-
大连理工大学本科课程设计
再沸器机械设计
学
院（系）：
大连理工大学
专
业：
学
生
姓
名：
学
号：
指
导
教
师：
评
阅
教
师：
完
成
日
期：
大连理工大学
Dalian
University of Technology
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
目
录
1
设计基础
.
..................................................
..................................................
......................... 2
1.1
项目背景
.
..................................................
..................................................
.............. 2
1.2
设计依据
.
......................................
..................................................
.......................... 2
1.3
技术来源及授权
.
< br>............................................... .................................................. ..... 2
1.4
项目简介
.
..................................................
..................................................
.............. 2
1.5
选择依据
.
......................................
..................................................
.......................... 3
2
机械设计
.
..................................................
..................................................
......................... 4
2.1
工艺参数计算结果表
.
.............................................
.................................................
4
2.2
换热器结构设计和计算
.
............................................ .............................................. 5
2.2.1
布管方式
.
..................................................
..................................................
... 5
2.2.2
传热管与管板连接
.
..............................................
.........................................
5
2.2.3
壳体及管箱连接
.
< br>............................................... ............................................ 6
2.2.4
法兰选用
.
..................................................
..................................................
... 6
2.2.5
管箱计算
.
..................................................
..................................................
... 7
2.3
换热器机械设计和计算
.
............................................ .............................................. 8
2.3.1
筒体壁厚计算
.
................................................ ............................................... 8
2.3.2
管箱短节封头厚度计算
.
............................................ ................................... 9
2.3.3
固定管板计算
.
................................................ ............................................. 10
2.3.4
膨胀节设置必要性判断
.
............................................ ................................. 14
2.4
零部件结构设计及计算
.
............................................ ............................................ 15
2.4.1
支持板
.
.
..................................................
..................................................
.... 15
2.4.2
拉杆和定距管
.
................................................ ............................................. 16
2.4.3
接管
.
..
..................................................
..................................................
...... 17
2.4.4
接管法兰
.
..................................................
..................................................
. 17
2.4.5
排液孔
.
.
..................................................
..................................................
.... 19
2.5
其他结构设计和计算
.
.............................................
...............................................
19
2.5.1
垫片选用
.
..................................................
..................................................
. 19
2.5.2
支耳选用
.
..................................................
..................................................
. 19
2.5.3
管箱接管开孔补强校核
.
............................................ ................................. 20
2.5.4
壳体接管开孔补强校核
.
............................................ ................................. 20
3 SW-11
辅助设计计算结果
<
/p>
.
............................
..................................................
............ 21
–
1
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
1
设计基础
1.1
项目背景
本项目来源于大连理工大学
过程装备与控制工程专业大四年级过程工艺与设备课
程设计题目；
设计者为过程装备与控制工程专业在校大四学生，与项目
发布者为师生关系；
本项目设计装置为立式热虹吸式再沸器。
1.2
设计依据
过程工艺与设备课程设计任务书（见附录）
《固定式压力容器安全技术监察规程》
TSG R0004-2009
《压力容器》
GB
150-2011
《热交换器》
GB/T 151-2014
《长颈对焊法兰》
JB/T
4703-2000
《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》
GB/T 17395-2008
《钢制压力容器封头》
JB/T
4746-2002
《承压设备无损检测》
NB/T47013-2015
《石油化工钢制管法兰用紧固件》
SH/T 3404-2013
1.3
技术来源及授权
《化工单元过程及设备课程设计》，匡国柱、史启才主编，化学工业出版社，
2002
年。
《化学化工物性数据手册》
（有机卷）
，
刘光启、
刘杰主编，
化学工业出版社，
2002
年。
《化工原理》（下册），大连理工大学，高等教育出版社，
2009
年。
SW6-2011
化工设备设计软件
1.4
项目简介
精馏是分离液体混合物
（含可液化的气体混合物）
最常用的一种单元操作，
在化工、
炼油、石油化工等工业中得到广泛应用。板式精馏塔是常见的精馏分离
设备，结构上，
板式
精馏塔是一圆形
筒体，塔内装有多层塔板，塔中部适宜位置设有进料板，两相在
–
2
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
塔板上相互接触和分离。在板式塔提馏段底部会设置再沸器，再沸器的作用是将塔底液
体部分汽化后送回精馏塔，使塔内气液两相间的接触传质得以连续进行。
正文各级标题编号的示例如图
1.1
所示。
1.5
选择依据
再沸器分为立式再沸器、卧
式再沸器及内置式再沸器。立式又分为立式热虹吸式、
立式强制循环式，卧式分为卧式热
虹吸、卧式强制循环式和釜式再沸器。
而立式热虹吸式再沸器
结构紧凑、占地面积小、传热系数高，塔釜提供气液分离空
间和缓冲区，而且此次传热介
质较为清洁适合该类型换热器。
立式热虹吸式再沸器，它是一
垂直放置的管壳式换热器。液体在自下而上通过换热
器管程时部分汽化，由在壳程内的载
热体供热。立式热虹吸再沸器是利用塔底单相釜液
与换热器传热管内汽液混合物的密度差
形成循环推动力，
构成工艺物流在精馏塔底与再
沸器间的流动循
环。这种再沸器具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，釜液在加热段
的停留时间短，不
易结垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点。同
时，由于结构上的原
因，壳程不能采用机械方法清洗，因此不适宜用于高粘度或较脏的
加热介质；而且，由于
是立式安装，因而会增加塔的裙座高度。
< br>为提高本项目的设计计算准确性，本设计采用了业内常用的化工设备设计软件
SW
6-2011
进行计算校核。
–
3
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
2
机械设计
2.1
工艺参数计算结果表
物料名称
流量
Kg/h
操作温度
?
