毕业论文-浮头釜式再沸器设计

浮头釜式再沸器设计前言换热器在目前化工、石油、食品、冶金等行业已成为必不可少的重要设备，是用于将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器为工业生产领域至关重要的一环，它的性能对于产品质量、能量利用率以及工艺流程的经济性可靠性起着重要的作用。节能减排成为我国“十二五”期间重要战略举措，高效节能换热器的研究值得我们共同关注。随着制造技术、材料技术的飞速发展以及传热理论研究的不断进步，换热器的种类越来越多，衍生出适用于不同介质、不同工况、不同压力和温度下的各种换热器，结构型式也大有不同，其中管壳式换热器由于结构较为简单，操作可靠性高，且能在高温、高压下使用，成为目前应用最为广泛的类型。再沸器属于管壳式换热器的一种，被广泛地用于石油化工装置上，如炼油厂气体精馏装置塔底再沸器、天然气净化厂脱硫装置再生塔底再沸器。再沸器与精馏塔合用是石油化工企业常见的组合工艺装置，再沸器安装在精馏塔底部，通过再沸器加热塔底(蒸馏釜)的液体，使其部分汽化并成为上升蒸汽，为精馏塔的精馏段、提馏段以及塔板汽液两相传热传质提供所需的热量。目前常用的再沸器为釜式再沸器和虹吸式再沸器。釜式再沸器是主要由一个可抽出的管束和一个扩大部分的壳体组成，壳程扩大部分空间作为气液分离的空间。优点是可靠性高，维护和清洗方便，操作弹性大，可在真空下操作，缺点是换热系数小，壳体容积大，占地面积大，造价高，物料停留时间长易结垢，造价较高。釜式再沸器的最佳应用场合是低压、窄沸点范围以及小温差或大温差条件下的洁净流体，对于近临界压力的条件，尽管壳体较大，造价高，但性能较为可靠[6]。管壳式换热器主要有固定端管板式，U型管式和浮头式，采用浮头式设计是考虑到拆卸方便，清洗方便，适用于管子和壳体间温差较大工况的优点。由于釜式再沸器的结构的特殊性，整台设备需精心设计，做到既满足工艺要求，又能方便操作检修，还要保证设备的安全稳定运行。本文介绍了釜式再沸器的结构和工作原理，然后通过给定的设计参数，确定了再沸器设计过程和主要零部件的设计方法。首先确定了釜式再沸器的总体结构，确定各零部件的材料，完成了壳体、管箱、换热管管束、浮头盖、管板的结构设计。然后对主要零部件进行了强度计算，包括壳体的强度校核，管板的应力校核，接管开孔补强设计，筒体应力校核以及压降校核。最后提出了设备的制造、检验和安装的技术要求。

2文献综述2.1再沸器工作原理及分类再沸器是安装在石油化工装置底部或侧面的热交换器，用来将一部分塔底液相产物汽化返回塔内作气相回流，使得塔内气液两相间的接触传质得以进行，同时提高蒸馏过程所需的热量，又称重沸器。工业用再沸器主要有釜式、虹吸式、强制循环式和内置式等型式，不同型式的再沸器有不同的传热原理。根据塔底再沸器内载有热量的介质的流向不同可以将塔底再沸器分为轴向流和交叉流两种。在轴向再沸器中，沸腾的载热蒸汽、气体或者液体顺着轴向流动，热量载体与塔底产物的热量交换主要在管程进行，而在交叉流塔底再沸器中，这些热量交换则全部在壳程进行。常见的轴向流再沸器为立式热虹吸再沸器、强制流动再沸器；交叉流再沸器在形式上则主要包括内置式、釜式及水平热虹吸式。2.1.1釜式再沸器图2-1是釜式再沸器的结构示意图，其由大端和小端壳体组成，通过斜锥壳连接，内有一个可抽出的管束，一般管程走加热介质，壳程为被加热介质，管束末端设置一个挡板来保证管束能全部浸没在液体之中，外侧空间作为出料液体的缓冲区，壳体扩大部分是蒸发空间，蒸发空间大小由产气量和所需的蒸汽品质决定。图2-1釜式再沸器2.1.2热虹吸式再沸器热虹吸式再沸器的原理是精馏塔底的液体进入再沸器被加热汽化，变成气液混合物则密度减小，进入精馏塔内进行气液分离，气体进入塔顶，液体进入塔底，利用两侧的密度差使得塔底的液体不断地被吸入再沸器，形成自然循环。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，壳程蒸发采用卧式。炼油工业约95%使用卧式热虹吸，而化工行业约95%采用立式热虹吸，型式的选用与装置规模及介质的结垢性有关，也与使用习惯有关。2.1.3强制循环式再沸器强制循环式再沸器依靠外部泵提供动力使流体循环运动，也有立式和卧式之分。由于流速快，物料停留时间短，在易结垢和黏度较大的流体中使用有较好的效果。但缺点是泵造价高且能源消耗较大。2.1.4内置式再沸器将管束直接插入塔底液池之中，不需要壳体和配管，结构简单，易清洗，但液体循环差，不适用于易结垢流体且使用时对塔直径有一定要求，设计原则与釜式再沸器类似。2.2国内浮头釜式再沸器的研究现状周涛，徐东等人研究了浮头式换热器的失效和故障，分析得到常见浮头式换热器发生各种失效和故障的原因，使用残骸分析法和金相分析法来对换热器进行失效分析[3]。陶彩虹采用有限元软件ANSYS对不同锥角的斜锥壳应力分布和应力强度进行了分析，将分析结果与GB150常规设计标准中相关条款进行比较，探讨GB150标准中锥壳结构的锥角限定条件[4]。刘进荣等人通过对管束壳侧循环流动沸腾传热的分析，提出了管束沸腾传热的薄层蒸发传热增强贡献的计算公式，建立了釜式再沸器壳侧循环流动与管束传热的分格模型，利用此模型，对管束传热系数及循环流速进行了模拟计算[5]。