甲苯再沸器設計【含8張CAD圖】
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題目：甲苯再沸器設計一、前言1.課題研究的意義，國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（1）課題研究意義：對于國家的節(jié)能政策以及工業(yè)的高效節(jié)能技術來說,換熱器及其相關技術十分重要,其傳熱性能直接影響到能源利用率。在工業(yè)生產(chǎn)中,再沸器作為換熱器的一種在化工、石油、能源等領域被廣泛地采用,是必要的設備。熱交換器作為節(jié)能設備之一，在國民經(jīng)濟中起到非常重要的作用。隨著節(jié)能技術的發(fā)展，利用換熱器進行高溫和低溫熱能回收帶來了顯著的經(jīng)濟效益。目前，在換熱設備中，使用量最大的是管殼式換熱器,它被當作傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用。再沸器廣泛地應用于煉油化工裝置中,再沸器的選用和安裝正確與否將直接影 響到裝置的運行和產(chǎn)品的質量。例如在催化裂化裝置中,穩(wěn)定塔底的再沸器直接影響到穩(wěn)定塔的運行,影響到穩(wěn)定汽油和液態(tài)烴的質量。因此,正確選用合適的再沸器,正 確安裝再沸器是十分重要的。再沸器是安裝在塔底用來升溫汽化塔底部產(chǎn)出物的換熱器,一般與塔設備開口直接相連。再沸器與塔的材質、溫度不同,會在豎直方向和管線軸向產(chǎn)生較大的熱應力。（2）國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢：隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，以能源為中心的環(huán)境、生態(tài)等問題日益加劇。世界各國在尋找新能源的同時，也更加注重了節(jié)能新途徑的研發(fā)。強化傳熱技術的應用不但能節(jié)約能源、保護環(huán)境，而且能大大節(jié)約投資成本。換熱器由于其在化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門的廣泛應用，使得換熱器的強化傳熱技術一直以來受到研究人員的重視，各種研究成果不斷涌現(xiàn)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種不同結構和種類的換熱器發(fā)展很快，新結構、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。換熱器又稱熱交換器，是一種將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，也是實現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設備。換熱器既可是一種單獨的設備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設備的組成部分，如石化、煤炭工業(yè)中的余熱回收裝置等。目前，國內外各個煉油化工企業(yè)的新上裝置及新改造裝置的規(guī)模越來越大。而為了實現(xiàn)裝置的大型化，就需要解決一些原有關鍵換熱設備占地面積大、重量大、投資大及能耗高的缺點。而目前在煉油、化工行業(yè)中普遍使用的管殼式換熱器已不能滿足大型化裝置的需要。板殼式換熱器作為高效緊湊式換熱器的一種，具有換熱效率高、端部溫差小、壓降低、節(jié)省占地面積、節(jié)約工程及設備安裝費用、節(jié)省裝置操作費用等優(yōu)點，適合煉油、化工等領域大型化生產(chǎn)裝置的使用要求。對于板殼式換熱器的設計和生產(chǎn)制造，可圍繞板殼式換熱器的技術發(fā)展、結構特點、經(jīng)濟性能方面的一些介紹做出對比和分析 [1]。歐美發(fā)達國家 20 世紀 80 年代起開始竟相開發(fā)、研制各種型式的板殼式換熱器。