再沸器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文說明書

1、. z. - - . -可修- .酒精回收裝置再沸器的設(shè)計(jì)作 者 姓 名 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 目 錄摘 要1ABSTRACT 2第一章 緒論31.1概述31.2再沸器的開展趨勢(shì) 31.3研究容和方法4第二章 再沸器的工藝設(shè)計(jì) 62.1設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件62.1.1酒精提純的工藝過程62.1.2設(shè)計(jì)的工藝條件72.2設(shè)計(jì)方案確實(shí)定72.2.1再沸器類型的選擇72.2.2流程的安排 72.3物性數(shù)據(jù)確實(shí)定82.4工藝計(jì)算 82.4.1再沸器的熱流量計(jì)算82.4.2管子和殼體材料的選擇82.4.3兩種流體流向確實(shí)定，并計(jì)算出流體的有效平均溫差 82.4.4傳熱面積的估算92.4.5再沸器

2、根本參數(shù)的初步確定 92.4.6傳熱系數(shù)的校核和阻力降的計(jì)算122.5設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 19第三章 再沸器的機(jī)械設(shè)計(jì)213.1殼體和管箱壁厚計(jì)算 213.1.1殼體壁厚的計(jì)算 213.1.2管箱壁厚的計(jì)算 213.1.3再沸器的水壓試驗(yàn) 213.2殼體、管子與管板連接構(gòu)造設(shè)計(jì)213.2.1管板的形式 213.2.2殼體與管板的連接構(gòu)造 213.2.3換熱管與管板的連接形式 223.2.4固定管板式換熱器管板尺寸223.3殼體高度233.4再沸器封頭233.5容器法蘭233.6管箱構(gòu)造243.6.1管箱的構(gòu)造243.6.2管箱與管板的連接構(gòu)造 243.6.3墊片的選擇253.6.4管箱長度確實(shí)定25

3、3.7換熱管與殼體在溫差作用下的應(yīng)力計(jì)算253.8管子拉脫力和穩(wěn)定性校核273.9判斷是否需要膨脹節(jié)283.10接收、接收法蘭及開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)293.10.1接收293.10.2開孔補(bǔ)強(qiáng)293.10.3接收法蘭303.10.4接收高度確實(shí)定303.10.5接收安裝位置最小尺寸確實(shí)定 303.10.6排氣、排液接收313.11支座的選擇313.12設(shè)計(jì)結(jié)果匯總323.13再沸器的主要附屬設(shè)備-排廢器34第四章 結(jié)論35參考文獻(xiàn) 36致 37-. z.摘 要精餾的本質(zhì)是利用不同物質(zhì)的揮發(fā)度不同，通過屢次汽化、屢次冷凝的精餾過程而到達(dá)物質(zhì)別離的單元操作過程，而屢次汽化所需的能量即通過再沸器提供的，這就

4、是再沸器的作用。酒精醪液再沸器是一種換熱器，通常采用熱虹吸式換熱器，也是一種列管式換熱器，在生產(chǎn)企業(yè)中占有較重要的地位，它直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。本設(shè)計(jì)主要是對(duì)其工藝、構(gòu)造等的設(shè)計(jì)，通過選用換熱設(shè)備的型號(hào)和對(duì)國標(biāo)的查找，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的化工設(shè)備。再沸器的構(gòu)造圖使用CA*A二維繪圖軟件繪制，清楚地表達(dá)出構(gòu)造尺寸，便于改良和生產(chǎn)。主要介紹了再沸器的設(shè)計(jì)工作以及它在生產(chǎn)過程中處于的地位和作用，它是精餾塔不可或缺的一局部，它提供應(yīng)精餾塔屢次汽化所需的能量，它與冷凝器等都是換熱設(shè)備。關(guān)鍵詞：再沸器 汽化 列管式換熱器 酒精第一章 緒論1.1概述再沸器也稱重沸器顧名思義是使液體再一次汽化。它的構(gòu)造與冷凝

5、器差不多，不過一種是用來降溫，而再沸器是用來升溫汽化。再沸器多與分餾塔合用：再沸器是一個(gè)能夠交換熱量，同時(shí)有汽化空間的一種特殊換熱器。在再沸器中的物料液位和分餾塔液位在同一高度。從塔底線提供液相進(jìn)入到再沸器中。通常在再沸器中有25-30%的液相被汽化。被汽化的兩相流被送回到分餾塔中，返回塔中的氣相組分向上通過塔盤，而液相組分掉回到塔底。由于靜壓差的作用，塔底將會(huì)不斷補(bǔ)充被蒸發(fā)掉的那局部液位。1.2再沸器的開展趨勢(shì)目前國外再沸器的選用原則是:工程上對(duì)再沸器的根本要操作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便、構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工制造容易、安裝檢修方便、使用周期長、運(yùn)轉(zhuǎn)平安可靠，同時(shí)也應(yīng)考慮其占地面積和安裝空間高度要適宜。下面是