程立新在研究中详细分析了各种再沸器的优缺点及其适用的场合，对再沸器的设计作了简介，对再沸器的研究动向和技术改造进行了讨论[6]。周伟通过对GB150中所列计算公式的分析，说明了封头焊入深度对浮头计算厚度的影响，然后又给出了确定该参数的一般原则和方法[7]。2.3国外浮头釜式再沸器的研究现状DavidA.McNeil基于建立的孔隙率和管壁力的相关性，介绍了一种釜式再沸器的二维模型，并且通过R113和正戊烷釜式再沸器在标准大气压下对一定范围的热通量下的压降测量来证实此种仿真模型的可行性[8]。C.Nadarajah探讨了换热器浮头内使用的传统单开口垫环的设计过程，认为这种设计方法过于保守而给出了一种更好的设计方法，即在管板背面安装一个键，使用有限元分析评估了设计流程来确定获得最佳设计的因素和规范公式设计中保守/非保守量的数量[9]。Cornwell对管束沸腾传热的特性进行了较系统的研究，采用大型模拟再沸器以R113为介质，绘制出管束沸腾传热系数的等线图，得到管束壳侧传热系数由下至上是逐渐增大的，以管束中同一列管而言，管位越高则传热系数越大[10]。NakajimaK等人在满液式蒸发器水平管束沸腾传热实验的基础上，首次地将池式核沸腾的薄层蒸发传热理论推广应用于管束沸腾，认为在水平管束中上升气泡和加热壁面间（边界层内）可形成一极薄液层，由加热壁面间通过此薄层以热传导方式向气泡传递热量[11]。BurnsideBM对釜式再沸器内液体和蒸汽分离问题的影响进行了描述和讨论，并且对于由研究数据来设计全规模的釜式再沸器和水平再循环蒸发器进行了讨论[12]。3浮头釜式再沸器结构设计3.1设计任务与设计条件现设计一台浮头釜式再沸器，壳程介质为丁醇、乙醇、丙醇等，管程介质为水蒸汽；管程设计压力为0.5MPa，工作压力0.4Mpa，管程设计压力3.2MPa，工作压力2.9MPa；壳程设计温度150℃，工作温度进口为105℃，出口135℃，管程设计温度160℃，工作温度进口145℃，出口110℃。要求设计换热面积50m2。3.2换热管选择与排列形式确定国内常用换热管有φ25和φ19两种，小管径可使单位体积的传热面积增大，结构紧凑，节约金属，但小管径流体阻力大，不便清洗，易结构堵塞。本设计采用φ25×2.5的无缝钢管，换热管材料选择20号钢。管长的选则是以清洗方便和合理使用管材为准。换热管长度推荐采用：1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.5，6.0，7.5，9.0，12.0m，本设计采用管长4.5m。换热管的排列形式主要有正三角形、正方形、转角正三角形、转角正方形，其结构形式如图3-1所示。图3-1管子的基本排列型式与正方形相比，等边三角形排列比较紧凑，管外流体湍流程度高，给热系数大，故本设计的换热器换热管的排列方式采用正三角形排列。3.3筒体材料选择与直径确定3.3.1材料选择本设计再沸器管程介质为水蒸气，壳程介质为乙醇、丙醇、丁醇等，管程压力为3.2MPa，壳程压力为0.5MPa，筒体材料除了要满足设计强度要求外，由于在制造过程中经过卷板、冲压和焊接等工序，还需要有一定的塑性和可焊性。本设计采用Q345R作为再沸器主要承压元件。Q345R是屈服强度为345MPa的压力容器专用钢板，压力容器常用材料。它的强度较高，塑性韧性良好，具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于普Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通Q345钢有所提高外，还要求保证冲击韧性[1]。3.3.2筒体直径确定设计要求换热面积为m2，选取传热管尺寸为φ25×2.5，管长mm，计算初选管数n： （3-1）式中：d0——换热管外径；换热管排列形式选取正三角形排列，查GB151中表12得25mm换热管中心距t=32mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距S=44mm。为保证壳体内径的可靠，采取按比例在管板上画出隔板位置，并进行排管的方法，布管图如图3-2，当布管148根时，管束最大外径为448mm。壳体公称直径大于400mm时，换热器公称直径以400mm为基数，以100mm为晋级档，初选小端壳体内径500mm，继续设计发现浮动管板密封设计空间不足，故选取小端壳体内径600mm，后续设计结果表明可以保证浮头抽装顺且刚好留有浮头盖密封结构设计空间，最终确定小端壳体内径600mm，换热管布管n=148根，验算实际换热面积：m2（3-2）实际换热面积大于设计换热面积，符合设计要求。图3-2换热管排布图一般带蒸发空间的釜式再沸器的筒体大端直径为小端直径的1.5~2倍，本设计选取大端壳体直径为1000mm。3.4管箱结构设计管箱是管程流体进出口流道空间，其作用是将进口流体均匀分布到管束的各换热管中，再将换热后的管内流体汇集送出换热器。在多管程换热器中，管箱还起到改变流体流向的作用。管箱结构有A型平盖管箱和B型封头管箱，A型管箱装有平板盖（或称盲板），检查清洗时只要拆开盲板即可，不需拆卸整个管箱和相连的管路。