其中具有代表性的為法國一公司，該公司于 20 世紀 80 年代首次在催化重整裝置中用一臺大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器組。20 世紀 90 年代末期，該公司又將大型板殼式換熱器用于加氫裝置。該公司的產(chǎn)品得到美國聯(lián)合油的認證，其產(chǎn)品主要用于的催化重整、芳烴及加氫裝置。而板殼式換熱器在中國的起步比較晚。1999 年蘭州石油機械研究所研制成功大型板殼式換熱器，該產(chǎn)品具有國際先進水平、首創(chuàng)獨特結構的全焊式板式換熱器，并已在煉油廠重整裝置，化肥廠水解解吸裝置及集中供熱換熱站等場合得到應用。目前國內外再沸器的選用原則是:工程上對再沸器的基本要求是操作穩(wěn)定、調節(jié)方便、結構簡單、加工制造容易、安裝檢修方便、使用周期長、運轉安全可靠，同時也應考慮其占地面積和安裝空間高度要合適。2．課題的研究目標、內容和擬解決的關鍵問題（1）研究目標:本次畢業(yè)設計針對甲苯再沸器裝置進行設計，并根據(jù)任務書所給數(shù)據(jù)進行設計。在換熱器的設計過程中，首先要有準確的工藝參數(shù)，確定換熱器的工作情況。在結構設計時，對于管板、膨脹節(jié)這些關鍵的承壓元件，在計算過程中，使用合理的方法進行尺寸調節(jié)，從而達到最優(yōu)的設計尺寸，這些是設備安全、經(jīng)濟可靠的保證。同時，要在整個設計過程中，對開停車、檢維修以及制造、使用、安裝的成本進行考慮，以達到整個設備在制造、服務周期內，能夠安全、順利、可靠工作的目的 [13]。具體設計參數(shù)：管程：工作介質為導熱油，進口溫度 220℃，出口溫度 180℃，工作壓力 0.5MPa；殼程：工作介質為甲苯，工作溫度 80℃~160℃，流量30000Kg/h。（2）內容：a.設備的結構論述及尺寸設計；b. 完成與課題密切相關的外文資料翻譯；c. 根據(jù)所學相關知識進行工藝計算；d. 學習相關設計規(guī)范，并依照其進行強度計算和機械設計；e. 繪制施工圖；f. 完成完整的畢業(yè)設計說明書（含中英文摘要）g. 對本設計進行評述，最終掌握換管殼式熱器設計的整個過程（3）擬解決的關鍵問題：再沸器工作的主要原理為殼程沸騰傳熱。沸騰傳熱是通過汽泡的生成、長大、脫落實現(xiàn)的對流傳熱。沸騰傳熱是一種相變傳熱,與無相變傳熱相比傳熱效率更高,正因如此使得沸騰傳熱成為了研究熱點。傳統(tǒng)管殼式換熱器的設計工作量大、效率低,設計方法比較粗糙,設計偏差較大,流體物性參數(shù)隨溫度的變化是設計中產(chǎn)生不確定性的主要因素之一。換熱器的設計包括工藝設計計算與強度設計計算兩部分。工藝設計計算是保證工藝設計要求，完成整個大化工流程的換熱要求。準確的工藝設計計算，也是設備專業(yè)設計安全的保證。工藝設計要對設計的溫度、介質、壓力進行準確的計算，才能使設備對生產(chǎn)的工況有準確的滿足，設計出安全可靠、性價比高的設備。二、設計方案的確定1．方案的原理、特點與選擇依據(jù)甲苯化學性質活潑，可進行氧化、硝化和歧化反應，以及側鏈氯化反應，可以被氧化為苯甲酸。甲苯大量用作溶劑和高辛烷值汽油添加劑，也是有機化工的重要原料，但與同時從煤和石油得到的笨和二甲苯相比，目前的產(chǎn)量相對過剩，因此相當數(shù)量的甲苯用于脫烷基制苯或歧化制二甲苯。再沸器常用于分餾塔底,對塔底流體加熱使一部分物料汽化返回塔內,以提供分餾所需要的熱源,又稱重沸器。沸騰傳熱設備是化工過程中常用的一種設備,在化工過程中,裝于蒸餾塔底部用于汽化塔底產(chǎn)物的換熱器通常稱之為再沸器(也稱之為重沸器)。大多數(shù)的再沸器為管殼式換熱器。根據(jù)實際生產(chǎn)中不同的需要,沸騰過程既可以發(fā)生在殼程,也可以發(fā)生在管程。加熱介質通常是蒸汽,也可以是載熱的流體、氣體等。再沸器（也稱重沸器）顧名思義是使液體再一次汽化。它的結構與冷凝器差不多，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：再沸器是一個能夠交換熱量，同時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。 