立式热虹吸式再沸器设计.wps

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中国石油大学2012届毕业生毕业设计论文题目:

立式热虹吸式再沸器的设计院（部）名称:

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中国石油大学2012届毕业生毕业设计1摘摘要要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。

甲醇釜液再沸器是一种换热器，通常采用热虹吸式换热器，也是一种列管式换热器，在生产企业中占有较重要的地位，它直接影响产品的质量和产量。

本设计主要是对其工艺、结构等的设计，通过选用换热设备的型号和对国标的查找，设计出经济实用的化工设备。

再沸器的结构图使用AutoCAD二维绘图软件绘制，清楚地表达出结构尺寸，便于改进和生产。

主要介绍了再沸器的设计工作以及它在生产过程中处于的地位和作用，它是精馏塔不可或缺的一部分，它提供给精馏塔多次汽化所需的能量，它与冷凝器等都是换热设备。

关键词：

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再沸器汽化AutoCAD列管式换热器甲醇ABSTRACTDistillationisthephysicalseparationunitoperationwhichisachievedbytherepeateddistillationprocessofseveralvaporizationandcondensation,sincethe中国石油大学2012届毕业生毕业设计2volatilityofdifferentmaterialsvaryfromeachother.AndtheenergyrequiredforvaporizationisprovidedbythereboilerThisistheroleofthereboiler.Methylreboilerisaheatexchanger,itisalsoatube-typeheatexchanger.Inthemanufacturerindustryitplaysaveryimportantrole,forithasdirectimpactontheproductqualityandyield.Thisdesignismainlyforitstechnology,structuredesign.Byselectingthemodelandthenationalstandardsoftheheattransferexchanger,wecancomeupwiththeeconomicandpracticaldesignofchemicalequipment.Reboilerstructurediagramisdrawnbythetwo-dimensionaldrawingsoftwaredrawingAutoCAD.Sowecanclearlyexpressthestructuresizeanditisconvenientforusforfurtherimprovementandproduction.Nowwehavecompletedthedesignofthereboileranditsroleintheproductionprocess.Itisanintegralpartofthedistillationcolumn,whichprovidestheenergyneededtovaporizeseveraldistillationcolumns.Alongwithcondenserstheyareboththeheatexchangers.Keywords：

Reboiler；Vaporization；AutoCAD；distillationcolumnheatexchanger；methyl目目录录前言.4第一章再沸器基本参数.61.1、设计任务和设计条件.61.2、再沸器类型的选择.61.3、流程的安排.71.4、再沸器的热流量计算.71.5、流体的有效平均温差.71.6、传热面积的估算.81.7、再沸器基本参数的初步确定.81.7.1换热器型号.81.7.2折流板.91.7.3拉杆.111.7.4防冲板.12第二章再沸器机械强度设计.132.1壳体壁厚计算.13中国石油大学2012届毕业生毕业设计32.2管箱壁厚计算.142.3封头壁厚计算.152.4、管箱结构.162.4.1管箱结构尺寸确定.162.4.2管箱法兰.172.4.3垫片.182.5、固定管板计算.192.6、壳体、管子与管板连接结构设计.232.6.1壳体与管板连接.232.6.2管子与管板连接.232.7、管板与管箱连接.252.8、判断是否需要膨胀节.252.9、开孔补强设计.272.10、接管.292.11、排气、排液.302.12、支座的选择.31第三章结论.34主要参考文献.34致谢.35前前言言1、概述、概述再沸器（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。

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。

2、再沸器发展趋势、再沸器发展趋势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。

中国石油大学2012届毕业生毕业设计4下面是几种常见的再沸器介绍

（1）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。

但由于结构上的原因，壳程不能采用机械方法洗涤，因此不适宜用于高粘度或较脏的加热介质。

同时由于是立式安装，增加了塔的裙座高度，但可以考虑采用耳式支座。

（2）卧式热虹吸再沸器也是利用塔底单相釜液与再沸器中气液混合物的密度差维持循环。

卧式热虹吸再沸器的传热系数和釜液在加热段的停留时间均为中等，维护和清理方便，适用于传热面积大的情况，对塔釜液面高度和流体在各部位的压降要求不高，可适于真空操作，出塔釜液缓冲容积大，故流动稳定。

