處理量4500kgh二硫化碳精餾系統(tǒng)—再沸器設(shè)計【過程裝備與控制工程含1張CAD圖】
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摘要本文主要介紹了釜式再沸器的三個部分，第一部分工藝計算部分，第二部分結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和第三部分的機(jī)械設(shè)計。其中我所設(shè)計工藝設(shè)計計算部分包括根據(jù)設(shè)計條件，查詢介質(zhì)的物性參數(shù)，算出熱流量，平均溫度差估算換熱面積，計算換熱管管數(shù)，確定釜式再沸器的大體尺寸。其次進(jìn)行換熱器核算，包括（1）熱量核算，①殼程對流傳熱系數(shù)②管程對流傳熱系數(shù)③總傳熱系數(shù)④傳熱面積（2）換熱器內(nèi)流體的流動阻力①管程流動阻力②殼程流動阻力。機(jī)械設(shè)計部分包括確定換熱器換熱管的尺寸，殼體（大端，小端） ，封頭，管箱管板，折流板，支持板，法蘭，支座等其他零部件。關(guān)鍵詞：換熱管；再沸器；法蘭；支座；封頭AbstractThis chapter mainly introduces the process calculation part, structural design calculation and mechanical design of the kettle reboiler. The design calculation part of my design includes querying the physical property parameters of the medium according to the design conditions, calculating the heat flux, estimating the heat exchange area by the average temperature difference, calculating the number of tubes, and estimating the approximate size of the reboiler. Second, heat exchanger accounting, including (1) thermal calculation, 1 shell convection heat transfer coefficient 2 tube convection heat transfer coefficient 3 total heat transfer coefficient 4 heat transfer area (2) heat exchanger fluid flow resistance 1 tube Cheng flow resistance 2 shell flow resistance. Mechanical design includes heat exchange tubes, shells, heads, tube boxes, tube sheets, support plates, flanges, bearings, etc.Key words: Heat exchange tube; Reboiler; Flange; Support; Head目錄摘要 ...............................................................................................................................11.緒論 ............................................................................................................................51.1 換熱器及傳熱研究的現(xiàn)狀 .....................................................................................51.2 換熱器的發(fā)展趨勢 ........................................................................................11.2.2 研究緊湊式換熱器 ..............................................................................11.2.3 強(qiáng)化傳熱管的研究 ..............................................................................12 材料的選擇 ...............................................................................................................33 設(shè)計條件 ....................................................................................................................33.1 設(shè)計任務(wù)與設(shè)計條件 .................................................................................33.2 設(shè)計壓力的確定 .............................................................................................33.3 設(shè)計溫度的確定 .............................................................................................34 再沸器基本參數(shù)的確定 ............................................................................................34.1 