6、幾種常見的再沸器介紹(1)立式熱虹吸再沸器是利用塔底單相釜液與換熱器傳熱管汽液混合物的密度差形成循環(huán)推動(dòng)力，構(gòu)成工藝物流在精餾塔底與再沸器間的流動(dòng)循環(huán)。這種再沸器具有傳熱系數(shù)高，構(gòu)造緊湊，安裝方便，釜液在加熱段的停留時(shí)間短，不易結(jié)垢，調(diào)節(jié)方便，占地面積小，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)。但由于構(gòu)造上的原因，殼程不能采用機(jī)械方法洗滌，因此不適宜用于高粘度或較臟的加熱介質(zhì)。同時(shí)由于是立式安裝，增加了塔的裙座高度，但可以考慮采用耳式支座。 (2)臥式熱虹吸再沸器也是利用塔底單相釜液與再沸器中氣液混合物的密度差維持循環(huán)。臥式熱虹吸再沸器的傳熱系數(shù)和釜液在加熱段的停留時(shí)間均為中等，維護(hù)和清理方便，適用于傳熱

7、面積大的情況，對(duì)塔釜液面高度和流體在各部位的壓降要求不高，可適于真空操作，出塔釜液緩沖容積大，故流動(dòng)穩(wěn)定。缺點(diǎn)是占地面積大。 立式及臥式熱虹吸再沸器本身沒有氣、液別離空間和緩沖區(qū)，這些均由塔釜提供。 立式再沸器：工藝物流測(cè)在管程，傳熱系數(shù)高，投資低，裙座高度高，汽化率為3%-35%。 臥式再沸器：工藝物流測(cè)在殼程，傳熱系數(shù)中偏高，投資適中，占地面積大，裙座高度低，汽化率為3%-35%。 (3)強(qiáng)制循環(huán)式再沸器是依靠泵輸入機(jī)械功進(jìn)展流體的循環(huán)，適用于高粘度液體及熱敏性物料、固體懸浮液以及長顯熱段和低蒸發(fā)比的高阻力系統(tǒng)。 (4)釜式再沸器由一個(gè)帶有氣液別離空間的殼體和一個(gè)可抽出的管束組成，管束末端

8、有溢流堰，以保證管束能有效地浸沒在液體中。溢流堰外側(cè)空間作為出料液體的緩沖區(qū)。再沸器液體的裝填系數(shù)，對(duì)于不易起泡沫的物系為80%，對(duì)于易起泡沫的物系則不超過65%。釜式再沸器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流體力學(xué)參數(shù)不敏感，可靠性高，可在高真空下操作，維護(hù)與清理方便；缺點(diǎn)是傳熱系數(shù)小，殼體容積大，占地面積大，造價(jià)高，塔釜液在加熱段停留時(shí)間長，易結(jié)垢。 (5)置式再沸器是將再沸器的管束直接置于塔釜而成，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)比釜式再沸器低；缺點(diǎn)是由于塔釜空間容積有限，傳熱面積不能太大，傳熱效果不夠理想。1.3研究容和方法根據(jù)整體工藝流程圖判斷再沸器在其中的作用，進(jìn)而考慮再沸器的構(gòu)造型式，綜合考慮，一般選用立式熱虹吸式再沸

9、器，是一種列管式換熱器。根據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)展工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)，并畫出其詳細(xì)的構(gòu)造生產(chǎn)圖和零件圖。第二章 再沸器的工藝設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)條件2.1.1酒精提純的工藝過程工藝流程圖如圖2-1所示：圖2-1工藝流程圖原酒精濃度在4045%條件下，進(jìn)料量為3m/h時(shí)，蒸餾塔應(yīng)滿足酒精成品濃度80%、濃度80%的酒精產(chǎn)量1.5m/h、廢酒精排放濃度0.5%的設(shè)計(jì)要求。原濃度45%的酒精進(jìn)入蒸餾塔，進(jìn)料量為3m3/h，在蒸餾塔中蒸餾煮沸，利用酒精和水蒸發(fā)溫度的不同而到達(dá)所需要酒精的濃度。 酒精的學(xué)名叫乙醇，它是沸點(diǎn)為78.4攝氏度，而水的沸點(diǎn)為100攝氏度。在酒廠里是將低濃度的酒實(shí)質(zhì)上是酒精與

10、水的混合物放在酒精精餾塔中水浴加熱至酒精的沸點(diǎn)以上，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的沸點(diǎn)，這樣酒精就大量地從酒液中蒸發(fā)出來，通過上部的冷凝器重新變成液態(tài)酒精被收集起來，在此溫度下，酒中所含的水份卻不會(huì)被大量蒸發(fā)而留了下來。 當(dāng)然，在蒸餾塔工作溫度下，水也會(huì)有局部蒸發(fā)，所以通過這種普通的精餾方法制成的酒精純度都不會(huì)太高，一般為95，當(dāng)然也可以通過高純度的精餾法可以制成96純度的酒精。 排出的酒精廢液進(jìn)入再沸器再次的別離酒精和水，利用高效的換熱技術(shù)來增加酒精的濃度和產(chǎn)量。當(dāng)酒精到達(dá)一定的濃度，再進(jìn)入蒸餾塔中蒸餾。而剩余的廢液經(jīng)過排廢器到達(dá)環(huán)境允許排放的標(biāo)準(zhǔn)排放到廢水溝中。從蒸餾塔中蒸餾出的酒精成品濃度80%進(jìn)入酒