缺点是盲板加工用材多，并增加一道法兰密封。B型管箱端盖采用椭圆形封头焊接，结构简单，便于制造，适合高压，清洁介质，可用于单程或多程管箱。本设计采用B型封头管箱，采用两管程，结构如图3-3所示[13]。图3-3B型封头管箱出于制造方便，管箱法兰和其与筒体连接的法兰选相同法兰。由于壳体小端内径为600mm，参照JB/T4703-2000选取相同的长颈对焊法兰FM-600-4.0，法兰材料选取16MnⅡ级锻件。与法兰配套使用M24×250JB/T4707-2000螺柱30根，以及M24×260带肩双头螺柱2根，材料选用40Cr。已知法兰FM-600-4.0JB/T4703-2000的长度为120mm，管程进口接管采用的接管，接管距封头焊缝96mm，距法兰焊缝141mm，标准椭圆封头长度187mm，则管箱总长度=96+141+187+108+120=652mm。3.5管板结构与连接方式设计本设计中共有两块管板，一块固定端管板，一块浮动管板。管板材料选用16MnⅡ级锻件。固定端管板采用通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接的结构，为可拆式管板。另一端浮动管板采用延长部分兼做法兰结构，与浮头盖通过垫片连接，可自由伸缩。管板与法兰的密封面为凹凸密封面，螺柱拆卸后管程和壳程都可以拆下清洗。管板尺寸的确定先依据设计压力、壳体内径来选择容器法兰，然后根据法兰的结构确定管板的最大外径、密封面位置、宽度。由于采用两管程结构，需在固定端管板上开分程隔板槽，槽宽12mm，槽深4mm。换热管与管板的连接方式有强度焊接、强度胀接和胀焊并用等形式。本设计采用强度焊接，强度焊接是指保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接。优点是焊接结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下能保持连续的紧密型。管板孔加工要求低，不需开槽，管子端部不需退火和磨光，制造加工较简单[13]。公称直径小于或等于800mm时，在固定端管板设两个防松支耳，固定端管板连接图如图3-4。图3-4固定端管板连接图3.6浮头型式选择标准浮头有S型钩圈式浮头和T型可抽式浮头两种，本设计采用T型可抽式浮头，由浮动管板和球冠形封头依靠螺柱连接。主要是考虑到釜式再沸器的管束和浮头都是从一端插入，若采用S型钩圈式浮头结构，则浮头尺寸过大，无法安装与拆卸。因此，从安装使用角度考虑，选择T型可抽式浮头。3.7折流板结构设计折流板的作用是用来提高壳程流体流速，迫使流体横向流过管束，增加湍动程度，以提高管间对流传热效率，也起到支撑管束的作用。常用折流板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种。弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种，本设计折流板选用单弓形折流板。卧式换热器、冷凝器和重沸器的壳程介质为气、液相共存或液体中含有固体物料时，折流板缺口应垂直左右布置，并在折流板最低处开通液口，本设计即采用这种结构，结构示意图如图3-5所示。图3-5折流板布置方式折流板一般应按等间距布置，最小间距一般不小于壳体内径的20%，且不得大于壳体内径[2]。由于换热管总长为4500mm，取折流板间距600mm，计算得到需要7块折流板，第一块折流板距固定端管板端面384mm。折流板的安装固定通过拉杆和定距管来是实现。折流板弦高按0.25倍内直径确定后，考虑折流板制造中可能产生的管孔变形而影响换热管的穿入，将该尺寸调整到使被切除管孔保留到小于1/2孔位，确定mm。折流板材料选择Q235-A，查文献13表4-3得折流板最小厚度为5mm，本设计取折流板厚度为6mm，折流板名义外径为mm。3.8拉杆、定距管结构设计拉杆均匀布置在管束的外边缘，拉杆数量根据公称直径600mm选用4根拉杆，拉杆直径根据25mm换热管外径选取16mm。拉杆定距管结构选用拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板的间距用定距管固定，最后一块折流板用两个螺母锁紧固定。3.9支座选择3.9.1重量计算设备自重再沸器均由碳素钢和低合金钢制成，取密度为kg/m3。管箱短节长mm，短节质量约为kg(3-3)筒体长度为mm，筒体质量约为kg(3-4)斜锥壳平均直径取620mm，斜锥壳质量约为kg(3-5)固定端管板厚60mm，外径664mm，开孔面积mm2,则固定端管板质量约为：kg(3-6)浮动管板厚50mm，外径590mm，开孔面积mm2,则浮动管板质量约为：kg(3-7)换热管质量约为：kg(3-8)封头质量查GB/T25198-2010得管箱封头质量为kg，大端封头质量为kg，容器法兰查JB/T4703-2000得质量为kg，浮头法兰厚70mm，外径590mm，内径471mm，质量约为：kg(3-9)接管法兰与接管总质量约为kg其余附件总质量取kg。