換熱管基本參數(shù) .............................................................................................34.1.3 殼體內(nèi)管程殼體內(nèi)徑 ..................................................................................64.1.4 布管限定圓 ..................................................................................................84.2 折流板與支持板 ............................................................................................94.2.1 折流板的形式與缺口 .........................................................................94.2.2 折流板與支持板的尺寸 .....................................................................94.3 拉桿的結(jié)構(gòu)和數(shù)量 ................................................................................94.4 接管 ..............................................................................................................104.5 傳熱系數(shù)的校核 ...............................................................................114.6 阻力校核 ...........................................................................................145 結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算 ..............................................................................................195.1 筒體 ............................................................................................................195.1.1 大端壁厚 ..........................................................................................195.1.2 錐殼壁厚 .......................................................................................205.2 封頭的計算 ..................................................................................................215.3 殼程計算 ......................................................................................................235.4 殼程封頭計算 ..............................................................................................255.5 管箱法蘭及墊片 ..........................................................................................275.6 固定管板 ......................................................................................................305.7 滑道及堰板 ..................................................................................................385.8 浮頭法蘭及浮頭蓋 ......................................................................................395.8.1 浮頭法蘭 ...........................................................................................395.8.2 浮頭蓋 ...............................................................................................495.9 接管法蘭 ......................................................................................................515.9.1 管程接管法蘭 ....................................................................................515.9 .2 殼程接管法蘭 ...................................................................................535.9 .3 排液管接管法蘭 ...............................................................................545.10 開孔補(bǔ)強(qiáng) ....................................................................................................555.10.1 管程接管開孔直徑 ..........................................................................555.10.2 殼程接管開孔直徑 .........................................................................57參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................61致謝 .............................................................................................................................631.