C
进口
出口
进口
出口
进口
出口
操作压力
MPa
定性温度
?
C
密度
kg/m3
液
体
导热系数
W/m●?C
热容
kJ/kg●?C
粘度
mPa●S
表面张力
N/m
气化潜热
kJ/kg
密度
kg/m3
气
体
导热系数
W/m●?C
热容
kJ/kg●?C
粘度
mPa●S
气化潜热
kJ/kg
形式
壳体内径
mm
设
备
结
构
参
数
接管尺寸
mm
管径
mm
管长
mm
管数目（根）
传热面积
m2
管程数
进口
出口
管程
丙烷
丙烷
27071.28
27071.28
52.25
52.25
1.818
52.25
440
0.08154
3.090
0.071
0.003937
278.182
25
0.0205
0.12
0.0086
278.182
立式
700
38×
3
3000
123
44.05
1
250
300
管程
台数
壳程数
管心距
mm
排列方式
壳程
壳程
水蒸气
冷凝水
3334.55
3334.55
100
100
0.1013
100
958.4
0.683
4.220
0.283
58.8*10-6
2258.4
0.5970
0.0237
4.180
0.0102
2258.4
1
1
48
正三角形
300
200
主要计算结果
–
4
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
流速
m/s
传热膜系数
W/m2●?C
污垢热阻
w/m2? K
阻力损失
Pa
热负荷
kW
传热温差
?
C
总传热系数
W/m2●?C
裕度
%
0.785
718.11
0.000176
9378.52
2091.873
47.75
1376.14
38.38
1393.73
0.00009
2.2
换热器结构设计和计算
2.2.1
布管方式
布管图如下：
2.2.2
传热管与管板连接
<
/p>
根据设计压力及工作温度等条件，管子与管板的连接采用强度胀接即满足要求。传
热管板厚度大于
25mm
，强度胀接的管孔结构
采用双槽。
胀接长度假设管板厚
60mm
min
（
2
×
38
，
50
，
60-3
）
=50
（
mm
）
环形槽深度
K=0.6mm
所以管板最小厚度为
?
min
=26mm
< br>。
–
5
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
2.2.3
壳体及管箱连接
（
1
）
管板与壳体的连接
延长部分兼作法兰的管板。
（
2
）
管板与管箱的连接
按照工艺要求及压
力、
温度选择法兰形式为长颈对焊法兰，
密封面采用凹凸面形式
。
2.2.4
法兰选用
以工艺条件：管侧压力和壳
侧压力中的的高值，以及设计温度和公称直径
Φ
700
，
按
JB4703-2000
< br>长颈对焊法兰标准选取。
法兰结构尺寸如下（
mm
）：
DN
?
700
D
?
860
D
1
?
815
D
2
?
776
D
3
=766
D
4
?
763
h=35
?
t
=50
H=120
d=27
。
具体数据意义如下：
–
6
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
2.2.5
管箱计算
（
1
）
封头
选用椭圆形封头曲面高度
h
1
=175mm
；
直边高度为
50
㎜。
（
2
）
管箱结构形式
根据工艺条件，选用单管程换热器管箱。
（
3
）
惯性结构尺寸确定
①
管箱最小长度
管箱最小长度的确定原则：
单程管箱
采用轴向接管时，
接管中心线上的管箱最小长度大于等于接管内径的
1/3
，
1
即
L
g
min
?
d
i
3
管箱最小长度计算
:
进口处：
按流通面积计算
1
< br>1
L
'
g
min
?
d
i
?
?
250
?
83.33
?
mm
?
3
3
–
7
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
按各相邻焊缝间的距离计算
<
/p>
L
g
min
?
h
f
?
C
?
L
4
?
120
?
50
?
175
?
345
?
mm
?