缺点是占地面积大。

立式及卧式热虹吸再沸器本身没有气、液分离空间和缓冲区，这些均由塔釜提供。

立式再沸器：

工艺物流测在管程，传热系数高，投资低，裙座高度高，汽化率为3%-35%。

卧式再沸器：

工艺物流测在壳程，传热系数中偏高，投资适中，占地面积大，裙座高度低，汽化率为3%-35%。

（3）强制循环式再沸器是依靠泵输入机械功进行流体的循环，适用于高粘度液体及热敏性物料、固体悬浮液以及长显热段和低蒸发比的高阻力系统。

（4）釜式再沸器由一个带有气液分离空间的壳体和一个可抽出的管束组成，管束末端有溢流堰，以保证管束能有效地浸没在液体中。

溢流堰外侧空间作为出料液体的缓冲区。

再沸器内液体的装填系数，对于不易起泡沫的物系为80%，对于易起泡沫的物系则不超过65%。

釜式再沸器的优点是对流体力学参数不敏感，可靠性高，可在高真空下操作，维护与清理方便；缺点是传热系数小，壳体容积大，占地面积大，造价高，塔釜液在加热段停留时间长，易结垢。

（5）内置式再沸器是将再沸器的管束直接置于塔釜内而成，其结构简单，造价比釜式再沸器低；缺点是由于塔釜空间容积有限，传热面积不能太大，传热效果不够理想。

中国石油大学2012届毕业生毕业设计53、研究内容和方法、研究内容和方法根据整体工艺流程图判断再沸器在其中的作用，进而考虑再沸器的结构型式，综合考虑，一般选用立式热虹吸式再沸器，是一种列管式换热器。

根据换热器的设计标准对其进行工艺、机械设计，并画出其详细的结构生产图和零件图。

4、使用软件介绍、使用软件介绍AutoCAD是美国Autodesk公司推出的，集二维绘图、三维设计、渲染及关联数据库管理和互联网通信功能为一体的计算机辅助设计与绘图软件，AutoCAD提供了一系列的二维图形绘制命令，可以方便地用各种方式绘制二维基本图形对象，如：

点、直线、圆、椭圆等等，并可对指定的封闭区域以图案填充，还提供了很强的图形编辑和修改功能，如：

移动、旋转、缩放、延长等等，可以灵活方便地对选定的图形对象进行编辑和修改。

为了绘图的方便、规范和准确，AutoCAD提供了多种绘图辅助工具，包括绘图区光标点的坐标显示、用户坐标系、栅格、捕捉等功能，AutoCAD在机械、建筑和电子等工程设计领域得到了广泛的应用，目前已成为微机CAD系统中应用最广泛和普及的图形软件。

第一章第一章再沸器基本参数再沸器基本参数1.1、设计任务和设计条件、设计任务和设计条件设计任务和设计条件如表1-1表1-1设计任务和设计条件指标序号名称壳程管程1设计压力MPa0.90.32工作压力MPa0.70.113设计温度1501601204工作温度1201301035焊接接头系数0.850.85中国石油大学2012届毕业生毕业设计66进口管直径mm3574897出口管直径mm33851591.2、再沸器类型的选择、再沸器类型的选择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，运转安全方便可靠，同时也应考虑其占地面积和安装空间高度合适。

立式热虹吸再沸器是利用塔底釜液与换热器传热管内汽液混合物的密度形成循环推动力，使得釜液在精馏塔与再沸器之间流动循环，这种再沸器具有传染系数高、结构紧凑、安装方便，釜液加热段停留时间短，不易结垢，调节方便，占地面积少，设备及运行费用低等优点，一般情况下，在满足工艺要求前提下，应首先考虑选用立式热虹吸再沸器，本设计采用立式热虹吸再沸器。