緒論1.1 換熱器及傳熱研究的現(xiàn)狀換熱器是一種工藝生產(chǎn)中普遍使用的換熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用在在煉油、化工、醫(yī)藥、冶金等諸多領(lǐng)域的行業(yè)中。因此，換熱器的研究和改進(jìn)受到人們極大重視，并且日益改善換熱性能。尤其是自從七十年代初發(fā)生能源危機(jī)以來，各個國家都在紛紛尋找新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源及節(jié)約能源的途徑，而換熱器是節(jié)約能源和充分利用能源的有效設(shè)備。1.1.2 研究工作的動向根據(jù)資料顯示截至目前世界上每年發(fā)表有關(guān)傳熱改善及換熱設(shè)備方面的文獻(xiàn)大約在六千篇以上并且還在不斷增長。同時新能源開發(fā)和利用的文章也日趨增多，人們研究出許多有利于生產(chǎn)應(yīng)用的新能源。研究的重點方向是傳熱機(jī)理、強(qiáng)化傳熱改善、模擬及在線測試技術(shù)，將計算機(jī)應(yīng)用在換熱設(shè)備上不僅提高勞動效率而且將生產(chǎn)向智能化發(fā)展，同時換熱設(shè)備的振動、污垢以及與能源利用和環(huán)境保護(hù)有關(guān)的新型高效換熱器。加大對傳熱基礎(chǔ)理論的研究探討，使得換熱設(shè)備的改善更快，更直接。目前最新的一種研究動向是：從數(shù)學(xué)模型和物理模型出發(fā)，用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出精確的計算公式。1.1.3 計算機(jī)的使用應(yīng)用電腦不僅可以節(jié)省人力，提高效率，而且可以對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和控制，以達(dá)到最高的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能。如美國 Pascagoula 煉油廠原油蒸餾裝置的原油熱交換系統(tǒng)，得益于熱交換系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等改進(jìn)，平均傳熱系數(shù)得到了極大的提高。傳熱分析，應(yīng)力分析，信息和模擬的存儲和檢索，并通過控制程序進(jìn)行編程。一些程序從設(shè)計過程開始直到繪制圖紙。電腦自動繪圖儀只需 10 分鐘即可繪制標(biāo)準(zhǔn)換熱器圖紙。目前，美國 HTRI 國外換熱器設(shè)計方案無疑是一個代表，它已經(jīng)在很多國家推出。另外，其他國家也開發(fā)了一些自動設(shè)計系統(tǒng)和程序。如英國的 HTFS 和其他開發(fā)的 TASC 計劃; 1975 年在劍橋國家工程實驗室重心與電腦輔助設(shè)備合作，根據(jù)美國殼牌熱交換器制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，編制殼管式換熱器機(jī)械設(shè)計程序 STEM 管。這個程序不僅將所有的 “R”TEMA 標(biāo)準(zhǔn)， “C”對于“B”計算出三種各種設(shè)計的換熱器，列出了許多不同的參數(shù)供選擇，并自動吸取平面圖的熱量，到 1978 年底已能夠提供 TEMA 標(biāo)準(zhǔn)換熱器的所有制造建設(shè)計劃。后來又與英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會聯(lián)合發(fā)布了 1976 年底壓力容器代碼 BS?5500 開發(fā)的機(jī)械設(shè)計工藝換熱器;蘇聯(lián)還有 CAΠTA 自動設(shè)計系統(tǒng);日本 HEADS 自動系統(tǒng)由三菱工程船舶有限公司設(shè)計開發(fā)，使用該系統(tǒng)，只需極少的輸入數(shù)據(jù)即可快速獲得機(jī)械設(shè)計圖表和圖紙。第 1 頁 共 頁1.1.4 高溫高壓換熱器的進(jìn)展隨著處理的進(jìn)展以及使用大型高溫高壓的熱交換器。煉油廠加氫熱交換器的例子。近年來，高溫和高壓換熱器已在結(jié)構(gòu)，材料和制造方面取得了一些進(jìn)展。管箱和密封結(jié)構(gòu)有一些改進(jìn)，與管入口面積的熱保護(hù)得到了提高。此外，細(xì)管板或柔性管板結(jié)構(gòu)已被用于減少熱應(yīng)力; 使用小管密集安排改善了管與管板連接。1.1.5 采用新材料由于工藝條件變得越來越嚴(yán)重，迫切需要一些新的材料。在換熱器的制造，鈦在含氯溶液由于其高耐腐蝕性、高強(qiáng)度和屈服極限，比重小，重量輕，和一定的抗污染。鈦換熱器在煉油廠利用鈦冷卻器和冷凝器。鈦換熱器中的應(yīng)用迅速增加。耐酸鋁熱交換器和鍍鋅鋼管換熱器的應(yīng)用也越來越多。最具代表性的非金屬材料是聚四氟乙烯塑料。由于杜邦有限公司成功開發(fā)出塑料換熱器在上世紀(jì) 60 年代中期，它在國外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，由于其優(yōu)良的耐腐蝕和抗污染性能。在上世紀(jì) 70 年代，無論這種換熱器的使用，這幾乎是普遍的。1.2 換熱器的發(fā)展趨勢1.2.1 研究余熱回收設(shè)備工業(yè)余熱使用具有非常大的潛力，對生產(chǎn)顯著的影響。