毕业设计-釜式再沸器设计
再沸器设计
传热膜系数
鼓泡流、块状流、环状流（避免雾状流）
A
18
设计思路：一般xe＜25% 控制在第二区：饱和泡核沸腾和两相对流传热
双机理模型：同时考虑两相对流传热机理和饱和泡
适用于4：M 2100
0
0.3
A
6o
de
R0e.55P1r/3
16
(4) 计算显热段总传热系数KL
KL d0
idi
Ri dd0i
1
Rwddm 0 RO10
管外和和管内污垢热阻Ro、Ri-- p74，表3-9或其它资料 管壁热阻Rw=b/λm 金属壁
A
17
６.2蒸发段传热系数KE计算
图１ 管内沸腾传热的流动 流型及其表面传热系数
A
5
内置式再沸器：
▲结构简单。 传热面积小， 传热效果不理想。
A
6
二、 立式热虹吸 式再沸器管内流 体的受热分析
釜内液位与再沸 器上管板平齐
管内分两段： LBC——显热段 LCD——蒸发段
A
7
I ——单相对流传热； II ——两相对流和饱和泡核沸
腾传热； III ——块状流沸腾传热；
IV ——环状流沸腾传热； V ——雾状流沸腾传热。
（2) 计算显热段管内表面传热系数αi
G Wt si
si
4
di2NT
si:管内流通截面积，m2 di:传热管内径，m NT:传热管数
A
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管内Re和Pr数：
Re d iG
b
Pr
再沸器工艺设计
五、传热能力核算 D
设传热管出口处气含率xe （＜25%），计算循环量
Wt
Db xe
Db:釜液蒸发质量流量，kg/s Wt:釜液循环质量流量，kg/s
LCD
1.显热段传热系数计算KL
K
1
d0
idi
Ri
d0 di
Rw
d0 dm
RO
1
0
C
LBC
B
1.显热段传热系数计算KL
再沸器工艺设计
立式热虹吸：
▲循环推动力：釜液 和换热器传热管气液 混合物的密度差。
▲结构紧凑、占地面 积小、传热系数高。
▲壳程不能机械清洗， 不适宜高粘度、或脏 的传热介质。
▲塔釜提供气液分离 空间和缓冲区。
▲立式安装，增加了 裙座高度。
▲固定管板式，热应 力问题
卧式热虹吸：
▲循环推动力：釜 液和换热器传热管 气液混合物的密度 差。
四.设计步骤 • 估算传热面积，进行再沸器的工艺结构设计 • 假设再沸器的出口气含率，核算热流量 • 计算釜液循环过程的推动力和流动阻力，核算出口气含率
估算设备尺寸
1.计算传热速率（不计热损）：物流相变热，kJ/kg,
QR Vb b Vc c
V:相变质量流量，kg/s,
b-boiling, c-condensation
（1) 计算显热段管内传热膜系数αi
Re >104, 0.6<Pr<160,
LBC/di>50
hi
0.023
i
di
Re 0.8
Pr n
Re diuL b
Pr
C Pb b b
W u
再沸器设计
传热膜系数
A
8
三.立式热虹吸式再沸器 设计条件
?流体 管程—塔内釜液：蒸发量； 温度；压力 壳程—加热蒸汽：冷凝量（热衡 算）；温度；压力
—加热流体：流体流量、 进出口温度
?物性参数确定 蒸汽压曲线斜率的确定
A
9
四.设计步骤 ? 估算传热面积：根据热负荷、两侧流体温度变化， ? 进行再沸器的工艺结构设计 ? 核算热流量：假设再沸器的出口气含率 xe ? 计算釜液循环过程的推动力和流动阻力 →核算出口
气含率xe
A
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（一）估算设备尺寸
1.计算传热速率 （不计热损）?：物流相变热， kJ/kg,
QR ? Vb?b ? QR ? Vc c (或mcP ? t)
2. 计算传热温差
? tm ? T ? tb
V:相变质量流量， kg/s, b-boiling, c-condensation
T：壳程水蒸气冷凝温度 Td：混合蒸汽露点 (壳程)
A估
?d0L
?正三角形排列： b ? 1.1 NT
?壳径DS
DS ? t(b ? 1) ? (2 ~ 3)d0
?计算出的Ds应取整。卷制壳体内径以 400mm为基数， 以100mm为进档级。
?L/DS应合理 —约4~6 ，不合理时要调整 ? 最大接管尺寸，参照 p92页表3-16
A
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６.传热能力核算
６.1显热段总传热系数的计算 KL (1) 设传热管出口处气含率 xe （＜25%），计算循环量
Wt
?
