立式热虹吸再沸器机械设计说明书

1、实用标准文档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：文案大全大连理工大学Dalia n Un iversity of Tech no log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

2、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。目录摘要1 设计基础2.1.1 项目背景 2.1.2 设计依据2.1.3 技术来源及授权 3.1.4 项目简介 .3.2 结构工艺说明1.2.1 管程和壳程物料的选择 1.2.2 换热管1.2.3 管板2.2.3.1管板结构尺寸2.2.3.2换热管与管板连接 3.2.3.3排管及管孔3.2.4 折流板52.5 接管及连接附件.6.2.6 安全泄放.8.2.7 耳式支座.9.2.8 管箱、管箱法兰与封头1.3.3 强度计算153.1 工艺参数计算结果表 1.5.3.2 计算条件.1.6.3.3

3、强度计算1.7.3.3.1壳程圆筒计算 1.7.3.3.2前端管箱筒体计算 1.9.333前端管箱封头计算20.334后端管箱筒体计算 21.3.3.5后端管箱封头计算23.3.3.6开孔补强设计计算 24.3.3.7兼作法兰固定式管板计算293.3.8管箱法兰计算 4.0.4 结论44附录A过程工艺与设备课程设计任务书471设计基础1.1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。1.2设计依据过程工艺与设备课程设计任务书（见附录 A）固定

4、式压力容器安全技术监察规程TSG R0004-2009压力容器GB 150-2011热交换器GB/T 151-2014长颈对焊法兰JB/T 4703-2000无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差GB/T 17395-2008钢制压力容器封头JB/T 4746-2002承压设备无损检测NB/T47013-2015石油化工钢制管法兰用紧固件SH/T 3404-20131.3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。

5、SW6-2011化工设备设计软件1.4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。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

6、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SW6-2011进行计算校核。2结构工艺说明2.1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

7、压力1.79MPa。加热介质为饱和水蒸气，干净清洁，工作压力O.IMPa。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

8、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。2.2换热管根据工艺计算结果，本再沸器换热管尺寸为25 X2，长度L=3000mm，数量为245根，管心距32mm，材料选用10g，1级管束，外径允许偏差土 0.10mm，制造及 检验标准为GB/T 17395-2008。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。2.3管板2.3.1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

9、壳程结构，管板无需开分程槽，具体结构尺寸如图2.1、图2.2 oI IJoooJa|7154760图2.1管板结构尺寸|600图2.2管板法兰结构尺寸2.3.2换热管与管板连接根据GB151-2014中6.6.1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4.0MPa;b）设计温度小于或等于300 C；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1.9MPa，设计温度100 C,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k=7%，管孔尺寸如图2.3

10、示。图2.3管孔尺寸2.3.3排管及管孔管板排孔限位圆直径为549mm，排管如图2.4、图2.5，管板开4个拉杆开孔,开孔尺寸见图2.6。申丄*h16弋16245- 025.25竹图2.4排管图一0粥則i图2.5管孔尺寸图2.6拉杆螺孔尺寸2.4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2.7，板厚8mm，全换热器布置7个折流板，折流板间距400mm图2.7折流板尺寸2.5接管及连接附件根据工艺计算结果要求，查 GB/T 17395-2008选取接管规格及尺寸见表

11、2-1表格2-1接管数据接管编 规格 公称压力 外径 壁厚 长度 重量用途号DN/bar/mm/mm/mm/Kga250252731220015.45管程出料口b200252191020010.31管程进料口c1502.51594.52003.8壳程出料d1002.510841502.05壳程进料e5025573.51500.92安全阀接管f、g202.522.51500.21液位计接管h、i202.5252.51500.21排气、排液接管根据HG/T 20592-2009 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

12、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2.8和表2-2D图2.8板式平焊法兰结构实用标准文档表格2-2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。2.6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H= 1622.39kW =5.84 X106 kJ/h，泄放压力？?= 1.9?泄放压力下液体汽化潜热q=265.8 kJ/kg ，根据GB 150.1-2011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K=0.65。(1) 容器安全泄放量？为：? 584 X106?= 219.73?2

13、65 8219.730.65 X 1.9(2) 安全阀最小泄放面积A :最小接管内径为D =4?=/?= 15.1?n,所以选用的 50的接管满足要求。nA = 0.19?0.19 X=178?接管法兰螺栓长度规格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/mm250254253703520.23012M27110200253603103214.22612M271001502.5265225205.14188M16651002.5210170183.41184M16605025165125202.77184M166520文案大2.590651