其主要原因是：高溫?zé)崃康幕厥绽煤秃侠砝酶邏耗芰康氖窃谑突瘜W(xué)行業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。從熱交換器的整體結(jié)構(gòu)，各個管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，熱膨脹補(bǔ)償高溫側(cè)的熱通量的控制方法中，有一些需要解決的許多問題; 低溫廢熱回收 100?200 ℃是常見的一般企業(yè)。意義。其原因為企業(yè)的熱效率低是低溫?zé)崮軟]有很好地利用。1.2.2 研究緊湊式換熱器緊湊型換熱器包括散熱片式，板式熱交換器，其具有優(yōu)良的性能，并且當(dāng)使用多個流動路徑安排他們的優(yōu)越性更為顯著。板式熱交換器需要改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)板的強(qiáng)度，研究新的墊圈材料，提高工作溫度和工作壓力是未來開發(fā)的重點。由于殼和管式熱交換器來解決溫度性，耐壓性和高效率從結(jié)構(gòu)之間的矛盾，它被迅速普及和在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用。然而，由于其復(fù)雜的制造工藝和高焊接的要求，有必要把重點放在提高的結(jié)構(gòu)設(shè)計和開發(fā)新的成形和焊接工藝。1.2.3 強(qiáng)化傳熱管的研究近年來令人矚目的成就已經(jīng)作出了國內(nèi)外在利用強(qiáng)化傳熱管，以提高熱交換能力，提高換熱效率，減少傳熱面積，降低設(shè)備投資。增強(qiáng)傳熱管也使用低第 2 頁 共 頁溫?zé)岬年P(guān)鍵部件。表面多孔管可以在一個非常小的溫度差產(chǎn)生許多氣泡核，并增加蒸發(fā)芯多次的數(shù)量。然而，制造過程是相對嚴(yán)格的，生產(chǎn)成本是高的。這些都是今后要解決的所有問題。第 3 頁 共 頁2 材料的選擇根據(jù)設(shè)計條件本次設(shè)計采用 16MnR3 設(shè)計條件3.1 設(shè)計任務(wù)與設(shè)計條件現(xiàn)設(shè)計一臺處理量 4500kg/h 二硫化碳精餾系統(tǒng)—— 釜式再沸器表 2.1 殼程與管程的設(shè)計條件殼 程 管 程溫度 /℃ 72.48 120——110介質(zhì) 四氯化碳 水蒸汽壓力（絕壓）/MPa 1.03.2 設(shè)計壓力的確定設(shè)計壓力：殼程 Pt=1.6MPa，管程 Ps=1.0MPa3.3 設(shè)計溫度的確定本次管程設(shè)計溫度取 115℃，殼程設(shè)計溫度取 72.48℃4 再沸器基本參數(shù)的確定4.1 換熱管基本參數(shù)4.1.1 換熱管常用排列形式見圖 3-1。第 4 頁 共 頁圖 3.1 換熱管排列形式根據(jù)工藝我選擇換熱管排列形式為正三角形排列。4.1.2 工藝參數(shù)的確定定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進(jìn)出口溫度的對數(shù)平均值，管程為水蒸汽。根據(jù)本組同學(xué)塔設(shè)備計算得知殼程溫度t=72.48 ，計算平均傳熱溫差 ：C?mt?bmt-(1207.48)(1072.48)t .3lnlndbT C????????（ ） （ ）取傳熱系數(shù) K=600W/(m2·K)，利用下面公式估算傳熱面積 ：pAm2948037.62.pmΦA(chǔ)Kt?????25×2.5mm 的換熱管采用正三角形排列時，其分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距nS=4m管程數(shù)和傳熱管數(shù)：第 5 頁 共 頁s 22iv8064./n==75.3751du?（ 960） ≈ 根π傳熱管長度為 0s37.=.8mdn14026L??π按單管程計算的話，傳熱管長度過長， 宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取換熱管長度L=6m,那么根據(jù)公式 p7.8=2l6LN≈所以傳熱管總根數(shù)為 152 根, 第 6 頁 共 頁圖 3.2 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距表 3-1 換熱管參數(shù)換熱管管徑/mm Φ25X2.5管長/m 6.0管程 2換熱面積/m 2 37.37管數(shù) 152排列方式 正三角形排列換熱管中心距 S/mm 32分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 Sn/mm 44管程分程布置形式見圖 3-3。4.1.3 殼體內(nèi)管程殼體內(nèi)徑第 7 頁 共 頁D1.052.3.750tNm??? 根據(jù)圓筒內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取管程殼體內(nèi)徑 Dt=500mm。殼程殼體內(nèi)徑蒸氣質(zhì)量流量為 80642./kgh蒸汽密度 因此氣化體積流量3913=80642./91smvqs? 堰上空間許可蒸氣的最大流速 滿足下式：maxu0.5ax0.516=4.9386m/sv???????? 式中， 為堰上空間許可蒸氣的最大流速， ； 為蒸氣密度，maxu v?3/kgm由 值可計算出堰上空間許可的最小流通面積 為：??minA堰??minax 4.6 =80.95svqAu?堰式中， 為堰上空間允許的最小流通截面積， ； 為汽化體積流量，??minA堰 2svq。3/s由管束直徑 和 在《化工原理課程設(shè)計》 （第二版）表 2-14 可得殼體bDin堰直徑第 8 頁 共 頁01Dm?4.1.4 布管限定圓布管限定圓直徑 12()Lib???圖 3.4 的確定??1、 ??2、 ??3其中 ，由《GB/T 151 熱交換器》表 6-4，表 6-5 得取 iD=50m 5bm?， ，所以 13b?1.nb取 2.51nbm??所以 ??2()=0-3+46LiDb? 表 3-2 布管限定圓相關(guān)參數(shù)殼程圓筒內(nèi)徑 Di/mm 500換熱管外表面至殼體內(nèi)壁最小距離b3/mm 10布管限定圓直徑 DL/mm 460第 9 頁 共 頁圖 3.5 換熱器布管圖根據(jù)布管圖可知管板上可以布 152 根管 符合工藝要求。