11、精儲(chǔ)罐，還有一局部進(jìn)入回流罐，經(jīng)過冷凝器再進(jìn)入蒸餾塔中回收利用。整套設(shè)備可以更經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)出所需要的酒精產(chǎn)品。 再沸器的主要附屬設(shè)備是排廢器，按一般要求到達(dá)環(huán)境允許排放標(biāo)準(zhǔn)即可?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一臺(tái)用于20%酒精醪液蒸發(fā)回收到達(dá)0.5%的排放濃度的換熱器再沸器，該換熱器的工藝條件如下。2.1.2設(shè)計(jì)的工藝條件工藝條件如表2-1所示表2-1 工藝條件序 號(hào)名 稱指 標(biāo)管程殼程1設(shè)計(jì)壓力/MPa0.20.42工作壓力/MPa0.20.43設(shè)計(jì)溫度1301604工作溫度1201505介質(zhì)名稱酒精蒸汽6腐蝕裕度/mm007容器類別8焊接接頭系數(shù)0.850.85該換熱器的工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)如下。2.2設(shè)計(jì)方案確實(shí)定

12、2.2.1再沸器類型的選擇該換熱器由于用于酒精的蒸發(fā)再沸，工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮到酒精具有較高的清潔度，不易在管道產(chǎn)生污垢以及溫差不大，故初步選擇固定管板式換熱器。盡管酒精的腐蝕性較小，但考慮到酒精產(chǎn)品的純度要求較高，為此將換熱器的管子和殼體均采用不銹鋼制造。2.2.2流程的安排該換熱器由于用于酒精的蒸發(fā)再沸，工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮到酒精具有較高的清潔度，不易在管道產(chǎn)生污垢，且具有飽和蒸汽冷凝的換熱器，應(yīng)使飽和蒸汽走殼程，便于排出冷凝液，因此考慮酒精走管程，水蒸氣走殼程。2.3物性數(shù)據(jù)確實(shí)定應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)溫度來設(shè)計(jì)該設(shè)備。定性溫度：對(duì)于蒸汽和酒精低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。故殼程蒸汽的定性溫

13、度為T=(146+130)/2=138()管程流體的定性溫度為 t=112+112/2=112殼程凝液在145下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 0=859kg/m3定壓比熱容 Cp0=4.25kJ/kg 熱導(dǎo)率 0=0.54W/m 動(dòng)力黏度 0=2.32*10-4kg/m s潛熱：r0=1704 kJ/kg管程流體在130下的物料數(shù)據(jù)：密度 i=950 kg/m3定壓比熱容 Cpi=4.2 kJ/kg熱導(dǎo)率 i=0.68 W/m動(dòng)力黏度 i=2.5*10-4 kg/m s汽相密度 v=0.88 kg/m3汽相黏度 v=1.2*10-5 kg/m s2.4工藝計(jì)算2.4.1再沸器的熱流量計(jì)算對(duì)于有相變

14、化的單組分飽和蒸汽冷凝過程，則依冷凝量和冷凝蒸汽的冷凝熱確定：=Dr2-1式中，為熱流量，W；D為蒸汽冷凝質(zhì)量流量，kg/s；r為飽和蒸汽的冷凝熱，kJ/kg；蒸汽的冷凝量為6908kg/h。=6908*1704/3600=3270kJ/s=3.27*106W2.4.2管子和殼體的材料的選擇管程介質(zhì)：酒精 殼程介質(zhì)：蒸汽 其腐蝕性弱，但要防止生銹，所以選擇不銹鋼材料。2.4.3兩種流體的流向確實(shí)定，并計(jì)算出流體的有效平均溫差設(shè)計(jì)時(shí)初算平均溫差tm，均將換熱過程先看做逆流過程計(jì)算對(duì)于逆流或并流換熱過程，其平均溫差可按式2-2進(jìn)展計(jì)算：tm= =18.2K 2-2式中t1、t2分別為大端溫差與小端

15、溫差。2.4.4傳熱面積的估算利用傳熱速率方程，估算傳熱面積Ap：Ap= 2-3根據(jù)物料性質(zhì)選取K值為2263W/(m2k)則Ap=79.4 m2圓整后取Ap=80 m22.4.5再沸器根本參數(shù)的初步確定(1)換熱管型號(hào)：管徑：選用較小直徑的管子，可以提高流體的對(duì)流給熱系數(shù)，并使單位體積設(shè)備中的傳熱面積增大，設(shè)備較緊湊，單位傳熱面積的金屬耗量少，但制造麻煩，小管子易結(jié)垢，不易清洗，可用于較清潔流體。由于酒精腐蝕性小是清潔流體，故可以選用d0=25*2的不銹鋼管。管間距：由于管程介質(zhì)干凈，管外無需清洗查得，取管間距a=32mm管長：按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長度為L=2.4m 2-4根據(jù)國管材生

16、產(chǎn)規(guī)格，同時(shí)考慮管長與管徑的配合初選長度L=2.5m。管子根數(shù)：對(duì)于已定的傳熱面積，中選定管徑和管長后，由式n=進(jìn)展計(jì)算n=Ap/3.14d(L-0.1) 2-5=80/3.14*0.025(2.5-0.1)=424.6425根管程數(shù)：初選1管子排列方式：管子在管板上的排列，應(yīng)力求分布均勻、緊湊，一般選正三角形排列如圖2-2 所示圖2-2(2)平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)：平均傳熱溫差校正系數(shù)有R=1.3 2-6P=0.44 2-7按單殼程，單管程構(gòu)造 ，查圖得t=0.83平均傳熱溫差tm=ttm=0.83*18.2=15.1K由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程適

