过程装备与控制工程脱乙烷塔再沸器设计

本科毕业设计 (论文)

脱乙烷塔再沸器设计

Disign of Reboiler to Deethanizer Tower

学院：机械工程学院

专业班级：过程装备与控制工程装备092 学生姓名：学号：

指导教师：（讲师）

2013 年 6 月

毕业设计（论文）中文摘要

毕业设计（论文）外文摘要

Disign of Deethanizer Reboiler

Abstract: According to the design conditions for using U tube type heat exchanger, this heat exchanger structure, firm structure, high reliability, wide applicability, easy to manufacture, large processing capacity, low production cost, wide range of materials, heat transfer surface cleaning is more convenient to withstand higher pressure and temperature. This cheat this paper mainly introduces the reboiler of the design process of mechanical design. Mainly includes the determination of heat exchanger, heat exchange tube shell, head, pipe, flange, takeover, tube plate, support plate and baffle plate, and other parts of structure size and material, and has carried on the intensity of pressure parts for heat exchanger respectively.

Keywords: Reboiler；Machine design；Strength check

目录

1 绪论 (1)

1.1 换热器概述 (1)

1.2 换热器目前的研究和发展动向 (1)

2 换热器的结构设计和强度计算 (2)

2.1 已知条件 (2)

2.2 换热管 (3)

2.3 换热器筒体封头与管箱 (4)

2.4 接管的选择 (8)

2.5 法兰的选用 (8)

2.6 垫片的选择 (10)

2.7 管板 (10)

2.8 折流板和支承板设计 (14)

2.9 拉杆的形式 (16)

2.10 防冲挡板 (17)

2.11滑道 (17)

2.12分程隔板 (17)

2.13中间挡板 (17)

2.14 开孔补强 (18)

2.15支座选取 (27)

结论 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

1 绪论

1.1换热器概述

换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较高的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺工程规定的指标。换热器按照传热原理或传热方式可以分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器、中间载热体式换热器。其中间壁式换热器最为常用。在间壁式当中管壳式换热器最为常用。管壳式换热器又分为固定管板式换热器、浮头式换热器、U型管式换热器，填料函式换热器、釜式重沸器。本设计的重沸器是U型管式换热器。1.2目前换热器的研究和发展动向

换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。

通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。

换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位100002m，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50％以下。

