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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： 2015.10.2
理工大学
Dalian University of Technolog
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和管板零件图1。
目录
摘要.................................................................. I 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 (2)
1.4项目简介 (2)
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 (1)
2.3.1 管板结构尺寸 (1)
2.3.2 换热管与管板连接 (2)
2.3.3 排管及管孔 (3)
2.4折流板 (5)
2.5接管及连接附件 (5)
2.6安全泄放 (7)
2.7耳式支座 (7)
2.8管箱、管箱法兰与封头 (11)
3强度计算 (13)
3.1工艺参数计算结果表 (13)
3.2计算条件 (14)
3.3强度计算 (15)
3.3.1 壳程圆筒计算 (15)
3.3.2 前端管箱筒体计算 (16)
3.3.3 前端管箱封头计算 (17)
3.3.4 后端管箱筒体计算 (19)
3.3.5 后端管箱封头计算 (20)
3.3.6 开孔补强设计计算 (21)
3.3.7 兼作法兰固定式管板计算 (24)
3.3.8 管箱法兰计算 (33)
4结论 (36)
附录A 过程工艺与设备课程设计任务书 (38)
1设计基础
1.1项目背景
本项目来源于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》 /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》 /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 3404-2013
1.3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，2002年。
《化学化工物性数据手册》（有机卷），光启、杰主编，化学工业，2002年。
《化工原理》（下册），理工大学，高等教育，2009年。
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。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，工作压力1.79MPa。加热介质为饱和水蒸气，干净清洁，工作压力0.1MPa。
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）需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管，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φ25×2，长度L=3000mm，数量为245根，管心距32mm，材料选用10g，Ⅰ级管束，外径允许偏差±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。
图 2.1管板结构尺寸
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)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℃，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。
图 2.4排管图
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2-1。
表格 2-1接管数据
接管
编号规格
DN
公称压力
/bar
外径/mm 壁厚/mm 长度/mm
重量
/Kg
用途
a 250 25 273 12 200 15.4
5
管程出料口
b 200 25 219 10 200 10.3
1
管程进料口
c 150 2.5 159 4.5 200 3.8 壳程出料
d 100 2.5 108 4 150 2.05 壳程进料
e 50 25 57 3.5 150 0.92 安全阀接管
f、
g
20 2.5 2 2.5 150 0.21 液位计接管h、
i
20 2.5 25 2.5 150 0.21 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2-2
图 2.8板式平焊法兰结构
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=5.84×106 kJ/h，泄放压力p p=1.9ppp，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p p为：
p p=p
=
5.84×106
265.8
=219.73pp/p
(2)安全阀最小泄放面积A：
A=0.19
p p
pp p
=0.19×
219.73
0.65×1.9
=178pp2
最小接管径为D=√4p
π
=15.1p m，所以选用的φ50的接管满足要求。2.7耳式支座
本换热器由于立式安装，故采用耳式支座，具体结构尺寸见图2.9。
接管法兰螺栓
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
长度
/mm
250 25 425 370 35 20.2 30 12 M27 110 200 25 360 310 32 14.2 26 12 M27 100 150 2.5 265 225 20 5.14 18 8 M16 65 100 2.5 210 170 18 3.41 18 4 M16 60 50 25 165 125 20 2.77 18 4 M16 65 20 2.5 90 65 14 0.6 11 4 M10 45 20 2.5 90 65 14 0.6 11 4 M10 45
图 2.9耳式支座
以下各部分计算容系根据JB/T 4712.3-2007《容器支座第3部分:耳式支座附录A》进行设计计算。
计算数据：
设计压力 P MPa 1.9 示意图：
设计温度 t ℃100
壳体径 Di mm 600
设备总高度 H0 mm 4374
支座底板离地面高度mm 10000
支座底板距设备质心h mm 750
风压高度变化系数 fi 1
设置地区的基本风压 q0 N/m
2
450
地震设防烈度（地震加速
度）
7 地震影响系数 a 0.08 壳体材料Q345R
设计温度下许用应力
[σ]t
MPa 189
圆筒名义厚度δn mm 8
厚度附加量 C mm 0.8
圆筒有效厚度δe mm 4.2
设备总质量 m0 kg 2493.5
偏心载荷 Ge N 0
偏心距 Se mm 0
b2 mm 90
l2 mm 180
s1 mm 40
δ3 mm 6
设备保温厚mm 0
设备外径 DO mm 616
支座数量 n 2
不均匀系数 k 1
所选耳式支座型号
/T4712.3-2007，耳式支座B 2-Ⅰ
1.耳座安装尺寸计算
901.52 mm
2.耳座载荷计算
地震载荷1954.90
4
N
风载荷1454.967 N
水平力P 取PW和Pe+0.25PW的大值，N
Pe+0.25PW = 2318.64584 N
因此 P= 2318.64584 N
耳式支座实际承受载荷16.07605 kN
3.计算支座处圆筒所受的支座弯矩
2.250647684
校核所选耳式支座
耳式支座本体允许载荷
[Q] kN 60
(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
[ML]
74.27 (根据δe和p查表B.1插得到)
判断依据:Q<[Q]且ML<[ML]，所选耳式支座合格
耳式支座最终校核结果合格
附表1 风压高度变化系数fi
距地面高度H
it 地面粗糙度类别A B C
5 1.17 1.00 0.74 10 1.38 1.00 0.74 15 1.52 1.14 0.74 20 1.63 1.25 0.84 30 1.80 1.42 1.00 40 1.92 1.5
6 1.13 50 2.03 1.6
7 1.25 60 2.12 1.77 1.35 70 2.20 1.86 1.45 80 2.27 1.95 1.54 90 2.34 2.02 1.62
2.8管箱、管箱法兰与封头
根据GB151-2014中6.2本立式再沸器选用B型封头管箱结构，封头选用标准椭圆封头其结构尺寸见图2.10；根据《化工单元过程及设备课程设计》第122页管箱结构尺寸要求，管箱圆筒长度取L=200 mm，根据JBT4703-2000管箱法兰选用长颈对焊法兰，结构尺寸见图2.11。
图 2.10标准封头尺寸
图 2.11长颈对焊法兰
3强度计算
3.1工艺参数计算结果表
3.2计算条件
计算容
3.3强度计算
3.3.1壳程圆筒计算