毕业设计(论文)扬子30万t乙烯装置丙烯精馏塔再沸器设计.doc
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1、大连理工大学本科毕业设计(论文)扬子30万t/年乙烯装置丙烯精馏塔再沸器设计Design of Propylene Rectifying Column Reboiler in Yangzi Ethylene Plant学部(学院): 化工机械学院 专 业: 过程装备与控制工程 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摘 要该设计为扬子30万t/年乙烯装置丙烯精馏塔设计了再沸器。论文首先收集了国内外诸多近期关于再沸器的文献,指出了现阶段再沸器存在的问题与解决方法,并展望了未来的发展
2、方向。论文从选型方面,对各种再沸器的优缺点进行了详细的分析与比较,并结合实际生产情况,确定使用釜式再沸器。在工艺设计方面,使用管内无相变传热公式和莫斯廷斯基管外传热公式,确定了合适的尺寸,避免再沸器尺寸过大,且裕度合适。设计中的强度设计依照GB150-1998和GB151-1999,按照TEMA-1998设计了浮头管板,并校核了振动失效。经计算,所有设计均安全。此外,文中还对新旧设计进行比较,从经济性,可靠性与维护方面进行分析。经济性方面,成本费与加工费合计约为80万人民币。相比较,原设计的设备成本比新设计要低。可靠性和维护性方面,由于釜式再沸器有着相当的缓冲能力,而且不存在热应力,其可靠性好
3、。另外由于壳程是可拆结构,有利于壳程的清洗,对设备的持续工作有利。所以,新设计在可靠性与维护性方面有优势。关键词:工艺设计;强度设计;经济性分析Design of Propylene Rectifying Column Reboiler in Yangzi Ethylene PlantAbstract The reboiler of propylene rectifying column in Yangzi ethylene plant is designed in this work. Firstly, the literatures about reboiler both at home
4、and abroad are collected in this work, point out the exiting problem of rebioler and the possible solutions. It also prospects the future direction of its development. In the part of model selection, this designation has made a fully comparison and analysis of all kinds of reboiler. And after seriou
5、s consideration of the reality, designer decides to use kettle reboiler. In process design part, designer uses no-phase-change Heat Transfer Tube Formula and Mosdingski Heat Transfer Tube Formula. The result is pretty appropriate because it avoid the oversize of the reboiler. In the strength design
6、part, this designation fully obeys the standard of GB150-1998 and GB151-1999. TEMA-1998 standard is also used in the designation of floating head tube sheet. After that, designer checks the possibility of vibration failure, which shows a total safety of all the designation. Whats more, the compariso