各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管换热器、

高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道

换热器、流化床换热器、新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。

材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着

稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo 钢材料将实

现不预热和后热的方向发展。

国内污垢数据基本上是20世纪60～70年代从国外照搬而来。四十年来，污

垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重

视和投入。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗、长周

期运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本

的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得到发展，电化学防腐技术成为主导。

2 换热器的结构设计和强度计算

2.1已知条件

表1 设计参数

名称 管程 壳程

物料名称 热水 脱乙烷塔底油

工作压力（MPa ） 0.5 2.785

工作温度 （C ） 75~100 68

换热面积（2

m ） 395

表2 管口表

符号 工称尺寸 公称压力 连接面型式 通途名称

1T 150 50PN RF 热水入口

2T 200 50PN RF 热水出口 B 1A S 250 50PN RF 脱乙烷塔底油入口 B 2A S 250 50PN RF 脱乙烷塔底油出口

2.2换热管

此种U 形管选用 2.525?Φ的10号钢管，管长选为5m 。

由公式（2-1）

0.1)n -(L o d F π= （2-1）

得

0.1)-(L o d F n π=

1026.910.1-50.025

3.14395=?=）（根 L —管子长度 考虑到需要安排12拉杆及布管方便，取实际管束为1068根。则所需的U

管根数为528根。

查参考文献[1]得换热管布管要求：

1.尽可能使各管程换热管数大致相等；

2.分程隔板槽型形状简单，密封面长度较短。

根据要求管程数为8，流动方向如图1；前端管箱隔板（介质入口侧）如图2；

后端隔板结构如图3。

图1 流动方向 图2 前端管箱隔板 图3 后端隔板结构

换热管在管板上的排列有正三角形排列（如图4a ）、转角正三角形排列（如

图4b ）、正方形排列（如图4c ）、转角正方形排列（如图4d ）四种排列方式。各

种排列方式都有其各自的特点，正三角形排列形式可以在同样的管板面积上排列

最多的管数，但管外不易清洗，为了便于清洗可以采用正方形或转角正方形排列。为了便于管子的清洗选用正方形排列。

查考文献[1]得换热管中心距不小于1.25倍的换热管外径。

中心距：

mm d S 25.312525.125.1=?== （2-2）

取S 为32mm 。

a 正三角形排列

b 转角正三角形排列

c 正方形排列

d 转角正方形排列

图4 换热管排列方式

查表3

表3 换热管中心距

换热管外径d 10 12 14 16 19 20 22 25 30 32 35 38 45 50 55 57

换热管中心距s 13 16 19 22 25 26 28 32 38 40 44 48 57 64 70 72

分成隔板槽两侧相

邻管中心距n S 28 30 32 35 38 40 42 44 50 52 56 60 68 76 78 80

取分程隔板槽两侧相邻管中心距 mm S n 44=。

U 型管换热器的最小弯曲半径大于o d 2既最小弯曲半径大于50mm.取最内层

的弯曲半径为50mm 。

2.3换热器筒体、封头与管箱

由公式计算

b 21)-(n

c '+=S D i （2-3）

S —为换热管间距，由上面可知mm S 32=。

c n —位于管束中心线上的管数。

管子按正方形排布时，查考文献[2]