该再沸器由于用于甲醇的蒸汽再沸，工艺设计时考虑到甲醇具有较高的清洁度，不易在管道内产生污垢以及温差不大，甲醇的腐蚀性较小，考虑到甲醇产品的纯度要求较高，为此再沸器的管子和壳体均采用不锈钢制造。

1.3、流程的安排、流程的安排该再沸器由于用于甲醇的蒸汽再沸，工艺设计时考虑到甲醇具有较高的清洁度，不易在管道内产生污垢，具有饱和蒸汽冷凝的再沸器应使饱和蒸汽走壳程，便于排出冷凝液，因此考虑甲醇走管程，水蒸气走壳程。

1.4、再沸器的热流量计算、再沸器的热流量计算查设计常用标准得水蒸气在管道中常用速度范围为2040m/s,本设计取30m/s，则进口流量smsmuAqv/069.0/）05.0（435332（1-1）又查水蒸气在160c时密度为3.2523/mkg中国石油大学2012届毕业生毕业设计7则壳程冷凝量skgskgqqvm/22.0/252.306.0（1-2）查化工原理壳程在cc1552160150时潜热kgkJ/20980则热流量wwqm501062.41000209822.0（1-3）1.5、流体的有效平均温差、流体的有效平均温差因采用逆流换热，则kktttttm76.34120150120160ln）120150（）120160（ln2121（1-4）1.6、传热面积的估算、传热面积的估算根据物料性质选取）/（7002kmwk则传热面积22599.1876.347001062.4mmtkAmp（1-5）圆整取219mAp1.7、再沸器基本参数的初步确定、再沸器基本参数的初步确定1.7.1换热器型号换热器型号管径：

选用较小的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量小，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体，由于甲醇腐蚀性小，是清洁流体，故可选用2250d的不锈钢。

管心距：

由于管程介质干净，管外无需清洗，取管心距中国石油大学2012届毕业生毕业设计8mmmmdt35254.14.10（1-6）管长：

按单管程计算，取管长mmmL20002则传热管管数1212025.014.319dLAnp（1-7）管子采用正三角形排列，则1）1（3aan（1-8）求得6a，则正六边形对角线上传热管数目1316212ab（1-9）则单程换热器壳体内径mmdbtDi49525311335）32（）1（0）（（1-10）查标准取mmDi5001.7.2折流板折流板1.7.2.1选择弓形折流板设置折流板的目的是为了提高壳程流体的流速，增加湍动程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。

弓形折流板结构简单，性能优良，一般标准换热器中只采用这种形式，弓形折流板切去的圆缺高度一般是壳体内径的10%40%，常用值为20%25%，经验证明，20%的切口最为适宜，在相同的压力降下，能提供最好的传热性能。

折流板间距B的选取最好使壳体直径处的管间流动面积与折流板切口处的有效流动面积近似相等，这样可以减少介质在通过缺口前后由于流通面积的扩大与收缩而引起的压力损失。

对于20%的切口，符合此要求的折流板间距B为壳体直径iD的三分之一，一般情况下可使折流板间距不大于iD或小于iD/5.折流板高度h初步确定mmmmDhi1005002.02.0（1-11）中国石油大学2012届毕业生毕业设计9由排管分布图知，应将尺寸调整到被切除管孔保留到小于1/2孔位，取mmh112折流板间距B初步确定mmmmDBi16735003（1-12）圆整取B=200mm1.7.2.2折流板厚度折流板厚度与壳体直径、换热管无支撑长度有关，厚度选取4mm，如表1-2表1-2折流板厚度/mm换热管无支撑长度300300,600600,900壳体公称直径厚度159325454007004561.7.2.3折流板与壳体间隙折流板与壳体的间隙依据制造安装条件，在保证顺利的装入前提下，越小越好，以减少壳程中旁路损失，排列方式采用水平切口。