4.2 折流板與支持板4.2.1 折流板的形式與缺口本次設(shè)計采用單弓形缺口豎直左右放置折流板，缺口弦高 h=0.25D1m? 4.2.2 折流板與支持板的尺寸由 GBT 151-2014 查表 6-20，折流板名義外徑 0-.8N-4.5=3.965m折流板間距取 600mm，則需要 10 塊折流板，由 GBT 151-2014 查表 6-21，折流板厚度為 6mm4.3 拉桿的結(jié)構(gòu)和數(shù)量螺紋結(jié)構(gòu)一般適用于換熱管外徑大于或等于 19mm 的管束第 10 頁 共 頁本次設(shè)計拉桿采用螺紋連接，與管板連接端的拉桿螺紋長度 0L1.5624adm?? 圖 3.6 螺紋拉桿由 GBT 151-2014 查表 6-32，6-33,6-34 可得表 3-3 拉桿相關(guān)參數(shù)選擇表換熱管外徑 d/mm 25拉桿直徑 d0/mm 16拉桿數(shù)量 4拉桿螺紋公稱直徑 ???? 16???? 22???? ≥60b 2.04.4 接管管程水蒸汽進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)水蒸汽流速 ，則接管內(nèi)直徑為：10/ums?第 11 頁 共 頁42./97=10.5vqdum??? 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 573m??殼程四氯化碳進(jìn)、出口接管：取接管內(nèi)四氯化碳流速 ，則接管內(nèi)直1.0/ums?徑為： 40.9163=.237vqdum??? 取標(biāo)準(zhǔn)管徑為 2738m??4.5 傳熱系數(shù)的校核4.5.1 管內(nèi)傳熱系數(shù) 2()4mtiTGqdN??102122.358.()14kgms????用文獻(xiàn) [2]式（3—107）計算 210.79.()kGs?2124.8.3()015V gm????2VG第 12 頁 共 頁278.309.4()2VkgGms??用式 計算0.511()eVG??? 0.5218.71.()86.()3e kgs?4.0265.ieedGR?????344.1.01.568pirCP??由于 ，故用文獻(xiàn) [2]式（3—102）計算4510eR??ih0.81/32.61.2754659/(m)ih WK????????4.5.2 沸騰狀態(tài)的確定管內(nèi)測污垢熱阻 20.iRmkw?管外測污垢熱阻 20.18管壁熱阻可以按式 計算，碳鋼在該設(shè)計條件下的熱導(dǎo)率為wbR??. 24.19()WmK首先除管外的熱阻 ，得：’1oimwioi rdrdhK???(m2·K)/W5 -41252520..180.185.0483??????與 對應(yīng)的傳熱溫差 為：’Kmt'?第 13 頁 共 頁-49480' 5.12.937.mpΦtK'A????℃沸騰側(cè)傳熱溫差 為：t'42.31.9.42mt????℃管外沸騰方式還與對比壓力 有關(guān)。其中 ， 為系統(tǒng)壓力（絕壓）rpcrp，為 MPa， 為臨界壓力，查物性參數(shù)知 MPa。則可知：-49.810?c 0.892?-49.810.2rcp??查資料化工原理書 81 頁的圖 2-21 與莫斯廷斯基關(guān)聯(lián)式，可查得時，臨界溫差 約為 32.2℃，大于 。所以該設(shè)計在核狀沸騰狀態(tài)0.1rp?ct)(?t?運(yùn)行。4.5.3 管外傳熱系數(shù)利用莫斯廷斯基公式計算 ：oh2kgf/cm4.86MPa.?cpW/m2=13185.673 kcal/(m2·K)153.98.0/129/?pAΦ總總總 102.17.07.69. 48. rrrpco pΦ/Ah ?總總 102117070690 535353318540953 ...... .... ????=3541.814 kcal/(m2·h·℃)= 4119.129 W/(m 2·K)4.5.4 總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù) 由下式求得：CK第 14 頁 共 頁W/(m2·K)116580.924.9CoKh????’4.5.5 裕度首先可以計算實際傳熱面積 ，由下式得：CAm294803.7652.CmΦKt????傳熱面積裕度 為：H37.4.01%pCA???裕度在合理范圍內(nèi)是可以接受的。4.5.6 熱流密度核算熱通量參數(shù) 可由下式得:?b37.0.114l5AD????查化工原理課程設(shè)計書 2-21 圖得4252529.80Btu/(fh)=.80kcal/mh=3.10wmC??????????（ Q/A） （ ） （ /）而 5539.17.??所以設(shè)計的釜式再沸器是適宜的。4.6 阻力校核4.6.1 管程阻力第 15 頁 共 頁管程阻力可以使用范寧公式來計算，直管部分阻力為 。管內(nèi)雷諾數(shù)ip?，相對粗糙度查文獻(xiàn)得 。在穆迪圖上可841597.Re? 04.52/1./?d?知摩擦系數(shù) ，則：032.i?Pa6974.320.1897205. ?????iiiudlp?局部阻力系數(shù)可取 3，則：Pa1743.586209.8712????irup??由于該換熱器為雙管程，使用結(jié)垢系數(shù) 進(jìn)行修正，則管程阻力為：.FPa26153.789.)586.1743.69(2)( ???????Fprit一般情況下，液體流過換熱器的許可壓降為 Pa，該釜式再沸器40??p的管內(nèi)流體阻力使合適的。4.6.2 殼程阻力圖 3.2 再沸器壓力平衡示意圖H1：塔釜液位 (m), H2：液面與進(jìn)口管距離 (m)，H X：安裝差高 (m)，D：再沸器直徑 (m)第 16 頁 共 頁再沸器的殼程阻力計算可以計算出再沸器的安裝高度 ，XH4.6.3 入口管壓降 1P?入口管流通面積： m22213.40150.4DS????入口管流速： m/s19.6.4872sLqu?入口管質(zhì)量流速： kg/(m2·s)1.015.sGS?入口雷諾數(shù)： 2113.8.4Re71.0LD????入口管摩擦系數(shù)： 013234258025811 ....f. ????入口管壓降：m 液柱)30(19.24.0619)3(.062.19 XXHHDLufP ???????4.6.4 出口管壓降 2P?出口管流通面積： m2223.1405.186S????出口管流速： m/s3.1286.02quvs出口雷諾數(shù)： 251708943232 ...DReV??????第 17 頁 共 頁出口管摩擦系數(shù)： 08225170834340 8025802 ...Re.f .. ??????