3989.38108619.119.1≈===n n c （2-4）

b '—为最外层管子的中心到壳壁边缘距离。

mm d b o 502522=?==' （2-5）

1316m m 5021)-(3932b 21)-(n c =?+?='+=S D i

取筒体内径mm D i 1400=。

由于所设计的换热器属于常规容器，并且在工厂中多采用低碳低合金钢制

造，故在此综合成本、使用条件等的考虑，选择Q345R 为壳体与管箱的材料。

Q345R 是低碳低合金钢，具有优良的综合力学性能和制造工艺性能，其强度、

韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能均优于相同含碳量的碳素钢，同时采用低合金

钢可以减少容器的厚度，减轻重量，节约钢材。

查参考文献[1]得设计压力为工作压力的 1.05~1.1倍。工作压力为

2.785MPa ，取设计压力为工作压力的1.1倍。则设计压力为

3.0635MPa ，根据

工艺要求取壳程的和管程设计压力均为MPa p 6.3=。因为最高工作温度为100C

0取设计温度为130C 0。焊接采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数

0.85=φ。

查参考文献[2]设计温度为130C 0时Q345R 的[]MPa t

163=σ。取钢板的厚度负偏差mm C 8.01=，腐蚀余量mm C 32=。

mm C C C 8.338.021=+=+= （2-6） 则筒体的壁厚为：

[]mm C P PD t i n 23.228.36

.3-85.0163214006.3-2=+???=+=

φσδ （2-7） 取n δ为24mm 。

则有效厚度为：

mm C C n e 2.208.0-3-24--21===δδ

由标准椭圆封头计算，与筒体相连的封头承受的内压为3.6MPa ：

[]mm C P

PD t i d 11.226.35.0-85.0163214006.35.0-2=????=+=φσδ （2-8） 取封头厚度为24mm 。

有效厚度：

mm C C 2.203-8.0-24--21===δδ

标准椭圆封头如图5所示

图5 标准椭圆封头

表4 椭圆封头参数

公称直径 曲边高度 直边高度 壁厚 内表面积 容积 质量

(mm)i D (m m )1h (mm)2h (mm)S )(m 2F )(m 3V (kg)G

1400 350 25 24 2.33 0.436 458

根据JB1154-73标准取上下封头均为Dg1400?24,参数如图表4，材料选用与

筒体相同的材料Q345R 。

换热器的管箱选用材料为Q345R ，该材料在设计温度下的[]MPa t

163=σ，焊接采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数0.85=φ，设计压力

MPa P c 6.3=，钢板厚度负偏差mm C 8.01=，腐蚀余量mm C 32=，则

mm C C C 8.338.021=+=+=。

管板名义厚度：

[]mm C P D P c

t i c n 23.228.36.3-85.0163214006.3-2=+???=+=φσδ 圆整后取mm n 24=δ。

有效厚度：

mm C C 2.203-8.0-24--21===δδ

2.3.4 管箱封头的计算

由标准椭圆封头计算，与管箱相连的封头承受的内压为3.6MPa ：

[]mm C P

PD t i d 11.226.35.0-85.0163214006.35.0-2=????=+=φσδ 取封头厚度为24mm 。

有效厚度：

mm C C 2.203-8.0-24--21===δδ

表5 椭圆封头参数

公称直径 曲边高度 直边高度 壁厚 内表面积 容积 质量

(mm)i D (m m )1h (mm)2h (mm)S )(m 2F )(m 3V (kg)G

1400 350 25 24 2.33 0.436 458

根据参考文献[8]，取上下封头均为Dg1400?24,参数如图表4，材料选用与

筒体相同的材料Q345R 。

查参考文献[1]得水压试验压力：

[][]

MPa P P t t 5.41631636.325.125.1=??==σσ （2-9） 取水压试验压力为MPa 5。

其中：

P —设计压力（MPa ）；

[]σ—换热器原件在试验温度下的许用应力(MPa )；

[]t

σ—换热器元件在设计温度下的许用应力(MPa )。 试验温度为常温[]MPa 163=σ

设计温度为[]MPa 163t =σ

材料的屈服极限MPa s 345=σ

圆筒与管箱的水压试验应力

MPa P T T 77.17520.2

220.2)(140052)(D e e i 1=?+?=?+=δδσ （2-10） 椭圆封头水压试验应力

MPa P T T 174.5220.2

220.2)0.5(140052)0.5(D e e i 2=??+?=+=δδσ （2-11） 查参考文献[1]可知

MPa T 77.175=σ

所以壁厚满足要求，水压试验安全。

2.4接管的选择

根据管口表所给参数选取相应的接管，热水入口和热水出口的公称直径

DN150,查参考文献[3]选取接管为尺寸为14159?φ的20号钢钢管，长度

mm l 196=。脱乙烷底油入口公称直径DN200,查参考文献[3]选取接管尺寸为

14219?φ的20号钢钢管，长度mm l 121=。脱乙烷底油出口公称直径DN250,查

取参考文献[3]选取接管尺寸为16273?φ的20号钢钢管。排气液口公称直径为

DN40,选取接管尺寸为1045?φ的20号钢钢管。

2.5法兰的选用

查参考文献[4]表1可得，公称直径为1400mm ，设计压力3.6MPa 。选用

长径对焊法兰如图6.

查参考文献[4]表1，得到法兰的相关参数如表6所示。

表6 法兰参数表

公称直径 法 兰 尺 寸 mm DN mm D 1D 2D 3D 4D δ H h a 1a 1δ 2δ R d

1400 1650 1580 1529 1509 1506 130 230 64 26 23 26 42 18 39

图 6 容器法兰

根据所选的接管选择相应的法兰，查参考文献[3]选择法兰。热水入口和热水出口的接管为14

159?mm法兰参数如表7所示。

表7接管法兰

公称钢管连接尺寸法兰

直径外直径法兰外径螺栓孔中螺栓孔螺栓孔螺纹法兰法兰法兰

mm mm mm 心圆直径直径数量厚度内径重量

150 159 265 225 18 8 M16 20 165 4.98

φ，查参考文献[3]选择法兰如表8所示。

脱乙烷底油入口选用接管为14

219?

