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1、l 1 绪论 1.1 关于再沸器 再沸器也称加热釜或重沸器，使被蒸馏液体气化的加热设备。一般与精馏 塔结合使用，直接装于精馏塔的底部或塔外。装在塔外的再沸器是以虹吸管和 导管与精馏塔相连，塔底回流液可沿虹吸管进入再沸器，而自再沸器引出的蒸 汽沿导管升入塔中。加热方式可以是夹套式、蛇管式或列管式。因为再沸器可 以再一次汽液平衡，相当于一次理论塔板。 再沸器是一个能够交换热量，同时有汽化空间的一种特殊换热器。在再沸 器中的物料液位和分馏塔液位在同一高度。从塔底线提供液相进入到再沸器中。 通常在再沸器中有 25-30%的液相被汽化。被汽化的两相流被送回到分馏塔中， 返回塔中的气相组分向上通过塔盘，而
2、液相组分掉回到塔底。物料在重沸器受 热膨胀甚至汽化，密度变小，从而离开汽化空间，顺利返回到塔里，返回塔中 的气液两相，气相向上通过塔盘，而液相会掉落到塔底。由于静压差的作用， 塔底将会不断补充被蒸发掉的那部分液位。 因为再沸器实际上是换热器的一种，所以底油再沸器的设计实际可以当做 一种管壳式换热器的设计。 1.2 关于管壳板式换热器 1.2.1 管壳板式换热器的概述 管壳板式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化 工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。在 炼油、化工装置中换热器占总设备数量的 40%左右，占总投资的 30%-45%。近年 来随着节能
3、技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能 回收带来了显著的经济效益。固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体， 当两流体的温度差较大时，在外壳的适当位置上焊上一个补偿圈， （或膨胀节） 。 当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引 起的热膨胀。除了固定管板式换热器，还有以下几种形式换热器：浮头式换热 器；U 形管换热器；填料函式换热器。 1.2.2 固定管板式换热器的构成 固定管板式换热器由管箱、壳体、管板、管子等零部件组成，其结构较紧 凑，排管较多，在相同直径下面积较大，制造较简单。固定管板式换热器的结 构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接
4、或胀接的方法将管子固定在管 板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管 板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束 l 内根据换热管的长度设置了若干块折流板。这种换热器管程可以用隔板分成任 何程数。 1.2.3 固定管板式换热器的特点 固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成 多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。壳程清洗困 难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。当膨胀之差较大时，可在壳体上设 置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。固定管板式换热器的特点 是：1、旁路渗流较小 2、锻件使用较
5、少，造价低；3、无内漏；4、传热面积比 浮头式换热器大 20%30%。固定管板式换热器的缺点是：1、壳体和管壁的温 差较大，壳体和管子壁温差 t50,当 t50时必须在壳 体上设置膨胀节； 2、易产生温差力，管板与管头之间易产生温差应力而损坏；3、壳程无法机械 清洗；4、管子腐蚀后连同壳体报废，设备寿命较低。 2 结构设计与校核 2.1 设计条件： 工作介质：管程 蒸汽；壳程 C-107 重油。 工作压力：管程 0.5MPa； 壳程 0.235MPa； 设计温度：管程 200； 壳程 150； 换热面积：67.8m2 2.2 常用换热器结构： 根据本设计要求选用固定管板式换热器，固定管板式换热
6、器的常见结构如 下： 图 2-1 固定管板式换热器 1封头；2法兰；3排气口；4壳体；5换热管；6膨胀节；7折流板；8防冲 板；9壳程接管；10管板；11管程接管；12分程隔板；13封头；14管箱；15 l 排液口；16定距管；17拉杆；18支座；19垫片；20、21螺栓、螺母 2.3 换热器的传热设计 2.3.1 计算传热管数 T N 传热管采用 20 号钢拟用规格为，管长，根据文献【6】219mmL6000 传热管数为： T N 根189 6019.0 8.67 Ld A N o P T 式中符号： 换热管外径， 0 dmm 所需换热面积， P A 2 mm 换热管长,Lm 换热管总数，根
7、 T N 2.3.2 换热管排列形式及管心距 管子在管板上的排列有正三角形、正方形和同心圆排列三种方式，如图所 示。传热管的排列应使其在整个换热器圆截面上均匀分布，同时还要考虑流体 的性质，管箱结构及加工制造等方面的问题。正三角形排列的优点有:管板的强 度高；流体走短路的机会少，但管外流体扰动较大，因而对流传热系数较高； 相同的壳径内可排列更多的管子；但是正三角形排列蚀管外机械清洗较为困难。 正方形排列的优点是便于清洗列管的外壁，适用于壳程流体易产生污垢的场合； 但是在同样的管板面积上可排列的管子数量为最少。同心圆排列方式优点再也 靠近壳体的地方管子分布较均匀，在壳体直径较小的换热器中可以排列