设备总重(3-10)物料重量管程物料体积约为V1=0.3754m3，密度为kg/m3，则管程物料质量为：kg(3-11)壳程物料液体只到设备截面弦高550mm处，其余空间均被气体充满，只考虑液体质量，壳程液体体积约为m3，密度为，则壳程物料质量为：kg(3-12)则物料总质量为：kg(3-13)操作工况总重:N(3-14)3.9.2支座型式选择支座选择参照JB/T4712.1-2007容器支座第1部分：鞍式支座选择。鞍式支座分为轻型（A型）和重型（B型）两种，同样公称直径轻型鞍座比重型鞍座承载能力小。再沸器操作工况下共重约51270.3N，充分考虑成本和安全性，本设计选择DN1000mm，120°包角重型带垫板鞍式支座，允许载荷305KN，材料材料选择Q235-B，垫板材料与筒体材料相同。对同一型号鞍式支座又有固定鞍座（F型）和滑动鞍座（S型）两种，一般成对使用，以适应温度变化引起的伸缩，减小温差应力。本设计选择靠近大端封头的鞍座为移动端，为了避免在锥壳处布置鞍座，选固定鞍座距容器法兰1100mm，移动支座与封头切线距离1100mm。3.10滑道结构设计为了便于装配或检修时抽装管束，需要增设滑道。滑道的结构有滑板、滚轮和滑条。TOC\o"1-2"\h\z\u本设计采用滑条结构，在折流板外侧焊接2根圆钢滑条，直径6mm，对称布置，间距60°，长度从第一块折流板到最后一块折流板，约3620mm。另外，还要在壳体底部用角钢设置支承导轨，与圆钢滑条配合使用，长度从第一块折流板到浮头盖，约4200mm，右端距堰板110mm。支承导轨上有碍滑道通过的焊接接头应修磨齐平。

4浮头釜式再沸器强度计算4.1壁厚计算4.1.1大端筒体壁厚壳程设计温度为150℃，设计压力为MPa，计算压力，选择Q345R卷制圆筒，大端筒体内径mm。查得，150℃下，材料的许用应力为MPa。焊接采用单面焊，100%无损检测，焊缝系数，腐蚀裕量mm，钢板负偏差mm。计算厚度：mm(4-1)设计厚度：mm(4-2)名义厚度：取mm(4-3)有效厚度：mm(4-4)水压试验压力：MPa(4-5)材料屈服应力：MPa(4-6)水压试验应力：MPa(4-7)水压试验校核：MPa(4-8)壁厚满足要求。4.1.2大端封头壁厚大端封头选取参照标准GB/T25198-2010选取EHA型DN1000椭圆封头，材料与筒体一样选Q345R。计算厚度：mm(4-9)名义厚度：取mm(4-10)水压试验应力：MPa(4-11)水压试验校核：MPa(4-12)壁厚满足要求。4.1.3锥壳壁厚锥壳壁厚按照GB150-2011中受内压无折边锥壳厚度计算公式计算，斜锥壳锥角取30°，材料为Q345R。计算厚度：mm(4-13)名义厚度：(4-14)考虑制造方便和经济成本，取斜锥壳厚度选取和筒体厚度相同，mm。为了缓解局部应力，在锥壳周围圆弧过渡。4.1.4管箱壁厚管箱厚度按管箱封头的计算厚度，封头选标准DN600椭圆封头，焊接为单面焊，全部无损检测，焊缝系数，材料为Q345R，管程设计压力MPa，计算压力，设计温度为160℃，查得160℃下，材料许用应力为MPa，腐蚀余量mm，钢板负偏差mm。计算厚度：mm(4-15)名义厚度：(4-16)考虑到制造方便和经济成本，取管箱壁厚与大端筒体壁厚相同，即取mm。有效厚度：mm(4-17)水压试验压力：MPa(4-18)材料屈服应力：MPa(4-19)管箱筒体水压试验应力：MPa(4-20)封头水压应力：MPa(4-21)水压试验校核：MPa(4-22)管箱壁厚满足要求。4.2开孔补强计算4.2.1接管与管法兰表4.2为再沸器管口表。表4.2管口表符号公称规格接管尺寸法兰形式密封面形式用途深出长度aPN5.0DN100φ108×8SORF水蒸汽进口200bPN5.0DN65φ76×6SORF液相出口150cPN1.0DN80φ89×6SORF物料进口150dPN1.0DN200φ219×8SORF物料出口200ePN1.0DN40φ45×4SORF排液口150fPN1.0DN50φ57×5SORF备用口150g1-2PN1.0DN20φ25×3.5SORF液位计接口200h1-4M20×1.5————螺纹温度计接口60iPN1.0DN20φ25×3.5SORF压力表接口150管法兰选取参照GB/T20592-2009《钢制管法兰》（PN系列），材料选用16MnⅡ级锻件，接管选取参照GB/T17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》，接管材料选取20号钢。开孔补强设计就是采取适当补强措施将应力集中系数降低到一定范围的设计。本设计均采用等面积补强准则，即在有效的补强范围内，壳体除本身内压所需截面积外的多余截面积A不应少于开孔所减小的有效截面积A0。参照GB150-2011不另行补强的最大开孔直径的要求，本设计只需要进行a、b、c三个接管的开孔补强计算。4.2.2管箱进口接管（DN100）选取φ108×8的接管，材料为20号热轧碳素钢管，查得设计温度下接管材料的许用应力MPa，mm，mm。