17、宜。(3)殼體徑：依據(jù)公式Di=am-1+2b 2-8式中 a換熱器管間距，取a=32mm：m正六角形對(duì)角線上的管子數(shù)，根據(jù)換熱器管子的排列方式，m=23；b-最外層管子外外表至殼壁邊緣的距離，取b=0.5d0。Di =32*23-1+2*0.5*25=729mm取筒體直徑：Di =1000mm。(4)布管限定圓DlDi-2b=1000-2*0.5*25=975mm 2-9(5)折流板： 選擇弓形折流板其形式如圖2-3所示：圖2-3其上圓缺切口大小和板間距的大小是影響傳熱和壓降的兩個(gè)重要因素，因?yàn)闅こ逃邢嘧?，圓缺切口的高度h=0.43Di=0.43*1000=430mm 2-10 查得折流板管

18、子外徑d0=25mm 管孔直徑d=25.8mm 允許誤差+0.4/0 折流板外直徑與殼體的直徑之間應(yīng)有一個(gè)適宜的間隙，查得取折流板名義外直徑DN-6=994mm 允許誤差0/-0.8 折流板間距 不小于50mm 不超過Di，B=0.3Di=0.3*1000=300mm，換熱管最大無支撐間距 查得為1850mm可取B=470mm 折流板數(shù)N=-1=2500/470-1=4.3 取4塊 折流板厚度 查得為12mm 折流板圓缺面水平裝配如圖2-4圖2-4(6)拉桿： 拉桿構(gòu)造：因?yàn)槔瓧U定距管構(gòu)造適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束應(yīng)選取如圖2-5所示圖2-5 拉桿直徑取16mm 拉桿數(shù)量查得為6

19、個(gè) 拉桿長度：因?yàn)檎哿靼宓拈g距為B=470mm，所以選取5根 L1470*4+20+60=1960mm，取L1=1980； 2-111根 L2470*3+20+60=1490mm，取L2=1495mm 2-12查得管板上拉桿孔深Ld=20mm。 定距管：折流板間距取長度為470*2+12=952mm，長度為470mm。(7)實(shí)際換熱管根數(shù)：在設(shè)置六根拉管的情況下，實(shí)際排得換熱管的根數(shù)為427根433-6=427。如圖2-6所示圖2-62.4.6傳熱系數(shù)的校核和阻力降的計(jì)算(1)傳熱系數(shù)校核：1)顯熱段傳熱系數(shù)KCL 設(shè)傳熱管出口處汽化率*e=0.024，則用式2-13qmt=2-13計(jì)算循環(huán)流

20、量qmt其中qmb為釜液汽化質(zhì)量流量；qmt=53.24kg/s顯熱段管外表傳熱系數(shù) 用式2-14計(jì)算傳熱管質(zhì)量流速G為G=qmt/Si Si=di2NT/4 2-14其中Si為管流通截面積，m2；di為傳熱管徑，m；NT為傳熱管系數(shù)2*1800=85.44kg/m2 s管雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)分別為Re=diG/Si2-15Pr=cpii/i 2-16-4=10200Pr=4200*2.5*10-4/0.68=1.54用式hi=0.023Re0.8Pr0.4 2-17=0.8*1.540.4/0.021=1078W/m2 K計(jì)算管外冷凝外表傳熱系數(shù) 用式2-18計(jì)算蒸汽冷凝的質(zhì)量流量qm0為qm0

21、=/r0=3.27*106/1704000=1.92kg/s 2-18計(jì)算傳熱管外單位潤濕周邊上冷凝的質(zhì)量流量M為M=qm/d0NT=1.92/3.14*0.025*1800=0.0135kg/ms2-19計(jì)算冷凝液膜的Re0為Re0=4M/=4*0.0135/2.5*10-4=2172100計(jì)算管外冷凝外表傳熱系數(shù)h0為h0=0.75*1.88* Re0-1/3/2/2g31/3 2-20-1/3/2.5*10-42/(859231/3=660 W/m2 K式中，0.75為校正系數(shù)，是對(duì)雙組分冷凝按單組分計(jì)算的校正。 污垢熱阻及管壁熱阻 沸騰側(cè)Ri=4.299*10-4 m2 K/W，冷凝側(cè)

22、R0=1.72*10-4 m2 K/W,管壁熱阻Rw=4.299*10-5 m2 K/W。計(jì)算顯熱段傳熱系數(shù)KCL為KCL=1/d0/hidi+Rid0/di+Rwd0/dm+R0+1/h0 2-21=1/25/1078*21+4.299*10-4*25/21+4.299*10-5*25/23+1.72*10-4+1/6160=2280 W/m2 K2)蒸發(fā)段傳熱系數(shù)KCE 計(jì)算傳熱管釜液的質(zhì)量流量Gh為Gh=3600G=3600*85.44=3.08*105 kg/m2h2-22當(dāng)*e=0.024時(shí)，計(jì)算Martinelli參數(shù)*tt為*tt=(1-*)/*0.9( v/b)0.5(b/v)

23、0.1 2-23=(1-0.024)/0.0240.9( 0.88/950)0.5(2.5*10-4/0.012*10-5)0.1=1.1581/*tt=1/1.158=0.864由Gh=3.08*105 kg/m2 h及1/*tt=0.864，查圖得a=1.0。當(dāng)*=0.4*e=0.4*0.024=0.0096時(shí)1/*tt=1/(1-0.0096)/0.00960.9( 0.88/950)0.5(2.5*10-4/0.012*10-5)0.1=0.374由Gh=3.08*105 kg/m2 h及1/*tt=0.374，查圖得a=1.0。計(jì)算泡核沸騰修正因數(shù)a為a=1.0+1.0/2=1.0用