表8接管法兰

公称钢管连接尺寸法兰

直径外直径法兰外径螺栓孔中螺栓孔螺栓孔螺纹法兰法兰法兰

mm mm mm 心圆直径直径数量厚度内径重量 200 219 320 280 18 8 M16 22 226 6.61

φ，查参考文献[3]选择法兰如表9所示。

脱乙烷底油出口选用接管为16

273?

表9 接管法兰

公称 钢管 连接尺寸 法兰 直径 外直径 法兰外径 螺栓孔中 螺栓孔 螺栓孔 螺纹 法兰 法兰 法兰 mm mm mm 心圆直径 直径 数量 厚度 内径 重量 250 273 275 335 18 12 M16 24 281 8.54

2.6垫片选择

设备垫片主要有：非金属软垫片、缠绕垫片和金属包垫片。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或凹凸密封面。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、凹凸密封面及榫槽密封面。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、凹凸密封面及榫槽密封面。

查参考文献[5]选择带内加强圈的垫片垫片接触宽度N=43mm 。

查参考文献[6]得垫片的尺寸参数。

基本密封宽度

mm N b o 5.212

==

（2-13） 因为mm b o 4.6>所以有效密封宽度

mm 73.115.2153.253.2===o b b （2-14） 当mm b o 4.6>时，G D 等于垫片的接触外径将去b 2。

mm b D G 54.148411.732-15082-1508=?== （2-15） 2.7管板

查参考文献[1]所选择的管板为a 型管板，很据相应的计算公式计算管板的尺寸

d A —在布管区域内因设置隔板槽和拉杆结构的需要而未能被换热管支承面积。

由于此换热器是八管程换热器，具有四个隔板槽，其中有两个隔板槽是相同的查得计算公式：

S)-(S n S n A d '= （2-16）

分别计算不同隔板槽。

217296mm 32)-(443219=??=d A

227680)32-44(3220mm A d =??=

2365280)32-100(3230mm A d =??=

232187552652807680729622mm A A A A d d d d =++?=++= （2-17） t A —布管区域面积

2221181184875523253422mm A nS A d t =+??=+=

（2-18） t D —管板布管区当量直径

mm A D t t 66.122614.3/11811844/4=?==π

（2-19） G D —垫片压紧力作用中心圆直径

查参考文献[1]第九章，有前面可知mm D G 54.1484=

查参考文献[1]得

83.054.148466

.12262

22==?==G

t t

t D D R D ρ

（2-20） 其中2G

D R =

20.183.01

1

==t

ρ

查参考文献[1]表22得2783.0=c C 。

在管板受到单方面作用时所受的最大压力为MPa 3.6。

由公式

[]t r

d

c G P

C D σμδ0.82=

（

2-21） 其中G D —垫片压紧力作用中心圆直径；

μ—管板强度消弱系数，取0.4；

[]t

r σ—设计压力下管板材料的许用应力，查的[]MPa t

r 163=σ。

[]mm P C D t

r d c G 150.90163

0.4 3.60.27831484.540.820.82=????==σμδ 考虑到材料的负偏差及腐蚀余量的影响取管板厚度为170mm 。

查参考文献[1]得

t t P a -4d )P --(P 2

t s πσ= （2-22）

t P —管程设计压力；

s P —壳程设计压力；

a —一根换热管金属的横截面积。

2n 176.625mm 2.5)-(252.53.14)-(d =??==δπδn a

只有壳程设计压力s P 时管程压力0=t P []MPa MPa a d P r t s 10810625

.17642514.36.3-4-22t =<=???==σπσ 只有管程设计压力t P 时壳程压力0=s P []MPa MPa P a d P r t t s t 1084.66.3-625.17642514.36.3-422