Db xe
Db:釜液蒸发质量流量， kg/s Wt:釜液循环质量流量， kg/s
（2) 计算显热段管内表面传热系数 αi
釜式再沸器设计任务书(1)
釜式再沸器设计任务书(1)
1.设计题目
现设计一台釜式再沸器，以乙二醇和醛类混合蒸气冷凝为热源，加热塔底釜液水使其沸腾，已知混合蒸气质量流量为17000kg/h，其中全部醛类和部分乙二醇气体引出，其质量流量为484kg/h。
(1)设计条件
（2）物性数据
（1）设计项目：
a. 设计方案简介：对确定的工艺流程及再沸器型式进行简要论述
b. 再沸器设计的工艺计算：确定再沸器的传热面积；
c. 再沸器的主要结构尺寸设计；
d. 主要辅助设备选取型；、
e. 绘制釜式再沸器总装配图
2.设计说明书的内容
①目录
②设计题目及原始数据（任务书）；
③论述釜式再沸器总体结构（型式，主要结构）的选择；
④釜式再沸器加热过程有关计算（物料衡算、热量衡算、传热面积、型号、壳体直径等）
⑤设计结果概要（主要设备尺寸、衡算结果等）；
⑥主体设备设计计算及说明；
⑦主要零件的强度计算（选做）；
⑧附属设备的选择（选做）；
⑨参考文献；
⑩后记及其他
3.设计图要求
附工艺流程图及釜式再沸器装配图一张。
釜式再沸器
再沸器再沸器是蒸馏塔底或侧线的热交换器，用来汽化一部分液相产物返回塔内作气相回流，使塔内汽液两相间的接触传质得以进行，同时提供蒸馏过程所需的热量，又称重沸器。
设计再沸器时，必须同蒸馏塔的操作特点和结构联系起来。
工业中应用的再沸器多为管壳式换热器，主要有釜式、虹吸式（立式和卧式）、强制循环式和内置式等型式，见图 1。
1. 各种型式再沸器介绍1.1. 釜式再沸器由一个扩大部分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的浸没在沸腾液体中，故循环在管束与其周围液体之间进行，溢流堰外侧空间作为出料液体的缓冲区，壳侧扩大部分空间作为汽液分离空间。
釜式再沸器的气化率可达到80％以上，相当于一块理论塔板的作用。
其优点是维修和清洗方便，传热面积大，气化率高，操作弹性大，可在真空下操作。
但其传热系数小，壳体容积大，物料停留时间长易结垢，占地面积大，金属耗量大，投资较高。
1.2. 热虹吸式再沸器热虹吸式再沸器为有组织的自然循环式，精馏塔底的液体进入再沸器被加热而部分汽化，形成的汽液混合物密度显著减小，并一起进入精馏塔内，在塔内进行汽液分离，利用两侧的密度差使塔底液体不断被虹吸入再沸器。
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，且为单管程；壳程蒸发采用卧式，可以为多管程。
炼油工业约95％使用卧式热虹吸，而化工行业约95％使用立式热虹吸，石油化工行业介于期间，其原因与装置规模及介质的结垢性有关，也与使用习惯有关。
1.2.1. 卧式虹吸再沸器图 1 再沸器型式壳体可采用J 、H 、X 型结构。
按照工艺过程卧式虹吸再沸器又可分为一次通过式和循环式，一次通过式是指塔底出产品，进再沸器的物料由最下一层塔板抽出其组成与塔底产品不同；循环式是指塔底产品和再沸器进料同时抽出其组成相同。
一次通过式和循环式也可由泵强制输送。
流程见图 2。
卧式虹吸式再沸器的气化率不应过大，对于烃类设计的气化率一般小于30％，对于水溶液一般不超过20％，气化量较大时需采用循环式（个人见过的ABB 公司用于丙烯塔底的卧式虹吸再沸器，循环式流程，壳程采用X 结构4进4出，气化率可达到50％，且实际运行过程没有问题）。
釜式重沸器的设计
换 热 器作 为 一种 重 要 的特 种 设 备 ，被 广泛 应 用 于炼 油 、石化 等 行 业 中 。 据 统计 ，换 热器 设 备约 占 设 备 数 量 和 设 备 投 资 的 ４ Ｏ ％左 右 ［ １ 】 。 它 的 作 用 是
封 头 计 算 厚 度 为氏 可 － ￣ － ／ ＂ ｃ ｔ ／ ｉ ： ２ ・ ２ 衄，