24、式計(jì)算泡核沸騰外表傳熱系數(shù)hnb為hnb=0.225*b/di*Pr0.69*(d/Aprbb)0.69(b/v-1)0.33(pdi/)0.312-240.69*(/80*2225*103*0.25*10-3)0.69(950/0.88-1)0.33(/5.6*10-2)0.31=2051 W/m2 K計(jì)算以液體單獨(dú)存在為基準(zhǔn)的對(duì)流外表傳熱系數(shù)hihi=0.023Re1-*0.8Pr0.42-25=0.023*0.68*102001-0.00960.8*1.540.4/0.021=2076 W/m2 K計(jì)算對(duì)流沸騰因子Ftp=3.51/*tt0.50.5=2.14計(jì)算兩相對(duì)流外表傳熱系數(shù)ht

25、p=Ftp*hi=2.14*2076=4442.64 W/m2 K計(jì)算沸騰傳熱膜系數(shù)為hiE=htp+ahnb=4442.64+1*2051=6494 W/m2 K計(jì)算蒸發(fā)段傳熱系數(shù)KCE為KCE=1/d0/hiEdi+Rid0/di+Rwd0/dm+R0+1/h02-26=1/25/6494/21+4.3*10-4*25/21+4.3*10-5*25/23+1.72*10-4+1/6160=3100 W/m2 K3)顯熱段和蒸發(fā)段長度 計(jì)算顯熱段的長度LBC與傳熱管總長L的比值LBC/L=1.961*10-3/1.961*10-3+(3.14*0.021*427*671.2*25016)/(

26、4228.9*950*120.86)=0.322LBC =3*0.322=0.97m LCD =2.5-0.97=1.53m4)平均傳熱系數(shù) 計(jì)算傳熱系數(shù)KC為KC=(KCLLBC+KCELCD)/L2-27=(2280*0.97+3100*1.53)/2.5=2782 W/m2 K 需要傳熱面積為AC=/(KC*tm)= 3.27*106/2782*18.2=65m25)面積裕度 實(shí)際傳熱面積A=3.14*0.025*2.5*427=84m2H=(A-AC)/A=(84-65)/84=22.6% 2-28該再沸器的熱面積適宜。(2)循環(huán)流量校核1)循環(huán)推動(dòng)力 當(dāng)*=*e/3=0.024/3=

27、0.008時(shí)，用式2-29計(jì)算Martinelli參數(shù)*tt為 2-29用計(jì)算可得 (2-30)用式計(jì)算處的兩相流平均密度2)循環(huán)阻力 = 1 * GB3 管程進(jìn)口管阻力根據(jù) (2-31)同時(shí)根據(jù) (2-32)根據(jù) (2-33)用式 (2-34) = 2 * GB3 傳熱管顯熱段阻力根據(jù) (2-35)用式根據(jù)(2-36)根據(jù) 2-37) = 3 * GB3 傳熱管蒸發(fā)段阻力 (2-38)根據(jù)根據(jù) (2-39)根據(jù)(2-40)根據(jù) (2-41)根據(jù)(2-42)根據(jù) (2-43)根據(jù) (2-44)根據(jù) (2-45)根據(jù)(2-46) = 4 * GB3 管程因動(dòng)量變化引起的阻力 管程流體的質(zhì)量流速G

28、=193.9kg/(m2.s) 用式因動(dòng)量變化引起的阻力系數(shù)為 (2-47)根據(jù) (2-48) = 5 * GB3 管程出口阻力 根據(jù) (2-49)根據(jù)(2-50)根據(jù)根據(jù) (2-51)根據(jù)(2-52)根據(jù)(2-53)(2-54)根據(jù)(2-55)根據(jù) (2-56)根據(jù) (2-57)根據(jù) (2-58)循環(huán)推動(dòng)力 (2-59)2.5設(shè)計(jì)結(jié)果匯總設(shè)計(jì)結(jié)果匯總見表2-2第三章 再沸器的機(jī)械設(shè)計(jì)3.1殼體和管箱壁厚計(jì)算3.1.1殼體壁厚的計(jì)算根據(jù)工藝條件殼程的設(shè)計(jì)壓力為p=0.4Mpa，焊接采用雙面對(duì)接焊局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)=0.85，材料用0Cr18Ni9，t=137Mpa，取鋼板的厚度負(fù)偏差c

29、1=0.8mm，腐蝕裕量c2=2mm，c=c1+c2=2.8mm，設(shè)計(jì)壁厚td為：td=pDi/(2t-p)+c (3-1)=0.4*1000/(2*137*0.85-0.4)+2.8=4.5mm 考慮到換熱器立體擺放，殼體上需安裝支座，為此適當(dāng)增加筒體壁厚，且對(duì)合金鋼最小壁厚要求，取筒體的名義厚度為tn=8mm3.1.2管箱壁厚的計(jì)算換熱器的管箱材料為Q235-B，該材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力為113MPa，焊接采用雙面對(duì)接焊局部無損探傷，焊接接頭系數(shù)=0.85，鋼板的厚度負(fù)偏差c1=0.8mm，腐蝕裕量c2=2mm，c=c1+c2=2.8mm，管箱的設(shè)計(jì)壁厚td為： td=pDi/(2t-p