接管计算厚度：mm(4-23)有效厚度：mm(4-24)开孔直径：mm(4-25)接管有效补强宽度：mm(4-26)外伸接管有效补强高度：mm(4-27)强度削弱系数：(4-28)壳体开孔所需补强面积：mm2(4-29)壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：(4-30)mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：mm2(4-31)(4-32)考虑焊缝面积，面积是足够的，故不用补强。4.2.3管箱出口接管（DN65）选取φ76×6的接管，材料为20号热轧碳素钢管，查得设计温度下接管材料的许用应力MPa，mm，mm。接管计算厚度：mm(4-33)有效厚度：mm(4-34)开孔直径：mm(4-35)接管有效补强宽度：mm(4-36)外伸接管有效补强高度：mm(4-37)强度削弱系数：(4-38)壳体开孔所需补强面积：mm2(4-39)壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：(4-40)mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：mm2(4-41)(4-42)考虑焊缝面积，面积是足够的，故不用补强。4.2.4物料出口接管（DN200）选取φ219×8的接管，材料为20号热轧碳素钢管，查得设计温度下接管许用应力MPa，mm，mm。接管计算厚度：mm(4-43)有效厚度：mm(4-44)开孔直径：mm(4-45)接管有效补强宽度：mm(4-46)外伸接管有效补强高度：mm(4-47)强度削弱系数：(4-48)壳体开孔所需补强面积：mm2(4-49)壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：(4-50)mm2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：mm2(4-51)(4-52)考虑焊缝面积，面积是足够的，故不用补强。4.3固定端管板强度计算由前面设计得到小端壳体公称直径600mm，换热管外径mm，换热管壁厚mm，换热管根数n=148，换热管长度mm，换热管失稳当量长度mm。由布管图得到，沿隔板槽一侧的排管数，换热管间距mm，管板上管程分隔板槽深mm，换热管与管板连接采用强度焊，焊高mm。壳体管箱法兰均采用FM-600-4.0JB/T4703-2000，垫片均采用600-2.5JB/T4704-2000。换热管使用20号钢，管板使用16MnⅡ材料。4.3.1计算各参数布管区无支撑面积：mm2(4-53)管板布管区面积：(4-54)布管区当量直径，mm(4-55)管板开孔后的面积：(4-56)垫片外径mm，垫片内径mm，密封宽度：mm，mm(4-57)有效密封宽度：mm(4-58)压紧力中心圆直径mm(4-59)4.3.2确定管板设计压力对于浮头式换热器，管板两侧压力在任何情况下同时作用，则管板设计压力：MPa(4-60)4.3.3计算无量纲数假设固定端管板的名义厚度为50mm，材料选用16MnⅡ级锻件，查得管板材料的许用应力为MPa，换热管材料的许用应力为MPa，管板弹性模量为MPa，换热管弹性模量为MPa，管板强度削弱系数，刚度削弱系数，a为一根换热管管壁金属的横截面积。无量纲压力：(4-61)换热管有效长度：mm(4-62)管束模数：MPa(4-63)管束无量纲刚度：(4-64)计算系数：(4-65)(4-66)系数：(4-67)查GB151-1999图24，得系数。4.3.4计算管板厚度按和查GB151-1999图23，得系数。则管板计算厚度：mm(4-68)管板名义厚度：mm(4-69)管板厚度圆整为60mm。此时需从新核算换热管有效长度，即mm(4-70)(4-71)(4-72)此时，C值仍为0.59，则管板计算厚度：mm(4-73)管板名义厚度：mm(4-74)则管板厚度圆整为60mm。4.3.5换热管轴向应力校核换热管的稳定许用应力设计温度时，换热管材料的屈服点：MPa换热管回转半径：mm(4-75)系数：(4-76)(4-77)则换热管的稳定许用压应力为：MPa(4-78)应力校核一般情况下，应按下列三种工况分别计算换热管轴向应力：只有壳程压力作用下，壳程压力，当量压力组合为：MPa(4-79)MPa(4-80)，合格。只有管程压力作用下，壳程压力，当量压力组合为：MPa(4-81)(4-82)，合格。壳程设计压力和管程设计压力同时作用，当量压力组合为：MPa(4-83)(4-84)，合格。4.3.6拉脱力校核许用拉脱力：MPa(4-85)轴向应力取MPa，焊脚高度mm，则换热管与管板连接拉脱力：(4-86)结论：在三种工况下，应力校核均合格，因此，取固定端管板厚度为mm，管板外径为664mm，内圆直径597mm，结构开槽深度4mm。4.4浮动管板强度计算浮动管板与小端壳体间隙取为5mm。管板外径为mm，螺栓布圆直径为mm，浮头法兰内径mm。管板材料为16MnⅡ级锻件，在设计温度下许用应力为MPa。垫片参照JB/T4706-2000选用G-450-2.5，m=3.75，比压力y=62MPa。尺寸为垫片外径mm，垫片内径mm。垫片基本密封宽度：(4-87)有效密封宽度：mm(4-88)垫片压紧力作用中心圆直径：mm(4-89)垫片压紧力力臂：mm(4-90)垫片预紧力力臂：mm(4-91)中间力臂：mm(4-92)螺栓选用40Cr，常温下许用应力MPa，150℃下许用应力MPa。