查表4-2（化工单元过程及设备课程设计）取折流板外径允许偏差-0.5mm，如表1-3表1-3折流板外直径/mm公称直径DN400,500,900,1300折流板名义外直径DN2.5DN3.5DN4.5DN6折流板外径允许偏差-0.5-0.81.7.2.4折流板的管孔折流板上管孔中心距等于管心距，公差为相邻两孔0.3mm，任意两孔折1.00mm，折流板上管孔加工后两端必须倒角0.545流板的管孔直径有表4-5查得允许偏差为+0.4mm表1-4换热器折流板管孔尺寸及允许偏差/mm中国石油大学2012届毕业生毕业设计10换热管外径d10141925折流板管孔直径10.514.619.625.8管孔直径允许偏差+0.40折流板结构形式如图1图1折流板结构形式1.7.3拉杆拉杆本设计采用拉杆定距结构，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，每根拉杆最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热管后，各折流板处于相对自由状态。

拉杆直径由表4-7查得取16mm拉杆数量由表4-8查得取4mm因为折流板间距B=200mm所以拉杆长度选取3根mmL1860402092001（1-13）1根mmL1660402082002（1-14）拉杆结构形式如图2中国石油大学2012届毕业生毕业设计11图2拉杆结构形式1.7.4防冲板防冲板为了防止壳程物料进口处流体对换热管表面的直接冲刷，引起腐蚀及振动，应在流体入口处装置防冲板，以保护换热管。

防冲板在壳体内的位置，应使防冲板周边与壳体内壁形成的流通面积为壳程进口接管截面积的11.25倍。

也就是接管与壳体内表面形成的马鞍形和防冲板平面间形成圆柱形侧面积，实际上接管管径确定后，就是一个防冲板与壳体内壁的高度H的确定，一般规定H=（1/41/3）接管外径，则mmmmdH5.12504140（1-15）圆整取H=20mm防冲板为不锈钢时最小厚度取4mm防冲板结构形式如图3中国石油大学2012届毕业生毕业设计12图3换热器防冲板结构形式第二章第二章再沸器机械强度设计再沸器机械强度设计2.1壳体壁厚计算壳体壁厚计算根据工艺条件，壳程设计压力为MPaP9.0，焊接采用双面对接焊局部无损探伤，焊接接头系数85.0，材料用Q235-B，MPat113，取钢板厚度负偏差mmc8.01，腐蚀余量mmc22，则mmccc8.28.0221（2-1）则壁厚mmcPDPCticn15.58.235.28.29.085.011325009.02（2-2）考虑到换热器立体摆放，壳体上需要安装支座，为此适当增加筒体壁厚，且对合金钢最小壁厚要求，取筒体名义厚度为mmn8，水压试验压力为中国石油大学2012届毕业生毕业设计13MPaMPapptcT125.19.025.125.1（2-3）则MPaMPaDpeeiTT65.54）8.28

（2）8.28500（125.12）（2-4）所用Q235-B材料在常温是MPas235，则MPaMPas775.17985.02359.09.0（2-5）因ST9.0故水压强度满足要求气压试验MPaMPapptT035.119.015.115.1（2-6）MPaMPaDpeeiTT3.50）8.28

（2）8.28500（035.12）（2-7）MPaMPaST8.15985.02358.08.0因故气压试验满足要求2.2管箱壁厚计算管箱壁厚计算再沸器管箱选用材料Q235-B，该材料在设计温度下MPat113，焊接采用双面对接焊局部无损探伤，焊接接头系数85.0，设计压力MPapc3.0，钢板厚度负偏差mmc8.01，腐蚀余量mmc22，则mmccc8.28.0221（2-8）管箱名义厚度为中国石油大学2012届毕业生毕业设计14mmpDpcticn6.38.23.085.011325003.02（2-9）圆整取mmn6水压试验压力MPaMPapptcT375.013.025.125.1（2-10）则MPaMPaDpeeiTT48.29）8.26