故取名 义 厚度为 ３ ０ ｍｍ。 ３ ． ２ － ３设 备法 兰结 构设 计
由于 管 程 介质 具有 强腐 蚀 性 ，故 与介 质 接 触
２换热器结构形式 的选择
ｕ型管式换热器是换热器中唯一适用于高温、 高压 和 高温 差 的换热 器 ，且Ｕ型 管式 换热 器具 有 以 下优 点 ：
Ｕ型 管 管 束 可 以 自 由浮 动 ，无 须 考 虑 温 差 应
本 文 结合 某 项 目中 一釜式 重 沸器 设 备 的 设 计 ， 对 其 选 型 、 选 材 、 排 管 方 式 等 方 面 进 行 介
波工程有限公司 （ Ｓ Ｎ Ｅ Ｃ）设备室，从事压力容器设计工作。
１ 设备工艺参数
２ ２ ． ■ 论文广场
．
２ 石 ０ 油 １ ４ 和 年 化 第１ 工 ７ 设 卷 备
内径 Ｄ ｉ 材料 １ ６ ０ ０ ｎ ｌ ｌ ｎ ｌ ５ Ｃ ｒ Ｍ ｏ Ｒ
综 合考虑 ，本设 备选 用Ｕ型管 式结 构 。
态 、许用应力 、无损检测标准及检测项 目均应按 Ｇ ＢＩ ５ ０ ． ２ ０ １ ｌ《 压 力容 器 》及 其 附录 的规 定 。
综 上 ，本 设 备 管 箱 钢 板 用 材 选 择 １ ５ Ｃ ｒ Ｍｏ Ｒ 堆 焊 不 锈钢 ；管 板及 设备 法 兰用 材 选 择 ｌ ５ Ｃｒ Ｍｏ 锻件 堆 焊 不 锈 钢 ，锻 造 级 别 为 Ⅳ 级 ；换 热 管材 料 选 用 ０ Ｃ ｒ ｌ ８ Ｎｉ １ ０ Ｔ ｉ ；壳 程筒 体材 料选 用Ｑ３ ４ ５ Ｒ。
釜式重沸器设计
隔板 中心到离其最近的一排传热管中， 巨 离：
ｚ ： 旱＋ ６ ： ＋ ６ ： １ ８ ． ５ ｍ ｍ
取 Ｚ ＝ １ ９ ｍ ｍ，
该换热器结构 紧凑、传热效率高 、能承受高温、高压且运行安全
可靠 。
各程相邻管心距为 ３ ８ ｍｍ。
２ ２ 壳程 内径计算 壳体直径计算
４ ８ ８
６ ｄ Ｔ ： 单
２ 【 ｏ —
＝
十 ｃ
３× ｎ８
２－ ｋ ｌ － ￣
２ １ 换热管参数计算 选用 由１ ９ ｍｍ ｘ ２ ｍｍ较 高级冷拔传热管 （ Ｑ ２ ４ ５ ） ，取管 内流速
为ｕ ｜ ＿２ ． ５ ｍ／ ｓ 。
： 。 — — — 一
为Ｄ ２ ＝ １ ８ Ｏ Ｏ ｍｍ。
重沸器是使釜液相部 分气化后再返回塔内 ，为传质传热过程提供
所需的能量。在大型化工及石油化工生产过程中 ， 重沸器得到越来越广 泛的应用。在工厂建设投 资中 ，重沸器所 占比例也有明显提高 ， 成为 最重要 的单元设备之一。 １ 设计条件
所需传热ｎ ３ ． １ ４×０ ． ０ ２ ５ｘ２ ０ ３ … 。 。
： １ Ｏ ｍ
水压试验校核：
Ｐ Ｔ （ Ｄ ｉ ＋６。）
ａ
取 传 热 管 ４ ５ ｍ ’ 贝 Ｊ ｌ 管 程 数 ： ｝ ＝ 等￣ ２ ｊ 取 二 管 程
警程
工 量 力 ＭＰ ａ ０ ４ ５
２ ＿ ３ 壳程壁厚设计计算
罄
０ ２ ５
由工艺设计给定的设计温度 １ ２ ａ ℃，设计压力 Ｐ ＝ Ｑ ２ ５ ＭＰ ａ ， 选碳
钢钢板 Ｑ２ ４ ５ 卷制。材料 １ ２ ０ ％ 时的许用应力【 引 １ ４ ０ Ｍｐ ａ ，取焊缝
(化工原理课设计)再沸器设计
tpV(1R L)bR L
管程出口管内两相流密度以出口气含率计算。
2020/7/21
x xe
①管程进口阻力△P1
P1 i
Li Di
G2
2b
Li：进口管长度和当量长度 之和，m Di ：进口管内径， m G：釜液在进口管内质量流
Li 0.342((D D6ii//00..022554)204.191) 4速，kg/m2s
1.3 原料、产品、中间产品、副产品规格：说明原料状态、组
成、杂质含量、色泽、比重、粘度等所有必须指定的参数
2020/7/21
1.4 能量规格
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1.5 性能指标 分别 列 出性能指标的期望值和保证值，如产品产量、产率产品 质量、装置弹性范围等。 2 工艺说明 2. 1 工艺原理及特点 2.2 主要工艺操作条件 2.3 工艺流程说明： 按顺序说明物料通过工艺设备的过程以及分离或生成物料的去 向。说 明 主 要工艺设备的关键操作条件，如温度、压力等。说 明过程中主要工艺控制要求，包括事故停车的控制原则。 2.4 工艺流程图(PFD)