14、40.6114M1045202.59065140.6114M1045实用标准文档文案大全2.7耳式支座本换热器由于立式安装，故米用耳式支座，具体结构尺寸见图2.9 o以下各部分计算内容系根据JB/T 471232007录A进行设计计算。计算数据:设计压力PMPa1.9设计温度tC100壳体内径Dimm600设备总高度H0mm4374支座底板离地面咼度mm10000支座底板距设备质心hmm750容器支座第3部分:耳式支座附示意图:u实用标准文档D 二 J(D + 2吐+ 2巧 F -怎 + 2 |儿901.52mm文案大全风压咼度变化系数fi1设置地区的基本风压q0N/ m2450地震设防烈度（

15、地震加速度）7地震影响系数a0.08壳体材料Q345R设计温度下许用应力曲MPa189圆筒名义厚度Snmm8厚度附加量Cmm0.8圆筒有效厚度mm4.2设备总质量m0kg2493.5偏心载荷GeN0偏心距Semm0b2mm9012mm180simm40S3mm6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/T4712.3-2007，耳式支座B 2-11耳座安装尺寸计算实用标准文档2耳座载荷计算地震载荷= am01954.9j =04N风载荷Pw =h2fiqoDoHox10=1454.967N水平力P取PW 和Pe+0.25PW 的大值，NPe+0.25

16、PW =2318.64584N因此 P=2318.64584N耳式支座实际承受载荷Q=叫莒+G 4(Ph+GcSjr 十_ kxnnxD _：i(r3 =16.07605kN3.计算支座处圆筒所受的支座弯矩2.250647684kN m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MLkN-tn74.27（根据Se和p查表B.1内插得到）文案大全判断依据:QvQ且ML t结论筒体名义厚度大于或等于 GB151中规定的最小厚度6.00mm,合格3.3.2前端管箱筒体计算计算所依据的标准GB 150.3-2011计算条件筒体简图计算压力 p

17、 c1 90MPa 设计温度t53 00C -内径Di600 00mm -c1材料Q345R（板材）试验温度许用应力189.00MPa设计温度许用应力189.00MPa试验温度下屈服点345.00MPa1J钢板负偏差Ci0.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.80厚度及重量计算计算厚度PcDi=2Pc = 3.37mm有效厚度e = n - C1 - C 2= 5 70mmr -J / x *- / -J名义厚度n = 8 00mm,重量23 99Kg压力试验时应力校核7压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25 p t =2.3750MPa压力试验允许通过的应力水平Tt 0

18、.90 s =310.50MPa试验压力下圆筒的应力T - pT.（De） - 140.212 e.MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力2 etpw=(Di e) = 3.20149MPa设计温度下计算应力Pc (Die )t =2 e = 100.95MPat170.10MPa校核条件t t结论筒体名义厚度大于或等于GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格计算所依据的标准计算条件计算压力pc1.90MPa设计温度t53.00C内径Di600.00mm曲面深度hi150.00mm材料Q345R（板材）设计温度许用应力t189.00MPa试验温度许用应力189.00M

19、Pa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.80GB 150.3-2011椭圆封头简图3.3.3前端管箱封头计算压力试验时应力校核液压试验压力试验类型试验压力值PT = 1.25 pU= 2.3750ryMPa压力试验允许通过的应力 tt 0.90 s =310.50MPa试验压力下封头的应力T = PT.(KDi 0.5 eh) = 139.552 eh.MPa校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数2,1DiK =訂兀=1.0000计算厚度KpcDih =2 t 0.5pc = 336mm有效厚度eh = nh - C1 - C 2= 5.70mm最小厚度m

20、in = 3.00mm名义厚度nh = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量27.47Kg压力计算最大允许工作压力pw=KDi 0.5e：h = 3.21662MPa结论合格材料Q345R(板材)试验温度许用应力189 00MP设计温度许用应力189 00MP试验温度、屈服占345 00MP钢板负偏差Cl0 30m腐蚀裕量C22 00m焊接接头系数0 80厚度及重量计算计算厚度PcDi=2Pc = 3.37mm有效厚度e = n - Cl- C 2= 5.70m名义厚度n = 8 00m重量23 99Kg压力试验时应力校核7压力试验类型液压试验试验压力值PT =仁2甘 2.375MPa压力试验