（2）8.26500（375.02）（2-11）所用材料Q235-B在常温时MPas235，则MPaMPas775.17985.02359.09.0（2-12）因sT9.0，故水压试验满足要求气压试验MPaMPapptT345.013.015.115.1（2-13）则MPaMPaDpeeiTT1.27）8.26

（2）8.26500（345.02）（2-14）因MPasT8.15985.02358.08.0，故水压试验满足要求2.3封头壁厚计算封头壁厚计算封头采用标准椭圆形封头，材料采用Q235-B，则中国石油大学2012届毕业生毕业设计15mmcpDpcticn58.38.23.05.085.011325003.05.02（2-15）由于管箱壁厚取6mm故封头厚度圆整取6mm在此情况了压力试验一般都满足要求标准椭圆形封头结构形式如图4图4标准椭圆形封头结构2.4、管箱结构、管箱结构2.4.1管箱结构尺寸确定管箱结构尺寸确定管箱的作用是把由管道来的管程流体均匀分布到各传热管和把管内流体汇集在一起送出，本设计采用单程换热器，其结构如图5图5管箱结构形式中国石油大学2012届毕业生毕业设计16管箱所要确定的尺寸主要是由排管图确定的分程隔板位置尺寸，由壳程直径决定的管箱直径以及管箱长度尺寸，管箱长度尺寸的确定是以保证流体分布均匀、流速合理以及强度因素来限定最小长度，而已制造安装方便来限制最大长度的。

还要求管箱上各相邻焊缝之间距离大于或等于4s，且应大于或等于50mm，s为管箱壁厚，单程管箱采用轴向接管时，接管中心线上的管箱长度应大于或等于接管内径的1/3.即mmmmLg503150min（2-16）综合考虑管箱应有足够空间来均匀输送流体，由标准椭圆形封头曲面高度mmh1251，直边高度为25mm，质量为14.57kg取mmLg400，则管箱筒节长为250mm2.4.2.4.2管箱法兰管箱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。

法兰封面形式：

平面、凸凹面和榫槽面。

法兰的结构形式和密封面形式，应根据使用介质、设计压力、设计温度、公称直径等因素来决定。

设备法兰标准有：

JB/T4701甲型平焊法兰JB/T4702乙型平焊法兰JB/T4703长颈对焊法兰甲型平焊法兰选用的压力范围为0.251.6MPa,乙型平焊法兰选用的压力范围为0.254MPa，长颈对焊法兰选用的压力范围为0.66.4MPa。

法兰尺寸如表1-5表1-5甲型平焊法兰系列尺寸/mm法兰螺柱公称直径DND1D2D3D4Dd规格数量5006305905555455423523M2020中国石油大学2012届毕业生毕业设计17根据设计条件，管箱法兰选取甲型平焊法兰，如图6图6管箱法兰结构2.4.3垫片垫片设备垫片标准主要有：

JB/T4704非金属软垫片JB/T4705缠绕垫片JB/T4706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。

中国石油大学2012届毕业生毕业设计18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，高真空或深冷温度下以采用金属垫片为宜。

根据条件要求，再沸器属于低压容器，根据工作压力0.3MPa，工作温度130co，所以采用密封垫圈宽20mm的石棉橡胶垫片（平形），厚度为3mm。

2.5、固定管板计算、固定管板计算管板比起圆平板其受力复杂得多，且这些力往往难以估计，本设计采用BS法计算管板强度，BS法是把管板当作承受均布载荷且放置在弹性基础上的圆板，计入孔削弱的影响，计算最大弯曲应力，管板孔直径和允差如下表1-6表1-6换热管和管板孔直径允许偏差/mm外径10141925级0.150.20换热管允许偏差级0.200.40级10.2014.2519.2525.25管孔直径级10.3014.4019.4025.40级+0.15管板允许偏差级+0.15+0.20又要求知，本设计压力属低压，故选用级管板采用Q235-B，换热管采用20号碳素钢假设管板厚度取b=35mm总换热换管数量n=121一根管壁金属的横截面积为2222212044.