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hiEhtPanhb
a: 泡核沸腾压抑因数
a E '
2
αE:传热口处，泡核沸腾修正系数 α’:气化率等于出口气化率40%处的泡核沸腾修正系数
1/Xtt[x/(1x)]0.9/ (V /b)0.5(b /V)0.1
查图P71页
分别取x=0.4xe x=xe
计算Xtt
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丙烷：2.5*10-5K/Pa=2.5*10-4m2K/kg
4.计算平均传热系数KC
KCKLLBC LKELCD
5.面积裕度核算— 30%，若不合适要进行调整
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本科生毕业设计（论文）摘要文章主要介绍了再沸器的工艺设计和机械设计计算。
其中工艺设计计算包括获取进料与加热介质的操作条件及有关基础数据，确定再沸器的传热温差，算出热负荷，计算总传热系数，并对初估传热系数进行校核以及再沸器各部分的压力降的计算；机械设计部分包括确定再沸器的换热管、壳体、封头、管箱、法兰、接管、管板、支持板以及其他所有零部件的结构尺寸和材料，并对换热器所有受压元件进行强度计算。
最后，简单介绍了再沸器的制造、检验、安装、试车、维护与维修。
关键词：换热管；再沸器；法兰；机械设计本科生毕业设计（论文）AbstractIntroduces a reboiler process design and mechanical design calculations. Process design, including access to feed and heating medium, operating conditions and the underlying data to determine the reboiler heat transfer temperature difference to calculate the heat load calculate the overall heat transfer coefficient, and preliminary estimates suggest that the heat transfer coefficient check, and then reboiler pressure drop calculation; mechanical design section to determine the reboiler heat exchange tubes, shell, head tube box, flange, receivership, tube plate, support plate, and all other parts of the structure size and materials, and heat exchanger pressure parts for the strength calculation. Finally, a simple the reboiler manufacturing, testing, installation, commissioning, maintenance and repair.Key words：heat transfer tube；reboiler；flanges；design of mechanical目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1换热器及传热研究的现状 (1)1.2换热器的发展趋势 (2)第2章再沸器的选型 (4)2.1 概述 (4)2.2 釜式再沸器 (4)2.3 塔内置式再沸器 (5)2.4 水平热虹吸再沸器 (5)2.5 立式管侧热虹吸再沸器 (6)2.6 立式壳侧热虹吸再沸器 (7)2.7 强制流动再沸器 (8)第3章再沸器的工艺设计计算 (10)3.1 设计任务与设计条件 (10)3.2 估算设备尺寸 (10)3.3 传热系数的校核 (12)3.4 阻力校核 (15)第4章再沸器结构与强度设计 (19)4.1 筒体 (19)4.1.1 大端壁厚 (19)4.1.2 锥壳壁厚 (19)4.1.3 封头 (20)4.2 管箱 (20)4.2.1 短节 (20)4.2.2 封头 (21)4.2.3 法兰 (22)4.3 补强 (23)4.3.1 管箱接管 (23)4.3.2 壳体进料接管 (23)4.3.3 壳体气相出口接管 (24)4.3.4 壳体液相出口接管 (25)4.4 固定管板 (25)4.4.2 确定管板设计压力 (26)4.4.3 计算无量纲数 (26)4.4.4 计算管板厚度 (27)4.4.5 校核轴向应力 (27)4.4.6 校核拉脱力 (28)4.5 浮头 (28)4.5.1 浮动管板计算 (29)4.5.2 浮头盖计算 (30)4.5.3 浮头计算结果 (33)4.6 拉杆，滑道 (34)4.7 振动 (35)4.8 支座 (36)4.9 强度设计结果 (38)第5章制造、检验、安装、试车、维护和检修 (39)5.1制造和检验要求 (39)5.1.1壳体 (39)5.1.2换热管 (39)5.1.3管板 (40)5.1.4换热管与管板的连接 (40)5.1.5支持板 (40)5.1.6管束 (40)5.1.7其它构件的制造和检验要求 (41)5.1.8压力试验 (41)5.2安装、试车、维护和维修 (41)5.2.1安装 (41)5.2.2试车 (42)5.2.3维护和检修 (42)参考文献 (43)致谢 (44)附录 (45)第1章绪论1.1换热器及传热研究的现状换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工行业中是主要的工艺设备之一。
因此，换热器的研究倍受重视。
从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的试验研究一直都在进行。
特别是七十年代初发生能源危机以来，各国都在纷纷寻找新的能源及节约能源的途径，而换热器是节约能源的有效设备。
在余热回收、利用地热、太阳能等方面都离不开换热器。
因而各国都在致力于研究各种高性能换热器及换热元件，其中不少是国家直接下达的重点课题。
近几年来换热器及传热技术的发展主要表现在下列几个方面。
1．研究工作的动向目前世界上每年发表有关传热及换热设备方面的文献约在六千篇以上。
有关新能源开发的文章日趋增多，研究的重点是传热机理、传热强化、两相流、模拟及测试技术、计算机应用、振动、污垢以及与能源利用和环境保护有关的新型高效换热器。
对传热基础理论的研究探讨十分重视，一种新的动向是：从数学模型和物理模型出发，用数学方法推导出精确的计算公式。
2．计算机的使用应用计算机不仅节省了人力、提高了效率，而且可以进行最优化设计与控制，使其达到最大技术经济性能。
例如美国帕斯卡古拉炼油厂常减压装置的原油换热系统，由于采用了换热系统的最佳化设计及其他改进措施，平均传热系数有了很大的提高。
传热分析、应力分析、信息储存与检索以及模拟和控制均编有程序。
有些程序从工艺设计开始，直到绘出图纸。
计算机自动绘图机只需十几分钟即可绘出一张标准换热器图纸。
目前，美国HTRI换热器设计程序在国外无疑是具有代表性的，已被许多国家所引进。
此外，其他国家也开发了一些自动设计系统和程序。
如英国HTFS开发的TASC等程序；1975年英国国家工程实验室和剑桥计算机辅机设备重心合作，按美国管壳式换热器制造商协会标准，编制管壳式换热器机械设计程序STEM。