30、)+c (3-2)=(0.4*1000)/(2*137*0.85-0.4)+2.8=4.5mm取管箱壁厚為tn=6mm3.1.3再沸器的水壓試驗(yàn)水壓試驗(yàn)壓力有pT=1.25p/ t=0.5Mpa和pT=p+0.1=0.5Mpa中取一大值pT=0.5Mpa。T=pTDi+(tn-c)/2(tn-c)=0.5*1000+(8-0.8)/2(8-0.8)=35Mpa (3-3)所用Q235-B板材在常溫時(shí)s=235Mpa，0.4s=0.4*235*0.85=80Mpa (3-4)可見水壓試驗(yàn)時(shí)筒體、封頭壁應(yīng)力都小于0.4s，水壓試驗(yàn)平安。3.2殼體、管子與管板連接構(gòu)造設(shè)計(jì)3.2.1管板的形式由于殼體

31、壁厚小于等于12mm且殼程設(shè)計(jì)壓力不大于1Mpa故管板選擇兼做法蘭式。3.2.2殼體與管板的連接構(gòu)造選擇不可拆式，采用焊接的方法連接參照選取附圖3-1所示圖3-13.2.3換熱管與管板的連接形式換熱管與管板具有較好的可焊性，且沒有較大的振動(dòng)及有間隙腐蝕的場(chǎng)合，故采用強(qiáng)度焊加貼脹。如圖3-2圖3-2換熱管規(guī)格：外徑*壁厚 25*2 換熱管最小伸出長度l1=1.5mm l3=2mm l2=2.5mm3.2.4固定管板式換熱器管板尺寸查得：外徑D=1130mm D1=1090mm D3=997mmD7=1045mm 板厚b=51mm c=12mm d=23mm n=36個(gè) 重量：133kg管板形式如

32、圖3-3所示：圖3-33.3殼體高度L=換熱管長度-2*管板厚度-2*換熱管伸出長度=2500-2*51-2*1.5=2395mm3.4再沸器封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 其厚度取s=6mm。根據(jù)/T4737-1992標(biāo)準(zhǔn)，取上下封頭均為EHA1000*6,DN=1000mm，直邊高度h2=25mm，h1=250mm，質(zhì)量為55kg。材料選擇不銹鋼OCr18Ni9。圖3-43.5容器法蘭的選擇查標(biāo)準(zhǔn)/T4712.3-2007選用型號(hào)為RF 1000-0.6具體尺寸如圖3-5所示圖3-53.6管箱構(gòu)造3.6.1管箱的構(gòu)造對(duì)于單管程換熱器管箱且直徑為1000mm的可以選用常見的B型封頭管箱厚度為6mm，

33、如圖3-6所示的構(gòu)造圖3-63.6.2管箱與管板的連接構(gòu)造 選用如圖3-7所示平焊法蘭RF 1000-0.6凸面密封就可以滿足工藝要求。圖3-73.6.3墊片的選擇再沸器屬于中低壓容器且介質(zhì)為蒸汽，根據(jù)工作壓力0.4MPa和工作溫度150查得密封墊圈采用寬20mm的石棉橡膠板-平形，尺寸1044*1004*3。3.6.4管箱長度確實(shí)定管箱最小長度：?jiǎn)纬坦芟洳捎幂S向接收時(shí)，接收中心線上的管箱最小長度應(yīng)大于或等于接收徑的1/3即Lg min=Di/3=1000/3=333mm管箱最大長度：對(duì)于單程管箱來說，管箱長度應(yīng)考慮流通面積、各相鄰焊縫間的距離外，還應(yīng)考慮管箱中件的焊接和清理。圖3-8Lg m

34、a*=988mm綜合考慮管箱應(yīng)有足夠的空間來均勻輸送流體且333mmLg988mm，現(xiàn)取管箱筒節(jié)長Lg=500mm。3.7換熱管與殼體在溫差作用下的應(yīng)力計(jì)算在安裝溫度下：如圖3-9a所示，殼體與管子的長度均為2500mm，操作狀態(tài)下自由伸長時(shí)，如圖3-9b所示，殼體和管子溫度都升高，假設(shè)管壁溫度高于殼體壁溫度，則管子自由伸長量t和殼體自由伸長量s分別為：t=t(tt-t0)L 3-5s=s(ts-t0)L 3-6式中t，s管子和殼體材料的溫度膨脹系數(shù)，-1；t0-安裝時(shí)的溫度，；tt，ts -操作狀態(tài)下管壁溫度和殼體溫度，。管子與殼體剛性連接時(shí)，如圖3-9c所示，管子與筒體的實(shí)際伸長量必須相等

35、，因此就出現(xiàn)殼體被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力；管子被壓縮，差生壓應(yīng)力。此拉、壓應(yīng)力就是溫度應(yīng)力，也稱熱應(yīng)力。由于溫差而使殼體被拉長的總拉伸量應(yīng)等于所有管子被壓縮的總壓縮力?？偫炝ΨQ為溫差軸向力，用F表示。F為正值表示殼體被拉伸，管子被壓縮；F為負(fù)值時(shí)，表示殼體被壓縮，管子被拉伸。圖3-9管子所受壓縮力等于殼體所受拉伸力。如兩者的變形不超過彈性圍，則按胡克定律可知管子被壓縮的量：t-= 3-7而殼體被拉伸的量：-s= 3-8合并以上兩式，消去可得：t- =s+ 3-9將3-5和3-6代入3-9并整理，得管子或殼體的溫差軸向力：F= 3-10在管子及殼體中的溫差應(yīng)力為t=F/At 3-11s=F/As 3