物料在重沸器受熱膨脹甚至汽化，密度變小，從而離開汽化空間，順利返回到塔里，返回塔中的氣液兩相，氣相向上通過塔盤，而液相會掉落到塔底。由于靜壓差的作用，塔底將會不斷補充被蒸發(fā)掉的那部分液位。相比于其他換熱器，管殼式換熱器的特點是結構牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得管殼式換熱器在各種換熱設備的競相發(fā)展中得以繼續(xù)存在下來，并被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采用。在管殼式換熱器運行過程中，由于管束內外的流體介質溫度不同，管束和殼體的溫度也有差異。當兩者具有很大溫差的時候，換熱器內部將產(chǎn)生較大的熱應力，嚴重時可造成管子彎曲、斷裂或松脫。因此，當殼體和管束溫度差超過 50℃時，就可能由于熱應力而引起設備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。管殼式換熱器屬于間壁式換熱器，其換熱管內部流體通道為管程，而換熱器外部流體通道是殼程。管程和殼程內的流體溫度不同時，則溫度高的流體將會通過換熱管壁，將熱量傳遞給溫度較低的流體，進而使得溫度高的流體得到降溫，而溫度低的流體被加熱，實現(xiàn)換熱工藝。管殼式換熱器主要由管箱、管板、管子、殼體以及折流板等組成。一般圓筒形為殼體，直管或 U 形管為管子。為把換熱器的傳熱效能提高，也能使用螺紋管、翅片管等。管子的安排有等邊三角形、正方形、正方形斜轉 45°以及同心圓形等幾種方式，最為常見的是前面三種。按照三角形排管時，在一樣直徑的殼體內能排列相對多的管子，可以大大增加傳熱面積，但給清洗維修工作造成了一定困難，也造成相對大的流體阻力。 通過在管束中橫向部署一些折流板，引導殼程流體幾次改變流動目標，使管子有效地沖刷，可以提高傳熱效率，同時對管子起支承作用。折流板的形狀可分為弓形、圓形以及矩形等。為把殼程以及管程流體的流通截面減小、流速加快，以把傳熱效能提高，能在管箱以及殼體內縱向安排分程隔板，把殼程分為二程以及把管程分為二程、四程、六程以及八程等。管殼式換熱器的傳熱系數(shù)，在水-水換熱時為 1400-2850 W/(m.℃)；用水冷卻氣體時，為 10-280W/（m .℃） ；用水冷凝水蒸汽時，為 570-4000W/（m.℃） 。管板作為管殼式換熱器最重要的零部件，用來 排布換熱管，將殼程和管程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程，殼程壓力和溫度的作用。管板設計的好壞直接影響換熱器整體的性能和安全，應對其強度進行仔細校核管板結構參數(shù)的選取，需要考慮管殼程設計壓力、設計溫度，管殼程兩側介質特性等因素 [8]。管板結構參數(shù)的合理選取，對于正確選用和節(jié)約材料，減少加工制造的困難，降低成本，確保使用安全，都具有重要意義 [14]。根據(jù)不同的結構形式，管殼式換熱器分為固定管板式、浮頭式、U 型管式等。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結構十分簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊；由于這種結構式殼側清洗困難，所以殼程宜用于不易結垢和清潔的流體。當管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨 脹時，用使用管子于管板的接口脫開，從而發(fā)生介質的泄漏。固定管板式換熱器適用于管、殼間溫度小或溫差稍大，但殼程壓力不高，殼程結垢不嚴重，并可用化學清洗的場合。固定管板式換熱器缺點是當管束和殼體的壁溫相差很大時，殼體和管束中將產(chǎn)生很大的熱應力。這對于管殼程有高溫高壓的本設計來說不大合理。