔深度，mm； dn-拉杆螺孔公称直径，mm。代入数据得：4.4堰板 堰板设置在液体出口前，为保证加热管完全浸泡在沸腾的釜液中，液面的最低位置应比加热的最上表面高约50mm，因此取其直径为1600mm，弦高为1030mm，厚度为10mm，材料为Q345R。4.5滑道 当换热管直径大于800mm时，为了减少装配或检修时抽装管束的困难避免损坏折流板或支撑板，需要设置滑道，滑道的结构有滑板，滚轮和滑条等，对于釜式再沸器一般采用滑条结构，壳体底部需要设置支撑导轨。滑道应在折流板外侧设置四条圆钢，直径6mm，对称布置，间距500 到 600，焊接在支撑板外侧，长度从第一块折流板到浮头法兰，约6000mm。此外，壳体内部应用角钢布置支撑导轨，与圆钢滑道相配合，从直管段开始布置，长度约6000mm。根据2可以知道，导轨滑板在直径方向要高出折流板或支持板约0.51,并要与管束成为一个整体。导轨滑道的结构简图如图4-1： 图4-1导轨滑道5标准零部件的选型5.1法兰5.1.1容器法兰换热器常采用的法兰结构形式为：平焊法兰及对焊法兰。法兰密封面形式：平面、凹凸面和榫槽面。法兰的结构形式和密封面形式，应根据使用介质、设计压力、公称直径等因素来决定。 标准法兰的选用分设备法兰和管法兰两类：表5-15设备法兰参数标准号名称压力范围工作温度JB/T 4701 甲型平焊法兰0.251.6MPa-20300JB/T 4702乙型平焊法兰0.254MPa-20350JB/T 4703长颈对焊法兰0.66.4MPa-70450 螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处紧密不漏；二是法兰应具有足够强度，不致因受力而破坏。实际应用中，螺栓法兰连接很少因强度不足而破坏，大多应密封性能不良而导致泄露。 由设计条件选用容器法兰为凹凸面长颈对焊法兰，尺寸参数如表5-25所示，表5-2长颈对焊法兰参数PN=4.0MPa公称直径DN/mm法兰/mm螺柱对接筒体最小厚度0DD1D2D3D4Hhaa112Rd规格数量10001215115511101100109710017542262324361533M304818结构尺寸如图5-1所示： 图5-1凹面长颈对焊法兰5.1.2管法兰 管法兰的设计查附录四根据标准来选取。根据压力不同，选用了不同的法兰形式，工艺气接管法兰选用带颈平焊钢制管法兰，壳体侧接管法兰均选用板式平焊钢制接管法兰。具体参数如表5-35所示。表5-3管法兰参数公称直径钢管外径连接尺寸法兰厚度C法兰内径法兰颈法兰高度H坡口宽度b法兰理论重量/kgA法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹TBNRPN0.6MPa5057140110144M1216591.513003254403952212M202432811.94004265404952216M202843017.1PN4.0MPa3003255154503016M30242138010711242.95.2垫片 设备垫片标准主要有： JB/T 4704 非金属软垫片 JB/T 4705 缠绕垫片 JB/T 4706 金属包垫片 一般情况下非金属软垫片适用于甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面和凹凸密封面，缠绕垫片适用于乙型平焊法兰、长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面、凹凸密封面、榫槽密封面。金属包垫片适用于乙型平焊法兰和长颈对焊法兰，法兰密封面形式为光滑密封面、凹凸密封面、榫槽密封面。 垫片的外径D、内径d，按相应垫片标准选取。也可按所选用的法兰的密封面形式、尺寸定取，这时可由公称直径定垫片的内径d，在参考标准给出的法兰垫片宽度求得垫片外径D。 垫片的选择要综合考虑操作介质的性质、操作压力、操作温度以及需要密封程度，对垫片本身要考虑垫片性能，压紧面形式，螺栓力大小以及拆装后复用的次数，对高温高压的情况一般多采用金属垫片，中温中压可采用金属与非金属组合式或非金属垫片，中、低压情况多采用非金属垫片，高真空或探冷温度下以采用金属垫片为宜。根据设计条件选取如下表5-45所示：表5-4垫片介质法兰公称压力/MPa工作温度/密封面垫片形式材料油品、油气、溶剂（丙烷、丙酮、苯、酚、糠醛、异丙醇），石油化工原料及产品1.6200突（凹凸）耐油垫、四氟垫耐油橡胶、石棉板、聚四氟乙烯板蒸汽3.5MPa6.4400凹凸紫铜垫紫铜板所选垫片的参数如表5-55所示。表5-5非金属软垫片参数公称压力 PN/MPa4.0公称直径 DN/mmDd1000109910395.3支持板 当换热器壳程介质有相变时，无需设置折流板，而换热管无支撑跨距超过表46规定时，应设置支撑板，用来支撑换热管，以防止换热管产生过大的挠度或诱导振动。其形状尺寸均按折流板一样来处理。具体参数如表5-61所示。表5-6换热管无支撑跨距/mm换热管外径d1014192532384547最大无支持跨距80011001500190022002500280032005.4拉杆、定距管 折流板与支撑板一般均采用拉杆与定距管等原件与管板固定。拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆用两个螺母紧锁固定，这种形式易于调节折流板之间的夹紧程度，在穿进换热管后，各折流板处于相对自由状态。拉杆的直径按表5-7选取：表5-7换热管外径1014192532384557拉杆直径1012121616161616拉杆的数量按表5-8选取：表5-8公称直径 DN/mm拉杆直径/mm400400700700900900130013001500150018001800200010461012161824124481012141816446681012拉杆结构可参见图5-2 图5-2拉杆详图 拉杆螺纹公称直径l6mm，管板上拉杆孔探20mm 。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。拉杆位置占据换热管的位置。拉杆长度按需要确定。5.5螺柱、螺栓和螺母 依据钢材标准GB:T 699，所有的螺柱、螺柱均选用35号钢，所有的螺母均选用20号钢，正火（温度范围为-20-400。C）。5.6液面计 由于再沸器内装有MDEA贫液，为了便于观察容器内的液体位置，防止出现再沸器不合理工作，减少能源的浪费和延长设备的使用年限。故需要为设备配置液面计。根据壳体内部的压力和温度，以及设备的直径，选用双面玻璃板液面计，具体参数如表5-95。表5-9双面玻璃板液面计尺寸液面计节数