8、的传热 管数比三角形排列还多。本换热器流体的性质属于比较洁净和不易结垢，因此 采用正三角形排列，如图所示。 正三角形法 正方形法 同心圆法 图 2-2 管子的排列方式 l 管板上两传热管中心距离称为管心距，管心距的大小主要与传热管和管板 的连接方式有关，此外还要考虑到管板强度和清洗管外表面时所需的空间。 若将传热管按正三角形排列，取管心距dt3 . 1 mmt 7 . 24193 . 1 横过管束中心线的管数，根151 . 1 Tc Nn 2.3.3 固定管板式换热器的管板设计： 此处拟用延长部分兼作法兰的管板。 符号说明: 壳程圆筒内直径横截面积，；A 2 mm 4 2 i D A 隔板槽面
9、积，； d A 2 mm 板管开孔后的面积， ； 1 A 2 mm 4 2 1 d nAA 圆筒壳壁金属横截面积，； s A 2 mm )( siss DA 板管布管区面积，； t A 2 mm 对单管程换热器 三角形排列 2 866 . 0 nSAt 正方形排列 2 nSAt 对多管程换热器，At应区上式计算值与 Ad之和。 根换热器管壁金属横截面积，；a 2 mm 壳体法兰或管箱法兰的宽度，； f b 2 mm )(5 . 0 iff DDb 系数，按和查文献【2】图 3-14； c is D if D l 系数，按和查文献【2】图 3-14； c ih D if D 壳体法兰和管箱法兰外
10、直径，； f D 2 mm 壳程圆筒和管箱圆筒内直径，； i D 2 mm 管板布管区当量直径， t Dmm ； 4 t t A D 换热管外径，；dmm 换热管材料弹性模量，； t EMPa 设计温度时，管板材料的弹性模量，； p EMPa 设计温度时，换热管材料的弹性模量，； f EMPa 系数，按和查 GB151 图 24； we G ) 1 1 2 3 a KP1 t 管束模数，Mpa； t K t t t E na K LD 管束无量纲刚度，Mpa； t K % t t p K K E % 换热管有效长度（两管板内侧间距） ，；Lmm 换热管与管板胀接长度或焊脚高度，；lmm 换热管
11、根数；n 无量纲压力，； a P % 1.5 d at r P P % 当量压力组合，； c PMPa 管板设计压力，； d pMPa 壳程设计压力，； s pMPa 管程设计压力，； t pMPa l 换热管与管板连接拉脱力，；qMPa 许用拉脱力，查 GB151，； qMPa 系数，； 1 na A 管板计算厚度，；mm 换热管管壁厚度，； t mm 管板刚度削弱系数，一般可取值； 管板强度削弱系数，一般取；0.4 系数，； t t t G D D 换热管轴向应力，； t MPa 换热管稳定许用压应力，； cr MPa 设计温度时，管板材料的许用应力，； t r MPa 设计温度时，换热管
12、材料的许用应力，； t t MPa 计算步骤： 壳程圆筒内径mmDi500 壳程圆筒厚度mm s 10 内径面积mmDA i 1962504 2 金属横截面积mmDA siSS 16014)( 圆筒厚度mm h 10 管子外径mmd19 管子壁厚mm t 2 管子根数根,189n 管间距mms25 l 隔板槽面积mmAd60125 管子金属总截面积mmdnna tt 64.20177)( 开孔面积 22 535604mmdn 管子有效长度mmL6000 管束模数MPa LD naE K i t t 5 . 1385 管子回转半径mmddi t 05 . 6 )2( 4 1 22 2.3 封头的
13、设计与校核： 封头包括凸形封头、锥壳（锥形封头、锥形壳体） 、变径段、平盖及紧缩口 等，而凸形封头包括椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和半球形封头。椭圆 形封头推荐采用长短轴比值为2的标准型。 图2-3 椭圆型封头示意图 由于重油易燃易爆，根据工艺要求选择封头筒体采用材料，107cRQ345 采用单层卷制，焊缝处采用双面焊，筒径为，厚度为。mm500mm10 根据文献【8】得，在壳程设计温度为150摄氏度时170MPa。 根据文献【3】标准椭圆形封头的计算厚度按式（2-1）算: (2-1) c t ic P DP 5 . 02 其中是封头的计算厚度；是计算压力 ；封头内直径；设计温度 c p
14、i D t 下封头材料的许用应力。 因为换热器的工作压力为管程； 壳程； 根据文献3选MPa5 . 0MPa235. 0 择其对应的设计压力为 管程； 壳程；MPa6 . 0MPa6 . 0 所以：=，腐蚀裕度为mm88. 0 6 . 05 . 01702 5006 . 0 mm2 l 根据文献【2】表3-2公称直径为时的最小厚度为，mm500mm6 ；mmCCSSn826 21 根据文献【3】椭圆形封头的最大允许工作压力按式（2-2）得： （2- ei e t w D P 5 . 09 . 0 2 2） 其中为最大允许工作压力； 焊接接头系数； 封头的有效厚度。 w P e 焊缝采用双面焊则
15、85 . 0 即： MPaMPaPw6 . 085 . 3 65 . 05009 . 0 685. 01702 压力试验时的应力校核： 根据文献【2】压力试验时，圆筒的总体薄膜应力按式（2-3）计算： (2-3) MPa DP e eiT T 2 )( 式中：圆筒的内直径; 试验压力； 圆筒的有效厚度； 圆筒的纵 i D T P e 向焊缝系数。 即： MPaMPa T 17076.29 85 . 0 62 )6500(6 . 0 所以，合格。 所以，封头采用材料，为标准椭圆形封头，焊缝处采用双面焊，筒RQ345 径为，厚度为。mm500mm8 2.4 筒体的设计和校核： 筒体选材为；RQ345 根据文献【3】设计温度下圆筒的计算厚度按式（2-4）计算，公式的适用 范围为。 c t ic p Dp 2 t c p4 . 0 即: ； （2-mm04 . 1