操作状态螺栓载荷：(由于管程压力较大，以管程压力计算，下同)(4-93)N预紧状态螺栓载荷：N(4-94)操作状态螺栓面积：(4-95)预紧状态螺栓面积：(4-96)取螺栓面积为大者：(4-97)与浮头法兰配对的M20螺栓共36根，间距为47mm，大于最小间距。实际螺栓面积：mm2(4-98)预紧状态螺栓设计载荷：N(4-99)操作状态螺栓设计载荷：N(4-100)操作压力法兰力矩：N(4-101)N(4-102)N(4-103)(4-104)=27171620.42N·mm预紧法兰力矩：N·mm(4-105)由螺栓载荷引起的当量压力：MPa(4-106)MPa(4-107)其中：F是与连接方式有关的系数，这里取1。管板有效设计压力是的最大者。经计算是最大的。得=4.63MPa。管板厚度计算：换热管为三角排列：(4-108)mm(4-109)(4-110)(4-111)因为，剪切力不是控制因数，可以不用剪切力设计壁厚。因此，浮动管板名义厚取mm，取凸面高6mm，管板凸面外径为503mm，垫片选用G-450-2.5JB/T4706-2000，垫片外径504mm，内径472mm，垫片厚3mm，螺栓取M20×160-BGB/T4707-2000螺栓36个。4.5浮头盖强度计算4.5.1球冠形封头壁厚计算球冠形封头材料取Q345R，设计温度下，材料许用应力为，许用应力MPa。查GB151-1999表46得到壳体内直径为600mm时取封头球面半径mm，分别在管程压力和壳程压力作用下进行内压和外压的设计计算。只在管程压力作用下，按内压公式计算：由，，查GB150-2011图5-5，，则封头计算厚度为：mm(4-112)腐蚀裕量mm，钢板负偏差mm，则名义厚度取mm。只在壳程压力作用下，按外压公式计算。取封头的有效厚度：mm(4-113)(4-114)查GB150-1998图4-2，得MPa。许用外压力：MPa>0.5MPa，满足要求。因此，封头厚度取12mm。4.5.2浮头法兰强度计算本设计浮头法兰外径为mm，螺栓布圆直径为mm，内径为mm，法兰形式为凹面法兰，凹面深6mm。法兰材料取16MnⅡ级锻件，在设计温度下，许用应力为MPa。设计使用M20螺栓36根，材料40Cr。常温下许用应力MPa，100℃下许用应力MPa。法兰厚度计算仍按管程压力计算，设法兰厚度mm，封头焊入法兰深度mm，其中法兰力在之前已经计算按过：预紧状态螺栓设计载荷：N(4-115)操作状态螺栓设计载荷：N(4-116)封头边缘处球壳中面切线与法兰环直径的夹角：(4-117)操作压力法兰力矩：N(4-118)N(4-119)N(4-120)N(4-121)mm(4-122)(4-123)预紧法兰力矩：N·mm(4-124)计算系数：(4-125)(4-126)(4-127)操作工况下厚度：mm(4-128)预紧工况下厚度：mm(4-129)法兰厚度取和之大者，且不小于球冠形封头名义厚度的两倍，因此取mm。4.6筒体应力校核4.6.1载荷分析支座支反力支座总支撑重量G：N(4-130)支座支反力：N(4-131)(4-132)均布载荷容器受重力作用时，双鞍座卧式容器近似看成支承在两个铰支点上手均布载荷的外伸简支梁。容器本身的重量和容器内物料的重量可假设为沿容器长度的均布载荷，本计算考虑到封头管箱与大端筒体直径不同，分别计算均布载荷：管箱侧物料和管箱自重共4000N，对椭圆形封头根据容积相等的原则，折算为直径等于管箱直径，长度为2/3封头深度的圆筒，则重量载荷作用的长度共598mm，均布载荷：N/mm(4-133)斜锥壳当做等长度的直径1000mm圆筒考虑，大端封头根据容积相等的原则，折算为直径等于筒体直径，长度为2/3封头深度的圆筒，则重量载荷作用的长度为5160.7mm，筒体侧容器自重和容器内物料重量共46033.4N，则均布载荷：N/mm(4-134)竖直剪力和力偶按照力线平移法则，将管箱侧容器自重以及物料对梁端点的作用用一个横向剪力V1和一个附加力偶M1代替，计算得到N(4-135)N·mm(4-136)固定端管板对梁端点的作用用一个横向剪力V2和一个附加力偶M2代替，计算得到：N(4-137)N·mm(4-138)另外，由于管箱封头内充满液体，液体静压力对封头作用一个水平向外推力，因此液柱静压对梁的端部形成一个力偶N·mm。因此简支梁左端点左侧的受力可合成为一个横向V3和一个附加力偶M3，N(4-139)N·mm(4-140)简支梁右端点右侧受大端封头及封头内物料的作用，用一个横向剪力V4和一个附加力偶M4代替，计算得到：N(4-141)N·mm(4-142)也考虑液柱静压对梁的端部形成的力偶N·mm。因此简支梁右端点右侧的受力可合成为一个横向V5和一个附加力偶M5，N(4-143)N·mm(4-144)受载分析如图4-1：图4-1再沸器受载分析图内力分析筒体在固定支座截面处的弯矩为：(4-145)N·mm负值表示筒体在此截面上上半部受拉伸，下半部受压缩。筒体在滑动支座截面处的弯矩为：(4-146)N·mm负值表示筒体在此截面上上半部受拉伸，下半部受压缩。