7、n between the new reboiler and the old one is made. In economy part, the material cost and manufacturing cost is nearly 800,000RMB. It is shown that the old designation is cheaper than the new one. In reliability and maintenance part, because kettle rebioler has a considerable buffering capacity and
8、 has no thermal stress, its reliability is better. Whats more, the kettle rebioler is detachable which could convenient the wash and fix job. So the new designation has more advantage in reliability and maintenance.Key Words:Process Design;Strength Design;Economy Analyze目 录摘 要IAbstractII1 文献综述11.1 再
9、沸器的主要种类、特点及其应用场合11.1.1 釜式再沸器11.1.2 塔内置式再沸器11.1.3 水平热虹吸再沸器21.1.4 立式管侧热虹吸再沸器31.1.5 立式壳侧热虹吸再沸器31.1.6 强制流动再沸器41.2 再沸器存在的问题及其解决61.2.1 腐蚀泄漏问题61.2.2 振动失效问题81.2.3 焊接问题91.3 再沸器优化设计101.4 论文结构132 再沸器工艺设计142.1 设计背景142.2 再沸器选型162.3 工艺设计172.3.1 设计任务与设计条件172.3.2 估算设备尺寸172.3.3 传热系数的校核202.3.4 阻力校核222.4 工艺设计结果253 再沸器
10、结构与强度设计273.1 筒体273.1.1 大端壁厚273.1.2 锥壳壁厚273.1.3 封头283.2 管箱283.2.1 短节283.2.2 封头283.2.3 结构尺寸303.3 补强303.3.1 管箱接管303.3.2 壳体进料接管313.3.3 壳体气相出口接管323.3.4 壳体液相出口接管323.4 固定管板333.4.1 计算各参数333.4.2 确定管板设计压力333.4.3 计算无量纲数343.4.4 计算管板厚度343.4.5 校核轴向应力353.4.6 校核拉脱力363.5 浮头363.5.1 浮动管板计算363.5.2 浮头盖计算383.5.3 浮头计算结果41
11、3.6 折流板,拉杆,滑道423.7 振动423.8 支座443.9 强度设计结果454 个人重点设备费用与经济性分析464.1 设备费用估算464.2 操作费用评估484.3 可靠性评估484.4 设备维护49结 论50参 考 文 献51附录A 符号说明52致 谢541 文献综述1.1 再沸器的主要种类、特点及其应用场合再沸器是精馏工艺中的核心装备之一,属于换热器的范畴,但是由于在其中发生了相变,其设计、施工、维修和管理方面也与日常的无相变换热器有所不同。再沸器就其形式而言,可分为交叉流和轴向流两种类型。在交叉流类型中,相变过程全部发生在壳程。最常用交叉流再沸器的有釜式再沸器、内置式再沸器和
12、水平热虹吸再沸器。在轴向流类型中,沸腾流体沿轴向流动,在管程完成汽化过程。最常用的轴向流再沸器为立式热虹吸再沸器。当热虹吸再沸器的循环量不够时,则使用泵来增加循环量,这时,称之为强制流动再沸器。强制流动再沸器既可以为立式结构,也可以为水平结构。通常,立式热虹吸再沸器和强制流动再沸器的沸腾过程均发生在管程,但在特殊的应用场合,沸腾过程也可发生在壳程。下面就各种类型再沸器的优缺点及应用作一较详细的分析1。1.1.1 釜式再沸器釜式再沸器(图1.1)壳体为大小端圆柱形壳体结构,通过锥形壳连接。其汽液分离过程在壳程中进行。为保证管束完全浸没在液体中,通常在管束的外侧设一挡板,维持壳程液位。换热管束通常