浮頭式換熱器的結構特點是兩端管板之一不與外殼固定連接，可在殼體內沿軸向自 由伸縮，浮頭式換熱器的優(yōu)點是擋環(huán)熱管與殼體間有溫差存在，殼體或環(huán)熱管膨脹時，互不約束，不會產(chǎn)生溫差應力：其缺點是結構較復雜，用材量大，造價高；浮頭蓋與浮 動管板間若密封不嚴，易發(fā)生泄漏，造成兩種介質的混合。 填料函式換熱器的特點是管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應力。填料函式換熱器的優(yōu)點是結構較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價也比浮頭式的低；管束可以從殼體內抽出，管內管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函耐壓不高，殼程介質可能通過填料函外漏，對于易燃、易爆、有毒和貴重的介質不適用。由于其耐壓性能不好，故暫不選取填料函式換熱器。 U 型管式換熱器因管束與殼體是分離的，在受熱膨脹時，彼此間不受約束，故消除了溫差應力，其結構簡單，造價便宜，管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便，承壓能力強，特別適用于管內走清潔而不易結垢的高溫、高壓、腐蝕性大的物料。盡管浮頭式 換熱器也可以達到此目的，但是其結構復雜，造價高。 工業(yè)中應用的再沸器多為管殼式換熱器，主要可分為釜式、虹吸式（立式和臥式） 、強制循環(huán)式和內置式等型式，釜式再沸器：由一個擴大部分的殼體和一個可抽出的管束組成，管束末端有溢流堰以保證管束能有效的浸沒在沸騰液體中，故循環(huán)在管束與其周圍液體之間進行，溢流堰外側空間作為出料液體的緩沖區(qū)，殼側擴大部分空間作為汽液分離空間。釜式再沸器的氣化率可達到 80％以上，相當于一塊理論塔板的作用。其優(yōu)點是維修和清洗方便，傳熱面積大，氣化率高，操作彈性大，可在真空下操作。但其傳熱系數(shù)小，殼體容積大，物料停留時間長易結垢，占地面積大，金屬耗量大，投資較高。熱虹吸式再沸器：熱虹吸式再沸器為有組 織的自然循環(huán)式，精餾塔底的液體進入再沸器被加熱而部分汽化，形成的汽液混合物密度顯著減小，并一起進入精餾塔內，在塔內進行汽液分離，利用兩側的密度差使塔底液體不斷被虹吸入再沸器。虹吸式再沸器分為兩類：立式和臥式，通常管內蒸發(fā)采用立式，且為單管程；殼程蒸發(fā)采用臥式，可以為多管程。煉油工業(yè)約 95％使用臥式熱虹吸，而化工行業(yè)約 95％使用立式熱虹吸，石油化工行業(yè)介于期間，其原因與裝置規(guī)模及介質的結垢性有關，也與使用習慣有關。臥式虹吸再沸器：殼體可采用 J、H、X 型結構。按照工藝過程臥式虹吸再沸器又可分為一次通過式和循環(huán)式，一次通過式是指塔底出產(chǎn)品，進再沸器的物料由最下一層塔板抽出其組成與塔底產(chǎn)品不同；循環(huán)式是指塔底產(chǎn)品和再沸器進料同時抽出其組成相同。一次通過式和循環(huán)式也可由泵強制輸送。臥式虹吸式再沸器的氣化率不應過大，對于烴類設計的氣化率一般小于 30％，對于水溶液一般不超過 20％，氣化量較大時需采用循環(huán)式。臥式虹吸再沸器的分餾效果小于一塊理論塔板，且由于出口管線較長阻力降較大，不適用于低壓和真空操作工況。立式虹吸再沸器:立式虹吸再沸器一般采用固定管板、單管程、管內汽化，出口管與塔體連接，減小了阻力，適用于低壓和真空操作。其分餾效果低于一塊理論塔板，氣化率一般按 10～15％考慮。按工藝過程可分為一次通過式和循環(huán)式，為了使操作穩(wěn)定常在塔底部加一塊隔板. 通過以上的對比分析，考慮到達到設計的目標、使用效果以及設備造價問題，在換熱設備中，使用量最大的是管殼式換熱器,它被當作傳統(tǒng)的標準換熱設備在很多工業(yè)部門中大量使用。2．