=<=???==σπσ 当管程和壳程同时存在压力时

[]MPa MPa P d r t t t 1086.36.3-625.1764253.143.6)-(3.6--4a )P -(P -22

t s =<=???==σπσ

[]r t σ—设计温度下换热管的热应力

由上述可知换热管安全

管板与管子的连接（图7）采用胀焊并用查参考文献[7]表26得[][]MPa q r t 755.0==σ。

换热管与管板连接的拉脱力

MPa dl a q t 46.1154

2514.3625.17610=???==πσ （2-23）

[]MPa q MPa q 7546.1=<=

l —换热管胀接长度，mm l 1543-15-172==。

[]q —许用拉脱力。

由前面所得到的尺寸参数，可以确定布管限定圆的直径。查参考文献[1]可以得到相关的参数表10、表11、表12。

32-b D D i L = （2-24） 因为mm mm D i 10001400>=所以4>b 取mm b 5=。

又因为mm mm D i 7001400>=所以13≥n b 取mm b n 13=，取mm b 51=，取mm b 103=，则布管限定圆直径为1380mm 。

表10 布管限定圆

换热器形式 固定管板式、U 形管式 浮头式 布管限定圆直径L D 32-b D i b)b (b 2-21++i D

表11 布管限定圆参数1

i D b

1000< 3>

2600~1000 4>

表12 布管限定圆参数2

i D n b 1b 700≤ 10≥ 3 700> 13≥ 5

图7 管子与管板连接结构

2.8折流板和支持板设计

常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，考虑到此换热器的特殊形式设计特殊的折流板。折流板尺寸如图8。

查表13得折流板和支承板最大无支承跨距为1850mm ，取折流板和支承板的间距为1182mm 。

表13 最大无支承跨距

换热管外直径 mm 10 12 14 16 19 25 32 38 45 47 最大无支承跨距 mm — — 1100 1300 1500 1850 2200 2500 2750 3200

表14 折流板最小厚度

公称直径 换热管无支撑跨距

DN 300≤ 600~300> 900~600> 1200~900> 1500~1200> 1500> 折流板或支持板最小厚度

1500~900≤> 6 8 10 12 16 16

图8折流板图

查表14得的折流板的最小壁厚为12mm 。则取折流板和支承板的厚度为12mm 。

查表15得出支承板管孔直径为25.4mm ，有拉杆通过的管孔为17mm φ。

表15折流板支承板管孔

换热管外径d 或无支撑跨距l 32>d 或900≤l 900>l 且32≤d 管孔直径 7.0+d 4.0+d

允许偏差

00.30+

查表16得出折流板和支承板的直径为1392mm 。

表16折流板和支承板直径

公称直径 400< 500~400< 009~500< 0013~900< 0017~1300< 0020~1700< 0023~2000< 折流板名义外直径 DN-2.5 DN-3.5 DN-4.5 DN-6 DN-8 DN-10 DN-12 折流板外直 0 0 0 0 径允许偏差 -0.5 -0.8 -1.2 -1.4

2.9拉杆的形式

折流板与支持板一般均采用拉杆与定距管等元件与管板固定，其固定形式有如下几种：

1）采用全焊接方式，拉杆一端插入管板并与管板焊接，每块折流板间距固定后与拉杆焊接固定。常用于拉杆与折流板为不锈钢结构或换热管外径≤14mm 的管束。

2）采用拉杆定距管结构，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，每根拉杆上最后一块折流板与拉杆焊接；也有的是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，在穿进换热器后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常用。

3）螺纹与焊接相结合，拉杆一端用螺纹拧入管板，然后将每块折流板焊在拉杆上，同样不需要定距管，适于换热管外径≤14mm 的管束。

4）定距螺栓拉杆，靠一节节定距螺栓将折流板夹持而达定距及固定折流板的目的。定距螺栓分A 、B 两种形式，A 型是与管板连接的定距螺栓，其两端均为螺栓，B 型是两折流板之间采用的，其一端是螺栓，另一端是螺母，该结构安装简单方便，间距正确。

本装置的换热管外径为25mm ，换热器直径为1400mm ，根据上述所说选用拉杆定距管结构。

查表17得到拉杆直径mm d n 16=，表17得出拉杆数量为12根，表18确定拉杆的尺寸，具体尺寸见零件图。

表17 拉杆直径

换热管外经d 1410≤≤d 25d 14<< 5725≤≤d 拉杆直径n d 10 12 16