13、为双管程的U 形管结构,当壳程液体较脏,为了方便清洗也可以使用浮头式换热管。釜式再沸器非常适合应用在汽化量大,沸点范围宽的场合。图1.1 釜式再沸器示意图 1.1.2 塔内置式再沸器塔内置式再沸器(图1.2)的特点是将管束直接插入蒸馏塔的塔底液池中,其他同釜式再沸器一样。其应用场合类似于釜式再沸器,但是也有相当的限制,即塔或塔釜直径大,釜液洁净不易结垢的工况。图1.2 塔内置式再沸器示意图1.1.3 水平热虹吸再沸器热虹吸,顾名思义,是利用塔底液再沸过程密度变小(主要是部分汽化的缘故),从而和塔内液体产生密度差,进而获得稳定而持续的推动力,使得再沸过程得以持续。热虹吸再沸器是自然循环式,不需要
14、外加能源,易于控制,所以几乎可以用于任何精馏装置中。其局限性是不宜用于粘性大、有特殊结垢倾向的介质(这主要是因为热虹吸再沸器由于结构原因,一般都设计成固定管板式,其壳程的清洗是相当困难的)以及热源温度不稳定、或再沸器前后过程不稳定的场合,另外热虹吸再沸器的汽化率要控制在一个较小的(10%20%)范围内。而且,对于管内外流体温差较大的情况下,需要增设膨胀节。总之,热虹吸式再沸器是目前最广泛应用,使用经验最丰富的再沸器形式。图1.3 水平热虹吸再沸器示意图 水平热虹吸再沸器(图1.3),其加热介质在管内流动,管程即可以是单流程,也可以是多流程。在设计时,对于沸点范围较宽的流体,应设水平折流板,以防
15、止轻组分在进口处闪蒸及重组分在出口处浓缩。为了防止流动阻塞,流动不稳定,应对最大热流密度加以限制。该型再沸器适用于中等压力、中等温差及低静压头的场合。1.1.4 立式管侧热虹吸再沸器即立式热虹吸再沸器(图1.4),是应用范围最广泛的再沸器形式。沸腾过程可以发生在管程,也可以在壳程。立式管侧热虹吸再沸器的沸腾过程发生在管程,加热介质在壳程,两相流混合物以较高的流速由排出管流向塔内。出口管的流通截面应与管束总的过流面积一样大,出口管的压降应小于总压降的30%。出口管既可由沿轴向的大直径弯管和塔连接,也可采用管箱侧面开口。试验表明,出口管的结构对再沸器的性能影响很小,但出口管过流面积过小对再沸器的性
16、能影响很大3。流动循环的驱动压头由塔釜的液面压头提供。通常,塔釜液面和再沸器的上管板在一个水平面上。对于真空条件,塔内液面高度可为管束长度的0.50.8 倍,这样可减少再沸器的过冷长度。为消除在低压头和高热流条件下发生的流动不稳定性,应在供液管路上安装阀门或孔板。对于碳氢化合物,最佳的出口干度应在0.10.35,而对于水和水溶液,出口干度应在0.020.1。管径和管长的选择应保证有足够的循环量,防止发生干涸。图1.4 立式管侧热虹吸再沸器示意图立式热虹吸式再沸器仍然属于固定管板式换热器,是无法对热应力进行补偿的。因此对于温差较大的工况,只能通过采取加膨胀节的方法,这对控制成本是不利的。所以,其
17、最佳适用条件为纯组分、中等压力、中等温差、中等热流及易结垢的场合。1.1.5 立式壳侧热虹吸再沸器立式壳侧热虹吸再沸器(图1.5)沸腾过程发生在壳侧。壳侧装有折流板,以使流体纵向流动。垂直壳侧再沸器适用于加热介质不适宜放在壳侧的场合。例如,对于废热锅炉,由于加热流体的腐蚀性,因而要节省特殊的金属材料,加热介质走管程较为合适。图1.5 立式壳侧热虹吸再沸器示意图该类再沸器的设计,应使沸腾侧的流动均匀分布,以避免死区的出现,防止汽态和高沸点组分的积聚,设计时应使两相混合物以均匀的高流速流经管板。该类型再沸器的最佳应用场合为中等压力、中等温差条件下的纯组分的蒸发,且加热介质必须放在管内侧的工况,例如