管箱无需短节，
L
g
min
?
L
'
g
min
?
83.33
?
mm
?
出口处：
按流通面积计算
1
< br>1
L
'
g
min
?
d
2
?
?
300
?
100
?
mm
?
3
3
按各相邻焊缝间的距离计算
L
<
/p>
g
min
?
h<
/p>
f
?
C
?
L
4
?
120
?
50
?
175
?
345
?
mm<
/p>
?
L<
/p>
g
min
?
L<
/p>
'
g
min
?<
/p>
100
?
mm
?
②
管箱最大长度
H
?
400
?
mm
?
L
g
max
?
500
?
mm
?
③
管箱长度的确定
L
< br>g
min
?
L
< br>g
?
L
g
max
取进出口处管箱长度
均为
345
㎜。
2.3
换热器机械设计和计算
2.3.1
筒体壁厚计算
由工艺设计给定温度
100
℃，
设计压力
p
c
=1.82M
Pa,
选低合金结构钢板
16MnR
卷
制，
材料
100
℃是的许用应力
?
?
?
t
=163MPa,
取焊缝系数
Φ
< br>=0.9
，腐蚀裕度
C
2
=2mm
，则
计算厚度
?
?
p
c
D<
/p>
i
2
?
?
?
?
?
p
c
t
?
1.82
?
700
?
4.37<
/p>
?
mm
?
2
?
163
?
0.9
?
1.82
设计厚度
?
d
?
?
?
C
2
?
4.37
?
2
?
6.37
?
mm
?
名义厚度
S
n
?
S
d<
/p>
?
C
1
?
圆整
?
6.37+0.8+
< br>圆整
=7.17+
圆整，取
?<
/p>
n
=12
㎜
有效厚度
?
e
?
?
n
?
C
1
?
C
2
?
12-0.8-2=9.2
㎜
–
8
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
水压试验压力
P
< br>T
?
1
.
25
P
c
?
?
?
?
?
?<
/p>
t
?
1.25
×
1.82
×
1=2.275
（
MPa
）
所选材料的屈服应力
?
s
?
314MPa
水压试验应力校核
?
T
?
P
2.275
?
?
7
00
?
9.2
?
T
?
D
i
?
?
e
?
?
?
87.69
（
M
Pa
）
2
?
e
2
?
9.2
87.69Mpa<0.9
?
s
Φ
=0.9
×
314
×
1=282.6
（
< br>MPa
）
水压强度满足要求。
气密试验压力
P
T
=
P
c
=1.82MPa
2.3.2
管箱短节封头厚度计算
由工艺设计给
定实际参数为：设计温度
100
℃，设计压力
< br>1.82MPa
，选用
16MnR
钢
板，
材料许用应力
?
?
?
t
< br>=163Mpa
，
屈服强度
?<
/p>
s
?
314MPa
，
取焊缝系数
Φ
=0.85
，
腐蚀裕度
C
2
=2
㎜。
计算厚度
?
?
p
c
D<
/p>
i
2
?
?
?
?
?
p
c
t
?
1.82
?
700
?
4.63<
/p>
?
mm
?
2
?
163
?
0.85
?
1.82
设计厚度
?
d
?
?
?
C
2
?
4.63
?
2
?
6.63
?
mm
?
名义厚度
?
n
?
?
d<
/p>
?
C
1
?
6.63
?
0.8
?
7.43
+
圆整，
结合考虑开孔补强及结构需要取
S
n
=12
mm
有效厚度
?
e
?
?
n
?
C
1
?
C
2
?
12
?
0.8
?
2
?
9.2
?
mm
?
所选材料的屈服应力
?
< br>s
?
314MPa
水压试验应力校核
?
T
?
P
2.275
?
?
700
?
9.2
?
T
?
D
i
?
?
e
?
?
?
< br>87.69
（
MPa
）
2
?
e
2
?
9.2
99
．
87Mpa<0.9
?
s
Φ
=0.9
×
314
×
1=282.6
（
MPa
）
水压强度满足要求。
管箱封头取用厚
度与短节相同，取
?
n
=12mm
–
9
–
大连理工大学本科再沸器机械设计说明书
2.3.3
固定管板计算
按
GB151-2014
中
7.4.6
固定管板式热交换器管板计算。
管板与管箱、筒体选用
e
型连接方式。设计工况为第四类。
确定布管方式及各元件结构尺寸：
圆筒内径
壳程圆筒
< br>管箱圆筒
管箱法兰：
换热管：
d
=38mm
，
（
1
）按式计算以下参数
0.10
，
，
n
=157
，<
/p>
S
=48mm
，
L
=3000mm
，
（
2
）按
GB150.3-2011
第
7
章算出以下参数
–
10
–
-
-
-
-
-
-
-
-
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