经计算筒体在距简支梁左端点mm处剪力为0,则此处是跨中截面弯矩极值点，弯矩为：(4-147)N·mm负值表示上半部筒体受拉伸，下半部筒体受压缩。4.6.2应力校核筒体轴向应力鞍座跨中截面的最大轴向应力抗弯断面模数为：(4-148)筒体的应力由两部分引起，一为操作压力引起的轴向拉伸或压缩应力，二为纵向弯矩引起的轴向弯曲应力，因此最大合成应力发生在跨中截面的最高点和最低点，即：截面最高点：MPa(4-149)截面最低点：MPa(4-150)支座截面上筒体的最大轴向应力计算得到两个鞍座中固定鞍座截面上弯矩比滑动鞍座截面弯矩大，因此鞍座截面轴向应力校核用固定鞍座截面弯矩进行计算（下同）。截面上筒体既未设置加强圈又,此时计算截面最高点弯曲应力的抗弯断面系数和计算截面最低点弯曲应力的抗弯断面系数为，式中、分别是因“扁塌效应”而使圆筒整截面抗弯断面系数减少的折扣系数，与鞍座包角大小有关，数值查文献14表3-1。于是鞍座有效截面最高和最低点的轴向合成正应力为：在截面最高点：MPa(4-151)在截面最低点：MPa(4-152)由筒体材料在设计温度下的许用应力为MPa，而，因此轴向应力校核合格。筒体的切向切应力筒体既无加强圈又，未被封头加强，最大切向剪应力在处，切应力为：MPa(4-153)MPa，因此切向切应力校核合格。筒体周向应力理论最大轴向弯矩：MPa(4-154)支座反力在与鞍座接触的筒体上海产生周向压缩力，当筒体未被加强圈或封头加强时，在鞍座边角处的周向压缩力假设为，且由的壳体有效宽度来承受。N(4-155)mm(4-156)鞍座处筒体承受周向弯矩的有效宽度：mm(4-157)于是，鞍座边角处的最大合成周向压缩应力：MPa(4-158)在支座截面筒体最低处，周向压缩力达到最大，MPa(4-159)MPa，MPa，因此筒体周向应力校核合格。4.7压降校核4.7.1介质物性参数管程水蒸汽的定性温度：℃(4-160)127.5℃水蒸汽物性参数：水蒸汽的密度：水蒸汽的比热：水蒸汽的热导率：水蒸汽的动力粘度：水蒸汽的普朗特数：壳程物料的物性参数：105℃乙醇的密度：105℃乙醇的比热：105℃乙醇的热导率：105℃乙醇的动力粘度：105℃乙醇的普朗特数：135℃乙醇的密度：135℃乙醇的比热：135℃乙醇的热导率：135℃乙醇的动力粘度：135℃乙醇的普朗特数：4.7.2管程阻力管箱进口接管流速取m/s;管内流速为：m/s(4-161)换热管内雷诺数：(4-162)相对粗糙度：(4-163)由穆迪图可知摩擦系数则直管部分阻力为：Pa(4-164)局部阻力系数取3，则局部阻力为：Pa(4-165)由于管程为双管程，再沸器为浮头式，取结垢系数修正，则管程阻力为：Pa(4-166)一般换热器允许压降为，则该再沸器管程流动阻力在允许压降内。4.7.3壳程阻力再沸器的壳程阻力计算主要是为了计算再沸器的安装高度Hx，设计利用下述方法进行计算，其中：①入口管压降：入口管流速取：m/s入口管质量流速：kg/(m2·s)(4-167)入口雷诺数：(4-168)式中：D2——物料入口接管内径；入口管摩擦系数：(4-169)入口管压降：m液柱(4-170)式中：L11——入口管线当量长度；②出口管压降：出口管流速取：m/s出口雷诺数：(4-171)出口管摩擦系数：(4-172)出口管压降：(4-173)m液柱式中：L21——出口管线当量长度；③再沸器内流体静压：m液柱(4-174)式中：D——大端筒体内径；④出口管线流体静压：m液柱(4-175)式中：H1——塔体内釜液高度，取H1=0m；H2——塔釜液面到塔进口管距离，取H2=3m。⑤壳程摩擦压降壳程流通面积为：m2(4-176)式中：B——折流板间距，m；Ds——壳体小端直径，m；壳程当量直径为：m(4-177)壳程雷诺数为：(4-178)壳程摩擦系数为：(4-179)壳程质量流量：(4-180)壳程质量流速为：kg/(m2·s)(4-181)m液柱(4-182)式中：NB——折流板板数；⑥计算安装高度(4-183)由平衡关系可知：(4-184)取一定裕量，取=1.5m。壳程阻力m液柱=16411.6Pa<105Pa，在允许压降内。5制造、压力试验与安装技术要求5.1制造技术要求5.1.1管箱、壳体管箱、筒体用板材卷制时，圆筒内直径允许偏差可通过外圆周长加以控制，其外圆周长允许上偏差为10mm；下偏差为零。管箱圆筒内径为600mm，同一断面上，最大直径与最小直径之差为3mm,大端筒体内径1000mm，同一断面上，最大直径与最小直径之差为5mm。圆筒直线度允许偏差为4mm，直线度检查，应通过中心线的水平和垂直面，即沿圆周四个部位测量。壳体内壁凡有碍管束顺利装入或抽出的焊缝均应磨至与母材表面齐平。在壳体上设置接管或其他附件而导致壳体变形较大，影响管束顺利安装时，应采取防止变形措施。5.1.2换热管换热管长度允许偏差+2mm，抽查换热管管端倾斜偏差应小于1mm，换热管下料尺寸允许偏差为+12.5%。碳素钢换热管管端应除锈，管端清理程度不小于管外径，且不小于25mm。5.1.3管板管板使用16Mn材料锻造而成。锻造使用的钢锭、钢坯应有熔炼单位的质量证明书。采用钢锭或钢坯锻造时，锻件主界面部分的锻造比不得小于3。