18、加热介质压力很大的情况。1.1.6 强制流动再沸器强制流动再沸器(图1.6)沸腾过程发生在管内侧,卧式立式均可以。流体循环的动力由大容量泵提供。强制流动再沸器的最佳应用场合为有严重结垢倾向和有极高粘性的流体。因为可以泵可以使流体保持很高的流速和非常低的蒸发率,使结垢的速率大大减小。但泵的造价和能源消耗都很高,故而使用受到一定限制,适用场合不甚广泛1,2。图1.6 强制流动再沸器示意图表1.1 各型再沸器优缺点一览表种类优点缺点釜式再沸器1对操作条件的变化不敏感,可达到很高的汽化率,很低的温差。2在真空下或接近临界压力下操作时,设计比较可靠。3无热应力,结构可靠,清洗方便。1壳程液体在再沸器内停
19、留时间长,湍流度低,是所有再沸器中最容易结垢的。2. 占地面积大,耗费金属多,造价高。内置式再沸器1.受水力环境的影响很小,可使用低品位热源。2省去了壳体及连接管路等附件,是所有类型再沸器中造价最低的。3. 无热应力,结构可靠。1比较容易结垢。2对塔釜设计不利,往往使塔釜过大,不利于操作和开停车。3不适宜经常拆洗维护。水平热虹吸再沸器1不需要外加能源,易于控制,几乎可以用于任何精馏装置中。2有较高的循环率,较高的流速和较低的出口干度,从而防止了高沸点组分的积聚和降低了结垢的速率。3管束为水平方向布置,且流动面积易于控制,因而需要的静压头较低,这就降低了塔釜的高度,对精馏塔的设计有利。1不宜用于
20、粘性大、有特殊结垢倾向的介质。2由于无法进行很大的热补偿,不适宜温差大,热应力大的场合。3壳程结垢后很难清洗。4由于折流板及支撑板的影响,在高热流条件下,有可能发生局部的干涸现象。对于大型热虹吸再沸器,为了使流动分布均匀,往往需设多个管口和连接管件,这也势必增加了再沸器的造价。5水平热虹吸再沸器相对于立式再沸器,其占地面积大。立式热虹吸再沸器1应用最为广泛,使用经验最为丰富。2循环速度高,不仅传热膜系数高于水平式,而且有很好的防垢作用,特别适用于高分子材料。1垂直管不易拆卸、清洗及维修,尤其是管程结垢不易清洗。2塔底液面高度大约与再沸器上部管板在同一水平面上,这就提高了塔底的高度,使塔体造价增
21、大,尤其是高大的塔。3. 立式热虹吸再沸器对操作条件要求高,对于高真空和高压力(近临界压力)及高粘度的宽沸点的条件,设计的难度很大。4由于无法进行很大的热补偿,不适宜温差大,热应力大的场合。强制流动换热器1由于油泵提供能量,管内流体流速快,不易结垢,适合严重结垢和极高粘性的流体1泵的造价和能源的消耗都很高。应用不很广泛1.2 再沸器存在的问题及其解决再沸器在现代化工中有广泛的应用,其所在的精馏装置往往是化工,纺织企业的核心与基础。所以,再沸器的可靠工作关乎企业的工作业绩和安全管理。不过,由于种种原因,再沸器在服役过程中往往会出现实际中意想不到的问题。这些问题轻则造成再沸器工作能力下降,不能正常
22、位精馏塔提供能量;重则造成物料污染,装置泄漏或损坏,造成极大经济损失。据估计,一台再沸器意外损坏,直接经济损失几十万,但造成的间接经济损失每天都以千万计!所以,一些重要的精馏装置往往设双再沸器,保证系统的稳定可靠工作。据近期文献4、5、6所示,再沸器的存在的最主要问题就是腐蚀泄漏问题,其次就是振动,再有就是焊接问题。据统计,由腐蚀造成的再沸器腐蚀泄漏失效占再沸器总失效事件的65%以上。而且其原因也是多种多样,十分复杂。国内外近年来对此作了大量研究。而振动造成的失效也占二成左右,其特征是往往伴随着腐蚀现象同时发生,危害很大,容易造成管束和壳体出现疲劳裂纹,必须得到重视。而焊接质量问题主要是由于设
23、计失误,质量把关不严,发生几率不高,但是一旦出现此类问题,必将造成大面积泄漏,经济损失也最大。下面就将对这些问题进行一一介绍:1.2.1 腐蚀泄漏问题 腐蚀泄漏问题是再沸器故障中最为常见的一种,虽原因不尽相同,但在现象,解决方法上也有共性。在此限于篇幅,仅选出最有代表性的几篇文献进行讨论:王华明,李玲等4 对低变再沸器断裂试样进行了断口分析,对设备结构和工艺操作原因进行分析。文中指出,电化学腐蚀在低变再沸器中十分普遍。解决问题的核心在于尽量防止管子成为阳极。而对于低变再沸器中发生的应力腐蚀发生在电化学腐蚀之后,主要是由于管束与折流板的材质不一样,形成了原电池,而由于折流板不耐腐蚀,其开孔受到腐
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