21、允许通过的应力水平Tt 0.90 s =310.50MPa试验压力下圆筒的应力T =pT .( D2e) = 140.21e -MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力2 e七 pw=(Dj e)= 3.20149MPa设计温度下计算应力pc (Die )t =2 e = 100.95MPat170.10MPa校核条件t t结论筒体名义厚度大于或等于 GB151中规定的最小厚度7.00mm,合格3.3.5后端管箱封头计算计算所依据的标准计算条件计算压力Pc2.00MPa设计温度t53.00C内径Di600.00mm曲面深度hi150.00mm材料Q345R（板材）设计温度许

22、用应力t189.00MPa试验温度许用应力189.00MPa钢板负偏差C10.30mm腐蚀裕量C22.00mm焊接接头系数0.80GB 150.3-2011椭圆封头简图压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值Pt = 1.25 pL4= 2.3750MPa压力试验允许通过的应力 t试验压力下封头的应t 0.90 s =310.50T =PT.(KDi_0.5_eh)= 139.552 ehMPaMPa力校核条件TT校核结果合格厚度及重量计算形状系数2K = 6 2 2hi= MOOO计算厚度KPcDih =2 t 0.5 Pc= 3.54mm有效厚度eh = nh - Cl- C 2=

23、 5.70mm最小厚度min = 3.00mm名义厚度nh = 8.00mm结论满足最小厚度要求重量27.47Kg压力计算最大允许工作压力tpw= KDi 0.5ehh = 321662MPa结论合格3.3.6开孔补强设计计算根据再沸器换热的工艺要求及结构需要，需在换热器上开孔接管，开孔接管如下:接管规格DN公称压力/bar外径/mm壁厚/mm重量/Kg用途250252731215.45管程出料口200252191010.31管程进料口1502.51594.53.8壳程出料1002.510842.05壳程进料5025573.50.92安全阀接管202.5252.50.21液位计接管202.52

24、52.50.21排气、排液接管容器开孔时，需考虑开孔对设备强度的削弱作用，一定情况下还需对开孔进行补强, 对于以上开孔，只需考虑计算同一开口部位，各压力状态下最大开孔即可。下列计算中 N1为管程进料口，N2为壳程出料口。接管：N1 , 273 xl2计算方法：GB150.3-2011等面积补强法，单孔简图计算压力Pc1.9MP a设计温度53壳体型式椭圆形圭寸头壳体材料名称及类型Q345板材R设 计 条 件壳体内直径Di600mm壳体开孔处名义厚度&8mm壳体厚度负偏差C10.3mm壳体腐蚀裕量C22mm壳体材料许用应力沙189MP a椭圆形封头长短轴之比2壳体开孔处焊接接头系数0.8凸形封头

25、上接管轴线与封头轴线的夹角(接管实际外伸长度接管实际内伸长度200 mm接管连接型式0 mm接管材料插入式接管20(GB9948)接管焊接接头系数0.80名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差Cit1.2mm补强圈厚度负偏差C1rmm接管材料许用应力沙149.94MP a补强圈许用应力矿MPa开孔补强计算非圆形开孔长直径255.4mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度S3.4035mm接管计算厚度&1.5877mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数fr0.7933开孔补强计算直径d255.4mm补

26、强区有效宽度B510.8mm接管有效外伸长度hi55.361mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强面积A882mm2壳体多余金属面积A1578mm2接管多余金属面积A2634mm2补强区内的焊缝面积A324mm2Ai+ A2 + A3=mm 2，大于A，不需另加补强。1236补强圈面积A4mm2A-(Ai +A2 +A3)mm2结论：合格接管：N2 , 159 x4.5计算方法：GB150.3-2011等面积补强法，单孔设计条件简图计算压力pc0.1MP a设计温度100壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材1LEd壳体开孔处焊接接头系数0.8JCpij壳体内直径Di600

27、mm壳体开孔处名义厚度命8mm . _壳体厚度负偏差Ci0.3mmiNA壳体腐蚀裕量C21mm壳体材料许用应力沙189MP a接管轴线与筒体表面法线的夹角（0凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角（接管实际外伸长度200mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管材料10(GB9948)接管焊接接头系数0.8名称及类型管材接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差Cit0.45mm补强圈厚度负偏差C1rmm接管材料许用应力沙121MP a补强圈许用应力矿MPa开孔补强计算非圆形开孔长直径152.9mm开孔长径与短径之比1壳