采用轧材锻造时，锻件主截面部分的锻造比不得小于1.6。再沸器的管板与折流板装夹在一起配钻，并在外圆上用红色或蓝色油漆涂涂竖线，以明确表示配钻方位，禁止在管孔内涂油来表示配钻方位。管板钻孔时不得用机油冷却，而应用皂液冷却；待管板加工完毕后要用面纱擦净孔内油污、水迹，防止锈蚀。钻孔（出钻）一侧管板表面，其相邻两管孔之间的孔桥宽度B=5.80mm，终钻后应抽查不小于60°管板中心角区域内的孔桥宽度，B值得合格率应不小于96%，值的数量应控制在4%以内，超过上述合格率时，则应全管板检查。管板螺栓孔中心圆直径和相邻两螺栓孔的弦距允差为±0.6mm，任意两螺孔极限允差为±1.5mm；螺孔孔径允差为mm，钻孔后应抽查不小于60°管板中心角区域内的管孔，在这一区域内允许有4%的管孔上偏差比表16-21中的数值大0.15mm。换热管与管板焊接连接时，管孔表面粗糙度Ra值不大于25μm。连接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不应留有影响焊接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等。焊接连接时，焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除。焊缝缺陷的返修，应清除缺陷后焊补。换热管与管板的强度焊焊接接头，施焊前应按照GB151附录B作焊接工艺评定。5.1.4折流板折流板管孔直径为25.4mm，允许偏差mm，折流板孔两端要倒角，减少管子的磨损；折流板外圆表面粗糙度Ra值不大于25μm，外圆两侧的尖角应倒钝；应去除管板与折流板上任何的毛刺。5.1.5封头用以制造封头钢板应有材质证明，并符合相应标准的规定。用以制造封头的钢板材质应有不低于容器简体材料的质量等级。封头采用热冲压的方法成形。用带间隙的全尺寸的内样板检查椭圆形封头、球冠形封头内表面的形状偏差，缩进尺寸为；其最大形状偏差外凸不得大于，内凹不得大于。检查时应使样板垂直于待测表面。封头折边部分不得存在纵向皱折。5.1.6法兰法兰面应垂直于接管或圆筒的主轴中心线，接管与法兰的组件与壳体组装应保证法兰面的水平或垂直，其偏差均不得超过法兰外径的1%（法兰外径小于100mm时，按100mm计算），且不大于3mm。法兰螺栓孔应与壳体主轴线或铅垂线跨中布置。5.2压力试验对釜式再沸器进行液压试验，试验液体为水，温度为常温。釜式再沸器压力试验顺序：用试验压环和浮头专用试压工具进行管头试压。对釜式再沸器应配备管头试压专用壳体；管程试压，试验压力为4MPa；壳程试压，试验压力为0.625MPa。试验程序和步骤试验容器内的气体应当排净并充满液体，试验过程中，应保持容器观察表面的干燥；当试验容器器壁与液体温度接近时，方可缓慢升压至设计压力，确认无泄漏后继续升压至规定的试验压力，保压时间一般不少于30min；然后降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查期间压力应保持不变。试验过程中，容器无渗漏，无可见的变形和异常声响即合格，试验合格后立即降水排净吹干。5.3安装技术要求5.3.1管束的组装以固定端管板为基准，按顺序装配拉杆、定距管、折流板，穿管时由内向外进行，穿好一排，调整一排管端，使之伸出外管板的长度为3-4mm。穿管过程切勿用铁锤直接敲击换热管，应上下轻微晃动换热管，同时在换热管端部采用牵引工装，让换热管顺利穿入管孔。组装时应注意以下几点：(1)拉杆上的螺母应拧紧，以免在装入或抽出管束时，因折流板窜动而损伤换热管；(2)穿管时不应强行敲打，换热管表面不应出现凹瘪或划伤；(3)除换热管与管板间以焊接连接外，其他任何零件均不准与换热管相焊。5.3.2再沸器的安装在安装再沸器前应进行严格的基础质量的检查和验收工作，主要工作有：场地和基础，基础标高、平面、形状和主要尺寸以及预留孔是否符合设计要求；地脚螺栓的位置是否正确，螺纹情况是否良好，螺帽和垫圈是否齐全；放置垫铁的基础表面是否平整等。基础验收完毕后，在安装换热器之前应在基础上放置垫铁，安放垫铁处的基础表面必须铲平，使两者能很好接触。地脚螺栓两侧均应有垫板，垫板安装不应妨碍换热器的热膨胀。根据换热器的结构形式，应在换热器的两端留有足够的空间来满足操作、清洗、维修的需要。可抽管束式再沸器应留出足够的空间以便抽出管束，也可在其相对的一端留出足够的空间以便能拆卸壳体。安装时应在不受力的状态下连接管线，避免强力装配。可抽管束再沸器安装前应抽芯检查、清扫，抽管束时，应注意保护密封面和折流板，移动和起吊时，应将管束放置在专用的支承结构上，以避免损伤换热管。换热器安放好后用水平仪对再沸器找平，设备找平后，斜垫铁可与设备支座底板焊牢，但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。

6总结与讨论再沸器是被广泛地用于石油化工装置上的一种管壳式换热器，通过管程的水蒸汽加热壳程介质，在管束上方的蒸发空间变为气相产物。本设计的设计任务是设计一台浮头釜式再沸器，根据已给的原始设计参数，结合釜式再沸器的工作原理和传统管壳式换热器设计方法，完成了釜式再沸器的结构设计和强度计算，并绘制了浮头釜式再沸器的C