入口管壓降： )(62.19322LVDufP???m 液柱)40(8.)4507.(.0)4(3.1082.6192 XX HH???????9.5 殼體靜壓 3P?m 液柱084.145273.23 ?????LVD?4.6.5 流體靜壓 4P?m 液柱)3(089.)4573.)(30()(214 XXLVX HHHP ????????其中： 是塔釜內(nèi)釜液的高度，取 =0。 為封頭內(nèi)釜液高度，取 =3 1 12 2m。4.6.6 殼程摩擦壓降 5P?殼程流通面積 為： 153.0)2.1(5.460)1(' ??????tdBDSoo m2o殼程當(dāng)量直徑 為： mmed 19.025)43()423(02???dte殼程雷諾數(shù)為： 698107533...SqRLose ????第 18 頁 共 頁殼程摩擦系數(shù)為： 20169248570127041130535 ...Re.f ..o ??????殼程質(zhì)量流速為： kg/(m2·s)6..SqGosm 液柱1789.0)45738.(4508.9221)1()(21255 ????????VLeoBgdfNDP?4.6.7 計算安裝高度 XH54321PP??????1789.0)3(089..)40(8.3019. ?????? XXX H總總 ..1625??由平衡關(guān)系可知： 21064.285.1 ????XX HHDPm39.064.?X一般情況下留 1.5 倍裕量，所以取 =0.5 m。則再沸器管線出口的垂直長度= m。5.121??HX再沸器入口管線當(dāng)量長度 m，.301?L再沸器出口管線當(dāng)量長度 m。5.142?X殼程阻力 m 液柱 =10232.87 Pa，殼程阻力s H..Pp0685???小于 ，符合要求。510?第 19 頁 共 頁第 20 頁 共 頁5 結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算5.1 筒體參考 GB150-1998，GB151-1999，HG20582-1998 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。大端1000mm，小端 500mm5.1.1 大端壁厚取設(shè)計溫度為 120℃，設(shè)計壓力 1.6MPa，選擇 16MnR 卷制鋼板。查的120℃下，該材料的許用應(yīng)力為 170MPa 焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損檢測，局部無損探傷，故焊接系數(shù) φ =1； 厚度附加量12.50mC?? 12C- 0.3~8式 中 ： 材 料 厚 度 負(fù) 偏 差 ， 在 ， 取 0.5腐 蝕 裕 量 ， 取 1. 計算厚度： mm.6950.4[]271citpD????????設(shè)計厚度： mm2.4.dC??名義厚度： mm17.9150nd???A有效厚度： mm12.=8en???水壓試驗壓力： MPa[].5.5612Tctp???材料屈服應(yīng)力： MPa70s水壓試驗應(yīng)力： MPa()2(95)136.7TiepD???????第 21 頁 共 頁水壓試驗校核： MPa，136.709.17053Ts???????壁厚滿足要求。 5.1.2 錐殼壁厚錐殼按照 HG20582-2010 中的錐殼部分計算，選擇與筒體相同材料16MnR，錐殼上頂角 45°。錐殼大端為 1000 mm，小端 500 mm。腐蝕余量mm，鋼板負(fù)偏差 .5mm。5.12?C01?C計算厚度： mm1.65014.2[]cos27.cos2citpD????????名義厚度： mm124..7nC?????A加強(qiáng)系數(shù)： ， 。查 HG20582-2011，不需加強(qiáng)。.609[]7ctp??5??由設(shè)計工藝知道，管箱直徑與筒體小端的直徑相等，即 500mm短節(jié)與封頭材料：16MnR;封頭采用雙面對焊，100%無損檢測，所以焊接系數(shù) φ =1；短節(jié)部分采用雙面焊對接接頭，100%無損檢測，取焊接系數(shù) φ =1。腐蝕裕量C2=1mm，C 1=0mm計算厚度： mm1.6502.42[]27citpD????????設(shè)計厚度： mm2.43.dC??名義厚度： mm1.0nd??A對于材料 16MnR，鋼板的負(fù)偏差為 0，因?qū)Φ秃辖痄撝频娜萜饕?guī)定，包括腐蝕裕度的最小厚度不小于 3mm，加上 1mm 的腐蝕裕度，名義厚度應(yīng)到4mm，由鋼板材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，名義厚度取和筒體一樣 7mm。 *********第 22 頁 共 頁有效厚度： mm71821???Cne?水壓試驗壓力： MPa[].5.562Tctp??材料屈服應(yīng)力： MPa170s?水壓試驗應(yīng)力： MPa()2(5)2.4TiepD??????水壓試驗校核： MPa，72.409.17053Ts??????壁厚滿足要求。5.2 封頭的計算封頭選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。類型代號 EHADNδ h21公稱直徑為 500mm 的封頭，總深度 H=150mm，內(nèi)表面積 A=0.3103 ,容??2積 V=0.0213 , ??3 50=1.672iDh?其形狀系數(shù) K?第 23 頁 共 頁封頭計算厚度 ??hKP=20.517..48citcDm?????? 設(shè)計厚度 h2md??+C =.4813 名義厚度1+nd???C =3.4805 有效厚度 12-.enC??? =8056m 最大工作壓力 ??w2P=0.5176.4.teiKDMa????? 液壓試驗第 24 頁 共 頁??t1.2570 =.aTPM???1.,TcP??符 合 要 求強(qiáng)度校核 T()26.5iePD?????1.0+ =487Ma 又因為 eL0.2.9R)1753pMPa???（滿足 TCL0.2.9)p??（ 所以符合強(qiáng)度要求 查 GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》表 C.1，表 C.2 可得公稱直徑為 500mm 的封頭,名義厚度為 8mm，總深度 H=150mm，內(nèi)表面積 A=0.3103 ,容積 V=0.0213 ,封頭質(zhì)量為 19.6kg。??2 ??35.3 殼程計算殼程設(shè)計溫度為 80℃，管程設(shè)計溫度為 120℃。