36、-12式中Et，Es-管子和殼體材料彈性模量，MPa;At-換熱管總截面面積，mm2；As-殼壁橫截面面積，mm2。管子和殼體的溫度膨脹系數(shù)t，s都取17.3*10-6-1；管子和殼體材料彈性模量Et，Es都取210000MPa;所以F=2*106Nt=F/At=2*106/61676= 32.43 MPa s=F/As=2*106/25120=79.6 MPa3.8管子拉脫力和穩(wěn)定性校核該換熱器在可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)工況下管子的應(yīng)力為：表3-1 工藝條件管子殼體材質(zhì)0Cr18Ni9鋼Q235-B/-111.2*10-611.2*10-6E/Mpa0.21*1060.21*106尺寸25*2*25

37、001000*8管子數(shù)427根管間距32mm管殼壁溫差t=20管子與管板連接方式強(qiáng)度焊加貼脹脹接長度l=36mm在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qp為qp= (3-12)式中f=0.866a2-d02=0.866*322-252=396mm2p=0.4Mpa；l=36mmqp=0.4*396/3.14*25*36=0.056 Mpa而溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方脹接周邊上的拉脫力qt= (3-13)式中 t=As=Dtn=3.14*1000*8=25120mm2 (3-14)At=d02-di2n/4=3.14*252-212427/4=61676mm2則t=11.2*10-6*0.21*10

38、6*20/1+25120/61676=33.4Mpaqt=33.4*252-212/4*25*36=1.7Mpa由于管子和管板的連接采用脹焊結(jié)合，管子的許用拉脫力遠(yuǎn)小于0.5材料的許用應(yīng)力，因此拉脫力再許用圍。3.9判斷是否需要膨脹節(jié)膨脹節(jié)是裝在固定管板式換熱器殼體上的撓性構(gòu)件，依靠這樣易變形的撓性構(gòu)件對(duì)管子與殼體的熱膨脹差進(jìn)展補(bǔ)償，以此來緩和或降低殼體與管子因溫差而引起的溫差應(yīng)力。管殼壁溫所產(chǎn)生的軸向力F1= As At (3-15)=11.2*10-6*0.21*106*36*25120*61676/25120+61676=1.5*106N壓力作用于殼體上的軸向力 F2=QAs/(As+A

39、t) (3-16)式中 Q= (Di2-nd02)ps+ndi2pt= (10002-427*252)*0.4+427*212*0.2=2.6*105NF2=2.6 *105*25120/(25120+61676)=1.5*104N壓力作用在管子上的軸向力F3=2.6 *105*61676/(25120+61676)=1.85*104N (3-17)則s=F1+F2/As 3-18)=1.5*106+1.5*104/25120=60Mpat=-F1+F3/At (3-19)=-1.5*106+1.85*104/61676=-24 Mpa根據(jù)GB151-1999的設(shè)計(jì)規(guī)定，在考慮熱應(yīng)力的情況下管

40、子和殼體上的應(yīng)力均小于3倍的許用應(yīng)力，實(shí)際求得的應(yīng)力均較小，滿足設(shè)計(jì)要求，故本換熱器不必設(shè)置膨脹節(jié)。3.10接收、接收法蘭及開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)3.10.1接收按提供的工藝參數(shù)殼程流體進(jìn)出口接收：取接收氣體流速為1=10m/s，則徑為D1=1.03m取D1=105mm管程流體進(jìn)出口接收：取管液體流速為2=2.5m/s，則徑為D2=2.06m取D2=210mm按合理的速度選取的管徑后，同時(shí)考慮外形構(gòu)造的均勻、合理、協(xié)調(diào)以及強(qiáng)度的要求后，應(yīng)使管徑限制在d0=1/31/4Di=250333mm，綜合考慮選取各管徑：即蒸汽進(jìn)管：108*4 冷凝水出管：57*3酒精出管：273*6酒精進(jìn)管:：89*3 排水口：

41、57*33.10.2開孔補(bǔ)強(qiáng)GB 150規(guī)定，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距大于兩孔直徑之和的兩倍，且接收公稱外徑小于或等于89mm時(shí)，只要接收最小厚度滿足要求，可以不另行補(bǔ)償，見表3-2：表3-2 不另行補(bǔ)償?shù)淖钚『穸葐挝唬簃m接收公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.01.06.0所以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，蒸汽進(jìn)管:108*4、酒精出管:273*6、酒精進(jìn)管:89*3需要開孔補(bǔ)強(qiáng)?？梢圆捎醚a(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，原因:構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造方便,壓力要求低。補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5n=1.5*8=12mm，n為殼體名義厚度。所以蒸汽進(jìn)管補(bǔ)強(qiáng)圈厚度選取6mm，酒