这一程序不但可对TEMA标准中的所有“R”、“C”、“B”三类换热器进行各种设计计算，列出一系列不同参数以供选择，而且能自动绘出换热器的平面布置图，到1978年底已能提供全部TEMA标准换热器的制造施工图。
以后又结合英国标准协会1976年底公布的压力容器规范BS·5500编制了换热器的机械设计程序；苏联也有CA∏TA自动设计系统；日本HEADS自动设计系统是由三菱工程及造船有限公司研制的，使用该系统，仅仅输入最少的数据，就能迅速地得到机械的设计图表及图纸。
3．高温高压换热器的进展随着工艺的进展和大型高温高压换热器的使用越来越多。
炼油厂加氢换热器就是一个例子。
近年来，高温高压换热器在结构、材料和制造方面都有一些进展，管箱和密封结构均有一些改进，管子进口区的热防护获得一些改善。
另外还采用了薄管板或挠性管板结构以减小热应力；使用小管子密排列，改善了管子与管板的连接。
4．采用新材料由于工艺条件日趋苛刻，迫切需要一些新的材料。
在换热器制造中，由于钛具有很高的抗腐蚀性能、高的强度限和屈服限，且比重小、重量轻，又有一定的抗污塞性，因此西德在含氯溶液中采用了钛制换热器，在炼油厂中使用钛制冷却器和冷凝器。
现在钛制换热器的应用有了迅速的增加。
渗铝管换热器及镀锌钢管换热器的使用也日益增多。
非金属材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美国杜邦公司于六十年代中期研究成功这种塑料换热器以来，由于它优越的抗腐蚀抗污垢性能，国外推广使用很快，到了七十年代，凡是适用这种换热器的场合，几乎达到了普及的地步。
1.2换热器的发展趋势1．余热回收装置的研究工业余热的利用潜力很大,对生产影响显著，主要是：1000℃左右的高温热量及其高压能量的合理利用，这是石油化学工业的关键技术之一。
从换热器的整体结构、各类管板的结构设计、热膨胀补偿方法直到高温侧热通量的控制，都有许多课题急待解决；100～200℃的低温余热回收，对一般企业有普遍意义。
企业的热利用率低的原因大多是低温位热能没有很好地利用起来。
2．紧凑式换热器的研究紧凑式换热器包括板翅、板式、板壳式等换热器，它们具有优异的性能，在采用多流道布置后，其优越性更为显著。
板式换热器需要改进密封结构，增强板片的强度，研究新的垫片材料以提高操作温度和操作压力是今后发展的重点。
板壳式换热器由于从结构上解决了耐温、抗压和高效之间的矛盾，因而在化学工业中很快得到推广应用。
但是，由于它的制造工艺比较复杂，焊接要求高因而今后应注重改进结构设计，发展新的成型和焊接工艺。
3．强化传热管的研究近年来国内外在采用强化传热管改进换热器性能、提高传传热效率、减少传热面积、降低设备投资等方面，取得了显著的成绩。
强化传热管同时也是利用低温位热量的关键部件。
表面多孔管可以在非常小的温差下产生很多的泡核，使汽化核心增加许多倍，但是制造工艺要求比较严格，且生产成本高，这些都是今后有待解决的问题。
第2章再沸器的选型2.1 概述再沸器是精馏工艺中的核心装备之一，属于换热器的范畴，但是由于在其中发生了相变，其设计、施工、维修和管理方面也与日常的无相变换热器有所不同。
再沸器就其形式而言，可分为交叉流和轴向流两种类型。
在交叉流类型中，相变过程全部发生在壳程。
最常用交叉流再沸器的有釜式再沸器、内置式再沸器和水平热虹吸再沸器。
在轴向流类型中，沸腾流体沿轴向流动，在管程完成汽化过程。
最常用的轴向流再沸器为立式热虹吸再沸器。
当热虹吸再沸器的循环量不够时，则使用泵来增加循环量，这时，称之为强制流动再沸器。
强制流动再沸器既可以为立式结构，也可以为水平结构。
通常，立式热虹吸再沸器和强制流动再沸器的沸腾过程均发生在管程，但在特殊的应用场合，沸腾过程也可发生在壳程。
下面就各种类型再沸器的优缺点及应用作一较详细的分析。
2.2 釜式再沸器釜式再沸器（图1.1）壳体为大小端圆柱形壳体结构，通过锥形壳连接。