查的材料 16MnR 在溫度為 120℃時許用應(yīng)力 為 170MPa。??t?殼程計算厚度 第 25 頁 共 頁??P=21.69507..8cictcDm?????? - PMPc??式 中 ： 計 算 厚 度 ， ;計 算 壓 力 ， a焊 接 接 頭 系 數(shù) 。 殼程設(shè)計厚度 2mdc??+C =6.5817 名義厚度 1nd??+C =7.580m 由 GB/T151-2014 《熱交換器》表 7-1，查圓筒厚度系列標(biāo)準(zhǔn)，圓整后 12nm??有效厚度 12en??-C =0.5m 液壓試驗第 26 頁 共 頁??t1.2570 =.6aTPM???強(qiáng)度校核 T()210iePD?????95+ =6Ma 又因為 eL0.2.9R)1753pMPa???（ 滿足所以符合強(qiáng)度要求 TCL0.20.9R)p??（5.4 殼程封頭計算封頭選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。類型代號 EHA。950=1.8263iDh?其形狀系數(shù) 1K?封頭計算厚度第 27 頁 共 頁??hKP=20.51697..citcDm?????? 設(shè)計厚度 h2md??+C =5.716 名義厚度1+nd???C =6.5702 有效厚度 12-.5enC??? =0m 最大工作壓力 ??w2P=0.5179.3.6teiKDMa????? 液壓試驗第 28 頁 共 頁??t1.2570 =.6aTPM???1.,wcP??符 合 要 求強(qiáng)度校核 T()210ieD????95+ =6MPa 又因為 eL0.2.9R)1753pMPa???（滿足 TCL0.2.9)p??（ 所以符合強(qiáng)度要求 查 GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》表 C.1，表 C.2 可得公稱直徑為 950mm 的封頭，總深度 H=263mm，內(nèi)表面積 A=1.0529 ,容??2積 V=0.1300 , 封頭質(zhì)量為 82.1kg。??35.5 管箱法蘭及墊片根據(jù) NBT 47020~47207-2012《壓力容器用法蘭、墊片、緊固件》選用長頸對焊法蘭，凹凸密封面。PN=1.6MPa 。法蘭材料： 16MnⅡ，法蘭質(zhì)量：凸面271.6kg，凹面 268.4kg。第 29 頁 共 頁圖 4.1 凹凸面密封第 30 頁 共 頁表 4-1 長頸對焊法蘭的結(jié)構(gòu)型式法蘭公稱直徑DN，mmD ??1 ??2 ??3 ??4 δ H h aPN=1.6MPa500 640 600 565 555 552 38 100 25 17表 4-1（續(xù)）法蘭 螺柱 對接筒體公稱直徑DN，mm??1 δ 1 δ 2 R d 規(guī)格 數(shù)量 最小厚度PN=1.6MPa500 14 12 22 12 23 M24 24 8墊片金屬板材選擇碳鋼。圖 4.2 金屬包墊片的結(jié)構(gòu)型式表 4-2 墊片尺寸第 31 頁 共 頁公稱壓力 PN,MPa 1.6公稱直徑 DN,mm D d500 554 522墊片厚度 3mm。墊片接觸寬度 5423NDdm???墊片基本密封密度 016b5.6 固定管板釜式再沸器共有兩塊管板，第一塊是是管箱與殼體之間的固定管板，另一塊是浮頭管板。依據(jù)設(shè)計采用 T 型可抽浮頭結(jié)構(gòu)，設(shè)計參考 GB151-2017 及相關(guān)法蘭墊片標(biāo)準(zhǔn)。 D1bf查取材料得，殼體公稱直徑 mm，換熱管外徑 mm，換10N?25?od熱管壁厚 mm，換熱管根數(shù) ，換熱管長度 mm，換熱管2.5t??52n60L失穩(wěn)當(dāng)量長度 mm，換熱管間距 mm，管板上管程分隔板槽深10crL3tmm，換熱管與管板連接采用焊接，焊接高度 f=3.5 mm。殼體管箱法蘭41H均采用 FM-800-2.5 JB/T4703-2011，墊片均采用 G-1500-2.5 JB/T4706-2011。材料，換熱管使用 20 號鋼，管板使用 16MnR 材料計算各參數(shù):管板連接方式選擇 a 型第 32 頁 共 頁圖 4.3 管板與殼體、管箱的連接表 4-3 管板基本參數(shù)最小厚度 δ min/mm 18.75名義厚度 δ n/mm 20有效厚度 δ e/mm 205.6.1 a 型連接方式管板的計算步驟布管尺寸計算 dttA?、 、 D、 。管板分程處面積 ' 2223S15478.dnAm????????? 管板布管區(qū)面積第 33 頁 共 頁2t d2=1.73n+5781.40.6ASm??? 管板布置區(qū)當(dāng)量直徑t/4270.136/=9.tA???D由 GB 150.3-2011 第 7 章 7.5.1.3 得 0.4bm?所以墊片有效密封厚度02.53=16.m? 墊片壓緊力作用中心圓直徑2=54-3.76GDb??? 10所以管板計算半徑 =253.76.8mGDR 布管區(qū)當(dāng)量直徑與計算直徑之比 =249.3 680.ttDR??a) 由 GB/T 151-2014 表 7-7 得第 34 頁 共 頁0.297cC?b) 管板計算壓力 P=1.6Madt c) 管板計算厚度 ??G0.82D0.2971.65364cdtrCP?????? =.7m??GD-MPa- 0.4ParcdtCP??式 中 ， 墊 片 壓 緊 力 作 用 中 心 圓 直 徑 ， 系 數(shù) ，管 板 計 算 壓 力 ， 管 板 強(qiáng) 度 削 弱 系 數(shù) ， 一 般 取設(shè) 計 溫 度 下 管 材 的 許 用 應(yīng) 力 ，5.6.2 換熱管軸向應(yīng)力??24tsttdppa?????其中 a 按下式計算??2=.5-.176ttadm??? 如果下面這種工況滿足要求，那么另外兩種工況也滿足要求（ =0 或者sp=0）tp殼程設(shè)計壓力 ，管程設(shè)計壓力=1.6MPasp=1.0MPatp第 35 頁 共 頁此時， ??245=-1.601.072tsttdppaMP?????? 滿足要求。tt a??????≤5.6.3 換熱管與管板連接的拉脫力換熱管與管板連接方式選擇脹焊并用。由 GB/T 151-2014 6.6.2.3 可知，換熱管與管板焊腳高度 。又tl?