設計步驟(1）再沸器的工藝計算：確定設計條件和設計方案；材料的選擇；設計溫度、設計壓力的確定；計算換熱面積；計算工藝結構尺寸（選擇合適的換熱管，換熱管的排列方式、數(shù)量、尺寸、中心距等，分程隔板槽兩側相鄰中心距的計算） ；折流板和接管（折流板的計算、選型，管程和殼程接管的計算） ；換熱器的熱力核算（管程對流傳熱系數(shù)，殼程對流傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)；壓強核算（管程，殼程） 。(2）換熱器結構計算：設計參數(shù)參數(shù)的選定；筒體（材料的選取，筒體的結構尺寸和形式） ；管箱（材料，結構尺寸和形式） ；封頭（前端管箱封頭的選型和計算厚度，后端封頭的選型及厚度計算） ；換熱管的選??；管板設計（連接方式，管板布管區(qū)面積、計算半徑、計算厚度等） ；接管設計；折流板設計；支座的設計；校核是否需要開孔補強，對每一個接管外徑大于 89mm 的接管進行檢驗，計算出開孔補強面積和有效補強范圍。（3）換熱器的強度計算（包括筒體，封頭，管箱，管板，接管，支座承載能力等的校核） ；(4）整個設備的經(jīng)濟核算；(5）設備工程圖紙繪制（1 張三維動畫繪圖；1 張 A0 或 A1 的換熱器的裝配圖以及若干關鍵零部件 CAD 圖） 。三、階段性設計計劃、設計目標與應用價值1.階段性設計計劃2017 至 2018.1 完成課題介紹、熟悉課題、查閱文獻、翻譯外文資料、學習標準規(guī)范、撰寫文獻綜述，至少收集十五篇相關資料，翻譯一篇英文資料（要求為近五年發(fā)表） ，完成文獻綜述，并在網(wǎng)上提交正稿；2017-2018.2 學期前兩周確定設計方案,熱力設計計算，網(wǎng)上提交熱力設計結果；第三周至第五周進行方案論證，設備強度計算，結構尺寸的確定，完成計算書，網(wǎng)上提交計算書；第六周至十一周，畫 CAD 裝配圖，零部件圖及三維圖 網(wǎng)上提交電子版圖紙；十二周到十四周，編寫設計說明書,準備答辯，完成設計說明書 1 份，網(wǎng)上提交說明書；第十五周進行畢業(yè)答辯，提交答辯材料，提交材料包括：撰寫規(guī)范的畢業(yè)設計說明書電子版、紙質版；十六周對答辯發(fā)現(xiàn)的問題進行整改. 網(wǎng)上提交全套完善的資料。2.設計目標根據(jù)所給工藝參數(shù)，參考實際條件設計一臺甲苯再沸器設備，針對不足之處給予改進。3.應用價值再沸器的設計是以傳熱和壓降的計算為基礎的, 精餾的本質是利用不同物質的揮發(fā)度不同，通過多次汽化、多次冷凝的精餾過程而達到物質分離的單元操作過程，而多次汽化所需的能量即通過再沸器提供的，這就是再沸器的作用。整理出一套用于固定管板式換熱器、浮頭式換熱器及 U 形管式換熱器工藝設計計算的方法。四、參考文獻[1] 史秀麗，張宏峰.板殼式換熱器發(fā)展現(xiàn)狀及其優(yōu)越性[D]. 黑龍江:大慶石化公司塑料廠大慶石化公司塑料廠，2006.[2] 胡津銘.淺談國內管殼式換熱器發(fā)展[J]. 科技視界， 2015：106-107.[3] 肖琳琳.再沸器的配管設計[J].化工管理，2016，6:246-248.[4] 薛提微.換熱器的熱力設計方法與性能評價[D]. 山東:山東大學能源與動力工程學院，1994.[5] 許光第.高性能換熱裝置的設計及優(yōu)化[D].上海：華東理工大學，2013.[6] 宋繼偉.換熱器直接設計法研究與應用[D].山東：山東大學，2009.[7] 王再麗.固定管板式換熱器制造工藝[J].科技視界，2011，13（5）：187-188.[8] 趙天舒.石化裝置固定管板式換熱器工藝設計[J].科技視界，2015,10：41.[9] 任慶鑫.換熱器特征結構設計及其拓展模擬方法研究[D].吉林：吉林大學汽車工程學院，2017.[10] 耿強，王鑫泉，馬立國.精餾塔再沸器的控制方案及其優(yōu)化[J].石油化工設計, 2017，34(1)：9-11.[11] 劉瀘生，劉旭，夏勇.再沸器腐蝕原因分析及改[J].氮肥技術, 2017，38（4）：48-50.[12] 楊濤，湯玉敏.臥式熱虹吸式再沸器的計算選型[J].山東化工，2017,46（4）：157-161.[13] 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