42、精出管補(bǔ)強(qiáng)圈厚度選取8mm，酒精進(jìn)管補(bǔ)強(qiáng)圈厚度選取5mm。 一般在補(bǔ)強(qiáng)圈上要求有一個(gè)M10的螺紋孔，供通入壓縮空氣以檢查焊縫的嚴(yán)密性。3.10.3接收法蘭選用板式平焊鋼制管法蘭HG 2059220635-97凸面形式，因?yàn)槊芊饷嫦蛳隆＞唧w法蘭標(biāo)準(zhǔn)如下：蒸汽進(jìn)口法蘭：PL100B-1.0 RF冷凝水出管法蘭：PL50B-1.0 RF酒精出管法蘭: PL250B-1.0 RF酒精進(jìn)管法蘭: PL80B-1.0 RF排水口法蘭：PL50B-1.0 RF3.10.4接收高度確實(shí)定一般最短應(yīng)符合下式計(jì)算值lh+h1+15=24+10+8+15=57mm式中h為接收法蘭厚度，mm；h1為接收法蘭的螺母厚度

43、，mm；為保溫層厚度，mm；l為接收安裝高度。所以取蒸汽進(jìn)管長度為177mm冷凝水出管：177mm酒精出管:227mm酒精進(jìn)管: 160mm排水口：160mm3.10.5接收安裝位置最小尺寸確實(shí)定殼程接收安裝位置最小尺寸見圖3-10所示圖3-10L1d0/2+b-4+C=108/2+51-4+50=151mmL257/2+51-4+50=125.5mm為考慮焊縫影響，一般取C3倍殼體壁厚且不小于50100mm。取蒸汽進(jìn)口定位尺寸為L1=200mm、冷凝水出口定位尺寸L2=150mm3.10.6排氣、排液接收為提高傳熱效率，排除工作殘液，凡不能借助其他接收排氣、排液的換熱器應(yīng)在其殼程和管程的最高

44、、最低點(diǎn)，分別設(shè)置排氣、排液接收，排氣、排液接收的端部必須與殼體或管箱殼體壁平齊。立式換熱設(shè)備中，殼程的排氣、排液口采用管板上開設(shè)不小于16mm的孔，孔端采用螺塞式。選用排氣口27*3 車制外絲頭 L=120mm排污口：25*2 法蘭構(gòu)造PL20B-1.0 RF L=177mm因?yàn)樵俜衅鞯臍こ探橘|(zhì)為蒸汽，所以可采用如圖3-11所示構(gòu)造排氣、排液圖3-113.11支座的選擇再沸器設(shè)備一般選擇立式虹吸式，應(yīng)選用耳式支座，設(shè)備上無偏心載荷，且設(shè)備安裝在室，無需計(jì)算風(fēng)載荷，為此選用支座時(shí)僅考慮設(shè)備的質(zhì)量，根據(jù)計(jì)算設(shè)備本身的質(zhì)量為3183kg，考慮到設(shè)備的介質(zhì)其最大質(zhì)量為4200kg，按四個(gè)支座計(jì)算則每

45、個(gè)支座所應(yīng)支撐的質(zhì)量為1050kg，查標(biāo)準(zhǔn)/T4712.14712.4-2007選用C2 DN1000型材質(zhì)不銹鋼0Cr18Ni9/碳鋼Q235-B，構(gòu)造尺寸如圖3-12所示：圖3-12對(duì)于直徑900mm的立式換熱器，采用四個(gè)支座。3.12設(shè)計(jì)結(jié)果匯總再沸器的主要構(gòu)造如圖3-13所示，主要管口尺寸見表3-3，主體構(gòu)造尺寸見表3-4表3-3 主要管口尺寸管口代號(hào)公稱尺寸用途aG3/4排氣口bDN250酒精出口cDN50冷凝水出口dDN80酒精進(jìn)口eDN50排水口fDN20排污口gDN100蒸汽進(jìn)口表3-4 主體構(gòu)造尺寸名稱尺寸mm材質(zhì)筒體壁厚80Cr18Ni9管箱壁厚60Cr18Ni9管板厚度5

46、10Cr18Ni9筒體高度23950Cr18Ni9筒體直徑10000Cr18Ni9管箱高度5000Cr18Ni9墊片尺寸1044*1004*3石棉橡膠板支座C2 DN10000Cr18Ni9/Q235-B封頭EHA1000*60Cr18Ni9 圖3-133.13 再沸器的主要附屬設(shè)備-排廢器排廢器的選型可以選擇立式支腿下錐圓筒式，主要的構(gòu)造耗材清單如表3-5所示表3-5第四章 結(jié)論此次設(shè)計(jì)全面了解了換熱器的工作原理和構(gòu)造設(shè)計(jì)，熟練地應(yīng)用了CA*A繪圖軟件。在設(shè)計(jì)初期，翻譯了英文文獻(xiàn)，利用文獻(xiàn)檢索查閱了大量的資料，為設(shè)計(jì)后期做了充分的準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)階段，詳細(xì)的閱讀了設(shè)計(jì)任務(wù)書，第一步對(duì)酒精提純的生產(chǎn)過程做出了工藝流程圖，了解了如何制取滿足工藝要求的方法。然后根據(jù)工藝條件，查閱物料的物理特性進(jìn)展工藝計(jì)算，初選再沸器的換熱管型號(hào)和數(shù)量，并進(jìn)展傳熱系數(shù)核算校核，在滿足條件后進(jìn)展機(jī)械設(shè)計(jì)，