28、体计算厚度S0.1764mm接管计算厚度&0.062mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数fr0.6402开孔补强计算直径d152.9mm补强区有效宽度B305.8mm接管有效外伸长度hi26.231mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强面积A27mm2壳体多余金属面积A1983mm2接管多余金属面积A2100mm2补强区内的焊缝面积A39mm2Ai+ A2 + A3=mm 2，大于A，不需另加补强。1092补强圈面积A4mm2A-(Ai +A2 +A3)mm2结论：合格3.3.7兼作法兰固定式管板计算设计计算条件简 图设计压力ps0.1MPa设计温度Ts100C平均金

29、属温度 ts100C装配温度to15C壳材料名称Q345RI设计温度下许用应力 t189Mpa程平均金属温度下弹性模量Es1.97e+05Mpa平均金属温度下热膨胀系数s1.153e-05mm/mm C圆壳程圆筒内径Di600mm壳程圆筒名义厚度s8mm壳程圆筒有效厚度se6.7mm筒壳体法兰设计温度下弹性模量 Ef1.97e+05MPa壳程圆筒内直径横截面积A= 0.25 Di22.827e+05mm 2壳程圆筒金属横截面积 As= s ( Di +s)1.277e+04mm 2管设计压力pt1.9MPa箱设计温度Tt53C圆材料名称Q345R筒设计温度下弹性模量 Eh1.994e+05MP

30、a管箱圆筒名义厚度（管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值）h21mm管箱圆筒有效厚度he19mm管箱法兰设计温度下弹性模量曰”1.994e+05MPa材料名称10(GB9948)换管子平均温度tt53C设计温度下管子材料许用应力tt121MPa设计温度下管子材料屈服应力st181MPa热设计温度下管子材料弹性模量 Ett1.97e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量Et1.994e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数t1.114e-05mm/mm C管管子外径d25mm管子壁厚t2mm管子根数n245换热管中心距S32mm换一根管子金属横截面积at（d t）144.5mm 2换热

31、管长度L3000mm管子有效长度（两管板内侧间距）Li2914mm管束模数Kt = Et na/LDi4037MPa管子回转半径i 0.2d2 (d 2 t)28.162mm热管子受压失稳当量长度lcr495mm系数 Cr = *2E；/ S146.6管比值l cr / i60.64管子稳定许用压应力（cr lcr） cr 邑r2（lcr i）2MPalt.管子稳定许用压应力（Cr土） cr s1 lci122Cr71.78MPa管板材料名称16Mn n设计温度tp100C设计温度下许用应力；178MPa设计温度下弹性模量Ep1.97e+05MPa管板腐蚀裕量C23mm管板输入厚度n43mm管

32、板计算厚度36mm隔板槽面积（包括拉杆和假管区面积）Ad0mm 2管板强度削弱系数0.4管板刚度削弱系数0.4管子加强系数 k2 1318-DEtna/EpLK =4.505管板和管子连接型式胀接，开槽管板和管子胀接（焊接）高度l40mm胀接许用拉脱应力q4MPa焊接许用拉脱应力qMPa管箱材料名称16Mn n管箱法兰厚度 ；42mm法兰外径Df760mm基本法兰力矩M m2.773e+07N mm管程压力操作工况下法兰力Mp3.318e+07N mm法兰宽度 bf (Df Dj )/280mm法比值h/D0.03167比值f / Di0.07系数 c(按 h/Di, ”/Di,查 图25)0

33、.00系数”(按 h/Di,”Di,查 图 26)0.005623旋转刚度 K；1 2Efbf 2 fEh 12 Di bf Di104.1MPa材料名称16Mn II壳壳体法兰厚度f43mm法兰外径Df760mm体法兰宽度 bf (Df Di)/280mm比值s / D0.01117法比值；/ Di0.07167系数 C,按 h/Di, ”/Di ,查 图250.00系数按 h/Di, /Di ,查 图J260.00063023旋转刚度 Kf1 2Efb _lEs f 12LDi bfDjs J21.72MPa法兰外径与内径之比 K Df/D1.267壳体法兰应力系数 Y （按K查表 7-9）8.349旋转刚度无量纲参数 KKff 4 Kt0.004226膨胀节总体轴向刚度2dc2E）0N/mm管板第一弯矩系数（按 K,Kf查图0.249427) m1系系数miK Kf13.19系数(按 Kf 查GB151 98 图 29)