不 應(yīng) 小 于因為 ，取 。=2.5tm?3l?因此，換熱管與管板連接的拉脫力2.5176.3.8taqdlMPa???? 由于??????0.5min,=178ttrqPa??? 所以，滿足要求。??q?5.6.4 確定布管方式及殼程圓筒、管箱圓筒、管箱法蘭、換熱管等元件結(jié)構(gòu)尺寸。b) 根據(jù)管板結(jié)構(gòu)尺寸管板分程處面積 2781.dAm?第 36 頁 共 頁管板布管區(qū)面積 2t=2740.136Am管板布置區(qū)當(dāng)量直徑 9t?D所以墊片有效密封厚度 .b墊片壓緊力作用中心圓直徑 53.76G所以管板計算半徑 =26.8mR布管區(qū)當(dāng)量直徑與計算直徑之比 =0.9t?c) 假設(shè)管板計算厚度 δ，按結(jié)構(gòu)要求確定其延長部分作為法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸：寬度 ，厚度 或 。???? ??"?? ??"??d) 管板抗彎剛度和各項旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 、 、 、 、 、 。??'?? ??"?? ???? ~fKf~of設(shè)計溫度下管板材料的彈性模量 52.01tEMPa??管板材料泊松比，取 =0.8?管板計算厚度 ?3675m管板開孔前的抗彎剛度 ??3253281.06.7=9.pEDNm?????? 殼程圓筒殼常數(shù)1.2.8=9504.16siskD??? 管箱圓筒殼常數(shù)第 37 頁 共 頁1.82.=50.2hihkD??? 系數(shù)???32' ' 3234.114=.0650.65019ssisfikDkD??????????????????????????? 系數(shù) ???32" " 3234.110=.0250.5414hhihfikDkD??????????????????????????? 殼程圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 3 3'' ' '' ' '35 352211.026=.90.1062.7MPaff fffsf sii iiEbEbKDD???????????????????????????????????????? ? 管箱圓筒與法蘭的旋轉(zhuǎn)剛度參數(shù) 3 3"" """ " "2121ff fffhfii iiEbEbKDD????????????????????????????????'"fffK第 38 頁 共 頁2~8itffDK?初始數(shù)據(jù)殼程設(shè)計壓力 1.6spMPa?墊片壓緊力作用中心圓直徑 =53.76GDm管板計算壓力 =.d系統(tǒng)計算d) 布管尺寸計算 dttA?、 、 、 。管板分程處面積 ' 2223S15478.dnm????????? 管板布管區(qū)面積 2t d2=1.73n+5781.40.6ASm??? 布管區(qū)內(nèi)開孔后面積222/ =740.136-5/48ltAndm????管板布置區(qū)當(dāng)量直徑第 39 頁 共 頁t4/2078.31/=5.mtA???D設(shè)計溫度下?lián)Q熱管材料的彈性模量 5.tEMPa一根換熱管的管壁金屬的橫截面積??2.5-.176ttadm????? 管束模數(shù)562.017.1=943.ttEnaKLD?? 管束無量綱剛度 651.0=42ttpKE???? 8系數(shù)15276.1=/=038naA??所以管板厚度取 40mm 合適5.7 滑道及堰板選取板式滑道第 40 頁 共 頁圖 4.4 釜式重沸器管束滑道5.8 浮頭法蘭及浮頭蓋5.8.1 浮頭法蘭5.8.1.1 管程壓力 作用下浮頭法蘭的計算????5.8.1.1.1 設(shè)計條件設(shè)計壓力 1.0tpMPa?設(shè)計溫度 2C?法蘭材料：16MnⅡ ，許用應(yīng)力 。??17=0tMPa?螺柱材料：40MnB ，許用應(yīng)力 。t1.5arcsin0.9=i14.38fieDR????? 5.8.1.1.2 墊片及螺柱計算墊片采用復(fù)合柔性石墨波齒金屬板，材料：碳鋼外徑×內(nèi)徑×厚度：554×552×3墊片接觸寬度 2Nm?墊片基本密封密度 16b墊片比壓力 y=50MPa墊片系數(shù) m=3.0第 41 頁 共 頁5.8.1.1.3 法蘭假設(shè)法蘭有效厚度 =56mm????內(nèi)壓引起的總軸向力20.785=3.61.049GcFDpN?? 操作狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊力 6.28=53.701.01pGcFDbmpN??? 所以 246.92.68427.06p N???預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷（即預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小墊片壓緊 ）????3.1=45.7602aGWDybN?? 5.8.1.1.4 螺柱螺柱直徑 dB=27mm螺柱數(shù)量：n=30又????12/=509.6183834tmpbAF??? ??223810=79.6ambW?? 第 42 頁 共 頁需要的螺栓總截面積12max{,}=0937..66mA? 實際使用螺栓總截面積2247183.bBAndm??? =螺栓設(shè)計載荷????0.5=1793.6+821.34mbWAN????? 假設(shè) l=6mm。作用在浮頭法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭壓力載荷引起的軸向分力2=0.7851.0NDficFp? 螺柱中心圓直徑 15mb螺柱中心至法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)的徑向距離??1=2507.mDbfiL? 窄面法蘭墊片壓緊力3956GpFN?螺柱中心至 作用位置處的徑向距離GF第 43 頁 共 頁??1=25043mGbGLD? 內(nèi)壓引起的總軸向力 F 與 之差????=857239.6-0NTDF?? 螺柱中心至 作用位置處的徑向距離TF??12=57.346mTDGL?? 作用在浮頭法蘭環(huán)內(nèi)側(cè)封頭壓力載荷引起的徑向分力cot=78503.99.6rDFN???? 對法蘭環(huán)截面形心的力臂TF12cos560.